Électronique en régime sinusoïdal forcé

Documents pareils
1 Systèmes triphasés symétriques

Donner les limites de validité de la relation obtenue.

MESURE DE LA PUISSANCE

Charges électriques - Courant électrique

ÉVALUATION FORMATIVE. On considère le circuit électrique RC représenté ci-dessous où R et C sont des constantes strictement positives.

CARACTERISTIQUE D UNE DIODE ET POINT DE FONCTIONNEMENT

CHAPITRE XIII : Les circuits à courant alternatif : déphasage, représentation de Fresnel, phaseurs et réactance.

Cours d électricité. Circuits électriques en courant constant. Mathieu Bardoux. 1 re année

CH IV) Courant alternatif Oscilloscope.

Chapitre 7 : CHARGES, COURANT, TENSION S 3 F

CHAPITRE IX : Les appareils de mesures électriques

Union générale des étudiants de Tunisie Bureau de l institut Préparatoire Aux Etudes D'ingénieurs De Tunis. Modèle de compte-rendu de TP.

Chapitre 1 Régime transitoire dans les systèmes physiques

Module d Electricité. 2 ème partie : Electrostatique. Fabrice Sincère (version 3.0.1)

Méthodes de Caractérisation des Matériaux. Cours, annales

Précision d un résultat et calculs d incertitudes

ELEC2753 Electrotechnique examen du 11/06/2012

Exercice n 1: La lampe ci-dessous comporte 2 indications: Exercice n 2: ( compléter les réponses sans espaces)

CORRECTION TP Multimètres - Mesures de résistances - I. Mesure directe de résistors avec ohmmètre - comparaison de deux instruments de mesure

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

SYSTEMES LINEAIRES DU PREMIER ORDRE

Solutions pour la mesure. de courant et d énergie

CH 11: PUIssance et Énergie électrique

Equations différentielles linéaires à coefficients constants

Cours d électricité. Introduction. Mathieu Bardoux. 1 re année. IUT Saint-Omer / Dunkerque Département Génie Thermique et Énergie

Les Mesures Électriques

CHAPITRE IX. Modèle de Thévenin & modèle de Norton. Les exercices EXERCICE N 1 R 1 R 2

Chapitre 7. Circuits Magnétiques et Inductance. 7.1 Introduction Production d un champ magnétique

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Limites finies en un point

Exercice 1 Trouver l équation du plan tangent pour chaque surface ci-dessous, au point (x 0,y 0,z 0 ) donné :

SUJET ZÉRO Epreuve d'informatique et modélisation de systèmes physiques

1 000 W ; W ; W ; W. La chambre que je dois équiper a pour dimensions : longueur : 6 m largeur : 4 m hauteur : 2,50 m.

Comparaison de fonctions Développements limités. Chapitre 10

Électricité au service des machines. heig-vd. Chapitre 3. Alimentations électriques, courant alternatif 3-1

TD1 Signaux, énergie et puissance, signaux aléatoires

MATIE RE DU COURS DE PHYSIQUE

Exercice 1. Exercice n 1 : Déséquilibre mécanique

Les résistances de point neutre

Séquence 14 : puissance et énergie électrique Cours niveau troisième

LES APPAREILS A DEVIATION EN COURANT CONTINU ( LES APPREILS MAGNETOELECTRIQUES)

Elec II Le courant alternatif et la tension alternative

Champ électromagnétique?

TP 7 : oscillateur de torsion

1.1.1 Signaux à variation temporelle continue-discrète

Module : propagation sur les lignes

BACCALAURÉAT PROFESSIONNEL EPREUVE DE TRAVAUX PRATIQUES DE SCIENCES PHYSIQUES SUJET A.1

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Licence Professionnelle de Génie Industriel Université Paris VI-Jussieu ; CFA Mecavenir Année Cours de Génie Electrique G.

