La conversion d’énergie mécanique en énergie électrique ...

1 Voie g n rale Tle Enseignement scientifique Informer et accompagner les professionnels de l' ducation voie g n rale 2de 1re Tle Enseignement scientifique ENSEIGNEMENT. commun La conversion d' nergie m canique en nergie lectrique : fonctionnement d'un alternateur. Mots cl s Alternateur, stator, rotor, aimant, lectroaimant, induction, conversion lectrom canique. R f rence aux programmes : Deux si cles d' nergie lectrique Savoirs Les alternateurs lectriques exploitent le ph nom ne d'induction lectromagn tique d couvert par Faraday puis th oris par Maxwell au XIXe si cle. Ils r alisent une conversion d' nergie m canique en nergie lectrique avec un rendement potentiellement tr s proche de 1. Savoir-faire Reconna tre les l ments principaux d'un alternateur (source de champ magn tique et fil conducteur mobile) dans un sch ma fourni. Analyser les propri t s d'un alternateur mod le tudi exp rimentalement en classe.

2 D finir le rendement d'un alternateur et citer un ph nom ne susceptible de l'influencer. Introduction et enjeux L'objectif de r duction drastique d' missions de gaz effet de serre court ou moyen terme est aujourd'hui des plus importants. L'un de ces gaz effet de serre, le dioxyde de carbone, est mis de mani re anthropique et non renouvelable par la combustion de p trole, gaz et charbon ( nergies fossiles). Cette combustion permet par exemple le chauffage de b timents, le fonctionnement de moteurs thermiques ou de turbor acteurs. L'utilisation de ces nergies carbon es n cessite ainsi des convertisseurs d' nergie : par exemple, un moteur thermique est un convertisseur d' nergie chimique en nergie m canique. L'abandon de ces ressources au profit d' nergies dites renouvelables ( nergies olienne, hydro lectrique, solaire, mar motrice ) n cessite galement des convertisseurs d' nergie.

3 Un panneau photovolta que est par exemple un convertisseur d' nergie lectromagn tique (forme sous laquelle l' nergie solaire nous parvient) en nergie lectrique : une autre ressource aborde ce sujet. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale et de la Jeunesse - Juin 2020 1. voie g n rale Tle Enseignement scientifique Dans le cas des nergies olienne, hydro lectrique ou mar motrice, on dispose d' nergie m canique ( nergie cin tique du vent pour l' nergie olienne ou nergie potentielle de pesanteur pour l'eau d'un barrage) que l'on convertit en nergie lectrique : on parle de conversion lectrom canique. L'un des convertisseurs les plus utilis s aujourd'hui est l'alternateur, qui permet d'obtenir de l' nergie lectrique courant alternatif partir d' nergie m canique. Ce mode de conversion est une technologie tr s bien ma tris e de nos jours. Plus de 98 % de la production d' nergie lectrique mondiale aujourd'hui provient d'une conversion lectrom canique.

4 Pour limiter le d gagement de CO2 li l'obtention d' nergie lectrique, il faut disposer de dispositifs de production ou d'exploitation d' nergie m canique qui ne n cessitent pas de combustion. C'est le cas des productions hydro lectrique, olienne et nucl aire. Dans les centrales nucl aires, en effet, la chaleur d gag e par les r actions thermonucl aires est utilis e pour former de la vapeur d'eau, qui fait fonctionner des turbines accoupl es des alternateurs. Dans le cas de centrales thermiques, le principe est identique, mais la chaleur n cessaire l'obtention de la vapeur d'eau est issue de la combustion d' nergies fossiles : en ce cas, l' nergie lectrique n'est pas d carbon e . Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale et de la Jeunesse - Juin 2020 2. voie g n rale Tle Enseignement scientifique D couverte du ph nom ne d'induction L'alternateur utilise le principe physique de l'induction, dont la d couverte et la formalisation dans les quations de Maxwell est assez r cente (XIXe si cle).

5 On peut donner les rep res suivants : Jusqu'au XIX si cle, on distinguait : l' tude des ph nom nes magn tiques, depuis l'Antiquit (boussoles ou d'aimants) ;. l' tude des ph nom nes lectriques, tudi s par Charles-Augustin Coulomb en particulier la fin du XVIIIe si cle. En 1800, la pile d'Alessandro Volta permet la g n ration de courants lectriques, qui sont des charges lectriques en mouvement. Le lien entre ces deux branches de la physique n'est tabli qu'en 1820, par Hans-Christian rsted. Il d couvre de mani re fortuite que le passage d'un courant lectrique proximit . d'une boussole la d vie : le lien ph nom nes lectriques => ph nom nes magn tiques est d montr . La r ciproque de cette d couverte reste d s lors tablir. En 1831, Michael Faraday montre par l'exp rience qu'un circuit lectrique ferm est parcouru par un courant lectrique lorsqu'il est plong dans un champ magn tique variable dans le temps, obtenu par exemple par le mouvement d'un aimant proximit du circuit lectrique, ou encore par le mouvement d'un lectroaimant (bobine aliment e lectriquement, qui se comporte comme un aimant).

