Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Loading...
Les systèmes et objets techniques nécessitent de l'énergie pour remplir leur fonction. Une voiture a par exemple besoin d'essence pour avancer. Toutefois, que se passe-t-il entre le réservoir et les roues motrices de la voiture ? Comment l'énergie contenue dans le carburant est-elle acheminée pour mettre en mouvement le véhicule ?
Des questions similaires se posent pour l'ensemble des systèmes dit mécatroniques. Des systèmes conçus au croisement de trois disciplines : la mécanique, l'informatique et l'électronique.
Cimelli C., Cirefice B., Facchin A., Grenaille S. (2019) Innovation technologique, ingénierie & développement durable, Hachette.
Cours sur la puissance - 1ère STI2D (pdf)
Dufeu, B., Marti, B. and Richet, A. (2016). Enseignements technologiques transversaux. Paris: Bertrand-Lacoste.
Masi, B. (2015) Énergétique - terminale SSI (pdf)
Rimars, G. and Voisin, M. (2016). Sciences de l'ingénieur. Paris: Ellipses.
Sujet du Baccalauréat Technologique (2017), Enseignements Technologiques Transversaux, Métropole.
La puissance caractérise la performance d'un système à un instant donné. Elle s'exprime en Watt (W) ou en Joule/seconde (J/s).
Quelques ordres de grandeur de puissances :
télévision : 100 W,
vélo électrique : 250 W,
radiateur électrique : 2 kW,
voiture citadine : 75 kW,
camion semi-remorque : 350 kW,
éolienne : 2 MW,
train : 10 MW,
avion : 80 MW,
centrale nucléaire : 1 GW
L'énergie caractérise la consommation de ce système pendant une durée. Elle s'exprime en Joule (J).
Puissance et énergie sont liées par la relation suivante :
avec, E l'énergie exprimée en Joule (J), P la puissance exprimée en Watt (W), et t le temps exprimé en seconde (s).
Le joule est peu utilisé dans l'ingénierie, on préférera souvent utiliser le Watt-heure (Wh). Il faut alors veiller à la cohérence des unités dans la relationE=P×tE = P \times tE=P×t où la puissance doit être en Watt et le temps en heures. De plus :
1Wh⟺3600J1 Wh \iff3600J1Wh⟺3600J
Quelques rappels de physique
Fonction alimenter ou stocker
L'autonomie énergétique est un problème important dans l'étude des systèmes. Il est fréquent que le système étudié soit muni d'une batterie et que celle-ci soit l'objet d'un dimensionnement. En d'autres terme, il est nécessaire de savoir estimer sa capacité.
Dans le domaine du stockage de l'électricité, on utilise non pas le J ou le Wh pour quantifier l'énergie mais l'ampère-heure (Ah). Cette unité permet d'exprimer l'énergie stockée dans une batterie ou une pile. Il s'agit de sa capacité à débiter un courant pendant une heure.
Par exemple, une batterie d'iPhone 6 possède une capacité d'environ 2 Ah. Cela signifie qu'elle est capable de fournir aussi bien :
2 A pendant 1 heure
1 A pendant 2 heures
4 A pendant 30 minutes.
La capacité d'une pile ou d'une batterie ainsi que le courant et le temps sont liés par la relation suivante :
AvecCCCla capacité de la batterie en Ah,IIIle courant en A ettttle temps en heure.
La chaîne de puissance représente le cheminement de l'énergie au travers du système. Elle est constituée de plusieurs blocs dont les plus courants sont : Alimenter, Distribuer, Convertir, Transmettre. Chacun de ces blocs représente bien une fonction. Nous verrons par la suite que ces fonctions sont associées à un ou plusieurs composants du système.
La chaîne de puissance et les principales fonctions (Dufeu, 2016)
Un système peut être alimenté de manières très différentes.
Une prise électrique du réseau EDF, des compresseurs pneumatiques, des piles et des panneaux solaires.
Cette fonction indique comment l'énergie est distribuée au bloc convertir. C'est à ce niveau que la chaîne de puissance reçoit les ordres de la chaîne d'information.
Un transistor, des relais, des distributeurs pneumatiques et un variateur de fréquence
Dans certains documents, le terme Moduler remplace le terme Distribuer mais il s'agit bel et bien de la même fonction !
Généralement, la nature de l'énergie permettant au système d'agir est différente de celle qui l'alimente. Par exemple un fer à repasser est alimenté par une énergie électrique mais c'est bien une énergie thermique qui lui permet d'assurer sa fonction. Dans ce cas, il y a conversion d'énergie électrique grâce à une résistance et l'utilisation de l'effet joule.
Une des conversion les plus fréquemment rencontrées est la conversion électrique vers mécanique. Celle-ci est assurée par des moteurs.
Les principales formes d'énergies et des exemples technologiques permettant de la conversion entre elles.