Chapitre 6. Fonction réelle d une variable réelle

M HAMED EL GADDAB & MONGI SLIM

Automatique Linéaire 1 Travaux Dirigés 1A ISMIN

Infos. Indicateurs analogiques encastrables pour installation à courants forts. Série M W/P/ LSP BWQ BGQ TP TG WQ /0S WQ /2S FQ /2 W BI BIW DFQ

Introduction. Mathématiques Quantiques Discrètes

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

Le transistor bipolaire

Instruments de mesure

Objet : Alimentation pour ordinateur portable et autre. Alimentation Schéma 1

Electrocinétique Livret élève

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Exo7. Limites de fonctions. 1 Théorie. 2 Calculs

Chapitre 7: Énergie et puissance électrique. Lequel de vous deux est le plus puissant? L'énergie dépensée par les deux est-elle différente?

sciences sup Cours et exercices corrigés IUT Licence électricité générale Analyse et synthèse des circuits 2 e édition Tahar Neffati

Electrotechnique. Fabrice Sincère ; version

Continuité et dérivabilité d une fonction

5. Les conducteurs électriques

Physique, chapitre 8 : La tension alternative

1 Savoirs fondamentaux

Chp. 4. Minimisation d une fonction d une variable

CHAPITRE VIII : Les circuits avec résistances ohmiques

DS 400 mobil Enregistreur à écran mobile à prix avantageux

L ÉLECTROCUTION Intensité Durée Perception des effets 0,5 à 1 ma. Seuil de perception suivant l'état de la peau 8 ma

Planche n o 22. Fonctions de plusieurs variables. Corrigé

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable

Sciences physiques Stage n

TOUT CE QU IL FAUT SAVOIR POUR LE BREVET

PRODUIRE DES SIGNAUX 1 : LES ONDES ELECTROMAGNETIQUES, SUPPORT DE CHOIX POUR TRANSMETTRE DES INFORMATIONS

Continuité en un point

Systèmes de transmission

Electricité Générale

Représentation géométrique d un nombre complexe

électricité Pourquoi le courant, dans nos maison, est-il alternatif?

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Les arbres binaires de recherche

Cours de Systèmes Asservis

La compensation de l énergie réactive

TD 11. Les trois montages fondamentaux E.C, B.C, C.C ; comparaisons et propriétés. Association d étages. *** :exercice traité en classe.

PUISSANCE ET ÉNERGIE ÉLECTRIQUE

Chapitre 3 Les régimes de fonctionnement de quelques circuits linéaires

Eléments constitutifs et synthèse des convertisseurs statiques. Convertisseur statique CVS. K à séquences convenables. Source d'entrée S1

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

Correction de l examen de la première session

Multichronomètre SA10 Présentation générale

Système ASC unitaire triphasé. PowerScale kva Maximisez votre disponibilité avec PowerScale

BTS Groupement A. Mathématiques Session Spécialités CIRA, IRIS, Systèmes électroniques, TPIL

I GENERALITES SUR LES MESURES

Les puissances La notion de puissance La puissance c est l énergie pendant une seconde CHAPITRE

IUT DE NÎMES DÉPARTEMENT GEII ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE CONVERSION AC/DC AMÉLIORATION DU FACTEUR DE PUISSANCE

Transcription:

Électronique 5 Travaux dirigés angevin-wallon, PTS 207-208 Électronique en régime sinusoïdal forcé Exercice : Détermination d impédances Exercices [ ] Déterminer l impédance complexe des dipôles ci-dessous. Écrire les résultats sous forme d une unique fraction, en faisant apparaître des quantités adimensionnées telles que ω, ω/ et ω 2. es trois premiers circuits sont simples et doivent être traités sans difficulté. es deux derniers donnent des résultats un peu plus compliqués. - 2-3 - 4-5 - 2 Exercice 2 : Équivalence entre dipôles [ ] es dipôles ci-contre sont étudiés en régime sinusoïdal forcé de pulsation ω. - Déterminer en fonction de ω les valeurs de et pour lesquelles les deux dipôles sont équivalents. 2 - Si l on remplace la bobine par un condensateur, peut-il encore y avoir équivalence? ommenter. Exercice 3 : Alimentation d un électroaimant de levage i électroaimant i [ ] n électroaimant de levage est un dispositif industriel permettant de soulever des pièces métalliques à partir de champs magnétiques intenses. On étudie un tel appareil en le modélisant électriquement par une bobine d inductance,25 H dont les spires ont une résistance interne Ω. ette bobine est traversée par un courant i sinusoïdal de fréquence f 50 Hz dont l amplitude m 30 A est imposée pour le bon fonctionnement du dispositif. e courant étant de forte puissance, les pertes par effet Joule dans les câbles d alimentation de l électroaimant sont non négligeables. Pour les diminuer, une méthode usuelle consiste à installer un condensateur de capacité en parallèle de l électroaimant. On note alors i l intensité du courant dans les câbles d alimentation du dispositif, dont l amplitude m est inférieure à l amplitude m du courant qui traverse l électroaimant. - Exprimer l amplitude complexe en fonction de l amplitude complexe. 2 - alculer la valeur à donner au condensateur pour minimiser l amplitude m tout en conservant m fixée. On pourra raisonner sur m2. 3 - alculer numériquement la valeur de m dans la configuration optimale. ommenter. 4 - À quel dipôle l association électroaimant-condensateur est-elle équivalente à la fréquence de travail? 5 - alculer la tension aux bornes de l électroaimant. Dépend-elle de? onclure en termes de puissance fournie. /2 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

