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Chaîne de puissance

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Énergie et Puissance

L'énergie est la « nourriture » nécessaire à toute action. Elle peut prendre plusieurs formes : mécanique, thermique, électrique, hydraulique, chimique, etc. Elle s'exprime en joules (J) dans le système international d'unités. 

Autres unités pratiques : le Watt heure (1 Wh = 3 600 J), la calorie (1 cal = 4,18 J), la tonne équivalent pétrole (1 tep = 42 GJ).

La puissance mesure la rapidité à laquelle l'énergie est consommée : $\rm Puissance = Énergie / Temps$

Elle s'exprime en watt (W) dans le système international d'unités, sachant que $1 W = 1 J/s $(donc $\rm 1 J = 1 W.s$). 

Autre unité pratique : le cheval vapeur ($\rm 1 ch = 736 W$)

Composantes de l'énergie et de la puissance

Quelle que soit la forme de l'énergie ou de la puissance, elles sont toujours le produit de 2 composantes : 
$\rm Énergie = Composante ~d'effort \times Composante ~de ~déplacement$. 
$\rm Puissance = Composante~ d'effort \times Composante~ de ~flux$. 

Voici pour différentes formes d'énergie les composantes respectivement d'effort, de déplacement et de flux : 

  • Mécanique de translation : Force (en N), Distance (en m), Vitesse (en m/s) ;
  • Mécanique de rotation : Couple (en Nm), Angle (en rad), Vitesse angulaire (en rad/s) ;
  • Hydraulique : Pression (en Pa), Volume (en L), Débit (en L/s) ;
  • Électrique : Tension (en V), Charge (en C ou en Ah suivant que l'énergie est exprimée en J ou en Wh), Intensité (en A) ;
  • Thermique : Température (en K), Quantité de chaleur (en J/K), Flux de chaleur (en W/K).

Rendement énergétique

Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme. Lorsqu'on fait une action, on consomme de l'énergie en entrée et on obtient une énergie utile en sortie ainsi que de l'énergie inutile qu'on qualifie de pertes

Par exemple, un moteur électrique consomme de l'énergie électrique et fournit de l'énergie mécanique utile et de la chaleur inutile. 

Comme l'énergie se conserve on a : $\rm Énergie ~consommée = Énergie ~utile + Pertes$.

Le rendement mesure le rapport entre énergie utile et consommée : $\rm Rendement = Énergie~ utile / Énergie~ consommée$ = $\rm Puissance ~utile / Puissance ~ consommée$. 

Du fait de la conservation de l'énergie et de l'existence de pertes, on aura toujours : Rendement < 1 (ou à 100%).

Dans le cas d'une chaîne d'énergie, le rendement global de la chaîne est le produit des rendements des composants de la chaîne, donc nécessairement plus petit que le plus petit des rendements des composants (en ajoutant des pertes, chaque nouveau composant « dégrade » le rendement global).

Conversion, Modulation, Adaptation

Conversion

Situation : chaîne d’énergie Fonction ALIMENTER ou CONVERTIR.

Rôle : transformer un type d’énergie (entrante) en une autre énergie (sortante).

Le rendement est inférieur à 100%, il y’a toujours des pertes énergétiques qui peuvent être plus ou moins importantes selon les énergies converties.

Types de conversion

Energie Entrante → Energie Sortante

Exemples

 

Fonction dans la chaîne d’énergie

Electrique (courant alternatif) → Mécanique de rotation

Moteurs électriques alternatifs (synchrone et asynchrone)

CONVERTIR

Electrique (courant continu) → Mécanique de rotation

Moteurs à courant continu

CONVERTIR

Mécanique de rotation → Electrique  (courant alternatif)

Alternateur

ALIMENTER

Chimique → électrique

Piles, Batteries

ALIMENTER

Electrique → chimique 

Batteries

CONVERTIR

Electrique → lumineuse

Lampes, Tubes fluorescents, LED

CONVERTIR

Lumineuse → électrique

Panneau photovoltaïque

ALIMENTER

 

Modulation

Situation : chaîne d’énergie Fonction DISTRIBUER (commandé par la chaîne d’information). 

Rôle : envoyer plus ou moins d’énergie au convertisseur.

  • Fonctionnement en « Tout ou Rien » : Distribution de 100% ou 0% de l’énergie électrique. Exemple : Interrupteur ou Contacteur.

  • Fonctionnement progressif : Réglage possible, « modulation » de l’énergie électrique

Types de modulation électrique

Exemple

Exemple d’application

AC/AC 

Variateur de vitesse

Moteurs alternatifs (asynchrone)

AC/DC 

Redresseur commandé

Moteur à courant continu

DC/AC

Onduleur

Moteurs alternatifs (synchrone ou « brushless ») alimentés à partir d’une source continue

DC/DC

Hacheur 4 quadrants

Moteur à courant continu double sens de rotation

 

Adaptation

Situation : chaîne d’énergie Fonction ALIMENTER ou DISTRIBUER (non commandée)

Rôle : adapter soit la forme soit les grandeurs flux ou effort

Types d’adaptation électrique

Exemple

Exemple d’application

AC/AC 

Transformateur

Réduire ou élever une tension alternative dans une distribution électrique

AC/DC 

Redresseur

Chargeur de batteries à partir du réseau alternatif

DC/AC

Convertisseur de tension DC/AC

Création d’une tension AC sinusoïdale à partir d’une batterie

DC/DC

Convertisseur DC/DC

Convertisseurs DC/DC pour installation solaire

 

 

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