Inspection Pédagogique Régionale SPCFA 11 Thème Habitat Quelle approche de lélectricité dans la filière STI-2D rénovée ?

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Thème Habitat

Quelle approche de l’électricité dans la filière

STI-2D rénovée ?


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Habitat


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Trois sous-parties au sein du thème habitat :

Gestion de l’énergie dans l’habitat

L’éclairage*

Le confort acoustique

* la notion d’efficacité énergétique permet d’aborder une partie de l’éclairage à travers la gestion de l’énergie


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Cerner les enjeux économiques nationaux

Pourquoi s’intéresser à l’énergie dans l’habitat ?


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Lire et analyser un graphique

Part absolue et relative de l’habitat dans le bilan énergétique en 2008Évolution de l’énergie consommée dans l’habitat entre 1980 et 2008

Analyse des inversions de tendance au niveau de la courbe (1975, 1980)


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Analyser la place particulière du gaz naturel dans le bilan énergétique national


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Analyser la place particulière de l’électricité dans le bilan énergétique national


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Cerner les enjeux économiques pour les particuliers

Quels sont les modes de consommation de l’énergie dans l’habitat ?


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La comparaison de la part de chaque énergie consommée par les secteurs résidentiel et tertiaire, entre 1973 et 2003

1973 2003

Source : http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr


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1.1 Consommation totale d’énergie des secteurs résidentiel et tertiaire, par usage, de 1990 à 2008

Données mises à jour en septembre 2010

Données corrigées des variations climatiques

Unité : million de

tep

1990 1995 2000 2004 2005 2006 2007 2008

Résidentiel

Chauffage 30,0 30,6 31,5 31,3 30,8 30,4 30,3 30,0

Eau chaude sanitaire 3,9 4,0 4,4 4,3 4,2 4,1 4,2 4,2

Cuisson 2,1 2,4 2,6 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4

Electricité spécifique 3,6 4,1 5,0 5,8 6,0 6,2 6,4 6,6

Total 39,6 41,1 43,5 43,9 43,5 43,1 43,3 43,3

Tertiaire

Chauffage 8,5 8,7 9,5 9,7 9,7 9,6 9,8 9,8

Eau chaude sanitaire et cuisson 3,1 3,3 3,4 3,4 3,5 3,5 3,6 3,7


Total 16,6 17,7 19,3 20,1 20,3 20,4 21,0 21,2

Résidentiel-Tertiaire

Chauffage 38,5 39,3 41,1 41,0 40,5 40,0 40,1 39,8

Eau chaude sanitaire et cuisson 9,1 9,7 10,3 10,2 10,1 10,0 10,3 10,3


Total 56,2 58,9 62,8 64,0 63,8 63,5 64,3 64,4

Source : http://www.statistiques.developpement-durable.gouv.fr


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Le chauffage

Le chauffage (bâtiment, eau, cuisson) représente 85% de l’énergie consommée dans l’habitat

Le chauffage (bâtiment et eau) fait appel à des sources d’énergie très diversifiées


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Source : 20 ans de chauffage dans les résidences principales en France de 1982 à 2002. Observatoire de l'énergie. Octobre 2004


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Analyser la baisse de la consommation de fuel et la part croissante de l’électricité pour le chauffage

domestique


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L’électricité spécifique

L’électricité spécifique (hors chauffage) représente 15% de l’énergie consommée dans l’habitat


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Répartition des consommations d’électricité moyennes par usage (hors chauffage et production d’eau chaude sanitaire)

Consommation moyenne d’électricité d’un ménagefrançais (hors chauffage et production d’eau chaude sanitaire)

2700 kWh/an


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Vérifier les ordres de grandeur des consommations des appareils électriques mentionnés.


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Le chauffage


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Système matériel(eau, air, matériaux de construction)Apport d’énergie W

sous forme de chaleur (origine chimique ou électrique)

Une première approche du chauffage en système fermé parfait


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Aborder le sujet de façon concrète et pratique en prenant appui sur des système techniques (chauffe-eau électrique ou solaire, chaudière à gaz, radiateurs…)

Caractériser le système pour relier W et Δ q ?

Identifier le type d’énergie mise en œuvre et la quantifier (effet Joule, énergie chimique).


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Système matériel(eau, air, matériaux de construction)

Apport d’énergie Qsous forme de chaleur (origine chimique ou électrique)

Dans un second temps, analyser les phénomènes liés aux pertes thermiques

Pertes


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Mesurer une tension électrique, une intensité électrique dans un circuit en régime sinusoïdal.

Visualiser une représentation temporelle de ces grandeurs et en analyser les caractéristiques.

Mesurer et calculer la puissance et l’énergie électrique reçue par un récepteur.

