La production et le transport de l électricité

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1 Comment produire simplement une tension alternative? Connecter les deux bornes d une bobine à un oscilloscope À l aide d un moteur, faire tourner un aimant devant la bobine (doc ) Observer sur l oscillogramme la forme, la période et l amplitude de la tension lorsque : l aimant est immobile ; la vitesse de rotation de l aimant augmente ; un noyau de fer doux est introduit dans la bobine La production et le transport de l électricité Objectifs : Identifier les modes de production de l énergie Connaître les fonctions des différents éléments d un réseau de distribution Justifier le rôle du transformateur dans la distribution Quelle est la forme de la tension obtenue? Peut-on la visualiser lorsque l aimant est immobile? Citer deux facteurs influant sur l amplitude de la tension Quel facteur modifie la fréquence de la tension? Y M Y M Doc Un aimant, entraîné par un moteur, tourne devant une bobine reliée à un oscilloscope ACTIVITÉ ACTIVITÉ Le rôle des transformateurs dans le transport de l électricité ACTIVITÉ Doc Pour transporter l électricité, le réseau français à très haute tension (THT) a une longueur de câble équivalente à deux fois le tour de la Terre Les câbles des lignes électriques ont une résistance de l ordre de un ohm par kilomètre Utilisons deux fils pour simuler ceux d une ligne EXPÉRIECE Quelle est l influence de la résistance d une ligne? Réaliser le circuit (doc ) Observer l éclat de la lampe Mesurer les tensions U aux bornes du générateur et U aux bornes de la lampe À quoi correspond la baisse de tension? Pourquoi la lampe ne brille-t-elle pas? EXPÉRIECE Peut-on réduire l influence de la résistance d une ligne? Dans le circuit de l expérience, intercaler deux transformateurs (doc 4) : un élévateur de tension 6 V / 4 V à la sortie du générateur ; un abaisseur de tension 4 V / 6 V à l entrée de la lampe Observer l éclat de la lampe Mesurer les tensions efficaces U aux bornes du générateur et U aux bornes de la lampe Quelle est l utilité des deux transformateurs? Observer le schéma (doc 5) ACTIVITÉ Entre la centrale et le particulier, sous quelles tensions l électricité est-elle transportée? distribuée? Pourquoi, à côté de la centrale, une station élève-t-elle la tension? ur ce schéma, combien de transformateurs abaissent la tension? Comment s organisent le transport et la distribution de l électricité? i Cr Doc Au laboratoire, simulation d une ligne Production Transport Distribution Centrale CF - Usine Particulier 0 kv THT 5 ou 400 kv HT 90, 6, 0 kv BT 400 ou 0 V Doc 5 chématisation de la production, du transport et de la distribution de l électricité i Cr Doc 4 Deux transformateurs sont intercalés dans le circuit 76 77

2 COUR IFO DOC Production de l énergie électrique Principe de l alternateur monophasé Le déplacement d un aimant devant une bobine fait apparaître une tension aux bornes de celle-ci Cette tension est due au phénomène d induction magnétique (chap 6) a forme est alternative Elle s annule lorsque la rotation cesse on amplitude et sa fréquence augmentent avec la vitesse de rotation de l aimant eule l amplitude augmente lorsqu on introduit dans la bobine un noyau de fer doux Un alternateur industriel est constitué (doc 6) : d un rotor comportant des électroaimants Il est entraîné par une turbine ; d un stator constitué par des bobines fixes délivrant la tension alternative Transport de l énergie électrique Des lignes, souvent aériennes, constituées de câbles métalliques, transportent l énergie À cause de leur résistance, elles sont le siège de pertes par effet Joule On limite ces pertes par un transport de l énergie électrique dans des lignes sous très hautes tensions (THT) (doc 7) Ainsi, à la sortie des centrales, des transformateurs élèvent les tensions de 0 kv jusqu à 5 ou 400 kv Un centre national surveille ce transport De plus, sept centres régionaux assurent la distribution (doc 8) Induit (stator) Inducteur (rotor) C D Doc 6 chéma d un alternateur à