TPE Alternateur. Jordan Offroy Jérémy Brandt Nicolas Crosetti Bastien Dherbomez

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1 TPE Alternateur Jordan Offroy Jérémy Brandt Nicolas Crosetti Bastien Dherbomez 1

2 Thème : Avancées scientifiques et réalisations techniques. Problématique : Comment peut-on transformer de l énergie mécanique en énergie électrique? Sujet principal : L alternateur Plan du TPE : 1) Les 3 systèmes utilisables 1.1) Présentation des 3 systèmes 1.1.a) La machine de Wimshurst 1.2.b) La dynamo 1.2.c) L alternateur 1.2) Les avantages de l alternateur (comparatif des 3 systèmes). 2) L alternateur : fonctionnement et applications 2.1) Fonctionnement général 2.2) Applications 2.2.a) Centrale hydraulique 2.2.b) Centrale thermique ou nucléaire 2.2.c) Éolienne 2.2.d) Groupes électrogènes 3) Principe théorique : Induction et magnétisme 3.1) Principe général : 3.2) Loi de Lenz-Faraday 3.3) Expression du flux 3.4) Variation du flux 4) Expérience 4.1.) Hypothèses 4.2) Description du montage 4.3) Relevé de valeurs 2

3 Introduction : Il existe différents systèmes permettant de transformer l énergie mécanique en énergie électrique : _La machine de Wimshurst _La dynamo _L alternateur C est ce dernier que nous avons choisi d étudier plus particulièrement pour les raisons que nous allons évoquer dans la première partie. Nous allons ensuite étudier le fonctionnement de l alternateur et ses applications avant de nous intéresser au principe physique à l origine du fonctionnement de l alternateur. Nous utiliserons ensuite une expérience pour vérifier les hypothèses émises. 1) Les 3 systèmes utilisables : 1.1)Présentation des 3 systèmes : 1.1.a)La machine de Wimshurst : La machine de Wimshurst est une machine électrostatique inventée en 1882 par l'anglais James Wimshurst. Cette machine fut historiquement utilisée pour illustrer de nombreux phénomènes d'électricité statique.la machine de Wimshurst a une apparence caractéristique ; Elle est constituée de deux larges disques faits de matériaux isolants et couverts de pastilles métalliques. Les deux disques tournent dans des sens opposés dans un plan vertical, au voisinage de pointes métalliques adéquatement connectées, et reliées à des boules qui peuvent être écartées, les éclateurs, entre lesquels des étincelles apparaissent. Le courant produit par la machine de Wimshurst est de l ordre de quelques centaines de WATT, ce qui est relativement faible. Un danger de mort est potentiellement possible si les batteries de condensateurs sont trop puissantes. Il ne faut pas prendre de batterie d une capacité supérieure à quelques dizaines de picofarad (une batterie classique a une capacité de l ordre du nanofarad) 3

4 1.1.b) La dynamo : Une dynamo permet de transformer par un mouvement une énergie mécanique en énergie électrique. Par exemple, dans une lampe avec manivelle, lorsque l on tourne la manivelle un courant continu électrique est créé qui sert à alimenter l ampoule. Sur un vélo également une dynamo 12 volts est fixée sur la roue arrière du vélo. En pédalant, cette dynamo permet de transformer l'énergie mécanique nécessaire au pédalage en énergie électrique.une dynamo produit un courant pseudo continu. 1.1.c) L alternateur : L alternateur a sensiblement les mêmes caractéristiques que la dynamo mis à part que le courant produit est un courant alternatif. 1.2) Les avantages de l alternateur (comparaison des 3 systèmes). La comparaison portera essentiellement sur la dynamo et l alternateur, la machine de Wimshurst n étant pas particulièrement adaptée à la production d électricité. 4

5 Les enroulements générateurs sont placés sur le rotor dans la dynamo et sont reliés au collecteur par une soudure à l étain. L augmentation de la vitesse de rotation entraîne une élévation de la température qui, au-delà d une certaine valeur, ne peut plus être supportée par la soudure, entraînant la coupure du circuit. Dans l alternateur, les enroulements sont sur le stator, c est-à-dire sur une masse métallique de grand volume qu il est possible de ventiler convenablement. La vitesse de rotation n est alors limitée que par les facteurs mécaniques (forces centrifuges sur le rotor et les paliers) ; de ce fait, la vitesse peut être bien plus élevée que celle de la dynamo. Au ralenti la dynamo ne charge pratiquement pas, et tout le courant est fourni par la batterie. Tant que la tension engendrée ne dépasse pas celle de la batterie, le circuit de charge est fermé par le disjoncteur. L alternateur, au contraire, commence à débiter dés le départ. Au niveau de l entretien : L alternateur ne présente pas les problèmes d entretien de la dynamo. Les balais, ne frottant pas sur des lamelles, ont une durée de vie supérieure. Les encoches des collecteurs n ont pas besoin d être polies, les roulements, lubrifiés pour tout le temps ne demandent aucun graissage. De plus l énergie mécanique nécessaire au fonctionnement de l alternateur peut être produite de nombreuses façons à partir des énergies hydrauliques, nucléaires, thermiques Ce qui explique que l alternateur représente plus de 90% de la production d électricité en France. C est pour les avantages évoqués ci-dessus que nous avons choisi l alternateur comme sujet de notre TPE. 5

