Programme de sciences physiques et physique appliquée de terminale STI Génie électrotechnique

Travail et puissance mécaniques ; rendement de convertisseurs électriques et électromécaniques

• Connaissances scientifiques
• Travail d'une force d'intensité constante dont le point d'application se déplace dans sa direction 
• Travail d'un couple de forces de moment constant tournant autour d'un axe fixe 
• Puissance d'une force ou d'un couple
• Savoir-faire expérimentaux
• Mesurer la puissance mécanique mise en jeu dans une machine tournante, le montage étant proposé
• Savoir-faire théoriques
• Utiliser les formules donnant le travail et la puissance d'une force ou d'un couple 
• Faire le bilan énergétique des différents convertisseurs de la partie B2 et B3
  

Electricité générale : circuits électriques, électroniques et magnétiques

• Systèmes triphasés équilibrés
  Montage en étoile et montage en triangle ; puissances ; mesures de puissances
  
  • Connaissances antérieures utiles 
    • Régimes périodiques (Première "génie électrotechnique")
  • Connaissances scientifiques
    • Définition d'un système équilibré de tensions, de courants 
    • Représentation par un schéma d'un montage étoile, d'un montage triangle 
    • Identification sur un schéma des grandeurs simples et des grandeurs composées (tensions et courants) 
    • Modes de couplage possibles de récepteurs en triphasé 
    • Relation entre U (tension composée) et V (tension simple) 
    • Relation entre I (intensité en ligne) et J (intensité dans une branche du triangle) 
    • Relations donnant les puissances active, réactive et apparente 
    • Méthodes de mesure de la puissance active (avec un wattmètre, une pince wattmétrique et par la méthode des deux wattmètres)
  • Savoir-faire expérimentaux
    • Repérer les bornes des phases et du neutre d'une distribution triphasée 
    • Réaliser un montage étoile ou triangle de trois récepteurs identiques 
    • Réaliser le couplage d'un moteur dont les enroulements sont accessibles 
    • Mesurer la puissance consommée par un montage triphasé équilibré (avec un wattmètre, une pince wattmétrique et par la méthode des deux wattmètres)
  • Savoir-faire théoriques
    • Connaissant les caractéristiques d'un réseau et d'un récepteur triphasés, choisir le montage qui convient (étoile ou triangle) 
    • Représenter par un diagramme vectoriel les tensions simples et composées, les courants en ligne dans un récepteur équilibré couplé en étoile 
    • Déterminer les intensités dans un montage équilibré alimenté en triphasé, par la méthode vectorielle (Fresnel) 
    • Montrer l'intérêt du triphasé pour le transport et la distribution
      
• Etude des circuits linéaires en régime sinusoïdal à l'aide des nombres complexes
  • Savoir-faire expérimentaux
    • Régimes sinusoïdaux (Première) 
    • Utilisation des nombres complexes en électricité 
    • Modèles de Thévenin et de Norton en continu
  • Connaissances scientifiques
    • Loi d'Ohm en alternatif 
    • Modèle de Thévenin d'un dipôle linéaire en courant alternatif
  • Savoir-faire expérimentaux
    • Mesures sur des circuits en alternatif 
    • Visualisation des différentes grandeurs électriques utiles en ce domaine 
    • Mesure de la puissance
  • Savoir-faire théoriques
    • Utiliser la loi d'Ohm en alternatif 
    • Calculer la valeur complexe de l'impédance d'un circuit
      
• Etude de quelques fonctions de l'électronique : amplification, amplification de différence; comparaison
  • Connaissances antérieures utiles
    • Amplificateur opérationnel (Première)
  • Connaissances scientifiques 
    • Fonctionnements linéaire et non linéaire d'un montage ?  amplificateur opérationnel 
    • Savoir définir la fonction d'un montage amplificateur
  • Savoir-faire expérimentaux
    • Réaliser le montage correspondant à une fonction, les schémas et les valeurs des éléments étant fournis 
    • Visualiser à l'oscilloscope les grandeurs électriques utiles
  • Savoir-faire théoriques
    • Appliquer les lois de l'électricité pour déterminer une relation entre grandeur d'entrée et grandeur de sortie dans des montagnes simples
• Notion de système commandé en chaîne fermée : application à la régulation de la vitesse d'une machine à courant continu. Schéma fonctionnel d'un tel système. Notion de rétroaction et de stabilité.
• Connaissances scientifiques
• Principe d'un système bouclé. Modèle : représentation par un schéma fonctionnel unifilaire 
• Fonctions de transfert de la chaîne directe, de la chaîne de retour, du système bouclé 
• Intérêt d'une rétroaction
• Savoir-faire théoriques
• Identifier les éléments d'un système bouclé (chaîne directe, chaîne de retour, opérateur de différence)

