Énergie - Semestre 1

A) GÉNÉRALITÉS

Contexte et objectifs

Module fondamental GEII : électrotechnique et circuits électriques. Bases théoriques et pratiques pour comprendre circuits AC/DC, puissance, transformateurs. Volume 70h.

Objectifs :

Prérequis

B) DESCRIPTIF

Module 1 : Circuits courant continu

Lois fondamentales :

Théorèmes :

Puissance DC :

Module 2 : Circuits alternatifs sinusoïdaux

Grandeurs AC :

Impédances complexes :

Lois AC :

Module 3 : Puissance en alternatif

Triangle des puissances :

Amélioration cos(φ) :

Module 4 : Systèmes triphasés

Configuration :

Puissance triphasée :

Module 5 : Transformateurs monophasés

Principe :

Modèle équivalent :

Rendement :

C) TECHNIQUE

TP Circuits

TP1 : Lois fondamentales DC

TP2 : Circuits AC monophasés

TP3 : Amélioration facteur de puissance

TP4 : Transformateur

Outils

D) ANALYTIQUE

Évaluation

Compétences acquises

Applications interdisciplinaires

Compétences visées :

Programme détaillé

1. Lois fondamentales de l’électricité (10h)

Grandeurs électriques de base :

Lois de Kirchhoff :

Sources électriques :

2. Analyse de circuits en régime continu (15h)

Circuits résistifs :

Méthodes d’analyse systématiques :

Théorèmes fondamentaux :

Ponts de mesure :

3. Régime alternatif sinusoïdal (20h)

Grandeurs sinusoïdales :

Représentation complexe :

Impédances complexes :

Loi d’Ohm complexe : V̄ = Z̄·Ī

Circuits RLC :

Admittance : Ȳ = 1/Z̄ = G + jB (conductance G, susceptance B)

4. Puissance en régime alternatif (15h)

Puissance instantanée : p(t) = v(t)·i(t)

Puissance active (W) : P = V_eff·I_eff·cos φ

Puissance réactive (VAR) : Q = V_eff·I_eff·sin φ

Puissance apparente (VA) : S = V_eff·I_eff

Facteur de puissance : cos φ = P/S

Théorème de Boucherot : Dans un réseau, les puissances se somment :

5. Transformations et équivalences (10h)

Transformation triangle-étoile (Δ-Y) : Conversion entre deux configurations de résistances

Équivalent Thévenin-Norton : Calcul de V_th, R_th, I_N, R_N pour modéliser un circuit

Adaptation d’impédance : Pour transfert maximal de puissance : Z_charge = Z_source* (conjugué complexe)

Méthodes pédagogiques

Cours magistraux (35h) :

Travaux dirigés (20h) :

Travaux pratiques (15h) :

PART C: ASPECTS TECHNIQUES

Outils de simulation et calcul

Logiciels de simulation de circuits

LTspice (gratuit, Analog Devices) :

Exemple : simulation circuit RC

* Circuit RC simple
V1 in 0 AC 1 0
R1 in out 1k
C1 out 0 1u
.ac dec 100 1 100k
.end

Proteus (ISIS/ARES) :

TINA-TI (Texas Instruments) :

CircuitLab / EveryCircuit (en ligne) :

MATLAB/Octave pour calculs numériques

Calculs d’impédances complexes :

% Fréquence et composants
f = 1000;  % Hz
omega = 2*pi*f;
R = 1000;  % Ohm
L = 100e-3;  % H
C = 1e-6;  % F

% Impédances
Z_R = R;
Z_L = 1i * omega * L;
Z_C = 1 / (1i * omega * C);

% Impédance série RLC
Z_total = Z_R + Z_L + Z_C;

% Affichage
disp(['Module: ', num2str(abs(Z_total)), ' Ohm']);
disp(['Argument: ', num2str(angle(Z_total)*180/pi), ' degrés']);

Tracé de diagramme de Bode :

% Fonction de transfert H(jω) = V_out/V_in
% Filtre RC passe-bas : H = 1/(1+jRCω)
R = 1000;
C = 1e-6;
f = logspace(0, 6, 1000);  % 1Hz à 1MHz
omega = 2*pi*f;

H = 1 ./ (1 + 1i*R*C*omega);

% Diagramme de Bode
subplot(2,1,1);
semilogx(f, 20*log10(abs(H)));
ylabel('Gain (dB)');
grid on;

subplot(2,1,2);
semilogx(f, angle(H)*180/pi);
ylabel('Phase (°)');
xlabel('Fréquence (Hz)');
grid on;

Équipements de laboratoire

Appareils de mesure

Multimètre numérique :

Oscilloscope :

Générateur Basses Fréquences (GBF) :

Wattmètre :

Composants passifs utilisés

Composant Symbole Rôle Valeurs typiques TP
Résistance R Limiter courant, diviser tension 100Ω - 10kΩ
Inductance L Stocker énergie magnétique 10mH - 1H
Condensateur C Stocker énergie électrique 1nF - 100µF

Techniques de mesure

Mesure de déphasage à l’oscilloscope

Méthode temporelle :

  1. Afficher v(t) et i(t) simultanément
  2. Mesurer le décalage temporel Δt
  3. Calculer le déphasage : φ = (Δt/T) × 360°

Méthode Lissajous :

  1. Mode XY (v(t) en X, i(t) en Y)
  2. Observer la forme (ellipse)
  3. Déterminer φ selon l’inclinaison

Mesure d’impédance

Méthode voltampèremétrique :

Pont d’impédances :

Applications pratiques

Exemple 1 : Circuit RC série

Configuration :

V_in ──R(1kΩ)──┬──C(1µF)── GND
                │
               V_out

Analyse :

Calcul numérique :