TD E5 : Électronique en régime sinusoïdal forcé angevin-wallon, PTS 207-208 Exercice 4 : Obtention d une équation différentielle e 2 2 Exercice 5 : Mesure à l ampèremètre u [ ] En utilisant les complexes, montrer que la tension u est solution de l équation différentielle 4τ 2 d2 u du + 5τ dt2 dt + u e, en posant τ. [ ] Dans le circuit ci-dessous alimenté par une tension u AB sinusoïdale, il existe une pulsation particulière ω pour laquelle l ampèremètre en mode A affiche la même valeur lorsque K et K 2 sont ouverts, lorsque K est ouvert et K 2 fermé, et lorsque K est fermé et K 2 ouvert. On rappelle qu un ampèremètre réglé en mode A affiche la valeur efficace du courant qui le traverse. Montrer que cette pulsation n existe que si et qu elle vaut alors 3 2 ω c 2. Annale de concours Exercice 6 : Double circuit en régime sinusoïdal [oral banque PT, ] e (t) 2 i(t) e 2 (t) Déterminer la réponse temporelle i(t) pour e (t) E cos(ωt) ; e 2 (t) E cos(ωt + 2π/3) ; ω /. 2/2 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

Électronique 5 orrection des travaux dirigés angevin-wallon, PTS 207-208 Électronique en régime sinusoïdal forcé Exercice : Détermination d impédances Association série d impédance équivalente Exercices Z Z + Z + jω donc Z + jω jω. 2 Association série, d impédance équivalente Z Z + Z jω + jω donc Z ω2 jω appel : /j j. 3 association de et est en parallèle, il est donc a priori plus simple de calculer son admittance équivalente Y Y + Y ω2 + jω jω jω impédance complexe de l association parallèle vaut donc Z jω Y ω 2 a factorisation est intéressante car elle permet de passer très facilement de l admittance à l impédance. Enfin, l association est montée en série avec une résistance, donnant une impédance complexe équivalente à l ensemble jω Z Z + Z soit Z + ω 2 ne dernière factorisation est possible pour donner Z + jω/ ω2 ω 2. ette dernière factorisation n est pas forcément utile, car la forme non-factorisée sépare directement la partie réelle de la partie imaginaire : tout dépend de ce que l on veut faire du résultat. 4 association en parallèle de la bobine et du condensateur 2 se traite comme à la question précédente et a pour impédance équivalente jω Z 2 2 ω 2 Elle est montée en série avec le condensateur, donnant une impédance équivalente Z j ω + jω 2 ω 2 soit Z ( + 2 )ω 2 j ω( 2 ω 2 ) /5 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

