Montage n° 23 - résumé Bilan des puissances dans un dispositif électrique ou électronique ; détermination expérimentale d'un rendement Introduction La puissance, exprimée en Watt, est une grandeur fréquemment utilisée en électricité, qui caractérise la consommation en électricité, d’appareils de la vie courante : lampe 60 W, four à micro onde 800 W, 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. Mise en évidence du transfert d’énergie I.1 Transformation de l’énergie Livre de 1ère S Hachette L’énergie électrique apportée par le générateur est convertie : + M - en transfert thermique et rayonnement dans la lampe - en travail mécanique dans le moteur I.2 Etude d’un générateur de tension I.2.1 Caractéristique tension – intensité 1ère 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) Tracer UPN = f(I) sur tableur. On obtient une droite U = E - r.I Déterminer graphiquement E et r du GBF ; r=49,35 et E=5,683 V (E : fem du géné à I=0) 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 URh = 0,5*UPN. 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 ; D’où Pfournie au circuit par le GBF = I.U= 0,16 W Pjoule=r.I2= 0,10 W ; Pconsommée par le GBF = I.E= 0,25 W ; Vérifier que Pconsommée par le GBF = Pfournie au circuit par le GBF + Pjoule Dans un générateur, une partie de l’énergie est consommée par effet joule car il possède une résistance interne. Rendement du générateur : = Pfournie au circuit par le GBF/ Pconsommée par le GBF =0,16/0,25=64 % II. 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 variable. Traversé par un courant, il créé un champ magnétique variable qui est canalisé dans le circuit magnétique. Le 2nd enroulement, qui reçoit un flux magnétique variable, 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 matériel : utiliser un milliwattmètre numérique ISW800 – transfo d’isolement + alternostat P10 = Pjoule1 + Pjoule2 + Pfer + P20 Dans l’essai à vide, la puissance utile est nulle (P20=I20U20, or I20=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. On mesure P1v= W ; mesurer I1N= et r1= (à l’ohmmètre en isolant le transfo du système). Pjoule1 = r1I1N2 . D’où Pfer = P1v – Pjoule1=Pv1 car les pjoule sont très faibles. II.3 Détermination des pertes cuivre essai en court circuit sous courant secondaire nominal 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 courtcircuit. Quand le transformateur est en court-circuit, la puissance utile est nulle (P2cc), la tension secondaire est nulle (U2cc) 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. P1cc = Pjoule1 + Pjoule2 + Pfer + P2cc = Pjoule1 + Pjoule2 II.4 Variation du rendement en fonction de la charge Quaranta p.496 W ISW800 Rch Alim variable V On fixe U1=U1N et on fait varier Rch (attention à ne pas dépasser I2max !!!). On mesure U2, I2, P1 pour différentes valeurs de Rch. On calcule P2=U2I2 et le rendement =P2/P1 ; Tracer =f(I2) ; On note que le rendement passe par un maximal. Vérifier que I2 pour lequel le rendement est maximal est I2N 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 U2 6 V et I2 2 A. La charge sera donc constituée d’une résistance Rch d’environ 3 ohms. On utilise une résistance variable (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. = Puissance utile / puissance fournie = P2 / P1 = U2mes I2mes / P1mes = A comparer avec th = (P1 – (pcuivre + pfer))/ P1= (P1 – (P1cc + P10))/ P1 = Les pertes fer sont égales à la puissance mesurée à vide pour la même tension U1V = U1N (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 !!!