Sciences Industrielles pour l Ingénieur

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1 Sciences Industrielles pour l Ingénieur Centre d Intérêt 5 : ALIMENTER en énergie RADIOS FREEPLAY : Génération d'énergie électrique pour une radio sans piles dans les pays en voie de développement COURS TP série 4 TD Chaîne d'énergie S21 Alimenter en énergie et stocker l'énergie S22 Distribuer et moduler l'énergie S221 Moduler l'énergie (convertisseurs statiques d'énergie) Protocoles expérimentaux et réalisation S6 Protocoles expérimentaux OBJECTIF DE LA SEANCE Compétences attendues Au terme de la séance, vous devez savoir : A3 (ANALYSER) : Appréhender les analyses fonctionnelle et structurelle pour identifier les fonctions des chaînes d'information et d'énergie et les constituants les réalisant ; A4 : Caractériser des écarts entre valeurs attendues et mesurées ; A5 : Apprécier la pertinence et la validité des résultats de mesure. B1 (MODELISER) : Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système pour associer les grandeurs physiques aux échanges d'énergie et à la transmission de puissance ; décrire les évolutions temporelles et fréquentielles des grandeurs ; B2 : Proposer un modèle de connaissance associé aux constituants d'une chaîne d'énergie. C1 & C2 (RESOUDRE) : Choisir et mettre en œuvre une démarche de résolution pour la détermination des courants, tensions, énergies transmises. D2 & D3 (EXPERIMENTER) : Proposer, justifier et mettre en œuvre un protocole expérimental pour choisir les configurations matérielles du système en fonction de l'objectif visé, justifier le choix de la grandeur à mesurer, choisir et mettre en œuvre les appareillages, mesurer les grandeurs potentielles et les grandeurs de flux. Démarche ingénieur dans ce TP : évaluer /réduire l'écart 1 Projet en cours et problème technique 1,6 milliards de personnes n'ont pas accès à l'électricité dans les pays en voie de développement! Votre bureau d'études a reçu pour mission de comparer 2 solutions de génération d'énergie électrique pour un modèle de radio sans piles jetables. Freeplay Eyemax Freeplay S360 Le cahier des charges de ces radios prévoit qu environ 30 s de recharge à la force du poignet permettent 30 minutes d écoute à volume normal. Pour vérifier cette performance sur les 2 radios, il faudra : - comprendre et critiquer le principe de génération de l'énergie électrique sur chaque radio ; - choisir et mettre en œuvre des protocoles de mesure de la consommation énergétique, dans des conditions similaires de charge et décharge de la batterie, en tenant compte des grandeurs de flux et de potentiel mesurables ; - faire les calculs de consommation énergétique, et en déduire l'autonomie disponible. Démarche COLLABORATIVE de projet : les objectifs à atteindre étant ambitieux pour 2h, les 2 binômes doivent s'organiser de la façon suivante (selon planning sur Cahier de Textes) : I/ Mise en situation et analyse fonctionnelle Variables flux et potentiel à acquérir Binôme1 Binôme2 II/ La chaîne d'énergie de la radio Freeplay Eyemax II/ La chaîne d'énergie de la radio Freeplay S360 Durée : 1h IV/ Performance énergétique de la recharge Conclusion du projet : réponse au problème technique Durée : 45 min CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 1 -

2 I/ MISE EN SITUATION ET ANALYSE FONCTIONNELLE VARIABLES FLUX ET POTENTIEL A ACQUERIR Les radios étudiées sont développées par la société Freeplay Energy Group qui s'est entièrement spécialisée dans l'autonomie énergétique. Cette entreprise conçoit et fabrique des produits dotés de sources d'énergie alternative permettant de se passer de piles jetables. L énergie permettant l écoute de la radio provient d une pile rechargeable (énergie électrochimique). La recharge de cette pile peut se faire soit : - à la force du poignet à l aide d un remontoir (énergie mécanique), - par panneau solaire (énergie solaire), - par le secteur via un adaptateur (énergie électrique). QUESTION 1 : - Repérer sur les radios et les photos ci-contre les différents éléments (remontoir, panneau solaire, prise alim. Secteur, pile rechargeable). Attention : On ne s intéressera dans ce TP qu à la récupération d énergie obtenue à la force du poignet. Une même chaîne fonctionnelle peut être établie pour ces 2 systèmes : CHAINE D INFORMATION Consignes : volume sonore, station choisie ACQUERIR TRAITER COMMUNIQUER Son CHAINE D ENERGIE Energie électrique ALIMENTER DISTRIBUER CONVERTIR TRANSMETTRE Remontoir en position initiale ACTIONNER LE REMONTOIR? Diodes?? Energie? Energie? Energie? Energie? - Compléter la chaîne d énergie : en plaçant les flèches indiquant le sens de l énergie ; en précisant la nature de l énergie aux différents points ; en observant l une ou l autre des radios pour nommer les composants (sans précision technologique). Quand l'énergie va de l action vers l alimentation, on dit qu elle circule en sens inverse. Les variables duales de la puissance dans le domaine multiphysique : variables flux et potentiel La puissance est toujours le produit de deux variables conjuguées ou duales. Parmi ces deux variables duales, l'une d'entre elle caractérise le déplacement dans un milieu donné d'une certaine quantité représentative du domaine physique concerné. C'est la CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville Remontoir en position finale

3 variable de FLUX. Elle se caractérise, entre autres, par le fait qu'elle peut être mesurée en introduisant un capteur (appareil de mesure) directement dans le circuit du système. L'autre variable duale est la variable POTENTIEL. Si le flux caractérise le déplacement de la quantité représentative du domaine physique, le potentiel caractérise son stockage. La variable potentiel se manifeste par son côté relatif obligeant à la définition d'une référence. Par exemple, en thermique, le zéro absolu, en hydraulique la pression atmosphérique, ou la masse dans le domaine électrique. Afin de mesurer la variable potentiel, il faut prendre deux points de mesure dans le circuit sans l'interrompre. QUESTION 2 : Déterminer les 2 variables flux et les 2 variables potentiel qui vont intervenir ici dans la chaîne d'énergie électromécanique, et parmi elles, les variables qu'il va falloir mesurer / calculer pour répondre au problème technique de votre projet. II/ LA CHAINE D ENERGIE DE LA RADIO FREEPLAY EYEMAX 1/ Principe de la récupération de l énergie mécanique Le schéma synoptique des trois systèmes d alimentation est représenté ci-dessous. L énergie mécanique est transmise via un train d engrenages à un alternateur (machine synchrone fonctionnant en génératrice). Les tensions induites sont ensuite redressées par un pont de diodes pour recharger enfin la batterie. En fonctionnement normal, un fil relie les bornes 5 et 6 permettant ainsi la charge de la batterie. On note U R la tension redressée lorsque le pont de diodes est passant. Pont de diodes I B QUESTION 3 : Les 3 tensions u S, u R et u A étant différentes, expliquer brièvement pourquoi u B = max(u S, u R, u A ). 2/ Fonction Convertir l énergie : l alternateur (machine synchrone) Dans une machine synchrone classique, une armature fixe située au stator (à l extérieur) porte les bobinages de l induit. Lorsque le rotor tourne à la vitesse rad/s, ces bobinages triphasés formant p paires de pôles sont parcourus par des courants alternatifs à la fréquence f telle que f p. L armature mobile (l inducteur) porte soit un enroulement, soit des aimants permanents. L alternateur utilisé dans la radio EyeMax est une machine synchrone "spéciale". Les photos ci-dessous représentent le stator et le rotor. QUESTION 4 : - Préciser où se trouvent le rotor (tourne) et le stator (statique). Les tensions simples v(t) n étant pas accessibles, l étude se fera avec les tensions composées u(t). Celles-ci sont accessibles entre les bornes jaunes 1, 2 et 3 (3 phases). - Visualiser à l oscilloscope la tension u 12, en faisant tourner la manivelle à vitesse constante. Relever grossièrement u 12 ci-contre. - La fréquence f des tensions induites dépend-elle de la vitesse de rotation du rotor? Justifier en exprimant la relation numérique entre f et, sachant que les 12 aimants Nord / Sud forment p = 6 paires de pôles. u 12 Tension composée induite t CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 3 -