deux paires de pôles (tétrapolaire) Doc 7 Les lignes (THT) sont formées de plusieurs faisceaux de câbles pesant jusqu à 48 tonnes par kilomètre B A De la centrale à l utilisateur Doc Doc Centrale nucléaire Centrale hydraulique Les centrales électriques Les centrales électriques fournissent de l énergie mécanique aux turbines des alternateurs En France, les centrales nucléaires assurent 80 % de la production d énergie Il existe aussi des centrales thermiques et hydrauliques Parmi celles-ci, on distingue les centrales : de haute chute (supérieure à 00 m), placées au pied des barrages; de moyenne chute (de 0 à 00 m) à la sortie des réservoirs; au fil de l eau (chute inférieure à 0 m) Distribution de l énergie électrique La très haute tension est abaissée progressivement à partir de sousstations régionales par des transformateurs Un réseau (90 et 6 kv) de hautes tensions (HT) dessert certaines entreprises, grandes consommatrices d énergie électrique (CF, usines) Pour les particuliers, elle est abaissée par des postes de quartier qui délivrent de la basse tension (BT) sous 400 V et 0 V Doc 8 Dans les centres de contrôle, les agents adaptent la production à la consommation d énergie Les turbines Les turbines entraînent les rotors des alternateurs Elles sont mises en mouvement par la force de l eau (centrales hydrauliques) ou par la vapeur d eau sous pression (centrales thermiques et nucléaires) Doc Turbine Pelton en cours de réparation En fonctionnement, la turbine, placée dans un carter, n est pas visible 78 79

3 IFO DOC EXERCICE Les alternateurs Faire le point avec un QCM Le passage du rotor devant les bobines du stator de l alternateur crée des tensions induites sinusoïdales Leur valeur efficace est de 5 à 0 kv Leur fréquence est de 50 Hz Leur puissance peut atteindre quelques centaines de millions de voltampère (VA) Pour chaque ligne, indiquer la (ou les) bonne(s) réponse(s) Un transformateur convertit de l énergie électrique Un alternateur convertit de l énergie électrique en énergie mécanique A B C de l énergie mécanique de l énergie mécanique de l énergie électrique en énergie mécanique de l énergie électrique THT signifie très haute transformation très haute tension haute tension 4 Un alternateur délivre une tension continue une tension efficace une tension alternative 5 Les transformateurs se trouvant à la sortie des centrales élèvent la puissance électrique élèvent la tension élèvent l intensité du courant 6 Le transformateur de votre quartier abaisse la puissance électrique abaisse la tension abaisse l intensité 7 La fréquence de la tension d un alternateur augmente quand la période de la tension diminue la vitesse de rotation de l alternateur augmente la vitesse de rotation de l alternateur diminue 8 Dans un alternateur de centrale, le champ magnétique est produit par des aimants des électro-aimants des turbines 9 Entre deux transformateurs, les lignes électriques les plus longues et les plus lourdes sont celles de très haute tension THT haute tension HT basse tension BT Doc 4 alle d alternateurs 0 Les pertes en ligne sont dues à la résistance des fils de ligne à l effet Joule à l intensité du courant qui traverse les câbles JE AI c d Recopier et compléter Doc 6 La basse tension (0 V) dessert les habitations Doc 5 Transformateur élevant la très haute tension de 5 kv à 400 kv 4 Les transformateurs De puissants transformateurs élèvent la tension (00 kv à 400 kv) vers les lignes à très haute tension (THT) D autres transformateurs abaissent progressivement la tension dans les lignes moyenne tension (MT) : 6 kv, puis 0 à 5 kv, enfin à 400 V / 0 V dans les lignes basse tension (BT) qui desservent les utilisateurs Pour produire une tension variable dans une bobine, il suffit de un aimant dans son voisinage Pour produire une tension variable dans une bobine, il suffit de cette bobine au voisinage d un aimant fixe La tension efficace délivrée par un alternateur quand la vitesse de rotation du rotor diminue Oscillogrammes et alternateur Quelles tensions peut-on obtenir aux bornes du stator d un alternateur? Justifier la réponse a b Identifier les éléments d une ligne Dans le schéma de la ligne électrique ci-dessous, indiquer les fonctions des divers éléments, T et T Ligne électrique T T 80 8

