Définir le rendement d'un convertisseur - Maxicours

Définir le rendement d'un convertisseur

Objectif

Définir et calculer le rendement d’un convertisseur.

Points clés
  • Un convertisseur d’énergie transforme l’énergie qu’il reçoit sous une autre forme d’énergie.
  • Une chaine énergétique met en évidence le principe de conservation de l’énergie : la somme des énergies entrantes est égale à la somme des énergies sortantes.
  • Le rendement d’un convertisseur a pour expression .
Pour bien comprendre
  • Énergie et puissance
  • L’effet Joule
  • Intensité et tension
1. Le convertisseur
a. Définition
Un convertisseur d’énergie assure la conversion d’une forme d’énergie en une ou plusieurs autres.

Il n’emmagasine pas d’énergie, et n’en crée pas.

Exemple
Dans le cas d’une voiture, son moteur est un convertisseur qui transforme l’énergie chimique contenue dans l’essence en énergie mécanique, mais aussi en chaleur.

On représente ainsi ce que l’on appelle une chaine énergétique.

Chaine énergétique du moteur d’une voiture
La chaine énergétique permet de représenter les transferts énergétiques entre plusieurs systèmes ainsi que les différentes formes d’énergies mises en jeu.

Par convention, dans les chaines énergétiques, un convertisseur est représenté par un cercle, par lequel va transiter des transferts d’énergie, indiqués par des flèches.

La chaine énergétique permet de mettre en évidence les conservations et dégradations en termes d’énergie afin d’en calculer le rendement.

b. Rendement

À chaque convertisseur, il y a possibilité de « pertes » d’énergie. Cette énergie est dite perdue, ou dégradée, car elle est sous une forme non exploitable par la chaine.

Exemple : la chaleur dissipée par des frottements.

Quand on fournit une quantité d’énergie à un convertisseur, seule une partie sera donc utilisable en sortie.

De manière générale, le rendement d’un convertisseur est le rapport de l’énergie utile sur l’énergie absorbée.

avec :
  • les énergies utiles et absorbées, en joule (J) 
  • ρ le rendement, sans unité

Chaine énergétique d’un convertisseur

La somme des énergies qui entrent dans le système est égale à la somme de celles qui en sortent.

Eabsorbée = Eutile + Eperdue
Remarques
  • ρ est souvent exprimé en pourcentage. Il suffit de multiplier la valeur du rendement par 100.
  • Le rendement est égal au rapport de l'énergie utile par l'énergie reçue, mais peut se déterminer par des rapports de puissances ou de tensions. La seule condition indispensable est que l’on doit toujours diviser 2 grandeurs de même unité.
  • Comme il y a inévitablement des pertes d'énergie entre l'entrée et la sortie de la chaine énergétique, le rendement ρ est toujours inférieur ou égal à 1. On divise toujours la plus petite grandeur par la plus grande.
c. Méthode

Pour calculer le rendement d’un convertisseur, il faut suivre les étapes suivantes.

  1. Identifier le convertisseur.
    Préciser qui est le convertisseur et représenter sa chaine énergétique.
  2. Identifier les énergies.
    Donner les énergies utiles et absorbées par le convertisseur.
  3. Calculer le rendement.
    Calculer le rendement du convertisseur en utilisant la formule .
2. Exemple - Lampe basse consommation

Dans la chaine énergétique d’une lampe, les transferts d’énergie se font par rayonnement et par chaleur. Ces transferts sont représentés par des flèches. Le réservoir d’énergie est l’environnement.

On considère une lampe basse consommation qui fonctionne pendant 1 heure.

  • Son transfert thermique est de 30,5 kJ vers l’extérieur.
  • Son rayonnement (transfert d’énergie lumineuse) est de 14,2 kJ.

Le rendement ρ de conversion énergétique est le quotient de l’énergie lumineuse émise vers l’extérieur par la quantité d’énergie reçue initialement.

On a donc :

  • Eutile = 14,2 kJ ;
  • Eabsorbée = Eutile + Eperdue = 14,2 + 30,5 = 44,7 kJ.

Le rendement est donc  soit 32 %.

Remarque
Si la finalité de la lampe est uniquement de fournir de la lumière visible, son rendement est de l’ordre de 32 % environ. La lampe chauffe plus qu’elle n’éclaire !

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