Éolienne (et redressement d`un signal électrique).

Chapitre Éolienne. Activités expérimentales SPCL - systèmes et procédés Tle STL
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Éolienne (et redressement d’un signal électrique).
Les objectifs de cette activité expérimentale sont :
- de déterminer quelques caractéristiques du signal électrique généré par une éolienne (en utilisant un
multimètre et/ou un oscilloscope et/ou un module d'acquisition informatisé) ;
- de modifier le signal électrique généré pas une éolienne afin de pouvoir recharger une "batterie" lorsqu'il y a
surproduction d'électricité (pour pouvoir utiliser cette énergie même lorsqu'il n'y pas assez de vent).
Lors de l'utilisation du petit ventilateur, l’éolienne sera placée à environ 80 cm de ce ventilateur (il sera
nécessaire de démarrer l’éolienne à la main). Avec le grand ventilateur, la distance sera d'environ 30 cm, mais
l'éolienne ne sera pas tout à fait centrée, de façon à ce que l'efficacité du ventilateur soit maximale.
I. Fréquence et puissance efficace de l’éolienne.
1. Mesurer avec précision la valeur de la résistance notée "2,2 kΩ".
2. Brancher deux LED et la résistance d’environ 2,2 kΩ aux bornes de l’éolienne
(schéma ci-contre) et faire tourner l’éolienne en utilisant la plus petite vitesse du
petit ventilateur. Observer le résultat puis (avant de continuer) APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification.
Faire de même en utilisant différentes vitesses de ventilation (en utilisant entre
autres le gros ventilateur).
Analyser les résultats et rédiger brièvement cette analyse puis APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification (mais il est possible de continuer en attendant sa venue).
Donnée : les LED, comme toutes les diodes, ne laissent passer le courant électrique que dans un sens ; si le
courant est bien dans ce sens, alors la LED est allumée sinon (si le courant tente de passer dans le sens inverse)
le courant est nul car la LED se comporte alors comme un interrupteur ouvert (et elle est éteinte).
3. Retirer les deux LED (schéma ci-contre) et faire tourner l’éolienne en utilisant la
plus grande vitesse du gros ventilateur.
ATTENTION : pour travailler avec une vitesse de vent fixe, l'éolienne et le ventilateur
ne doivent plus être déplacés jusqu'à la fin de la question 5.
Avec un multimètre, déterminer la fréquence F et la valeur efficace Ueff de la tension
électrique aux bornes de la résistance (avec la touche RANGE, fixer le calibre du
voltmètre de façon à ce qu'il y ait exactement 2 décimales).
En déduire la période T de la tension, la valeur maximale Umax de la tension et la puissance moyenne Pmoy (et
reporter ces valeurs dans les tableaux situés à la fin de la question 7).
Données : - les tensions et intensités moyennes se mesurent en mode DC ou = ;
- les tensions et intensités efficaces se mesurent en mode AC+DC ou ~ (ou à partir du mode AC) ;
- les valeurs maximales, dans le cas d’un signal sinusoïdal, sont
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fois plus élevées que les valeurs
efficaces :
max 2 eff
YY
et donc
max /2 eff
YY
;
- la caractéristique courant-tension d’une résistance R est
u R i
et donc
eff eff
U R I
;
- la puissance fournie par l’éolienne (et reçue par la résistance) est
uiP
donc ici
moy eff eff
UIP
4. Sur le schéma précédent, représenter les branchements ( voie 1 et ) d'un oscilloscope permettant la
visualisation de la tension électrique aux bornes de la résistance.
Grace aux renseignements obtenus en question 3, déterminer les paramétrages (base de temps et calibre) de
l’oscilloscope puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
Visualiser cette tension avec l’oscilloscope.
Sur l’oscilloscope, déterminer avec précision la période de la tension et la tension maximale (quand tout est au
point, utiliser le mode "digital" pour figer le signal) et APPELER LE PROFESSEUR pour lui montrer (mais il est
possible de continuer en attendant sa venue). En déduire la tension efficace (et reporter cette valeur dans le
tableau situé à la fin de la question 7).
Éolienne
R
+
+
‒
‒
i
Éolienne
R
i
u

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5. Allumer le module d’acquisition Orphy GTS II puis, sur l’ordinateur, démarrer le logiciel GTS2.
Grace à la question 3, déterminer la durée d’acquisition. Puis connecter Orphy (sur le boitier bleu, utiliser l'une
des entrées analogiques "EA…" et la masse "REF") en vue d'acquérir la tension électrique aux bornes de la
résistance puis (avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
Réaliser l’acquisition de cette tension avec Orphy, transférer vers Regressi et enregistrer une copie.
Avec le logiciel, déterminer avec précision la période de la tension et la tension maximale et APPELER LE
PROFESSEUR pour lui montrer (mais il est possible de continuer en attendant sa venue). En déduire la tension
efficace (et reporter cette valeurs dans le tableau situé à la fin de la question 7).
