Conversion d'énergie

Introduction

La conversion d'énergie transforme une forme (électrique, chimique, mécanique, thermique, rayonnante) en une autre plus utile. Les convertisseurs sont l'élément central de la chaîne d'énergie ; leur rendement conditionne la performance globale.

Grandes familles de conversion

De…	Vers…	Convertisseur	Rendement typique
Électrique	Mécanique	Moteur (BLDC, asynchrone)	85-95 %
Mécanique	Électrique	Alternateur, génératrice	90-98 %
Chimique	Thermique	Chaudière, moteur combustion	30-90 %
Rayonnante	Électrique	Cellule PV	18-22 %
Électrique	Thermique	Effet Joule (Cetel), PAC	100 % / 300-500 %
Thermique	Mécanique	Turbine, moteur	25-60 %
Électrique	Chimique	Électrolyse, charge batterie	60-95 %

Convertisseurs électroniques de puissance

• Redresseur (AC → DC) : ponts de diodes, ponts commandés à thyristors.
• Onduleur (DC → AC) : sortie sinusoïdale par MLI (modulation largeur d'impulsion).
• Hacheur (DC → DC) : abaisseur (buck), élévateur (boost), buck-boost.
• Gradateur (AC → AC variable) : triac.

Application : variation de vitesse d'un moteur asynchrone via variateur = redresseur + bus DC + onduleur MLI.

Machines tournantes

Moteur asynchrone triphasé

$$n_s = \frac{60 f}{p} \quad (\text{tr/min})$$

Avec $f = 50\ \text{Hz}$ et $p = 2$ paires de pôles : $n_s = 1500$ tr/min. La vitesse réelle est légèrement inférieure (glissement 2-5 %).

Moteur synchrone à aimants permanents

Utilisé sur VE et industrie : rendement > 95 %, contrôle vectoriel FOC.

Batteries

• Lithium-ion NMC / NCA : 150-250 Wh/kg, 2 000-4 000 cycles.
• LFP (LiFePO₄) : plus sûr, longévité 5 000+ cycles, 90-160 Wh/kg.
• Sodium-ion : nouvelle génération 2024, moins d'énergie mais matières abondantes.
• Énergie : $E = U \cdot Q$ (en Wh).

Piles à combustible

$$2H_2 + O_2 \rightarrow 2H_2O + \text{énergie}$$

Rendement électrique 50 %, chaleur récupérable en cogénération. Enjeux : coût du platine, filière hydrogène décarboné.

Rendement d'un convertisseur

$$\eta = \frac{P_{sortie}}{P_{entrée}} = 1 - \frac{P_{pertes}}{P_{entrée}}$$

Pertes : Joule ($RI^2$), fer (hystérésis, courants de Foucault), mécaniques (frottements, aérodynamiques).

Cogénération et récupération

• Cogénération : production simultanée chaleur + électricité (rendement total 85-90 %).
• Récupération énergie freinage (VE) via inversion des rôles du moteur → générateur.