Quelques exemples d'éléments assurant une conversion d'énergie :
Un moteur électrique, un moteur thermique de voiture, un vérin et une résistance électrique
Ce bloc explique comment l'énergie fournie par l'actionneur (bloc convertir) est transmise à l'élément final de la chaîne. Par exemple, comment l'énergie mécanique d'un pédalier (bloc convertir) est transmise à la roue arrière d'un vélo : par un mécanisme pignon-chaîne (bloc transmettre).
Trois mécanismes (Réducteur, pignon crémaillère, pignon chaîne), un échangeur thermique et chargeur de téléphone.
Le bloc Agir explique comment est utilisée l'énergie transmise pour réaliser l'action désirée sur la matière d'oeuvre.
Les blocs présentés dans ce cours ne sont pas les seuls possibles. On trouve par exemple dans certains documents un bloc Adapter à la place du bloc Transmettre, un bloc Moduler à la place du bloc Distribuer ou encore un bloc Stocker pour décrire la fonction de la batterie.
Les représentations précédentes de la chaîne d'énergie sont utiles, mais quelque peu limitées :
il faut que les systèmes restent simples (pas trop de blocs)
il n'y a pas de standard de représentation, chacun peut représenter une chaîne de puissance comme il l'entend.
Quelques exemples de représentations différentes de la chaîne de puissance :
Les représentations des chaînes de puissance ne sont pas uniformes
Ces différentes manières de représenter la chaîne de puissance sont susceptibles de poser problème lorsque l'on souhaite communiquer avec d'autres acteurs d'un projet.
Pour résoudre ce problème, un standard a été créé pour spécifier la manière dont on doit modéliser une chaîne de puissance (et bien d'autres choses dans le cadre d'un projet). Ce standard est le SysML (System Modeling Language).
Du fait qu'il est standard, il permet ainsi à toutes les entreprises qui l'utilisent de modéliser de la même manière. Elles communiquent plus efficacement et minimisent les sources d'erreurs. Nous allons voir également que l'on peut modéliser des systèmes plus complexes avec le SysML qu'avec la modélisation que nous avons vu précédemment.
Exemple de diagramme de blocs internes tiré du sujet de Baccalauréat STI2D 2017.
Les noms des fonctions n'apparaissent plus dans le diagramme de blocs internes. On ne retrouve que le nom des composants de la chaîne de puissance.
Les flèches de la chaîne de puissance classique (entre deux blocs) sont remplacées par des traits orientés par le sens des flèches à leurs extrémités.
Enfin, le type d'énergie qui transite entre deux blocs doit apparaître.
Les transferts de puissance vus dans les paragraphes précédents ne sont pas parfaits. En d'autres termes, à chaque transfert (entre deux blocs), il y a une perte d'énergie. Ces pertes sont dissipées sous forme de chaleur. Par exemple, la chaleur dissipée par un chargeur de téléphone provient des pertes dues à la transformation de la tension (230V → 5V).
A partir de cet exemple, on peut modéliser la chaîne suivante :
Dans le cas d'un chargeur de téléphone, les pertes représentent entre 20 et 40% de l'énergie entrante (P1 sur le schéma). Le chargeur (bloc transmettre) restitue donc moins d'énergie en sortie (P2).
Si on prend en compte 20% de pertes, cela signifie que P2 est égal à 80% (100% - 20%) de P1. Ce pourcentage (80% dans notre cas) est appelé le rendement.
Le rendement d'un bloc de la chaîne d'énergie est noté (Êta). Il est le rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée. La puissance absorbée est la puissance à l'entrée du bloc et la puissance utile est la puissance de sortie.
Il se calcule de la manière suivante :
η=PuPa\eta=\frac{P_u}{P_a}η=PaPu
AvecPuP_uPu la puissance utile (W),PaP_aPa la puissance absorbée (W) etη\etaηle rendement (sans unité ou exprimé en %).
Quelques exemples de machines et leur rendement :
Le rendement global d'une chaîne de puissance est le produit des rendements de chaque bloc :
ηglobal=η1×η2×η3×...×ηn\eta_{global}=\eta_{1} \times \eta_{2} \times \eta_{3} \times ...\times \eta_{n}ηglobal=η1×η2×η3×...×ηn
Le rendement global d'une chaîne d'énergie est donc nécessairement inférieur au rendement du plus mauvais des étages de la chaîne de puissance ! D'où la nécessité de soigner la conception de chaque étage dans un souci d'efficacité énergétique globale.
L'objet de cette partie n'est pas de fournir un cours complet sur les mécanismes. Nous nous limiterons à l'étude d'un mécanisme simple mais souvent rencontré dans les chaînes de puissance : l'engrenage.
Définition : Un engrenage est un système mécanique composé de deux roues dentées.
La fréquence de rotation des moteurs (fonction convertir) n'est souvent pas adaptée à la fréquence de rotation de l'éléments en sortie du système (ex: roue).
Un engrenage permet d'adapter la fréquence de rotation d'un arbre. Il peut réduire celle-ci, on parle alors de réducteur ou, au contraire, l'augmenter, on parle alors de multiplicateur.
La petite roue (pignon) tourne plus vite que la grande roue.
