La chaîne de puissance : capter, stocker, convertir et transmettre l'énergie

Les notions à connaître

Chaîne de puissance

Ensemble des fonctions d'un produit dédiées spécifiquement aux énergies de toutes natures, représenté par un schéma blocs caractérisant chaque fonction par ses grandeurs externes d'entrée et de sortie. Exemple : dans un VAE, la chaîne de puissance va de la batterie au pneu arrière en passant par le contrôleur et le moteur.

Captation d'énergie

Fonction qui prélève l'énergie disponible dans l'environnement pour alimenter le produit. Exemple : le panneau photovoltaïque d'un horodateur autonome capte l'énergie lumineuse du soleil.

Stockage d'énergie

Fonction qui accumule l'énergie sous forme chimique, électrique, mécanique ou thermique pour la restituer plus tard. Exemple : la batterie lithium-ion d'un VAE stocke l'énergie sous forme chimique, un ballon d'eau chaude la stocke sous forme thermique.

Conversion de puissance

Fonction qui change la nature de l'énergie : électrique en mécanique, chimique en thermique, chimique en électrique, électrique en lumineuse, avec une réversibilité possible selon les cas. Exemple : le moteur d'un VAE convertit l'électrique en mécanique et, sur certains modèles, fonctionne en génératrice au freinage (conversion réversible).

Modulation de puissance

Fonction commandée qui dose la puissance transmise à la charge, en tout ou rien (TOR) ou de façon progressive, via des convertisseurs statiques $(AC/AC, AC/DC, DC/AC, DC/DC).$ Exemple : le variateur d'un VAE module la puissance envoyée au moteur en fonction de l'effort du cycliste.

Adaptation de puissance

Fonction non commandée qui modifie la forme de l'énergie ou le couple des grandeurs $flux/effort$ sans en changer la nature ni la doser. Exemple : le réducteur d'un moteur de portail réduit la vitesse et augmente le couple ; un transformateur adapte la tension du réseau.

Transmission de puissance

Fonction qui achemine l'énergie mécanique jusqu'au récepteur via des liaisons mécaniques, décrites par un schéma cinématique (liaisons élémentaires, classes d'équivalence, graphe de liaisons). Exemple : la chaîne et les pignons d'un vélo transmettent la puissance du pédalier à la roue arrière.

Rendement d'une chaîne de puissance

Rapport de la puissance utile à la puissance absorbée pour chaque étage ; le rendement global d'étages en cascade est le produit des rendements. Exemple : batterie ($0{,}95$), variateur ($0{,}97$), moteur ($0{,}85$) et transmission ($0{,}92$) donnent un rendement global d'environ $0{,}72$.

Les erreurs à éviter en ingénierie et développement durable

• ✗ Confondre modulation et adaptation de puissance.

  ✓ La modulation est commandée par la chaîne d'information (elle dose : variateur, hacheur) ; l'adaptation est non commandée (elle transforme $flux/effort$ à rapport fixe : réducteur, transformateur).

• ✗ Additionner les rendements d'étages en cascade.

  ✓ Les rendements se multiplient : $\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots$, toujours inférieur au plus faible d'entre eux.

• ✗ Utiliser la vitesse en tours par minute dans $P = C \times \omega$.

  ✓ $\omega$ doit être en $\text{rad/s}$ : $\omega = \dfrac{2\pi \times n}{60}$ avec $n$ en $\text{tr/min}$.

• ✗ Croire qu'un réducteur fait perdre de la puissance par principe.

  ✓ Le réducteur échange vitesse contre couple à puissance quasi constante ($P = C \times \omega$) : seules les pertes par frottement réduisent la puissance.

• ✗ Oublier qu'une conversion peut être réversible.

  ✓ Un moteur électrique peut fonctionner en génératrice (freinage récupératif), une batterie se charge et se décharge : la réversibilité est un levier d'efficacité énergétique.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Quelles sont les principales fonctions d'une chaîne de puissance selon le programme ?
2. Sous quelle forme une batterie lithium-ion stocke-t-elle l'énergie ?
3. Quelle conversion d'énergie réalise un moteur électrique ?
4. Un variateur de vitesse qui dose la puissance envoyée à un moteur assure la fonction :
5. Un moteur tourne à $3\,000\,\text{tr/min}$. Sa vitesse angulaire vaut environ :