4 EXERCICE EXERCICE 4 Dans les centrales, sous quelle tension produit-on l électricité? a) ous quelle tension transporte-t-on l électricité sur de longues distances? b) Pour un particulier, sous quelle(s) tension(s) la livraison de l énergie électrique se fait-elle? 5 Alternateur ou transformateur a) Quel est le phénomène physique commun au principe d un transformateur et d un alternateur? b) Quelle est la principale différence mécanique entre un transformateur et un alternateur? c) Quelle est la forme de la tension délivrée par un alternateur et un transformateur? d) En France, la fréquence des tensions du réseau EDF est 50 Hz Cette grandeur physique est-elle déterminée par les alternateurs ou par les transformateurs? 6 Une scierie J APPLIQUE Un générateur alternatif de puissance apparente 5 kva alimente le moteur d une scierie par l intermédiaire d une ligne de résistance 0,5 On rappelle que la puissance apparente est U I (VA) et la puissance dissipée par effet Joule est P J R I (W) a) Calculer l intensité du courant dans la ligne et la puissance perdue par effet Joule : si la tension efficace au départ de la ligne vaut 0 V ; si la tension efficace au départ de la ligne vaut 400 V b) À partir de ces résultats, sous quelle tension est-il plus économique de distribuer l énergie électrique du générateur? 7 Vitesse de rotation et fréquence La fréquence de la tension délivrée par un alternateur est proportionnelle à la vitesse de rotation du rotor Un alternateur délivre une tension de fréquence 50 Hz lorsqu il tourne à 000 tr/min À quelle vitesse doit-il tourner pour fournir une tension de fréquence 60 Hz? (Cette fréquence est utilisée dans la Marine ationale) 8 Étude expérimentale Un aimant est en rotation devant la face d une bobine dont les deux bornes sont reliées à celle d un oscilloscope On envisage les trois montages ci-après : n oyau de n fer doux La vitesse de rotation n est supérieure à n Associer ces trois montages aux oscillogrammes correspondants, réalisés avec les mêmes calibres Justifier les choix a b c 9 Alternateurs L alternateur d une automobile Le rotor à griffes comprend 6 paires de pôles Ce ne sont plus des aimants permanents mais des électroaimants ; ils sont alimentés par une partie du courant créé par l alternateur Le stator est constitué de bobines dont les enroulements assurent à leurs bornes des tensions triphasées L alternateur d un cyclomoteur (appelé aussi volant magnétique) Le volant magnétique est constitué : d un rotor mobile solidaire de l arbre moteur ; ce rotor comprend 4 à 6 aimants permanents ; d un stator comprenant à 5 bobines Chacune d entre elles délivre une tension monophasée qui alimente un des circuits du cyclomoteur Vers l oscilloscope B Éclairage B Avertisseur et stop Dispositif d allumage n oyau de fer doux B Allumage Clignotant Clignotant a) ur quel principe commun fonctionnent ces deux alternateurs? b) Quel élément produit le champ magnétique? c) Quel élément délivre la tension alternative? d) Quelle est la différence principale entre les deux types d aimants de ces deux rotors? e) Quelle est la différence principale entre les deux types de tensions délivrées par les bobines de ces deux stators? JE MAÎTRIE 0 imulation d une ligne électrique Un générateur de 6 V alternatif alimente une ligne La résistance de la ligne est matérialisée par un conducteur ohmique de 56 Un autre conducteur ohmique de 0 symbolise un appareil branché entre C et D La loi d Ohm est applicable pour ce circuit alimenté en alternatif 6 V R 56 (ligne) appareil r 0 a) Quelle est l intensité efficace I du courant parcourant le circuit? b) Calculer la tension efficace aux bornes de R c) Calculer la tension efficace disponible entre C et D pour alimenter l appareil d) La valeur nominale de la tension de l appareil symbolisé par le conducteur ohmique de résistance