1° Détermination du rendement d’un moteur électrique à courant continu








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titre1° Détermination du rendement d’un moteur électrique à courant continu
date de publication17.07.2017
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Activités expérimentales

Thème :

Transport

Classe :TSTI2D

Date :

Nom :

Les convertisseurs électromécaniques d’énergie

La machine à courant continu est un convertisseur électromécanique très utilisé. Elle est réversible : Elle peut fonctionner soit en moteur, soit en génératrice. Néanmoins elle est principalement utilisée en moteur. Le rendement d’un moteur à courant continu de forte puissance (30 kW) est de l’ordre de 85%. Il est médiocre pour les moteurs de faible puissance.
1°) Détermination du rendement d’un moteur électrique à courant continu :
Dans les véhicules de tourisme, les moteurs à courant continu sont utilisées pour différentes fonctions.


http://www.leader-pieces-auto.com/?/image/view/pompe-a-essence-immergee/articles/lpa3a242/jpg/petit/pompe-a-essence-imme
Exemples :



http://www.bigship.com/images/products/350x280/41481.jpg


Moteur d’essuie-glaces Valéo MFD 250B

U = 12 V

N = 40 tr/min

I = 4 A

Rendement 43%

(En petite vitesse)




Pompe à essence immergée dans le réservoir

Pression:1,1 bar Débit:80 à 100 l/heure

Puissance maxi : 60 W Alimentation:12 V

Référence BOSCH:EKP 5

Moteur de lave glace

U = 12 V


Dans la plupart des cas, l’arbre du moteur entraîne un réducteur de vitesse composé d’engrenages. C’est le cas du « moteur d’essuie-glaces ». Du point de vu énergétique, on peut schématiser le fonctionnement du « moteur d’essuie-glaces » par la chaîne énergétique ci-dessous.

Moteur
Réducteur de vitesse

Energie électrique

(Energie absorbée Wa )

Energie mécanique

(Energie utile du moteur Wu1)

Energie mécanique disponibleWu2

Pertes

Pertes



  1. Donner l’expression du rendement ηm du moteur, du rendement ηr du réducteur et du rendement ηT de l’ensemble moteur + réducteur.




  1. Détermination du rendement :



Prenons l’exemple d’un treuil miniature. Ce système doit soulever une charge par l’intermédiaire d’une poulie.

Nous allons déterminer expérimentalement le rendement de l’ensemble moteur + réducteur du système ci-contre.


Moteur

Engrenages

poulie








Sol

table

Moteur 6-12V DC

m

Le dispositif expérimental est schématisé ci contre.

b-1) Faire le montage

b-2) Positionner la masse m sur le sol, le fil étant tendu.
L’objectif est de mesurer la durée que met la masse m pour parcourir une distance h que vous mesurerez. On veillera à déclencher le chronomètre à l’instant de branchement du fil rouge ou d’appuis sur le bouton poussoir .( Le fil noir reste toujours connecté)
Attention : Débrancher le fil rouge avant que la masse m atteigne la poulie et retenir la masse pour qu’elle ne tombe pas sur le sol.
b-3) Mesurer l’intensité I du courant. Relever la valeur de la tension d’alimentation du moteur.
b-4) Mesurer la hauteur h.
b-5) Chronométrer le temps de montée.


  1. Exploitation :


c-1) Donner l’expression du travail du poids du corps Wu. Calculer Wu.

c-2) Donner l’expression de l’énergie électrique absorbée Wa par le moteur. Calculer Wa.

c-3) Calculer le rendement.

c-4) Calculer l’énergie perdue. Citer les principales causes de pertes dans le moteur et dans le réducteur de vitesse.
2°) Incertitude de répétabilité sur la mesure du temps :
Lorsque l’on répète plusieurs fois la mesure du temps de montée de la masse dans les mêmes conditions on peut trouver des résultats différents. Ces différences peuvent s’expliquer par un temps de réaction pour déclencher manuellement le chronomètre qui n’est pas le même pour chaque mesure mais aussi par une mauvaise appréciation du moment où la masse passe la « ligne d’arrivée ». Dans un tel cas on utilise des notions de statistiques pour analyser les résultats. L’incertitude de mesure correspondant à des mesures répétées d’une même grandeur est appelée incertitude de répétabilité. Elle est liée à l’écart-type de la série de mesures.
a) Faire plusieurs fois les mêmes mesures pour une même masse m et pour une même tension U puis rentrer vos mesures de I et de t dans un tableur pour une même masse m et pour une même tension U.


