Introduction - Nathalie Rion

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 U Rh = 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 !!!