6. Avec ce même logiciel, calculer la valeur de la tension moyenne et la valeur de la tension efficace.
Afficher sur un même graphique l’évolution temporelle de la tension (il s’agit en fait de l’évolution temporelle
de la tension instantanée), la tension moyenne et la tension efficace (et reporter cette valeurs dans le tableau
situé à la fin de la question 7).
Comparer la valeur de la tension efficace avec celles obtenus en question 5, en question 4 et en question 3 puis
(avant de continuer) APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
Données : - sur Regressi, la valeur moyenne Y
moy de
Y s’obtient en écrivant Ymoy=MOY(Y) ;
- sur Regressi, la valeur efficace Y
eff de
Y s’obtient en écrivant Yeff=RMS(Y).
7. Avec ce même logiciel, calculer puis afficher l’évolution temporelle de la puissance (il s’agit en fait de la
puissance instantanée).
Avec le logiciel, calculer la valeur de la puissance moyenne.
Afficher sur un même graphique l’évolution temporelle de la puissance instantanée et la puissance moyenne (et
reporter cette valeurs dans le tableau situé à la fin de la question 7).
Comparer au résultat précédent (question 3) puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui montrer.
3. avec un volt-
mètre AC+DC
4. avec un oscilloscope
(à partir de Umax )
5. avec Orphy et Regressi
(à partir de Umax )
6. avec Orphy et Regressi (à
partir de la fonction RMS)
Ueff
3. avec un voltmètre AC+DC
7. avec Orphy et Regressi (à partir de la fonction MOY)
Pmoy
II. Caractéristique courant-tension de l’éolienne.
8. On souhaite déterminer la caractéristique courant-tension du générateur qu'est l’éolienne. Proposer un
protocole expérimental (avec schéma) permettant de déterminer cette caractéristique puis (avant de continuer)
APPELER LE PROFESSEUR pour vérification.
9. Réaliser les mesures permettant de déterminer la caractéristique courant-tension de l’éolienne :
- l'éolienne et le ventilateur ne doivent plus être déplacés jusqu'à la fin de la question ;
- travailler avec des valeurs efficaces ;
- fixer le calibre du voltmètre (avec la touche RANGE) de façon à ce qu'il y ait exactement 2 décimales ;
- utiliser des résistances allant de 200 Ω à 40 kΩ (valeur de résistance environ doublée à chaque fois) et même
une résistance infinie.
Puis, avec le logiciel Regressi, déterminer l'expression mathématique de la caractéristique courant-tension de
l’éolienne.
Puis, en supposant que cette caractéristique est modélisable par l'expression
eff eff
U E r I
(expression assez
généralement rencontrée pour un générateur), déterminer la valeur de E (la force électromotrice du générateur
en V) et la valeur de r (la résistance interne du générateur en Ω) puis (avant de continuer) APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification.
III. Évolution de la puissance efficace de l’éolienne avec la charge.
10. En utilisant la caractéristique courant-tension précédente et non plus les valeurs expérimentales, utiliser
Regressi pour tracer la courbe montrant l’évolution de la puissance de l’éolienne en fonction de l’intensité du

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courant électrique : pour cela, avec Regressi, ouvrir le fichier "puissance_eolienne" présent dans "Mes
documents", afficher le tableau de valeurs (fenêtre "grandeurs", onglet "variables") et compléter (en utilisant
entre autres l'expression mathématique de la caractéristique courant-tension précédente).
Analyser les résultats puis APPELER LE PROFESSEUR pour vérification (mais il est possible de continuer en
attendant sa venue).
IV. Redressement et lissage : aspect qualitatif.
Lorsque la production d'électricité de l'éolienne dépasse la consommation d'électricité par l'utilisateur, il peut
être intéressant de stocker le surplus d'énergie dans une "batterie" afin de l'utiliser lorsque la production est
inférieure à la consommation. Pour cela, il est indispensable de transformer le signal électrique alternatif en un
signal électrique continu.
11. Réaliser à nouveau le montage ci-contre à gauche
(avec la résistance d’environ 2,2 kΩ) et faire tourner
l’éolienne en utilisant la plus petite vitesse du petit
ventilateur. Observer le résultat (pour rappels).
Puis réaliser le montage ci-contre à droite (toujours
avec la résistance d’environ 2,2 kΩ mais avec en plus
une diode au silicium) et observer le résultat.
Analyser les résultats et rédiger brièvement cette
analyse puis (avant de continuer) APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification.
12. Réaliser le montage ci-après à gauche avec la résistance d’environ 2,2 kΩ et faire tourner l’éolienne en
utilisant la plus petite vitesse du petit ventilateur. Observer le résultat.
Comparer aux résultats précédents et rédiger brièvement cette analyse puis (avant de continuer) APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification.
13. Réaliser le montage ci-avant à droite avec la résistance d’environ 2,2 kΩ et un condensateur d’environ 470 μF
et faire tourner l’éolienne en utilisant la plus petite vitesse du petit ventilateur. Observer le résultat.
