L énergie élecrique COURS 1. L élecricié 2. Producion de l énergie élecrique L élecricié es un phénomène physique dû aux différenes charges élecriques de la maière, se manifesan par une énergie. Présene naurellemen dans nore environnemen, l homme a depuis longemps cherché à la maîriser. C'es au cours du XIX e siècle que les propriéés de l'élecricié on commencé à êre comprises. La foudre fu la première manifesaion visible de l élecricié pour les humains. La producion d'élecricié perme de mere à disposiion de l'ensemble des consommaeurs un approvisionnemen adapé à leurs besoins en énergie élecrique, à ou momen. La producion d'élecricié se fai depuis la fin du 19 ème siècle à parir de différenes sources d'énergies primaires. Les premières cenrales élecriques foncionnaien au bois. Aujourd'hui, la producion peu se faire à parir d'énergie fossile (charbon, gaz naurel ou pérole), d'énergie nucléaire, d'énergie hydraulique, d'énergie solaire, d'énergie éolienne e de biomasse. L élecricié es difficilemen sockable en grande quanié, la producion de l énergie élecrique es direcemen liée à la consommaion. Principales ransformaions d énergies primaires : Page 1/6
Le Mix élecrique Le mix énergéique ou bouque énergéique es la proporion de chaque source d énergie dans la producion oale d élecricié. En France, le mix élecrique es largemen dominé par l énergie nucléaire depuis 1970. Encore faible, la par des énergies renouvelables (hors hydraulique) devrai s accroîre dans les années à venir. (1) e (2) valeurs pour l année 2011 Le mix élecrique exprime la répariion de l ensemble des modes de producion d élecricié d un pays. Il ser, par exemple, à calculer les impacs environnemenaux dus à la consommaion d élecricié dans un pays. Le Co 2 es-il le seul crière à prendre en compe dans l analyse des nuisances liées au Mix énergéique d un pays? D après-vous, pourquoi la suède éme-elle si peu de CO 2? Page 2/6
3. Transpor e disribuion de l énergie élecrique Dès qu on allume un appareil, l élecricié doi êre là. Peu impore la quanié demandée, le fournisseur d élecricié doi y répondre insananémen! L élecricié es une énergie qui ne se socke pas (sauf en peie quanié dans des piles ou des baeries), il fau donc à chaque insan que la producion soi égale à la consommaion. Une fois que l énergie élecrique es produie dans une cenrale, elle emprune le réseau de ranspor e se mélange à l énergie élecrique produie ailleurs. L élecricié se propage à, soi presque la viesse de la lumière. A la sorie des cenrales de producion (nucléaires, hermiques, hydrauliques, éoliennes e phoovolaïques) l élecricié es porée à rès haue ension (400 000V) afin d êre acheminée via le réseau de ranspor. Arrivée à proximié des zones d uilisaion, cee énergie élecrique es abaissée au ravers de poses sources grâce à des ransformaeurs : c es le débu du réseau de disribuion qui amènera l élecricié (230V) jusqu à chez vous. Pourquoi «ransformer» l élecricié? Plus la longueur des lignes es imporane plus le couran perd de son énergie (peres par effe Joules noammen). C es la raison pour laquelle le ranspor sur de grandes disances se fai sous un volage élevé. L énergie élecrique es ransporée e disribuée en régime alernaif (signal sinusoïdal) à une fréquence de 50Hz. 4. Grandeurs élecriques Afin d êre correcemen maîrisée, l énergie élecrique doi êre quanifiée. Pour cela, les principales grandeurs élecriques courammen uilisées son : - - - Page 3/6
Un couran élecrique de 1A circulan pendan une durée de 1 seconde correspond au déplacemen d une charge élecrique «q» d une valeur de 1 Coulomb. Une charge élecrique «q» (en Coulomb) soumise à une différence de poeniel U (en vol) dispose d une énergie poenielle élecrique : Exercice Le drone Parro es équipé de 3 cellules au lihium délivran chacune 334mA.h sous 11.1V. Calculer l énergie embarquée par ce drone en kj e en W.h lorsque la baerie es chargée. 5. Puissance élecriques en couran coninu Exemple de monage : Allure de la ension e du couran : I U + - Récepeur La loi de base dans ce régime es la loi d Ohm : La puissance élecrique «P» es le produi du couran «i» e de la différence de poeniel U, noée «U» : 6. Puissance élecriques en couran alernaif monophasé U I Exemple d allure de la ension e du couran : i() v() La durée d une variaion es appelée, noée T, e dépend direcemen de la. Dans le cas de l énergie du réseau élecrique, la fréquence es, soi une période T Pour caracériser un signal sinusoïdal, nous avons recours à rois ypes de valeurs consanes : La valeur maximale (noée V MAX ou Vˆ pour une ension simple), La valeur moyenne (noée V MOY ou V pour une ension simple), La valeur efficace (noée V EFF ou V pour une ension simple). V MAX V EFF V MOY -V MAX Page 4/6
