Formation Génie Électrique et Génie Thermique

Formation Génie Électrique et Génie Thermique
Table des matières
L'évolution des solutions constructives...............................................................................................................2
1- Évolution des solutions et classification....................................................................................................2
2- Les procédés élémentaires........................................................................................................................4
Notions de Génie Électrique : l'énergie...............................................................................................................5
1- Énergie.......................................................................................................................................................5
2- Différentes formes de l'énergie..................................................................................................................5
3- Puissance...................................................................................................................................................6
4- Rendement.................................................................................................................................................7
5- Stockage et transport de l'énergie.............................................................................................................8
6- Ressources, réserves et énergies dites « renouvelables ».......................................................................9
Notions de Génie Électrique : l'information.......................................................................................................13
1- Rappel des grandeurs électriques :.........................................................................................................13
2- Les signaux..............................................................................................................................................13
3- Les capteurs.............................................................................................................................................14
4- Les actionneurs........................................................................................................................................23
5- Transmission de l’information..................................................................................................................23
6- Traitement de l’information......................................................................................................................26
7- Systèmes automatisés.............................................................................................................................26
Notions de Génie Thermique............................................................................................................................30
1- Chaleur et température............................................................................................................................30
2- Relations entre chaleur et température...................................................................................................30
« On chauffe, donc la température augmente. »....................................................................................30
« On chauffe, mais la température n’augmente pas. »...........................................................................31
3- Transferts thermiques..............................................................................................................................31
La conduction..........................................................................................................................................31
La convection..........................................................................................................................................32
Le rayonnement......................................................................................................................................32
4- Flux de chaleur et résistance thermique :................................................................................................33
Décodons quelques informations qui nous entourent............................................................................34
5- Confort, économie, environnement : la réglementation thermique dans le bâtiment..............................35
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L'évolution des solutions constructives
La réalisation de tâches a toujours suscitée une recherche de nouvelles solutions qui permettent d'améliorer
le procédé, de garantir une qualité constante, de solliciter le moins d'énergie possible, de confier les tâches
répétitives à des machines, d'améliorer la réalisation de la tâche en apportant de nouvelles caractéristiques
à l'objet confectionné, au service installé.
Cette évolution peut être décrite selon différentes étapes : l'action humaine, la mécanisation et
l'automatisation. Le passage d'une étape à une autre a pu se faire par un saut technologique, par une
innovation importante dans le domaine considéré ou bien pour répondre à de nouvelles attentes de la
société.
1- Évolution des solutions et classification
Action humaine
L'homme est le producteur de l'énergie et de l'information. La tâche est déclenchée et réalisée par
l'homme. Il peut se servir d'outils mais ce sera toujours son action qui produira les effets escomptés.
La mécanisation
La mécanisation d'une tâche ou d'une action permet de confier l'apport énergétique nécessaire à sa
réalisation à une machine de conversion d'énergie. Il est bien entendu nécessaire de disposer d'une
ressource extérieure en énergie. L'homme économise ainsi sa propre énergie et sa force physique
est souvent multipliée et l'ensemble garantit une meilleure productivité.
Les limites de la mécanisation sont induites par le degré d'expertise nécessaire à la réalisation de la
tâche. Si celle-ci est relativement simple, elle peut être confiée à la machine ; par contre, une tâche
complexe qui nécessitera une expertise dans sa réalisation risque d'engendrer une machine très
complexe dans laquelle l'intelligence de l'opérateur ne pourra être embarquée.
La mécanisation fait apparaître la chaine
d'énergie.
L'homme se limite maintenant à un rôle de
déclencheur de l'action. Il contrôle le début (et la
fin dans certains cas) de l'action mais il
n'intervient plus dans sa réalisation.
Le mouvement assisté peut être contrôlé dans
un soucis de sécurité (hors de course, limiteur
de couple...).
Exemples : direction assistée d'une automobile ;
stores électriques d'une maison...
L'automatisation
L'automatisation permet en premier lieu de prendre en compte la répétition d'une tâche autant de
fois que nécessaire ; la machine automatisée répond alors à un besoin de production, de cadence.
Ensuite, l'automatisation autorise le séquencement de plusieurs tâches et le contrôle automatique de
leur réalisation.
Les notions de productique, de cadence, d'ordonnancement et de contrôle de réalisation sont
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ACTION EFFET
Information Energie
homme
ACTION
transformation d'énergie EFFET
machine
Energie
Inf ormation
homme