6 2) L alternateur : fonctionnement et applications : 2.1) Fonctionnement général : L alternateur se compose d un stator ou induit composé d une ou plusieurs bobines et d un rotor ou inducteur composé d un ou plusieurs aimants permanents ou de bobine(s) parcourue(s) par un courant continu. On fait généralement tourner le rotor dans le stator mais on peut également faire tourner l induit devant l inducteur. Un courant alternatif induit parcourt alors le stator. 2.2) Applications : On retrouve différents types d alternateurs dans divers endroits : _industriels dans les centrales électriques _domestiques dans les groupes électrogènes _embarqués dans les voitures 2.2.a) Centrale hydraulique : Dans les centrales électriques, qu il s agisse de barrages ou de centrales marémotrices, l eau entraîne une turbine qui entraîne l alternateur qui produit le courant. 6

7 2.2.b) Centrale thermique ou nucléaire : Le principe de ces deux centrales est le même : on chauffe de l eau pour produire la vapeur qui fera tourner la turbine qui entraînera l alternateur que ce soit par la fission d un atome ou par la combustion de charbon, de gaz, de pétrole ou même de biomasse. Centrale nucléaire Centrale thermique 7

8 2.2.c) Éolienne : Dans le cas d une éolienne c est le vent qui entraîne la rotation des pales qui sera transmise à l alternateur. (La génératrice est un alternateur) 2.2.d) Groupes électrogènes : Dans le groupe électrogène l alternateur est entraîné par un moteur à essence ou diesel. 8

9 1)Induction et magnétisme : 1.1) Principe général : On anime une source de courant magnétique (aimant ou bobine parcourue par un courant) devant une bobine. Il se forme alors un courant induit dans la bobine. 1.2) Loi de Lenz-Faraday La variation du flux de l inducteur crée une force électromagnétique dans la bobine selon la loi de Lenz-Faraday. C est cette force qui induira un courant dans la bobine. Cette force électromagnétique va donc dépendre du flux de l inducteur et de la vitesse de rotation de l inducteur. 9

10 1.3) Expression du flux : Le flux s exprime sous la forme suivante : B est l intensité du champ magnétique de l aimant en Tesla. n est un vecteur unitaire normal à la surface de l induit dont le sens est lié au choix arbitraire du sens du courant dans la bobine. S est la surface de la bobine en m² On peut ensuite développer le produit scalaire : La norme de n valant 1 on obtient finalement B et S sont des constantes positives. Φ varie selon le cosinus de l angle formé. 10

11 1.4)Variation du flux On distinguera 2 cas : Cas 1 Cas 2 Cas 1 : Les vecteurs B et n sont alignés et forment un angle de 0 Le cosinus de cet angle vaut 1 Φ=BS (positif) Cas 2 : Les vecteurs B et n sont alignés et forment un angle de 180 Le cosinus de cet angle vaut -1 Φ=-BS (négatif) Φ varie donc du positif au négatif ce qui explique que le courant produit soit alternatif. 11

12 4) Expérience : 4.1) Hypothèses : Nous avons émis les hypothèses que la tension produite dépendait de la vitesse de rotation de l inducteur et de l éloignement entre les bobines et l inducteur et également que la que la fréquence dépendait de la vitesse de rotation. 4.2) Description du montage : Notre expérience consiste à faire entrer en rotation un aimant qui constituera l inducteur entre deux bobines qui constitueront l induit. Nous avons ainsi fabriqué un pseudo alternateur. Cependant, la rotation manuelle de l aimant ne produisant qu une tension faible et assez irrégulière, nous avons fixé l aimant à un ventilateur alimenté par une tension maximale de 12 volts. Nous avons ainsi obtenu un signal régulier. En outre nous pouvions facilement faire varier la vitesse de rotation de l aimant en modifiant la tension d alimentation du ventilateur 12

13 4.3) Relevé de valeurs : Influence de la vitesse : Tension d alimentation (V) Tension maximale produite (V) Fréquence (Hz) Nous voyons ainsi que la tension et la fréquence de sortie dépendent de la vitesse de rotation. Influence de l éloignement : La vitesse de rotation est constante Distance (cm) Tension maximale produite (V) Nous constatons ainsi que la tension produite varie en fonction de l éloignement des bobines. 13

14 Conclusion : Nous avons donc pu voir qu il est possible de produire de l électricité à partir de l énergie mécanique à l aide de plusieurs systèmes dont l alternateur que nous avons étudié plus particulièrement car il est le plus utilisé pour produire de l électricité du fait de sa flexibilité. En effet on peut produire l énergie mécanique nécessaire à son fonctionnement de différentes manières allant de la fission d un atome à la rotation d une hélice soumise au vent. 14

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