Ingénierie durable Partie modélisation - AVR

Ing´enierie durable
Partie mod´elisation
T´ el´ ecom – Physique – Strabourg
2`
eme ann´
ee
Universit´ e de Strasbourg
Edouard Laroche
[email protected]
http://eavr.u-strasbg.fr/~laroche/student
2012–2013

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Table des mati`eres
1 Introduction 5
1.1 G´en´eralit´es .................................... 5
1.2 ´ Evolutions en terme de prodution d’´energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3 Discussion sur deux solutions de motorisation . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.4 Contenuducours................................. 7
1.5 Exercicespr´eliminaires .............................. 7
2 Mod´elisation 9
2.1 M´ecanique..................................... 9
2.1.1 Euler-Lagrange .............................. 9
2.1.2 Mod`eles alg´ebro-diff´erentiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.1.3 Syst`emesflexibles............................. 13
2.2 Thermique..................................... 17
2.2.1 G´en´eralit´es ................................ 17
2.2.2 Mod`ele ´electrique ´equivalent d’un bˆatiment . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.3 Mod`ele ´el´ements finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 ´ Electricit´e ..................................... 21
2.3.1 G´en´eralit´es ................................ 21
2.3.2 Dipˆoles et g´en´erateurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Magn´etostatique : Production de couple et de force . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.1 Bobine d’inductance (rappel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.2 Principe de la conversion ´electro-m´ecanique . . . . . . . . . . . . . . 24
2.4.3 R´egimelin´eaire .............................. 25
2.4.4 Fonctionnement d’un moteur ´el´ementaire . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.5 Force produite par un aimant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Machines ´electriques (moteurs et g´en´erateurs) . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.1 Principe de fonctionnement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.2 La machine `a courant continu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.5.3 La machine synchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5.4 La machine asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6 ´ Electroniquedepuissance ............................ 39
2.6.1 Introduction................................ 39
2.6.2 Lescomposants.............................. 42
2.6.3 Pertes dans les composants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.6.4 Lehacheur................................. 46
2.6.5 Hacheurabaisseur............................. 46
2.6.6 L’onduleur................................. 50
3

4TABLE DES MATI ` ERES
2.6.7 Leredresseur ............................... 52
2.7 Fluidique : d´etendeur de gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.1 Mod`ele d’une chambre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.7.2 Orifice................................... 54
2.7.3 D´etendeur................................. 55
2.8 Pile`acombustible ................................ 56
2.8.1 Introduction................................ 56
2.8.2 Pr´esentation................................ 56
2.8.3 Mod´elisation ............................... 57
3 Exemples de syst`emes 65
3.1 Installations autonomes avec batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2 Alimentation ´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.3 Stabilisateurcardiaque.............................. 65
3.4 Objetmanufactur´e ................................ 65
3.5 Syst`emedeproduction .............................. 66
3.6 D´elestage d’un syst`eme de chauffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.7 Charges adaptables `a une production d’´energie ´electrique renouvelables . . . 66
4 Lexique 67
5 R´ef´erences 69
5.1 Techniques de l’ing´enieur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5.2 Wikipedia ..................................... 69

Chapitre 1
Introduction
1.1 G´en´eralit´es
Les p´enuries annonc´ees d’´energies fossiles ainsi que de certaines mati`eres premi`eres vont
fortement fa¸conner l’´evolution du monde. Le concept de d´eveloppement durable (sustentable
development en anglais) est une r´eponse possible, destin´ee `a garantir un d´eveloppement sur
le long terme en anticipant les difficult´es `a venir, notamment en terme d’approvisionnement
en ´energies et en mati`eres premi`eres, mais aussi de pollution.
La notion de d´eveloppement durable permet ´egalement de sortir de l’opposition entre
´economie et ´ecologie en montrant une voie pour un d´eveloppement soucieux du bien ˆetre de
l’ensemble de la plan`ete et non pas uniquement du consommateur.
La notion d’efficacit´e ´energ´etique est au cœur des probl´ematiques du d´eveloppement
durable. L’efficacit´e ´energ´etique d’un produit ou d’une solution va au del`a du rendement.
Elle inclut ´egalement le coˆut ´energ´etique de sa production et de son recyclage.
1.2 ´ Evolutions en terme de prodution d’´energies
Nous nous orientons actuellement vers une production d’´electricit´e int´egrant de nombreux
producteurs dont une part importante `a partir de sources d’´energies renouvelables. Si cette
´evolution est unanimement souhait´ee, elle n’est pas sans poser de probl`eme. En effet, une des
difficult´es de la gestion de l’´energie ´electrique est que sa production doit ˆetre constamment
adapt´ee `a la consommation, faute de quoi le syst`eme se met en d´efaillance 1. Dans les r´eseaux
centralis´es actuels, cette tˆache incombe aux op´erateurs nationaux (EDF en France). Pour
les syst`emes fortement d´ecentralis´es `a venir, il reste encore `a d´efinir les r`egles permettant un
bon fonctionnement du r´eseau. On parle de Smart Grid pour d´efinir cette probl´ematique.
La difficult´e vient notamment du fait que les moyens de production photovolta¨ıques et
´eoliens, qui voient actuellement leur production augmenter fortement, ont une production
qui est fortement li´ee aux al´eas climatiques. En cas d’obscurit´e et de panne de vent, il
s’av`ere n´ecessaire de disposer de moyens de production rapidement mobilisables. On pourrait
envisager de stocker le surplus d’´energie produit lors des phases venteuses et ensoleill´ees.
Certes, cette solution est d´ej`a mise en œuvre, par exemple par des station de pompage entre
1. Sur les probl`emes d’effondrement de r´eseaux (blackout en anglais), voir par exemple http:
//www.alternatives.areva.com/fr/article/alternatives/65 et http://en.wikipedia.org/wiki/
Northeast_Blackout_of_2003.
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