Machines électriques

• Flux magnétique à travers une surface. Conservation du flux. F.é.m. d'induction : différents modes de création, expression de la f.é.m induite (loi de Faraday).
• Connaissances antérieures utiles
• Connaissance de deux causes d'existence d'une f.é.m. induite (première) :
• Variation du champ magnétique en fonction du temps
• Déformation ou déplacement du circuit dans un champ magnétique constant
• Loi de Lenz (première).
• Connaissances scientifiques
• Expression du flux  d'un champ magnétique  uniforme à travers une surface S'plane limitée par un contour :  
• Unité de flux magnétique. 
• Propriété de conservation du flux. 
• Expression de la loi de Faraday  
• Savoir-faire théoriques
• Calculer le flux à travers une spire plane. 
• Calculer la f.é.m. induite :
• Dans une spire fixe placée dans un champ variable
• Dans un circuit dont une partie rectiligne se déplace dans un champ fixe
• Transformateurs
• Transformateur monophasé utilisé en régime sinusoïdal à fréquence constante
• Modèle du transformateur parfait : impédance ramenée ; générateur équivalent au secondaire. Bornes homologues 
• Transformateur réel : pertes ; non linéarité ; rendement 
• Linéarisation du transformateur réel : modèle de Thévenin ramené au secondaire 
• Prédétermination de la tension secondaire à partir des essais à vide et en court-circuit. 
• Rôle des transformateurs dans le transport et la distribution de l'énergie électrique
• Connaissances antérieures utiles
• Circuit magnétique (Première)
• Connaissances scientifiques
• Modèle de Thévenin du transformateur vu du secondaire : (Es, Rs et Xs) 
• Pertes par courants de Foucault et par hystérésis 
• Relations entre grandeurs primaires et grandeurs secondaires homologues 
• Relation de Boucherot :  
• Rendement d'un transformateur
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser un essai à vide et un essai en court-circuit d'un transformateur 
• Réaliser un essai en charge (pour vérifier la validité du modèle qui sera fourni et tracer une caractéristique en charge) 
• Déterminer le rendement par une méthode indirecte 
• Utiliser un transformateur de mesure (transformateur d'intensité par exemple)
• Savoir-faire théoriques
• Calculer le rendement d'un transformateur 
• Déterminer les éléments du modèle qui sera précisé 
• Déterminer, grâce à ce modèle, la chute de tension prévisible
• Machines à courant continu
• Organisation ; force électromotrice à vide et en charge ; réversibilité
• Fonctionnement en moteur : moteur à excitation indépendante, moteur série
• Rendement des moteurs à courant continu
• Connaissances antérieures utiles
• Induction électromagnétique (Première) 
• Loi de Laplace (Première) 
• Circuits magnétiques (Première) 
• Force, moment d'une force, couple de forces, moment d'un couple 
• Vitesse angulaire, fréquence de rotation
• Connaissances scientifiques
• Constitution sommaire d'une machine à courant continu (inducteur, induit, collecteur) 
• Force électromotrice d'une machine à courant continu :  
• Fonctionnement en moteur : réversibilité 
• Modèle d'une machine à courant continu 
• Moment d'un couple moteur () 
• Différents modes d'excitation 
• Bilan des puissances 
• Régime nominal 
• Réglage de la vitesse : risque d'emballement
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser le montage permettant l'utilisation d'un moteur compte tenu de son mode d'excitation 
• Relever une caractéristique électrique ou électromécanique 
• Faire fonctionner un moteur sous tension constante et sous tension variable 
• Effectuer les essais permettant la détermination du rendement d'un moteur 
• Mesurer les résistances de l'inducteur et de l'induit
• Savoir-faire théoriques
• Déterminer les éléments du modèle lorsque les conditions de fonctionnement le permettent 
• Déterminer le point de fonctionnement d'un groupe moteur-charge 
• Calculer la force électromotrice et le moment du couple d'un moteur 
• Déterminer le rendement d'un moteur 
• Champs tournants :
• Production dans l'entrefer d'une machine tournante par un système triphasé de courants circulant dans des enroulements triphasés
• Connaissances antérieures utiles 
• Système triphasé de courants et de tensions
• Connaissances scientifiques
• Champ tournant dans l'air produit au moyen d'un système de trois bobines 
• Champ tournant dans l'entrefer d'une machine triphasée 
• Relation f = pn 
• Machine synchrone
• Organisation : force électromotrice ; réversibilité
• Fonctionnement en alternance triphasé
• Principe du fonctionnement en moteur synchrone triphasé
• Connaissances antérieures utiles
• Induction électromagnétique (Première) 
• Champs tournants
• Connaissances scientifiques
• Constitution d'une machine synchrone 
• Modes d'excitation 
• Force électromotrice : . Cas d'une machine triphasée. 
• Utilisation d'un modèle simple, qui sera fourni, pour une phase d'une machine synchrone 
• Caractéristique à vide et caractéristique en charge d'un alternateur 
• Bilan des puissances 
• Rendement 
• Réversibilité de la machine synchrone 
• Moment du couple électromagnétique : 
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser le montage pour utiliser une machine synchrone en alternateur débitant sur une charge (autre que sur le réseau) 
• Obtenir un point de fonctionnement déterminé pour un alternateur 
• Relever les caractéristiques d'un alternateur : E(n) à vide et U(l) pour un facteur de puissance donné 
• Effectuer les essais permettant la détermination du rendement
• Savoir-faire théoriques
• Construire le diagramme de Fresnel à partir des éléments du modèle 
• Exploiter ce diagramme en vue de la détermination de tel ou tel élément du modèle 
• Déterminer le rendement d'une machine synchrone 
• Moteur asynchrone
• Moteur asynchrone triphasé. Organisation, vitesse de synchronisme, glissement, rendement
• Etude simplifiée du fonctionnement d'un moteur asynchrone triphasé lorsque la fréquence de sa tension d'alimentation est constante : caractéristiques, démarrage
• Connaissances antérieures utiles
• Champs tournants
• Connaissances scientifiques
• Constitution d'une machine asynchrone. Différentes sortes de rotors 
• Principe du fonctionnement. Glissement 
• Bilan des puissances 
• Rendement 
• Caractéristiques I(n) et T(n) dans la partie utile 
• Moment du couple électromagnétique dans la partie utile (proportionnalité à g et 
• Savoir-faire expérimentaux
• Utiliser un moteur asynchrone pour obtenir un point de fonctionnement donné 
• Réaliser les mesures pour déterminer le rendement d'un moteur asynchrone 
• Mesurer le glissement
• Savoir-faire théoriques
• Déterminer le point de fonctionnement d'un groupe entraîné par un moteur asynchrone 
• Déterminer le rendement d'un moteur asynchrone