4 QUESTION 5 : - Visualiser la tension u 12 pour trois valeurs de rotation différentes et compléter le tableau ci-dessous. Que peut-on dire du rapport U eff /f? Rq : la mesure de la valeur efficace U eff doit se faire U eff en V f en Hz U eff /f avec l oscilloscope, menu "Measure". - Pourquoi ne peut-on pas utiliser U eff = U max / 2? - Justifier U eff /f = constante, sachant que la force électromotrice v(t) induite dans un enroulement est proportionnelle au flux inducteur (t) (constant car créé par les aimants) et à la vitesse de rotation : v(t) = k (t). 3/ Fonction Distribuer l énergie : le redresseur (pont de diodes) Les tensions induites par l alternateur sont finalement redressées par un pont PD3. u 12 u 23 u 31 QUESTION 6 : - Localiser ce pont de diodes sur le schéma électrique du constructeur (Annexe disponible sur le site tsi-ppr). - La batterie étant débranchée (connexion 5-6 absente), observer à l oscilloscope la tension redressée U R entre les bornes 5 et 7. Vérifier que le résultat est indépendant du sens de rotation de la manivelle. t - Reporter ce relevé sur celui (idéalisé) des 3 tensions induites u 12, u 23 et u 31 avant le pont de diodes : - Trouver une idée d'essai pour visualiser la charge ou la non-charge de la batterie lorsqu'on tourne la manivelle. APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE IDEE 4/ Conclusion sur le principe de génération d'énergie électrique QUESTION 7 : Décrire en conclusion le principe de recharge de la batterie à partir de l énergie mécanique du mouvement humain : Plus l on tourne vite le remontoir, et - plus u 12, u 23 et u plus u R... La batterie se recharge à partir du moment où u R donc si la vitesse du remontoir est III/ LA CHAINE D ENERGIE DE LA RADIO FREEPLAY S360 1/ Principe de la récupération de l énergie mécanique Le remontoir entraîne un enrouleur qui, lors du remontage, fait passer d'une bobine à une autre un ressort précontraint en acier au carbone, accumulant ainsi de l'énergie mécanique. Libéré, le ressort tend à revenir à la position d'origine sur sa bobine initiale, en restituant l'énergie mécanique emmagasinée via un train d'engrenages et une courroie à une génératrice à courant continu. Bobines Ressort L'énergie électrique non utilisée sur le champ est stockée dans une batterie NiCd : 2 éléments en série d'une capacité C = 600 mah sous 2,4 V environ. Le schéma synoptique des trois systèmes d alimentation est représenté ci-dessous. 1 D 1 2 D 2 3 D 3 Panneau solaire U S G U G Alim Secteur U A I B 4 U B En. Radio 5 CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 4 -

5 2/ Fonction Convertir l énergie : modélisation de la génératrice à courant continu (dynamo) On rappelle les équations électriques d une génératrice à courant continu : U G = E - R.I avec la force électromotrice E = K.N G et N G la vitesse de rotation. ESSAI A VIDE : DETERMINATION DE K La génératrice ne doit débiter aucun courant, donc les bornes 3 et 4 sont déconnectées. La tension U G devient simplement égale à E, proportionnelle à la vitesse. E I R + U G QUESTION 8 : - Tourner le remontoir d une vingtaine de tours, puis mesurer la tension U G ainsi que la vitesse de rotation N3 de la roue 3 (au tachymètre). - Sachant que Les diamètres respectifs de la roue 3 et de la poulie solidaire de la génératrice ont pour valeur : 3 = 50 mm et 4 = 6,7 mm, déterminer la vitesse de rotation N G de la génératrice. - En déduire le facteur K, appelé constante électrique de la génératrice. Faire 2 ou 3 essais pour plus de précision. - Mesurer la tension U B. Pourra-t-on recharger la batterie à partir de la génératrice? Justifier. ESSAI EN CHARGE : PRODUCTION D'ENERGIE QUESTION 9 : Déterminer un protocole de mesure permettant de relever les variables flux et potentiel de la puissance électrique produite par la génératrice, à destination de la batterie : - Variables à mesurer? - Localisation de ces variables sur le schéma (ci-contre) de votre radio? - Appareils de mesure à utiliser? Placés à quels endroits? E I R U G APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE PROTOCOLE - Tourner le remontoir d une vingtaine de tours, puis mesurer vers le début, le milieu et la fin du déroulement U G, U B, le courant produit I B. Compléter le tableau : Début du déroulement Milieu du déroulement Fin du déroulement U G U B I B - Comment voit-on que la batterie se charge? 