Montage n 23 Bilan des puissances dans un dispositif électrique ou électronique ; détermination expérimentale d'un rendement

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1 Montage n 23 Bilan des puissances dans un dispositif électrique ou électronique ; détermination expérimentale d'un rendement Introduction La puissance, exprimée en att, est une grandeur fréquemment utilisée en électricité, qui caractérise la consommation en électricité, d appareils de la vie courante : lampe 60, four à micro onde 800, etc La puissance d un appareil électrique permet d évaluer la rapidité d un transfert d énergie. Par exemple, plus la puissance d un four est grande, moins il mettra de temps pour chauffer un aliment. Au cours de ce montage, intitulé «Bilan des puissances dans un dispositif électrique ou électronique ; détermination expérimentale d'un rendement», nous allons dans un premier temps, introduire la notion de puissance, réaliser un bilan de puissance dans un circuit électrique et enfin, déterminer un rendement. D une manière générale, que ce soit en électricité ou en mécanique, on définit un rendement comme étant le rapport de la puissance disponible (ou utile) sur la puissance consommée. En général, le rendement est toujours <1 car il y a des pertes diverses que nous allons essayer d évaluer. I. Mise en évidence du transfert d énergie I.1 Transformation de l énergie Livre de 1 ère S Hachette Matériel - un générateur de tension continue L énergie électrique apportée par le générateur est convertie : - en transfert thermique et rayonnement dans la lampe - en travail mécanique dans le moteur Toutes ces énergies sont des énergies utiles. Cependant, une partie de l énergie fournie par le générateur est perdue. - un moteur (disque de Newton) - une lampe 6V + M I.2 Etude d un générateur de tension I.2.1 Caractéristique tension intensité 1 ère S ou Bellier p.185 (GBF mais à adapter) Réaliser le montage en série suivant, mais avec un GBF. On fixe la fréquence à environ 400 Hz. On fixe l amplitude du signal et on fait varier Rh (boîte de résistances). On mesure U aux bornes du générateur et I (valeurs efficaces) U (V) I (A) Tracer U PN = f(i) sur tableur. On obtient une droite U = E - r.i Déterminer graphiquement E et r de la pile U=5,683 49,35I. Donc r=49,35 Ω et E=5,683 V (E : fem du géné à I=0) faire en prépa la mesure de tous les points sauf un ou deux autre façon d obtenir E et r : mesurer E avec un voltmètre aux bornes du GBF (à vide). Puis, un rhéostat à ses bornes (en dérivation avec un voltmètre), faire varier Rh pour avoir U Rh = 0,5*U PN. Mesurer avec un ohmètre Rh = r. I.2.2 Bilan énergétique Transition : Définissons un point de fonctionnement particulier (pour Rh fixé), pour lequel on peut établir un bilan énergétique. On définit la puissance active comme étant P=UIcosφ. Ici, nous avons un dipôle résistif, donc P=UI. Se placer à un point de fonctionnement (fixer Rh) On mesure I=0,0443 A et U = 3,5 V