introduites par les machines automatisées. La notion de boucle fermée apparaît également ;
cependant il n'est pas forcément question d'automatique. La boucle fermée contrôle la fin de
réalisation d'une tâche élémentaire comme un mouvement par exemple mais la notion d'écart entre
la mesure et la consigne n'apparaît pas dans ce schéma.
La modélisation fait apparaître la chaîne d'information et la chaîne d'énergie. La machine est au
cœur de la modélisation ; l'homme n'intervient que pour lancer un cycle
La chaîne d'information est liée à la chaîne d'énergie par le système « machine automatisée ».
L'unité de traitement de l'information peut être détaillée en trois parties : acquisition, traitement,
commande. L'acquisition consiste à prélever des informations issues de la machine ou de
l'opérateur, celles-ci sont mise en forme et transmises à l'unité de traitement. Selon les cycles et les
gestions des différentes actions de la machine, l'unité de traitement va pouvoir émettre un ordre de
fonctionnement (une commande) ou bien informer l'opérateur d'un événement de fonctionnement de
la machine. Les informations traitées peuvent être de trois nature : booléenne, numérique ou
analogique.
La chaîne d'énergie peut également être décomposée selon trois parties : connexion à la ressource,
commande/modulation de l'énergie, transformation de l'énergie. Parallèlement à cette modélisation,
on trouvera la fonction de sécurité des biens et des personnes et la prise en compte de l'efficacité
énergétique.
Le bloc « Effet » de la modélisation conduit à s'interroger d'une part sur les différents effets que l'on
peut produire et d'autre part sur le flux de production. Que l'on s'intéresse à une machine ou à un
service, le questionnement de l'effet et du flux sera identique.
L'analyse systémique apporte une réponse à cette interrogation. Il s'agit dans un premier temps de
définir une limite à l'analyse : la frontière de l'étude. L'expression de cette frontière doit être claire,
sans ambiguïté ; une frontière mal définie conduit à un moment ou à un autre à une confusion.
Cette approche donne d'une part, une vision à la fois sur le flux traité et définit une matrice de neuf
procédés élémentaires et d'autre part, s'intéresse aux contraintes du système étudié selon les
critères d'énergie (W), de réglage (R), de configuration (C) et d'exploitation (E).
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ACTION
transformation d'énergie
EFFET
machine
Energie
Information
homme
Unité de
traitement

2- Les procédés élémentaires
L'analyse des systèmes techniques met en lumière neuf procédés élémentaires : il s'agit de trois
actions sur trois flux possibles. Tout procédé de production de bien ou de service peut être
décomposé en un ou plusieurs procédés élémentaires.
Les différentes solutions constructives pour chacun des procédés constituent une base de
connaissances liées aux différentes contraintes citées plus haut.
Procédés élémentaires
Stocker Transformer Transporter
Énergie batterie,
inertie, cuve chauffage, moteur câble, conduite
Information mémoire, CD,
disque dur convertisseur, calculateur wifi, GSM, ADSL
Matière silo, citerne fusion, usinage,
vaporisation convoyeur, tapis roulant
Tous les systèmes artificiels peuvent être décrits par leurs contraintes d'environnement et d'usage
(énergie, commande, exploitation) et peuvent être décomposés selon la classification des procédés
élémentaires présentée ci-dessus.
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Notions de Génie Électrique : l'énergie
« Rien ne perd, rien ne se crée, tout se transforme »
Antoine Laurent de Lavoisier (1743 1794), chimiste, philosophe
et économiste français.
Cette citation rend compte de la loi de conservation : l'énergie est
une grandeur qui se conserve toujours.
1- Énergie
Le mot « énergie » vient du grec energeia qui signifie « force en action ».
L'énergie est une capacité à transformer un état. Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui
permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.
En physique, l'unité de l'énergie du système international (SI) est le JOULE (symbole : J)
Quelques exemples
•le travail produit par une force d'un newton dont le point d'application se déplace d'un mètre dans
la direction de la force :
1 J = 1 N . m = 1 kg . m2 .s-2.
•le travail fourni quand un courant d’un ampère traverse une résistance d’un ohm pendant une
seconde :
1 J = 1 Ω . A2 . s = 1 kg . m2 . s-2 = 1 W.s
Remarque : en électricité, on utilise l'unité kWh (kiloWattheure) ce qui permet, d'une part, d'exprimer les
énergies mises en jeu avec des nombres plus petits et d'autre part d'introduire l'unité de la puissance
dans l'expression. La conversion entre le Joule et le kWh s'effectue à partir de l'égalité :
1 Watt.seconde = 1 Joule
Attention : il s'agit de watt seconde et non de watt par seconde ; dans le langage courant on dit
« kilomètre heure » pour une unité de vitesse au lieu de « kilomètre par heure ». Cette erreur de langage
est très souvent rencontrée et induit un très grand nombre d'ambiguités.
L'annexe présente d'autres unités utilisées dans des contextes particuliers.
2- Différentes formes de l'énergie
L'énergie se présente sous différentes formes classées selon « l'énergie de position » ou « l'énergie de
mouvement » :
Énergies de position (ou énergies potentielles) :
✔thermique (chaleur)
✔chimique
✔matière
✔électromagnétique, électrostatique
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