orrection TD E5 : Électronique en régime sinusoïdal forcé angevin-wallon, PTS 207-208 5 association en parallèle de la résistance et du condensateur a pour admittance équivalente Y parr Y + Y + jω + jω soit Z parr Y parr + jω ette association est montée en série avec une résistance et un condensateur, l ensemble a donc comme impédance équivalente Z Z + Z + Z parr + jω + jω( + jω) + ( + jω) + jω + jω jω( + jω) soit enfin Z + 3jω 2 2 ω 2 jω( + jω) Exercice 2 : Équivalence entre dipôles impédance complexe du montage en série vaut Z Z + Z j ω + De même, l impédance complexe du montage en parallèle est telle que Z Z + Z jω + soit Z jω + jω es deux dipôles sont équivalents s ils ont les mêmes impédances complexes. l suffit donc pour trouver et d identifier les parties réelle et imaginaire de Z et Z. Écrivons donc Z sous forme algébrique, Ainsi, il y a équivalence entre les deux dipôles pour jω( jω) Z ( + jω)( jω) 2 ω 2 2 + 2 ω 2 + j 2 ω 2 + 2 ω 2. 2 ω 2 2 + 2 ω 2 et 2 ω 2 + 2 ω 2. emarquez que les deux dipôles ne sont donc pas équivalents tout le temps, mais seulement pour une valeur précise de fréquence... et si et sont choisis aléatoirement il n y a même aucune raison que l équivalence existe. 2 Si est remplacée par un condensateur, l impédance complexe de l association série s écrit Z + j ω j ω a condition d équivalence obtenue par identification des impédances devient 2 ω 2 2 + 2 ω 2 et ω 2 ω 2 + 2 ω 2. Néanmoins, comme toutes les grandeurs sont positives, la deuxième condition portant sur ne peut jamais être vérifiée. l n est pas possible d avoir équivalence entre les deux dipôles : un circuit capacitif est fondamentalement différent d un circuit inductif. Exercice 3 : Alimentation d un électroaimant de levage es deux branches forment un diviseur de courant, d où Y Y + Y + ZY + jω( + jω) En inversant la relation, + jω( + jω). 2/5 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

orrection TD E5 : Électronique en régime sinusoïdal forcé angevin-wallon, PTS 207-208 2 En développant, [( ω 2) + jω ] d où en prenant le module m2 [ ( ω 2 ) 2 + 2 2 ω 2] 2 m Pour déterminer la valeur de qui minimise m, calculons la dérivée par rapport à, d m 2 d [ 2 ( ω 2 ) ( ω 2 ) + 2 2 ω 2 ] m 2 2ω 2 [ + 2 ω 2 + 2 ] a dérivée s annule pour 2 + 2 ω 2 8, 0 6 F. 3 En reprenant les résultats précédents, m ( ω 2 ) 2 + 2 2 ω 2 m 7,6 0 2 A. ajout du condensateur permet de diviser par 400 l amplitude du courant qui alimente l électroaimant, et donc de réduire les pertes Joule en ligne par 6 000! 4 admittance équivalente à l association s écrit soit en remplaçant par son expression Y + jω + Y Y + Y jω 2 + 2 ω 2 + jω + jω jω 2 + 2 ω 2 + jω 2 + 2 ω 2 et finalement On y reconnaît l admittance d une résistance, Y 2 + 2 ω 2. éq (ω) + 2 ω 2. 5 a tension aux bornes de l électroaimant s écrit ( + jω). omme est le même avec et sans condensateur (à un déphasage près), alors ne dépend pas de, au même déphasage près. On en conclut que l ajout du condensateur ne modifie pas la puissance fournie par le réseau électrique à l électroaimant... tout en diminuant considérablement les pertes en ligne. omplément culturel : Nous avons montré en cours que la puissance moyenne reçue par un dipôle quelconque s écrit P eff eff cos ϕ avec ϕ l argument de l impédance complexe du dipôle. ci, l ajout du condensateur a permis de rendre le dipôle électroaimant + condensateur équivalent à une résistance, c est-à-dire d avoir ϕ 0 donc cos ϕ. omme la tension efficace eff demeure fixée, l exercice a permis de constater que maximiser cos ϕ permet de minimiser l intensité d alimentation eff. ette méthode est très générale et porte un nom : on parle de redressement du facteur de puissance, le facteur de puissance étant le nom donné à cos ϕ. En France, la facturation électrique industrielle dépend du facteur de puissance des usines : meilleur il est, plus les tarifs sont bas, car les pertes en ligne sont moindres. 3/5 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