Dans un engrenage on distingue la roue menante de la roue menée. La roue menante entraîne la roue menée.
Lorsque la petite roue est menante, il y a réduction de la vitesse. Au contraire, lorsque la grande roue est menante, il y a multiplication de la vitesse. Le rapport entre la fréquences de rotation en entrée et la fréquence de rotation en sortie du mécanisme est appelé facteur de réduction. On le noterrr. Il se calcule de la manière suivante :
r=ZmenanteZmeneˊer = \frac{Z_{menante}}{Z_{menée}}r=ZmeneˊeZmenante
AvecZZZle nombre de dents de la roue dentée.
De plus, on peut calculer la fréquence de rotation de sortie à partir de celle d'entrée et du rapport de réduction :
Nsortie=r×NentreˊeN_{sortie} = r \times N_{entrée}Nsortie=r×Nentreˊe
La fréquence de rotation d'un arbre est notéeNNNest s'exprime en tours par minutes (tr/mintr/mintr/min)
On parle parfois de vitesse angulaire pour exprimer la vitesse à laquelle tourne un arbre. La vitesse angulaire est notéeω\omegaωest s'exprime en radians par secondes (rad/srad/srad/sous−1s^{-1}s−1).
Pour passer deNNNàω\omegaωon utilise la formule suivante :
ω=2π.N60\omega = \frac{2 \pi.N}{60}ω=602π.N
Le rendement d'un engrenage est généralement supérieur à 95%
Les systèmes mécatroniques sont des systèmes mêlant des parties mécaniques, électroniques et informatiques. Ces systèmes sont présents dans tous les domaines (robotique, aérospatiale, transport, etc.)
Quelques exemples de systèmes mécatroniques :
Une cafetière, une voiture ou encore un robot (Camper Trolley)
Pour faciliter la résolution de problèmes, notamment lors de la conception de systèmes, les ingénieurs ont très souvent recours à la modélisation. Un modèle est une simplification de la réalité et peut prendre beaucoup de formes différentes (diagramme, modèle 3D etc.)
Avez vous déjà réalisé un dessin pour vous aider à comprendre ou résoudre un problème ? Sans le savoir, vous étiez en train de modéliser ! Les ingénieurs font de même : ils représentent des idées complexes pour les aider dans leurs tâches grâce à la modélisation.
La plupart des systèmes mécatroniques peuvent être modélisés sous la forme d'un schéma constitué d'une chaîne de puissance et d'une chaîne d'information. L'ensemble est appelé chaîne fonctionnelle. Cette chaîne est dite fonctionnelle, car permet de lier les différents composants d'un système (carte électronique, moteur, engrenages, câbles, etc.) à partir de leur fonction. Par exemple, la fonction d'un moteur électrique est de convertir une énergie électrique en une énergie mécanique.
La chaîne de puissance (aussi appelée chaîne d'énergie ou partie opérative) permet d'amener la puissance (ou l'énergie) suffisante et sous la bonne forme afin de réaliser l'action désirée. Par exemple, la chaîne de puissance d'une voiture permet d'acheminer l'énergie disponible dans le réservoir (i.e. le carburant) jusqu'aux roues sous la forme d'une énergie mécanique (énergie cinétique de rotation) afin de faire avancer la voiture.
La chaîne d'information (aussi appelée partie commande) permet de gérer l'information reçue par le système (acquisition, traitement, communication, etc.). Elle fait l'objet d'un autre cours.
Les deux chaînes sont composées de blocs fonctionnels (i.e. qui remplissent une fonction). Ces différents blocs seront détaillés dans la suite de ce cours. La matière d'oeuvre est l'élément sur lequel le système agit. Il peut-être de différentes natures : matériel, énergétique ou informationnel. La matière d'oeuvre entrante est l'état initial de cet élément et la matière d'oeuvre sortante est son état final. Prenons l'exemple du grille-pain (un autre système mécatronique). La matière d'oeuvre entrante est le pain et la matière d'oeuvre sortante est le pain grillé. Pour l'exemple de la voiture, cité plus haut, la MOE est la roue à l'arrêt et la MOS est la roue en mouvement.
Une vidéo expliquant la chaîne de puissance (ici appelée chaîne d'énergie) et la chaîne d'information.
La puissance (en W) est le produit d'une grandeur d'effort et d'une grandeur de flux.
Le tableau suivant récapitule les grandeurs les plus courantes ainsi que la relation associée permettant de calculer la puissance.
Finalement, pourquoi parle-t-on de chaîne de puissance ? Pour l'instant, nous représentons seulement les différentes fonctions et les éléments qui leur sont associés sous forme de bloc. Toutefois, aucune puissance n'apparaît dans la chaîne. En réalité entre chaque bloc, il y a transfert d'énergie. Comme nous l'avons vu, cette énergie peut être de différentes formes : mécanique, électrique, pneumatique etc.
En prenant l'exemple d'une voiture électrique, on peut représenter ces transferts de puissance (ou d'énergie) sur la chaîne en faisant apparaître les grandeurs d'effort et de flux.