r est 6 V Cet appareil peut-il fonctionner convenablement? Pertes de puissance en ligne C D La puissance perdue par effet Joule dans une ligne est donnée par la relation P R I ; R est la résistance de la ligne et I l intensité efficace du courant qui la parcourt a) Un fil de ligne de 5 km a une résistance de 0,9 par kilomètre Il est parcouru par un courant d intensité efficace 000 A Calculer la puissance perdue par effet Joule dans ce fil b) Au départ de la ligne, on installe un transformateur industriel, élévateur de tension, dont le rapport de transformation est 00 Calculer la nouvelle intensité efficace du courant En déduire la puissance perdue par effet Joule dans le fil de ligne c) Faire le rapport de l intensité de la question a) avec celle de la question b) Comparer ce rapport à celui des deux puissances perdues par effet Joule d) Pouvait-on prévoir le résultat de la question c)? Un scrabble Compléter la grille avec les mots correspondant aux informations suivantes : Verticalement : ) Unité des tensions Valeur écrite sur la plaque signalétique des appareils 8) En alternatif sinusoïdal, valeur maximale divisée par 0) Associé à un disjoncteur différentiel, ce fil protège les personnes Fait tourner le rotor de l alternateur Produit des tensions alternatives Horizontalement : ) Fil qui n est pas neutre Tensions ayant des centaines de kilovolts 5 volts en est une Il est élévateur ou abaisseur 6) Enroulement à l entrée d un transformateur 8) Lorsque cet enroulement n est pas primaire Lorsqu elle est apparente, elle s exprime en VA Influence de la vitesse du rotor On a relevé les oscillogrammes de la tension délivrée par un alternateur de bicyclette lorsque son galet tourne à deux vitesses différentes La sensibilité verticale commune est de V/div et la durée du balayage est de 00 ms/div 8 8

5 EXERCICE oscillogramme oscillogramme Compléter le tableau ci-dessous : Période (s) Fréquence (Hz) Valeur maximale de la tension (V) Oscillogramme Oscillogramme a) Quelle est l influence de la vitesse de rotation du galet de l alternateur sur la fréquence et sur la valeur maximale de la tension délivrée par l alternateur? b) Les deux vitesses de rotation du galet sont de,5 tr/s et 5 tr/s À quelle vitesse de rotation du galet correspond l oscillogramme? Justifier votre réponse 4 D après BEP (académie de Paris Créteil Versailles) Afin d étudier le rôle du transformateur dans le transport d énergie, un élève réalise le montage électrique suivant où l on considère que les conducteurs ohmiques R et R se comportent comme des fils électriques de grande longueur a) Donner le nom des appareils et utilisés dans le montage du document b) Le générateur utilisé délivre-t-il une tension continue ou une tension sinusoïdale? Justifier la réponse c) L appareil utilisé pour mesurer la tension aux bornes de la lampe comporte plusieurs calibres : 00 mv, V, 0 V et 00 V achant que le générateur délivre une tension de 6 V, quel calibre l élève doit-il choisir? d) La tension relevée aux bornes de la lampe est de,0 V Calculer, arrondie au centième, la tension aux bornes de chacun des conducteurs ohmiques R et R e) On rappelle : U R I ; P U I ; P R I pour un conducteur ohmique La valeur de l intensité du courant circulant dans chacun des conducteurs ohmiques R et R est I 0,90 A Calculer, en watt, la puissance consommée par chacun des conducteurs ohmiques R et R f) Dans le montage du document, on introduit deux transformateurs T et T comme le montre le document T est un transformateur élévateur de tension, T est un transformateur abaisseur de tension L intensité du courant traversant les résistances R et R est alors I 70 ma Calculer la puissance consommée par chacun des conducteurs ohmiques dans ce cas Comparer cette puissance à celle consommée par les conducteurs ohmiques dans le premier montage En déduire l intérêt d utiliser des transformateurs dans le transport de l énergie R,5 R,5 Observation : la lampe brille peu T Lampe 6 V R appareil de mesure R Observation : la lampe brille normalement T appareil de mesure 84