orrection TD E5 : Électronique en régime sinusoïdal forcé angevin-wallon, PTS 207-208 2 E 2 2 Figure Schéma des notations. Exercice 4 : Obtention d une équation différentielle aisonnons à partir de la figure. D après la loi des nœuds, + 2 et en utilisant les admittances, 2jω + jω. Pour limiter les fractions on multiplie directement par, D après la loi des mailles dans la maille de droite, et dans la maille de gauche En regroupant et en identifiant τ, soit 2jωτ + jωτ + 2 2 + 2jω E E 2jω. E 2jωτ 2jωτ( + 2jωτ) + jωτ E + 5jωτ + 4τ 2 (jω) 2 En identifiant les puissances de jω à l ordre des dérivées pour retourner dans le domaine des représentations réelles, on aboutit à e u + 5τ du dt + 4τ 2 d2 u dt 2 ce qui est bien le résultat escompté. Exercice 5 : Mesure à l ampèremètre e dipôle étant linéaire, le courant traversant l ampèremètre est sinusoïdal de même pulsation que la tension u AB. Sa valeur efficace vaut donc m / 2, où m est l amplitude du courant. omme l ampèremètre affiche la même valeur dans les trois cas, cela veut dire que l intensité efficace est la même dans les trois cas, et donc que l amplitude m est la même. En revanche, l ampèremètre ne donne aucune information sur le déphasage entre i et u AB. ela signifie que le module de l impédance complexe du dipôle AB est le même dans les trois situations. omme les dipôles de base sont ou bien court-circuités, ou bien montés en série, cette impédance est simple à déterminer, sachant que Z Z 2 Z 3. Z jω + + jω Z 2 jω + Z 3 jω. ommençons par déterminer la pulsation ω. En calculant le carré du module pour éviter les racines, on utilise l égalité ( Z 2 Z2 2 d où 2 + ω ) 2 2 + 2 ω 2 soit ω ω ω ±ω, où seule la solution avec le signe peut convenir car /ω 0. On en déduit 2ω ω 0 soit 2ω2 et ω 2. 4/5 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr

orrection TD E5 : Électronique en régime sinusoïdal forcé angevin-wallon, PTS 207-208 Déterminons maintenant la résistance. Pour cela, il faut utiliser l égalité entre un module impliquant et celui ne l impliquant pas. En calculant à nouveau le carré du module, on utilise l égalité Z2 2 Z3 2 En utilisant l expression de ω, on en déduit soit 2 + 2 ω 2 2 ω 2 d où 2 2 ω 2 2 ω 2. 2 2 2 d où 3 2. Annale de concours Exercice 6 : Double circuit en régime sinusoïdal [oral banque PT] es raisonnements sont identiques à ceux pour établir les équations différentielles, à ceci près qu on raisonne sur les amplitudes complexes. On travaille avec les notations de la figure 2. i u 2 u i 2 e 2 u e 2 i Figure 2 Notations pour l étude du double circuit. oi des nœuds : + 2 mpédances complexes : 2jω 2 + jω oi des mailles : 2jω(E ) + jω(e 2 ) mpédances complexes : 2jωE 2jω + jωe 2 jω En utilisant l hypothèse ω et en regroupant les termes dépendant de, on trouve ( + 3j) 2jωE + jωe 2 soit ( + 3j) jωe (2 + e 2jπ/3) avec les amplitudes complexes E E et E 2 E e 2jπ/3. On en déduit 2 + e2jπ/3 2 + cos 2π jωe 3 + j sin 2π 3 + 3j + 3j jωe 3 3 2 + j 2 jωe + 3j l reste maintenant à déterminer le module et l argument de pour déterminer son amplitude m et sa phase initiale ϕ i. 3 3 2 + j 2 jω E + 3j 9 4 + 3 4 ωe + 9 m 3 0 ωe et concernant la phase intiale ( 3 arg arg 2 + j ϕ i arctan 3 ) + arg (jωe) arg ( + 3j) 2 3 3 + π 2 arctan 3 5/5 Étienne Thibierge, 4 janvier 208, www.etienne-thibierge.fr