2 II. D où P fournie au circuit par le GBF = I.U= 0,16 P joule =r.i 2 = 0,10 P consommée par le GBF = I.E= 0,25 Vérifier que P consommée par le GBF = P fournie au circuit par le GBF + P joule Dans un générateur, une partie de l énergie est consommée par effet joule car il possède une résistance interne. Rendement du générateur : η= P fournie au circuit par le GBF / P consommée par le GBF =0,16/0,25=64 % Etude du transformateur II.1 Description En utilisant un transfo d étude. Un transformateur est constitué de 2 enroulements enroulés autour d un circuit magnétique. L enroulement primaire est alimenté par une tension. Traversé par un courant, il créé un champ magnétique qui est canalisé dans le circuit magnétique. Le 2 nd enroulement, qui reçoit un flux magnétique, est le siège d un phénomène d induction. On peut mesurer à ses bornes, une fem d induction e=-dφ/dt. Le transformateur permet d abaisser ou d élever la tension selon le rapport du nombre de spires entre secondaire et primaire. Si le nombre de spires est le même au primaire et au secondaire, le transformateur est utilisé en transformateur d isolement. Le transformateur reçoit de l énergie au niveau du primaire qui est transmise au secondaire, en partie seulement, à cause des différentes pertes. On peut recenser 2 types de pertes : Les pertes d énergie par effet joule qui se produisent au niveau des enroulements à cause de leur résistance interne (échauffement). On appelle ces pertes, les pertes cuivre. Les pertes dans le circuit magnétique qui font que l intégralité du flux produit au primaire n atteint pas toutes les spires du circuit secondaire (hystérésis et courants de Foucault). On appelle ces pertes, les pertes fer. II.2 Détermination des pertes fer essai à vide sous tension primaire nominale P 10 = P joule1 + P joule2 + P fer + P 20 Dans l essai à vide, la puissance utile est nulle (P 20 =I 20 U 20, or I 20 =0). Donc toute la puissance délivrée par le primaire est perdue par effet joule dans le primaire (pertes joule au secondaire =0 car I 2 =0) et par pertes magnétiques. Tout transformateur doit porter les indications suivantes sur une plaque ou dans un document annexe : Tension nominale primaire U 1N ici 48 V Tension nominale secondaire U 2N ici 6 V Puissance apparent nominale S N ici 12 VA Ceci signifie que le rendement est maximal lorsque l on se place dans les conditions nominales (les pertes sont minimisées) IS800 V Donc. On mesure P 1v = On peut calculer Pjoule1 en mesurant I 1N = et r 1 = (à l ohmmètre en 2 isolant le transfo du système). P joule1 = r 1 I 1N D où P fer = P 1v P joule1 =P v1 car les pertes joule sont très faibles. On peut tracer P 1v = f(u 2 1v ) proportionnelles à U 2 1v. et on montre que les pertes fer (courants de Foucault et hystérésis) sont

3 II.3 Détermination des pertes cuivre essai en court circuit sous courant secondaire nominal IS800 La mesure du courant secondaire doit être faite à la pince ampèremétrique placée autour d un fil court formant le court-circuit car un ampèremètre a une résistance interne et ne constitue pas un bon court-circuit. Quand le transformateur est en court-circuit, la puissance utile est nulle (P 2cc ), la tension secondaire est nulle (U 2cc ) mais les courants primaire et secondaire sont importants. Il faut donc que la tension d alimentation du transformateur soit très faible : il faut commencer l essai à 0 V, puis augmenter peu à peu la tension d alimentation en surveillant l intensité du courant secondaire jusqu à atteindre le courant nominal secondaire. (Tension nominale secondaire U 2N ici 6 V ; Puissance apparent nominale S N ici 12 VA ; courant nominal secondaire : I 2N = S N / U 2N = 2 A) P 1cc = P joule1 + P joule2 + P fer + P 2cc = P joule1 + P joule2 Lors de l essai en court-circuit, comme pour l essai à vide, toute la puissance utile est consommée sous forme de pertes. Comme U 1cc est très faible et que les pertes fer sont proportionnelles à U 2 1cc, elles sont négligeables. On mesure P 1cc = =P joule1 + P joule2 II.4 Variation du rendement en fonction de la charge Quaranta p.496 IS800 Rch V P1() U2(V) I2(A) P2() η On fixe U 1 =U 1N et on fait varier Rch (attention à ne pas dépasser I 2max!!!). On mesure U 2, I 2, P 1 pour différentes valeurs de Rch. On calcule P 2 =U 2 I 2 et le rendement η=p 2 /P 1 Tracer η=f(i 2 ) On note que le rendement passe par un maximal. Vérifier que I 2 pour lequel le rendement est maximal est I 2N indiqué par le constructeur sur la plaque signalétique. II.5 Calcul du rendement en charge pour un courant secondaire nominal II.5.1 Charge à utiliser Nous allons nous placer dans des conditions nominales pour avoir un rendement maximal, donc U 2 6 V et I 2 2 A. La charge sera donc constituée d une résistance R ch d environ 3 ohms. On utilise une résistance (rhéostat attention à bien choisir un rhéostat qui supporte la valeur du courant!!!) dont on règle la valeur à l ohmmètre avant de mettre la résistance dans le circuit. II.5.2 Calcul du rendement Toujours avec le même montage. Pour calculer le rendement en charge, il faut tenir compte de toutes les pertes : cuivre puisque les courants sont importants et fer puisque la tension primaire est nominale.