Exemple 2 : Circuit RLC série - Résonance

Configuration :

V_s ──R──L──C── GND

Paramètres :

Fréquence de résonance : \(f_0 = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}} = \frac{1}{2\pi\sqrt{10 \times 10^{-3} \times 10 \times 10^{-6}}} \approx 1592 \text{ Hz}\)

À la résonance :

Exemple 3 : Compensation de puissance réactive

Problème : Une charge inductive (moteur) consomme :

Objectif : Relever le facteur de puissance à 0.95

Calcul :

  1. Q_initial = P·tan(arccos 0.7) ≈ 1020 VAR
  2. Q_final = P·tan(arccos 0.95) ≈ 329 VAR
  3. Q_condensateur = Q_initial - Q_final = 691 VAR
  4. C = Q_c/(ω·V²) ≈ 42 µF

Bénéfice :

PART D: ANALYSE ET RÉFLEXION

Évaluation des compétences

Modalités d’évaluation

Contrôle continu (35%) :

Travaux pratiques (25%) :

Travaux dirigés (10%) :

Examen terminal (30%) :

Grille d’évaluation TP (exemple)

Critère Barème
Préparation (connaissance protocole) /3
Réalisation des mesures (précision, méthode) /5
Analyse des résultats (comparaison théorie/pratique) /5
Compte-rendu (clarté, rigueur, présentation) /5
Respect des consignes de sécurité /2
Total /20

Compétences acquises

Savoirs théoriques

✓ Maîtriser les lois fondamentales (Ohm, Kirchhoff, Thévenin, Norton) ✓ Comprendre les phénomènes en régime continu et alternatif ✓ Connaître les composants passifs (R, L, C) et leur comportement ✓ Maîtriser la notation complexe pour les circuits AC ✓ Comprendre les notions de puissance active, réactive, apparente

Savoir-faire techniques

✓ Analyser un circuit électrique par les méthodes systématiques ✓ Calculer des impédances complexes et des puissances ✓ Utiliser les équivalents Thévenin/Norton ✓ Dimensionner des circuits simples (diviseurs, filtres) ✓ Réaliser des mesures électriques avec précision ✓ Interpréter des relevés oscilloscopiques

Savoir-être professionnels

✓ Rigueur dans les calculs et les mesures ✓ Respect des normes de sécurité électrique ✓ Rédaction technique claire et structurée ✓ Travail en binôme (communication, coopération) ✓ Autonomie dans la résolution de problèmes

Progression et liens avec le cursus

Articulation avec les autres modules

Module Lien avec Énergie Applications
Mathématiques Nombres complexes, équations diff. Calculs d’impédances, régimes transitoires
Électronique & Réalisation Circuits électroniques Alimentations, filtres, amplificateurs
Travaux de Laboratoire Manipulation pratique Mesures, validation théorie
Systèmes Numériques Alimentation circuits logiques Régulateurs, découplage
Programmation Calculs numériques Simulations, automatisation mesures

Suite du parcours Énergie

S2 - Énergie 2 :

S3 - Énergie 3 :

S4 - Projets énergétiques :

Indicateurs de réussite

Statistiques du module

Taux de réussite : 85% (moyenne ≥ 10/20) Moyenne générale : 12.5/20

Répartition des notes (année précédente) :

Points de vigilance

Difficultés fréquentes : ❌ Confusion entre valeurs max et efficaces en AC ❌ Erreurs de signes dans les lois de Kirchhoff ❌ Oubli des unités ou conversions incorrectes ❌ Mauvaise application des conventions récepteur/générateur ❌ Calculs d’impédances complexes (parties réelle/imaginaire)

Clés de réussite : ✅ Travailler régulièrement (refaire les TD et exemples) ✅ Bien préparer les TP (lire le sujet à l’avance) ✅ Maîtriser les nombres complexes (revoir les maths si nécessaire) ✅ Faire des schémas clairs et annoter les conventions ✅ Vérifier la cohérence des résultats (ordres de grandeur)

Débouchés et applications professionnelles

Métiers utilisant ces compétences

Conception et Bureau d’études :

Maintenance et exploitation :

Automatisation et contrôle :

Exemples d’applications réelles

Industrie :

Électronique embarquée :

Énergies renouvelables :

📚 Ressources complémentaires

Bibliographie

Ouvrages de référence :

  1. Électrotechnique - Théodore Wildi (Presses Université Laval)
  2. Cours d’électrotechnique - Tome 1 - Wildi
  3. Électricité générale - Analyse et synthèse des circuits - Alain Durieux (Dunod)
  4. Circuits électriques en régime continu et sinusoïdal - François Milsant (Ellipses)

Aide-mémoires :

Ressources numériques

Sites web pédagogiques :

Chaînes YouTube :

Logiciels gratuits :

Supports de cours

Documents fournis :

Plateforme Moodle :

🎯 Conseils méthodologiques

Pendant les cours

En TD

En TP

Travail personnel (estimé : 3h/semaine)

⚠️ Sécurité électrique

Règles fondamentales en TP

🔴 Ne jamais toucher un circuit sous tension 🔴 Couper l’alimentation avant toute modification de câblage 🔴 Vérifier la polarité des alimentations 🔴 Respecter les calibres des appareils de mesure 🔴 Signaler immédiatement toute anomalie (odeur, fumée, étincelle)

Bonnes pratiques

✅ Utiliser des fils avec embouts bananes en bon état ✅ Vérifier visuellement le montage avant mise sous tension ✅ Faire valider par l’enseignant avant la première mise sous tension ✅ Augmenter progressivement la tension/courant ✅ Ranger le poste de travail en fin de séance

Bon courage pour votre apprentissage de l’électrotechnique ! ⚡