Génaralités
LA CHAINE D’ÉNERGIE
Tout objet technique a besoin d’énergie pour fonctionner, le principe de fonctionnement est souvent le même ; il doit s’alimenter en énergie, puis la distribuer et la convertir et enfin la transmettre.
L’action à réaliser impose un flux d’énergie qui doit être acheminé (sur ordre de la chaine d'information) de la source (fonction Alimenter) à l'effecteur (fonction Transmettre). Les performances énergétiques et mécaniques du système dépendent des caractéristiques des divers constituants.
LE FLUX D’ÉNERGIE
La chaîne énergie représente la partie effective du système. C'est elle qui agit directement sur la matière d'œuvre et qui effectue la fonction spécifiée par le cahier des charges. La chaine d'énergie se décompose généralement en quatre sous-fonctions.
· d'alimenter en énergie le système à partir d'une source d'alimentation
· de distribuer, ou réguler, l'énergie à apporter à l'unité́ de conversion en fonction des ordres reçus par la chaine d'information
· de convertir l'énergie de la source d'alimentation en énergie mécanique
· de transmettre l'énergie mécanique en sortie de l'unité́ de conversion en énergie mécanique
Alimenter/stocker
Alimenter, c’est fournir au système l’énergie (mécanique, électrique, pneumatique, hydraulique) dont il a besoin pour fonctionner.
Dans la majorité des cas les systèmes étudiés fonctionnent avec une énergie de départ qui est électrique
Les deux types d’énergie électrique principalement utilisés sont :
· L’énergie électrique par réseau : fournit par l’intermédiaire d’un réseau de l’énergie électrique de type courant alternatif sinusoïdal de fréquence 50 Hz et des tensions variables : 230 V monophasé, 400V triphasé, ... etc qui nécessite un raccordement et une protection.
· Dans les usages courants, on utilise un transformateur qui abaisse cette tension alternative en 24V, 12V, 5V ou un convertisseur qui redresse et lisse la tension (tension continue) en 24V, 12V, 5V
· L’énergie électrique locale : L’énergie électrique est soit produite localement et sous la forme directement utilisable (cellules photovoltaïques, éoliennes) soit emmagasinée et restituée en fonction des besoins (piles ou accumulateurs – piles rechargeables). La tension délivrée est continue.
Distribuer
L’énergie électrique fournie par l’alimentation doit être distribuée aux différents actionneurs du système. Deux possibilités peuvent alors être envisagées :
· Distribution en tout ou rien (ou par commutation), la source d’énergie est alors mise directement en relation avec l’actionneur. Exemple : relais électromagnétiques, contacteurs, …
· Distribution par modulation d’énergie, dans ce cas l’actionneur reçoit l’énergie de façon graduelle. Exemple : variateurs, hacheurs, …
Convertir
Puisque l'énergie souvent disponible est électrique, il faut convertir cette énergie disponible en énergie mécanique. Cette fonction de conversion est assurée par les moteurs électriques qui convertissent l’énergie électrique en énergie mécanique de rotation.
L'énergie représente une force en action, elle se mesure en Joule (J). Or, les données constructeurs pour les moteurs n'indiquent pas l'énergie mais la puissance fournie (ou puissance utile).
La puissance représente la quantité d'énergie ε que consomme un système par unité de temps t. Ainsi, plus un système consomme de l'énergie sur un délai court et plus il est puissant.
On en déduit : E=Pxt
P : puissance en Watt (W)
E : énergie en Joule (J)
t : temps en seconde (s)
D'un point de vue technologique, il existe deux types de courant électrique (courant continu, ou courant alternatif). De ce fait, on trouve deux familles de moteurs électriques :
Selon les types de moteur, la puissance absorbée s'exprimera de façon différente :
Moteur à courant continu : P = U.I
· P : puissance en Watt (W)
· U : tension en volt (V)
· I : intensité en ampère (A)
Moteur à courant alternatif monophasé : P = U.I.cosφ
Moteur à courant alternatif triphasé : P = U.I.√3.cosφ
NB : du fait que les moteurs à courant alternatif sont souvent inductifs, un déphasage φ apparaît entre la tension U et le courant I.
Par contre, quelques soient les types de moteur, la puissance mécanique de rotation s'exprimera toujours par : P = C.ω
· P : puissance en Watt (W)
· C : couple de force en Newton.mètre (N.m)
· ω : vitesse angulaire de rotation en radian / seconde (rad/s)
Transmettre
Cette fonction est généralement réalisée par des mécanismes. Elle est constituée de pièces reliées entre elles par des liaisons mécaniques. Ces mécanismes permettent de transmettre l'énergie reçue et agissent directement sur la matière d’œuvre.
LE RENDEMENT
Les systèmes de conversion d'énergie ne sont jamais parfaits et possèdent des pertes.
Le rendement d'une conversion d'énergie se définit comme le rapport de l'énergie à la sortie du composant par celle à l’entrée du composant.
On définit le rendement de la manière suivante.
| Avec :
Eentrée et Esortie les énergies à la sortie et à l’entrée du composant, en Joule (J) ou en Watt.heure (W·h) Pentrée et Psortie les puissances à la sortie et à l’entrée du composant, en Watt (W) |
Le rendement est toujours inférieur à 1.
Il est souvent exprimé en %. Exemple 
= 0,7=70%
RENDEMENT D'UNE CHAÎNE FONCTIONNELLE
Dans une chaîne d'énergie, le rendement total de la chaîne est le produit des rendements de chacune des machines la constituant :
Exercices sur les rendements et chaines d'énergie.
Exercice 1
Calculer le rendement de ce moteur
Exercice 2
On désire faire le bilan énergétique de la Clio 5 sur autoroute. On considère qu’elle roule sur le plat à 130 km/h
Calculer le rendement total du véhicule
Les forces qui s’oppose au mouvement sont : la résistance à l’air 545N et La résistance au roulement (essentiellement les pneus) 147N
En déduire la puissance mécanique qu’elle doit développer.
Quelle est la puissance thermique absorbée par le véhicule ?