Comparer aux résultats précédents et rédiger brièvement cette analyse puis (avant de continuer) APPELER LE
PROFESSEUR pour vérification.
V. Redressement et lissage : aspect quantitatif.
14. Pour rappels :
Réaliser le montage ci-contre avec la résistance d’environ 2,2 kΩ (dont la valeur aura été
préalablement mesurée avec précision). Faire tourner l’éolienne en utilisant la plus grande
vitesse du gros ventilateur.
ATTENTION : l'éolienne et le ventilateur ne doivent plus être déplacés jusqu'à la fin de la question 17.
Réaliser l’acquisition de la tension électrique aux bornes de la résistance en utilisant Orphy (sur le boitier bleu,
utiliser l'une des entrées analogiques "EA…" et la masse "REF"), transférer vers Regressi, enregistrer une copie et
observer le signal obtenu.
Avec Regressi, déterminer la valeur moyenne Umoy et la valeur efficace Ueff de la tension électrique aux bornes de
la résistance (et reporter ces valeurs dans le tableau situé à la fin de la question 17).
Éolienne
R
+
+
‒
‒
i
~
=
redresseur
+
‒
Éolienne
R
C
+
‒
+
+
‒
‒
i
~
=
redresseur
+
‒
Éolienne
R
+
+
‒
‒
i
Éolienne
R
+
+
‒
‒
i
+
‒
Éolienne
R
i
u

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Puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui montrer (mais il est possible de continuer en attendant sa venue).
15. Modifier le montage précédent pour réaliser le montage ci-contre toujours avec la
résistance d’environ 2,2 kΩ (dont la valeur aura été préalablement mesurée avec
précision) mais avec en plus une diode. Faire tourner l’éolienne en utilisant la plus
grande vitesse du gros ventilateur.
Réaliser l’acquisition de la tension électrique aux bornes de la résistance avec Orphy,
transférer vers Regressi, enregistrer et observer le signal obtenu.
Avec Regressi, déterminer la valeur moyenne Umoy et la valeur efficace Ueff de la tension électrique aux bornes de
la résistance (et reporter ces valeurs et l'aspect de la tension dans le tableau situé à la fin de la question 17).
Comparer au résultat précédent (question 14) puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui en parler (mais il est
possible de continuer en attendant sa venue).
16. Réaliser le montage ci-après à gauche avec la résistance d’environ 2,2 kΩ (dont la valeur aura été
préalablement mesurée avec précision). Faire tourner l’éolienne en utilisant la plus grande vitesse du gros
ventilateur.
Après avoir représenté les bornes du module d'acquisition Orphy ( EA0 et ) sur le schéma ci-après à gauche,
réaliser l’acquisition de la tension électrique aux bornes de la résistance en utilisant la voie EA0 d'Orphy (sur le
boitier bleu, la masse est notée "REF"), transférer vers Regressi, enregistrer et observer le signal obtenu.
Avec Regressi, déterminer la valeur moyenne Umoy et la valeur efficace Ueff de la tension électrique aux bornes de
la résistance (et reporter ces valeurs et l'aspect de la tension dans le tableau situé à la fin de la question 17).
Comparer aux résultats précédents (questions 14 et 15) puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui en parler (mais il
est possible de continuer en attendant sa venue).
17. Modifier le montage précédent pour réaliser le montage ci-avant à droite toujours avec la résistance
d’environ 2,2 kΩ (dont la valeur aura été préalablement mesurée avec précision) mais avec en plus un
condensateur d’environ 470 μF. Faire tourner l’éolienne en utilisant la plus grande vitesse du gros ventilateur.
Réaliser l’acquisition de la tension électrique aux bornes de la résistance avec Orphy, transférer vers Regressi,
enregistrer et observer le signal obtenu.
Avec Regressi, déterminer la valeur moyenne Umoy et la valeur efficace Ueff de la tension électrique aux bornes de
la résistance (et reporter ces valeurs et l'aspect de la tension dans le tableau situé à la fin de la question 17).
Comparer aux résultats précédents (questions 14, 15 et 16) puis APPELER LE PROFESSEUR pour lui en parler.
14. pas de
redressement
15. redressement avec
une simple diode
16. redressement avec
un redresseur
17. redressement avec un
redresseur puis lissage
avec un condensateur
aspect
de la
tension
() ut
Umoy (V)
Ueff (V)
18. Travail à rendre : Rédiger quelques lignes pour indiquer l'intérêt du redressement et lissage de la tension
électrique en utilisant entre autres le tableau de la fin de la question 17 et le texte d’introduction.
0
t
u
0
t
u
0
t
u
0
t
u
Éolienne
R
C
+
‒
i
~
=
redresseur
u
+
‒
Éolienne
R
i
u
~
=
redresseur
+
‒
Éolienne
R
i
u
+
‒