6 Ce ph nom ne est galement observable lorsque c'est le circuit lectrique qui est en mouvement dans un champ magn tique qui n'est pas homog ne. D s lors, la r ciproque ph nom nes magn tiques => ph nom nes lectriques est d montr e : on parle d'induction. Le sch ma ci-dessous pr sente de fa on sch matique une illustration exp rimentale ais ment r alisable en classe : En conclusion, lorsque le champ magn tique dans lequel est plong un circuit lectrique volue dans le temps, tout se passe comme si ce circuit contenait un g n rateur lectrique : c'est la loi de Faraday (qui ne figure pas au programme de l'enseignement scientifique) qui d crit et quantifie le ph nom ne d'induction. A titre documentaire, cette loi est pr cis e dans l'encadr ci-dessous. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale et de la Jeunesse - Juin 2020 3. voie g n rale Tle Enseignement scientifique Loi de Faraday Cette loi relie la force lectromotrice d'induction pr sente dans un circuit aux variations dans le temps du flux de champ magn tique qui traverse ce circuit.

7 Pour un circuit plan plong . dans un champ uniforme, le flux du champ magn tique est le produit de la norme du champ (en tesla, T) par l'aire du circuit (en m2) ; il s'exprime donc en La loi de Faraday, d couverte exp rimentalement nonce que les courants induits dans le circuit sont quivalents ceux que produirait un g n rateur lectrique dont la force lectromotrice serait : d . e ( t )= (t ). dt Cette loi est une cons quence des lois g n rales de l' lectromagn tisme th oris es par Maxwell dans les ann es 1870. Le ph nom ne d'induction permet donc, en mettant en mouvement un circuit ou un aimant d'obtenir de l' nergie lectrique. Cette nergie n'est pas gratuite : pour l'obtenir, l'op rateur doit fournir une nergie m canique car l'aimant (ou le circuit mobile) est soumis une force d'origine magn tique qui fournit un travail r sistant auquel l'op rateur doit s'opposer. Principe g n ral de l'alternateur Un alternateur est un convertisseur d' nergie m canique en nergie lectrique qui exploite ce ph nom ne d'induction.

8 L' nergie m canique, qui est la grandeur d'entr e du convertisseur ( nergie fournie, ou d pens e), est l'origine de la mise en rotation d'une partie tournante (pales d'une olienne, turbine d'une centrale hydro lectrique), qui elle-m me entra ne en rotation des sources de champ magn tique : aimants ou lectroaimants ; cette partie en rotation est nomm e rotor. Ces sources de champ magn tique sont alors en mouvement l'int rieur (parfois autour) d'un ou plusieurs circuits lectriques fixes (le stator) dans le r f rentiel d'usage de l'alternateur. Ces circuits lectriques sont alors le si ge d'un ph nom ne d'induction, et peuvent tre parcourus par un courant lectrique lorsqu'ils sont reli s une charge lectrique. L' nergie lectrique correspondante est la grandeur de sortie du convertisseur. Ce convertisseur associant stator et rotor est appel alternateur. Les puissances mises en jeu vont du W au GW suivant les applications.

9 Figure 1 Figure 2 Figure 3. Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale et de la Jeunesse - Juin 2020 4. voie g n rale Tle Enseignement scientifique Figure 1 : Alternateur de v lo ( dynamo ). Taille de l'ordre du cm. Puissance de l'ordre du W. Figure 2 : Alternateur de voiture. Taille de l'ordre de la dizaine de cm. Puissance de l'ordre du kW. Figure 3 : Alternateur de centrale nucl aire lors d'une op ration de maintenance Paluel : le rotor long de 20m et pesant 240 tonnes a t extrait du stator. Puissance de plusieurs centaines de MW. Quels que soient les ordres de grandeur des puissances d livr es par ces alternateurs, le sch ma de principe est le m me. Il comporte un rotor (compos d'aimants ou d' lectroaimants qui doivent donc tre aliment s lectriquement, symbolis s par leurs p les nord N et sud S en rotation), li l'axe de rotation du syst me, et un stator compos d'un ou plusieurs circuits lectriques dans lesquels se produisent des ph nom nes d'induction, et qui se comporteront d s lors comme des sources d' nergie lectrique.

10 L' nergie m canique est apport e par des l ments m caniques li s l'axe de rotation : pales d'une olienne entra n es par le vent, turbine d'une centrale hydro lectrique entra n e par l'eau, courroie pour un alternateur d'automobile ou encore galet d'une dynamo entra n . par frottement avec le pneu du v lo. On peut donner ce sch ma de principe : Ces diff rents l ments peuvent facilement tre rep r s sur les syst mes r els, ici un alternateur de voiture non d mont : Retrouvez duscol sur - Minist re de l' ducation nationale et de la Jeunesse - Juin 2020 5. voie g n rale Tle Enseignement scientifique Soit en vue clat e d'un autre mod le : Rendement d'un alternateur Le rendement d'un convertisseur tel que l'alternateur est une propri t d terminante. Dans un syst me de type lectro-magn to-m canique (ou lectrom canique), les sources de dissipation d' nergie sont de plusieurs natures : pertes m caniques (frottements), pertes par effet Joule dans les circuits lectriques et pertes dites fer.