Chaînes de puissance et d'information : analyse et optimisation

Les notions à connaître

Diagramme de Sankey

Représentation graphique qualitative et quantitative des flux de matière, d'énergie et d'information d'un produit : la largeur des flèches est proportionnelle au flux, ce qui rend les pertes immédiatement visibles. Exemple : le Sankey d'un moteur thermique montre qu'environ $65\,\%$ de l'énergie du carburant part en chaleur dans l'échappement et le refroidissement.

Diagramme de blocs internes (IBD, SysML)

Diagramme SysML décrivant l'organisation interne d'un produit : blocs (constituants), ports et connexions parcourues par les flux matière, énergie ou information. Il se lit et se modifie partiellement en terminale. Exemple : l'IBD d'un volet roulant connecté relie l'alimentation, le variateur, le moteur, le capteur de fin de course et la carte radio par leurs flux d'énergie et de données.

Source et charge

La source fournit l'énergie (réseau, batterie, panneau), la charge la consomme en la convertissant en service (moteur, résistance, éclairage) ; leurs caractéristiques $(tension/courant, couple/vitesse) d$éterminent le point de fonctionnement, en régime établi ou transitoire. Exemple : au démarrage d'un moteur de TGV, le régime transitoire impose un courant bien supérieur au courant nominal du régime établi.

Point de fonctionnement

Point d'intersection des caractéristiques de la source et de la charge, où le système fonctionne réellement ; l'optimisation énergétique consiste à le placer dans la zone de meilleur rendement. Exemple : un MPPT (Maximum Power Point Tracking) déplace en permanence le point de fonctionnement d'un panneau photovoltaïque pour en extraire la puissance maximale malgré les variations d'ensoleillement.

Rendement et bilan énergétique

Le rendement $\eta = P_{\text{utile}}/P_{\text{absorbée}}$ se mesure sur chaque étage et se multiplie en cascade ; le bilan énergétique d'un produit, établi à partir de mesures, distingue rendement instantané (en puissance) et rendement énergétique (sur un cycle complet). Exemple : un lave-linge affiche un rendement moteur correct, mais son rendement sur cycle chute à cause du chauffage de l'eau, poste dominant du bilan.

Réversibilité et récupération d'énergie

Certaines conversions sont réversibles : la machine électrique peut fonctionner en génératrice et renvoyer l'énergie de freinage vers la batterie ou le réseau, à condition que le modulateur de puissance soit lui-même réversible. Exemple : un tramway récupère au freinage jusqu'à $30\,\%$ de l'énergie de traction et la réinjecte dans la ligne pour les rames voisines.

Chaîne d'information (acquérir, traiter, communiquer)

Ensemble des fonctions qui prélèvent une grandeur (capteur), la conditionnent (amplification, filtrage), la convertissent (CAN), la traitent (algorithme) et la communiquent (réseau, liaison série, sans fil). Exemple : une station météo acquiert la température, filtre le signal, le numérise, calcule une moyenne glissante et transmet la trame en radio vers la box domotique.

Régulation et asservissement

Boucle qui compare en permanence la grandeur mesurée à la consigne et corrige la commande : la régulation maintient une grandeur constante malgré les perturbations, l'asservissement suit une consigne variable. Exemple : le régulateur de vitesse d'une voiture maintient $110\,\text{km/h}$ dans les côtes (régulation) ; un bras de robot qui suit une trajectoire est asservi en position.

Les erreurs à éviter en ingénierie, innovation et développement durable

• ✗ Additionner les rendements des étages d'une chaîne.

  ✓ Les rendements se multiplient : $\eta_{\text{global}} = \eta_1 \times \eta_2 \times \dots$. Trois étages à $0{,}9$ donnent $0{,}9^3 \approx 0{,}73$, pas $0{,}9$.

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

  ✓ $\omega$ doit être en $\text{rad/s}$ : $\omega = \dfrac{2\pi n}{60}$. Un moteur de $2\,\text{N} \cdot \text{m}$ à $3\,000\,\text{tr/min}$ fournit $2 \times 314 \approx 628\,\text{W}$, pas $6\,000\,\text{W}$.

• ✗ Confondre puissance et énergie.

  ✓ La puissance ($\text{W}$) est un débit d'énergie ; l'énergie ($\text{Wh}$ ou $\text{J}$) est la quantité transférée : $E = P \times \Delta t$. Une batterie se caractérise en énergie ($\text{Wh}$), un moteur en puissance ($\text{W}$).

• ✗ Confondre régulation et asservissement.

  ✓ La régulation maintient une grandeur constante face aux perturbations (température d'une pièce) ; l'asservissement poursuit une consigne qui varie (position d'un bras robot). La structure en boucle est la même, l'usage diffère.

• ✗ Juger l'efficacité d'un produit sur le seul rendement instantané.

  ✓ Un produit passe une grande partie de sa vie hors du point nominal (veille, charge partielle) : seul le rendement énergétique sur cycle, établi par mesures, reflète la consommation réelle.

Sais-tu répondre à ces questions ?

Les corrigés détaillés sont dans le quiz du chapitre.

1. Sur un diagramme de Sankey, que représente la largeur d'une flèche ?
2. Quelles sont les trois fonctions principales d'une chaîne d'information ?
3. Un moteur absorbe $500\,\text{W}$ et fournit $425\,\text{W}$ utiles. Quel est son rendement ?
4. Une chaîne comporte trois étages de rendements $0{,}95$, $0{,}90$ et $0{,}80$. Quel est le rendement global ?
5. Qu'est-ce que le point de fonctionnement d'un ensemble source-charge ?