Electronique de puissance

• Conversion alternatif-continu
• Redressement non commandé : pont monophasé à quatre diodes, intérêt du lissage inductif en électrotechnique
• Connaissances antérieures utiles
• Redressement et filtrage (Première) 
• Energie stockée par un condensateur et une bobine (Première) 
• Valeur moyenne et valeur efficace (Première)
• Connaissances scientifiques
• Schéma du montage en pont monophasé 
• Nature des composants permettant de filtrer une tension ou lisser un courant 
• Formule donnant la valeur moyenne de la tension redressée par un pont monophasé en conduction ininterrompue : 
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser le montage en pont monophasé 
• Relever les oscillogrammes des différents courants et tensions du montage en précisant les grandeurs représentées, les échelles et les coordonnées des points remarquables 
• Réaliser les branchements permettant d'observer simultanément deux de ces grandeurs 
• Mesurer les valeurs moyennes et les valeurs efficaces des courants et tensions redressées
• Savoir-faire théoriques
• Représenter graphiquement les tensions redressées par le montage en pont monophasé 
• Calculer la valeur moyenne de la tension redressée par un pont monophasé en conduction ininterrompue 
• Connaître les opérations mathématiques permettant de calculer la valeur efficace d'une grandeur périodique 
• Redressement commandé : pont monophasé à quatre thyristors.
• Pont monophasé mixte à deux thyristors ayant une cathode commune et deux diodes
• Connaissances scientifiques
• Conditions d'amorçage et de blocage d'un thyrstor 
• Schémas des montages du programme 
• Conditions de fonctionnement d'un pont à quatre thyristors en onduleur assisté 
• Formules donnant les valeurs moyennes des tensions redressées par les ponts du programme dans le cas de la conduction interrompue
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser le montage de l'un des ponts du programme, le générateur d'impulsions étant fourni 
• Relever les oscillogrammes en y faisant figurer les grandeurs représentées, les échelles et les coordonnées des points remarquables 
• Mesurer les grandeurs moyennes et des grandeurs efficaces 
• Mesurer la puissance moyenne fournie ou reçue par le réseau (dans le cas d'un onduleur à quatre thyristors)
• Savoir-faire théoriques
• Représenter graphiquement les tensions redressées fournies par les ponts du programme 
• Déterminer les éléments conducteurs d'un point et représenter leur état sur un diagramme 
  