4 η = Puissance utile / puissance fournie = P 2 / P 1 = U 2mes I 2mes / P 1mes = A comparer avec η th = (P 1 (p cuiv vre + p fer ))/ P 1 = (P 1 (P 1cc + P 10 ))/ P 1 = Les pertes fer sont égales à la puissance mesurée à vide pour la même tension U 1V = U 1N (c est pour pouvoir utiliser ce résultat directement que l essai à vide a été mené à la tension primaire nominale). Les pertes joules ont également été déterminées pour un courant secondaire nominal. Donc on peut conserver la valeur que l on a calculé précédemment. Conclusion Les essais que nous venons de réaliser sur le transformateur sont réalisés également par les constructeurs de transformateurs afin de caractériser leurs produits. On arrive maintenant à fabriquer de très bons transformateurs avec d excellent rendements (99 %). Il est donc important, d un point de vue énergétique, d évaluer toutes les pertes dans un montage électronique, électrique, voire même mécanique. Avoir un rendement le plus élevé possible permet d utiliser toute la puissance fournie et de faire des économies d énergie. Pour certaines application, on est limité, ainsi, le rendement d un moteur thermique ne pourra pas dépasser le rendement de Carnot (=1-Tf/Tc), il convient alors, pour avoir un rendement thermodynamique maximal, d avoir le plus grand écart possible entre Tf et Tc. On atteint alors des limitations technologiques : il faut des matériaux qui résistent très bien à la chaleur!!!! BIBLIO Bellier p.69 et 178 Quaranta T4 p.487 (transfo) Questions Q1 : quels sont les grands champs d application des transfo? R1 : distribution du courant pour minimiser les pertes par effet joule dans les lignes. On transporte à très haute tension. Q2 : quel est le rapport de bobinage dans les transfo EDF? R2 : m=u2/u1= / 230 = 200 Q3 : autres application des transfo? R3 : isolement (pour la protection) et adaptation d impédance Q4 : comment réduire les pertes fer? R4 : les courants de Foucault sont des courants volumiques. On réduit donc le volume en feuilletant le matériau. Concernant les pertes par hystérésis, il suffit de choisir un matériau dont l aire du cycle est la + petite possible Q5 : pourquoi mesure-t on les pertes fer quand le secondaire est ouvert? R5 : P1=P2 + Pfer + Pcuivre. Or, P2=0 et Pcuivre=0 (car i faibles) Q6 : pourquoi utiliser de gros rhéostats dans ce montage? R6 : à cause du courant qui est assez fort. Il faut vérifier la plaque signalétique. Q7 : comment mesurer la résistance interne d un générateur? R7 : on mesure la tension à vide du générateur. Puis on le met dans un circuit avec un rhéostat à ses bornes (en dérivation avec un voltmètre), faire varier Rh pour avoir U Rh = 0,5*U PN. Mesurer avec un ohmmètre Rh = r.

5 Q8 : où est dissipée l énergie dans un circuit? R8 : les appareils chauffent (effet joule) Q9 : quel est l ordre de grandeur de la résistance interne des appareils utilisés dans les montages? R9 : ampèremètre : r la + petite possible (quand on change de calibre, r change ) ; voltmètre : r la + grande possible : presque infinie oscillo : 20MΩ ou 40 MΩ fils : 0,1Ω Q10 : énergie dissipée dans une lampe? R10 : rayonnement et chauffage (=perte par effet joule). Les lampes basse consommation ont très peu de pertes par effet joule (ce n est pas le principe d un filament qui chauffe). L essentiel de l énergie est utilisée pour le rayonnement Q11 : consomme t-on moins d énergie en utilisant un gradateur de lumière? R11 : non!!! l énergie qui n est pas utilisée pour le rayonnement est dissipée par effet joule. Donc moins la lampe éclaire, + on chauffe!!!