La valeur efficace radui la quanié réellemen uilisée de la grandeur considérée. Les valeurs efficaces des ensions e des courans son les valeurs coninues qui délivreraien la même puissance que les grandeurs alernaives si elles éaien appliquées à un récepeur résisif pur (une ampoule élecrique, par exemple). La relaion lian la valeur efficace de la ension à la valeur maximale es : Cee relaion n es valable que pour un signal puremen sinusoïdal (valeur moyenne nulle). Déphasage Cerains appareils génèren un décalage emporel enre le couran e la ension. Ce décalage emporel es appelé déphasage. v() i() Le déphasage se mesure en seconde mais il es plus généralemen exprimé sous la forme d un angle noé φ. La conversion s effecue en supposan qu un période du signal correspond à 360 (ou 2 rad). Dans le cas de la ension du réseau (f=50hz), si le décalage emporel mesuré es = 2 ms, cela correspond à un déphasage : Puissance Pour déerminer les puissances en régime alernaif, on a besoin des valeurs efficaces des courans e des ensions. Un dipôle élecrique absorban un couran efficace «I eff» sous une ension «U eff», absorbe une puissance apparene «S» exprimée en Volampère : S = U eff * I eff Cee puissance apparene se décompose en rois ermes : - la puissance acive, noée «P», en Wa (W) - la puissance réacive, noée «Q», en Volampère Réacif (VAR) - la puissance déformane, noée «D», en Volampère Déforman (VAD) La puissance acive en monophasé, s écri : S 2 = P 2 + Q 2 + D 2 Remarque : Dans le cas d une uilisaion sur charge puremen résisive (conveceur, plaques chauffanes, cafeière, lampe à incandescence ), le déphasage enre v() e i() es nul ( = 0), donc cos = 1, soi P = U I. Faceur de puissance F p : C es le rappor enre la puissance acive consommée e la puissance apparene. Il es compris enre 0 e 1. F p = P/S Le faceur de puissance es un paramère qui rend compe de l'efficacié qu'a un dipôle pour consommer de la puissance lorsqu'il es raversé par un couran. Les courbes ci-après représenen la puissance insananée (produi de la ension e du couran insanané) consommée par un dipôle soumis à une ension de 230 V e raversé par un couran de 18 A dans 3 cas : Page 5/6
le faceur de puissance es égal à 1 (valeur maximale) : la ension e le couran son en phase (ils son nuls aux mêmes insans), la puissance insananée es oujours posiive e la puissance moyenne es maximale le faceur de puissance es égal à 0,7 (valeur inermédiaire) : le couran sui oujours une courbe périodique, mais elle es «en reard» comparaivemen à la courbe de la ension. La puissance prend par momen des valeurs négaives, le dipôle refoule périodiquemen de l énergie sur le réseau. le faceur de puissance es égal à 0,2 (valeur faible) : le couran es le même, la puissance insananée flucue avec la même ampliude, mais elle es foremen décalée vers le bas par rappor aux courbes précédenes. La puissance moyenne es faible : 20 % de la puissance mise en jeu lorsque le faceur de puissance es uniaire. Cas d'un dipôle inducif el une bobine : le couran es en «reard» sur la ension. La puissance périodiquemen resiuée provien de l'énergie magnéique sockée. Cas d un dipôle capaciif, el un condensaeur : dans ce cas, le couran es en «avance» sur la ension. La puissance périodiquemen resiuée provien de l'énergie de la charge élecrique sockée. Les effes de dipôles plus complexes (par exemple un grand nombre de élévisions, ampoules fluo compaces, hacheurs,.) peuven modifier la ension nominale du réseau d'alimenaion, engendrer des perurbaions de l'onde sinusoïdale e produire des courans harmoniques suscepibles de perurber le bon foncionnemen d'aures appareils. C es pour cee raison que le gesionnaire du réseau élecrique surveille e recifie (en uilisan des condensaeurs, des compensaeurs synchrones, ) le signal élecrique. 7. Puissance élecriques en couran alernaif riphasé Pour déerminer les puissances en riphasé, il suffi de faire la somme des puissances consommées par chacune des phases. On peu exprimer la ension composée U en foncion de la ension simple V selon la relaion : U Exemples : Réseaux 130 / 230 V ou 230 / 400 V ou 400 / 690 V... Tensions simples V Tensions composées U Exemple : monage d un récepeur en éoile S = 3.V.I S = P 3..I.cos(φ) P = P 3..I.sin(φ) P = Page 6/6