• Conversion continu-continu
• Conversion de tension continue en courant continu : fonctionnement simplifié du hacheur série en conduction ininterrompue
• Connaissances antérieures utiles
• Le transistor en tout ou rien (Première) 
• Bobine (Première) 
• Circuit magnétique
• Connaissances scientifiques
• Rapport cyclique de la tension fournie par un hacheur 
• Principe de fonctionnement du hacheur série à transistor 
• Exemple d'utilisation 
• Facteurs dont dépend l'ondulation du courant
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser un hacheur série à transistor, le dispositif de commande étant fourni 
• Relever les oscillogrammes des courants et des tensions en conduction continue et discontinue 
• Mesurer les valeurs moyennes et les valeurs efficaces des courants et tensions
• Savoir-faire théoriques
• Etablir les équations régissant le fonctionnement d'un hacheur série lorsque la charge est modélisée par une force électromotrice et une inductance pure 
• Calculer la valeur moyenne et la valeur efficace de la tension fournie par un hacheur dans le cas de la conduction ininterrompue 
• Représenter graphiquement les courants et les tensions pour les différents éléments du circuit 
• Conversion continu-alternatif
• Principe des onduleurs autonomes et assistés
• Connaissances scientifiques
• Existence et intérêt de l'onduleur monophasé 
• Schéma de principe d'un onduleur autonome monophasé à deux transistors 
• Existence et intérêt de l'onduleur assisté
• Savoir-faire expérimentaux
• Réaliser un onduleur autonome à deux transistors, le dispositif de commande étant fourni 
• Relever les oscillogrammes du courant et de la tension pour la charge 
• En déduire la fréquence de fonctionnement de l'onduleur
• Savoir-faire théoriques
• Déterminer les éléments conducteurs d'un onduleur autonome à deux transistors et d'un onduleur autonome à quatre transistors, connaissant la tension aux bornes de la charge et le courant qui la traverse 
• Représenter graphiquement la tension théorique fournie par un onduleur autonome à deux ou quatre transistors aux bornes d'une charge connue (résistance, circuit inductif, ou charge dont le comportement est précisé), la commande étant donnée

Variation de la vitesse des moteurs

• Principales caractéristiques mécaniques des charges entraînées
  Variation de la vitesse : 
• d'un moteur à courant continu
• d'un moteur à courant alternatif
  
• Connaissances scientifiques
• Allures des principales caractéristiques des charges entraînées 
• Les principales sources 
• Réglage de la vitesse d'un moteur à courant continu par variation de la tension d'alimentation 
• Alimentation d'un moteur asynchrone par un onduleur réalisant la condition U/f = cte
• Savoir-faire expérimentaux
• Commander la vitesse de moteurs à partir de dispositifs expérimentaux fournis
• Savoir-faire théoriques
• Allure du réseau des caractéristiques mécaniques d'un moteur à courant continu à excitation indépendante et constante soumis à une tension d'induit de valeur moyenne réglable. Justifier l'intérêt d'un tel mode de fonctionnement par rapport à une action sur le courant d'excitation 
• Donner une justification qualitative de la condition U/f = cte pour une alimentation, par un onduleur à fréquence réglable, d'un moteur asynchrone à cage. Allure du réseau des caractéristiques mécaniques d'un moteur asynchrone alimenté avec une commande U/f = cte