Capacités d’électricité mobilisées dans l’étude des systèmes de chauffage

Mots clefs et formulesEffet Joule, valeur efficace, valeur maximale, résistance, puissance, énergie.Relation entre Vmax et Veff

Relation entre P,R, Ueff ou Ieff

Relation entre P et W


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Les appareils et les circuits électriques


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Aborder les lois de l’électrocinétique dans des situations pratiques et concrètes

Aborder les dipôles dans leur dimension énergétique globale


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Loi des nœuds et loi des mailles en continu

Étude d’une lampe d’ambiance à DEL RGB

http://www.sonelec-musique.com/electronique_realisations_lampadaire_multicolore.html


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Une alimentation DC 15V/500mA

Led HL rouge 2,0V / 20mA

Led HL Verte 3,6V / 20mA

Led HL bleue 3,6V / 20mA

Trois générateurs de tension variable (NE555 ou montages plus simples)

Trois ensembles de diodes électroluminescentes haute luminosité RGB

Le matériel


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Pré requis : la synthèse additive des couleurs(programme de quatrième)


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Le choix du nombre de LEDs pour un éclairement donné

Les caractéristiques spectrales des trois types de rayonnement et de leur synthèse additive (usage d’un spectromètre fibré si disponible)

Ce qui relève des attendus du programme


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L’organisation en montage série - parrallèle des LEDs pour tenir compte des caractéristiques électriques du générateur et des récepteurs

La réalisation d’une partie du circuit électrique (LEDs + résistances de protection)


La mesure des grandeurs électriques d’alimentation des LEDs caractérisant l’obtention de différentes couleurs (tension, intensité, bilan énergétique)

L’application de la loi des mailles et de la loi des nœuds : chaque LED pourra être modélisée par une source de tension parfaite ou par une charge (E,r)

La détermination expérimentale et la modélisation de la caractéristique courant-tension d’une LED


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Le mode d’obtention des tensions variables alimentant chaque groupement de LEDs

Ce qui ne relève pas des attendus du programme

On attend uniquement des élèves qu’ils agissent sur une commande de réglage

Le montage à NE555 peut être avantageusement remplacé par des solutions plus simples techniquement


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Autre étude possible : la structure d’un panneau photovoltaïque (approche documentaire)


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Analyser un document

Modéliser une fonction sous Excel


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Loi des nœuds et loi des mailles en sinusoïdal

Étude d’une installation domestique


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La sécurité électrique


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Les attendus du programme en électrocinétique


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Ce qui ne relève pas des attendus du programme

La notion d’impédance

Les relations mathématiques entre le courant i(t) et la tension v(t) pour une bobine ou un condensateur

Les vecteurs de Fresnel ou les complexes


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Une première approche possible : analyser des chronogrammes courant tension pour les récepteurs utilisés dans l’habitat


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Dégager des typologies de chronogrammes

Des dipôles ayant un comportement purement résistif (u et i sinusoïdaux et en phase)


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Des dipôles ayant une réponse en courant sinusoïdale mais déformée (présence d’un moteur universel)


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Des dipôles ayant une réponse en courant non sinusoïdale (présence d’un convertisseur AC-DC) ?


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Respect de la norme EN 61000-3-2(elle détermine pour les réseaux 230V et les appareils de puissance supérieure à 75 W les valeurs efficaces à ne pas dépasser pour les courants harmoniques jusqu’au rang 40)

Qui est concerné par EN 61000-3-2?

La prescription EN 61000-3-2 est valable pour tous les appareils qui sont branchés au réseau standard basse tension, dont le courant d'entrée est inférieur de 16 A par phase et qui sont soumis aux normes pour les protections électro-magnétiques ou celle qui est notée dans- la prescription EN 61000-3-2

La norme concerne non seulement les appareils à régulation électronique, mais aussi les

moteurs et luminaires.


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Les classes et les exceptions

Les appareils pour la norme EN 61000-3-2 sont actuellement divisés en quatre classes, qui ont tous des valeurs limites indiquées différentes :- Classe A : appareils triphasés avec charge symétrique, appareils

ménagers (sont exclus les appareils qui tombent dans la classe D), outillages électriques (sans les outillages électriques transportables), régulation d'ampoules électriques (dimmer), installations audio, appareils qui ne sont pas dans les trois autres catégories.

- Classe B : outillages électriques transportables.- Classe C : équipements pour luminaires. - Classe D : PC et écran, TV avec une puissance d'entrée inférieur à

600 W.

Pour les appareils suivants, il n'y a aucune limitation:- Appareils avec une puissance d'entrée inférieure ou égale à 75 W et

qui ne sont pas des installations luminaires- Appareils professionnels avec une puissance totale supérieure à 1 kW.- Eléments de chauffage réglés symétriquement avec une puissance

d'entrée inférieure ou égale à 200 W.-Régulateurs indépendants d'ampoules électriques (dimmer) avec une puissance inférieure ou égale à 1 kW.


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Courant absorbé par un ordinateur avec alimentation à absorption sinusoïdale (PFC : power factor correction)


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Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back


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Convertisseur à absorption sinusoïdale de courant à structure fly-back

P = 600 Wk = 0,67 t = 104,6%

k = 0,99 t = 5,5%


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Nous pouvons donc en première approximation considérer que tous les récepteurs dans l’habitat ont une réponse sinusoïdale en courant et pour la grande majorité d’entre eux un facteur de puissance unitaire.

On pourra donc dans un premier temps valider expérimentalement ou par le calcul les lois des mailles et des nœuds en faisant appel à des outils mathématiques simples.


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Sensibilisation à la notion de déphasage courant tension

La lecture de la plaque signalétique d’un moteur (pompe à chaleur) est un moyen d’introduire la variable cosj.


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Approche expérimentale des circuits RL et RC série


Réaliser le circuit

Relever les oscillogrammes des tensions et des courants. Observer et mesurer le déphasage courant/tension. Mettre en évidence qualitativement l’influence des variables.

Valider la loi des mailles à l’aide des fonctions calculatoires de l’oscilloscope (ou usage de tableur).

Mesurer les valeurs efficaces et la puissance consommée. Valider par le calcul le résultat mesuré (P =U.I. cosj)

Étudier qualitativement des régimes transitoires mettant en évidence le stockage d’énergie dans L ou C.

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