b) Retenir la valeur moyenne : Lorsque plusieurs mesures sont effectuées on admet que la meilleure valeur à retenir pour la grandeur mesurée est la valeur moyenne des mesures effectuées. Calculer la moyenne des résultats obtenus :


Cette moyenne peut-être calculer directement par le tableur tmoy = moyenne(…..)
c) Déterminer l’écart type : Pour traduire les écarts entre la série de mesures et la valeur moyenne, on utilise l’écart type n-1. Il représente en quelque sorte, la moyenne de ces écarts. Déterminer l’écart type n-1de la série de mesure. On rappelle que l’écart type est défini par :



Cet écart type peut-être calculer directement par le tableur n-1 = écartype (……)
d) L’incertitude de répétabilité associée à la mesure est : , elle dépend du nombre de mesures indépendantes réalisées, de l’écart-type de la série de mesure et d’un coefficient k appelé facteur d’élargissement. Ce coefficient dépend du nombre de mesures effectuées n et du niveau de confiance choisi. Sa valeur figure dans un tableau issu de la loi statistique dite « loi de Student ». Un extrait de ce tableau est donné ci-dessous pour des niveaux de confiance de 95% et 99%.


n

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

14

20

k95%

12,7

4,3

3,18

2,78

2,57

2,45

2,37

2,31

2,26

2,2

2,16

2,13

2,09

k99%

63,2

9,93

5,84

4,6

4,03

3,71

3,5

3,36

3,25

3,11

3,01

2,95

2,86


Calculer Δt en tenant compte du nombre de mesures réalisées pour un niveau de confiance de 95 %. Ecrire ensuite le résultat sous la forme :


e) L’incertitude relative est donnée par . Calculer cette incertitude relative.
f) Nous avons uniquement tenu compte de l’erreur sur la mesure du temps, citer d’autres sources d’erreurs possibles.
g) En considérant que les autres sources d’erreur sont négligeables devant l’erreur de chronométrage, on admet que dans ce cas :


Déterminer le rendement et l’incertitude sur le rendement.
Transport .Mise en mouvement

Notions et contenus

Capacités exigibles


Chaînes énergétiques.

Énergie et puissance.

Puissance absorbée ; puissance

utile ; réversibilité ; rendement.

Convertisseurs électromécaniques

d'énergie ; réversibilité.

Rendement de conversion.


- Décrire et schématiser les transferts ou les

transformations d'énergie mises en jeu dans le déplacement d'un objet en mouvement en distinguant notamment les mouvements à accélération constante et les mouvements à vitesse constante.

- Déterminer expérimentalement le rendement d'un

moteur électrique.




Notions et contenus

Capacités exigibles


Erreurs et notions associées

- Identifier les différentes sources d'erreur (de limites à

la précision) lors d'une mesure : variabilité du

phénomène et de l'acte de mesure (facteurs liés à

l'opérateur, aux instruments, etc.).


Incertitudes et notions associées

- Évaluer les incertitudes associées à chaque source

d'erreur.

- Comparer le poids des différentes sources d'erreur.

- Évaluer l'incertitude de répétabilité à l'aide d'une

formule d'évaluation fournie.

Expression et acceptabilité du

résultat


- Maîtriser l'usage des chiffres significatifs et l'écriture

scientifique. Associer l'incertitude à cette écriture.

- Exprimer le résultat d'une opération de mesure par une

valeur issue éventuellement d'une moyenne et une

incertitude de mesure associée à un niveau de confiance.

- Évaluer la précision relative.

- Déterminer les mesures à conserver en fonction d'un

critère donné.

- Commenter le résultat d'une opération de mesure en le

comparant à une valeur de référence.

- Faire des propositions pour améliorer la démarche.



Matériel pour chaque groupe

Paillasse élève :


  • Une grande potence + 2 noix + 2 pinces

  • Une boite de masses marquées avec crochet

  • Un moteur à courant continu 12-24 V sur son support

  • Une règle jaune de 1 m

  • Une alimentation continue avec indication de U et I.

  • Fil à coudre résistant




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