3/ Conclusion sur le principe de génération d'énergie électrique QUESTION 10 : Décrire en conclusion le principe de recharge de la batterie à partir de l énergie mécanique du mouvement humain : Au fur et à mesure que le ressort se déroule, U B... I B... La batterie se recharge à partir du moment où U G 4/ (A faire si vous êtes en avance sur l'autre binôme de votre équipe) : contenu harmonique des tensions générées par l'alternateur de l'eyemax La radio S360 présente des inconvénients majeurs par rapport à l'eyemax, dont vous discuterez en équipe en fin de TP. L'Eyemax soulève cependant un problème : le contenu harmonique des tensions alternatives produites par tout générateur alternatif doit être examiné lorsqu'il est appelé à fonctionner : - en connexion avec le réseau de distribution électrique ; les harmoniques peuvent provoquer des échauffements et des déclenchements intempestifs des protections ; - dans un environnement sensible aux perturbations électromagnétiques : restitution du son ou de l'image, télécommunications. Affichage du spectre en amplitude d'une tension composée CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 5 -

6 QUESTION 11 : - Générer et afficher à l'oscilloscope une vingtaine de périodes d'une tension composée produite par l'alternateur de l'eyemax. Utiliser le "stop" pour figer le signal. - Afficher la FFT (Fast Fourier Transform = Transformée de Fourier Rapide) de cette tension grâce au menu "Math", en choisissant la fenêtre de Hanning. Amplitude (V) : attention, les amplitudes sont données en db : Amplitude[dB] = 20.log(Amplitude[V]) - Relever le spectre en amplitude sous la forme de raies : Rang de l'harmonique Interprétation Pour juger de la qualité de la tension sinusoïdale produite, on calcule le taux de distorsion harmonique : où A 1, A 2, sont les valeurs efficaces des harmoniques de tension de rang 1 (fondamental), 2, Lorsque le THD est supérieur à 5%, l'énergie produite est polluée par les harmoniques. QUESTION 12 : - Calculer le THD sur les 14 1 ers harmoniques. THD(%) = 100. n=2 2 1 A A 2 n - Conclure sur la pollution électromagnétique générée par ce système et sur les inconvénients qu'elle implique. IV / PERFORMANCE ENERGETIQUE DE LA RECHARGE ET CONCLUSION DU PROJET On doit maintenant tester l argument commercial de Freeplay "30 s de recharge à la force du poignet permettent 30 minutes d écoute de la radio à volume normal". L énergie est calculée selon l expression : W [Joules] = P [W]. t [s], t étant la durée pendant laquelle la puissance P est générée ou consommée. QUESTION 13 : Déterminer un protocole de mesure permettant de répondre au problème technique de votre projet : - Situations (2) à considérer? - Variables à mesurer? - Localisation de ces variables sur le schéma de votre radio? - Appareils de mesure à utiliser? Placés à quels endroits? APPELER LE PROFESSEUR POUR FAIRE VALIDER VOTRE PROTOCOLE QUESTION 14 : Mettre en œuvre votre protocole sur votre radio et établir les résultats dans le tableau suivant : Variable Variable Puissance Energie flux potentiel Génération (lors de la recharge pendant 30 s ou sur la durée de détente du ressort) P recharge = W recharge = Consommation (lors de la décharge pendant 30 min) P décharge = W décharge = - Conclusion sur l'argument commercial de Freeplay? QUESTION 15 : Etablir une liste comparative des avantages et inconvénients de chaque radio pour répondre au problème technique de votre projet. CPGE TSI Lycée P.-P. Riquet St-Orens de Gameville - 6 -