AL Les sources d’énergie Cours transport d’énergie cours AL-3 Cours AL 3 TSI1 Alimenter : Transport d'énergie X TSI2 Période Le transport de l'énergie électrique Cycle 6 : Alimenter en énergie 1 2 3 4 5 X Durée : 4 semaines 1- Adaptation du niveau de tension : La production et la distribution électrique sont réalisées très souvent avec des grandeurs alternatives sinusoïdales en haute tension (quelques dizaines de kV). Il est donc nécessaire d’adapter les niveaux de tension. Cette adaptation est réalisée grâce à des transformateurs monophasés ou triphasés. Le principe de l'induction électromagnétique est découvert indépendamment par Michael Faraday et Joseph Henry en 1831. Mais Faraday ayant publié le premier ses résultats expérimentaux, le crédit de la découverte lui revient. La relation entre la force électromotrice, qui est homogène à une tension, et le flux magnétique est formalisée dans la « Loi de Faraday », soit : 𝑼𝟏 = 𝑵𝟏 𝒅𝜱 𝒅𝒕 Dans laquelle : • • U1 est l'amplitude de la force électromagnétique en volts ; 𝜱 est le flux magnétique dans le circuit exprimé en webers. Analyser Modéliser Résoudre Expérimenter Proposer un modèle de connaissance et de comportement Concevoir Savoirs faires associés Associer un modèle aux constituants d’une chaîne d’énergie Identifier et caractériser les grandeurs physiques agissant sur un système Savoirs faires associés Décrire les évolutions temporelles ou fréquentielles des grandeurs dans les chaînes d’énergie Analyser Modéliser Résoudre Choisir une démarche de résolution Expérimenter Concevoir Savoirs faires associés Proposer une méthode de résolution permettant la détermination des courants, des tensions et des puissances échangées Lycée Jules Ferry Page 1 sur 4 Réaliser % § 1, 2 % § 1, 2 Réaliser % § Communiquer bilan bilan Communiquer bilan 1, 2 TSI1 AL Les sources d’énergie cours AL-3 transport d’énergie Le transformateur est un appareil statique à induction électromagnétique destiné à adapter les niveaux de tension de même fréquence. Il est analogue à un engrenage en mécanique (le couple sur chacune des roues dentées étant l'équivalent de la tension et la vitesse de rotation étant l'équivalent du courant). L'énergie est transférée du primaire au secondaire par l'intermédiaire du circuit magnétique que constitue la carcasse du transformateur. Ces deux circuits sont alors magnétiquement couplés. Ceci permet de réaliser un isolement galvanique entre les deux circuits. Remarque : un transformateur ne fonctionne que pour des signaux alternatifs sinusoïdaux La grandeur caractéristique d’un transformateur est sa puissance apparente S. S = U1.I1 = U2.I2 Si l’on adopte le modèle du transformateur monophasé parfait (pas de pertes), on définit une grandeur appelé rapport de transformation noté m tel que : 𝒎= 𝑼𝟐 𝑼𝟏 = 𝑰𝟏 𝑰𝟐 = 𝑵𝟐 𝑵𝟏 Si m < 1, on parle d’un transformateur abaisseur de tension (élévateur de courant) ; Si m > 1, on parle d’un transformateur élévateur de tension (abaisseur de courant) ; Si m = 1, on parle d’un transformateur d’isolement. Le transformateur d'isolement est uniquement destiné à créer un isolement électrique entre plusieurs circuits pour des raisons de sécurité ou de résolution de problèmes techniques. Ils sont très utilisés dans les blocs opératoires, par exemple un « transformateur par salle d'opération », pour qu'un défaut dans une des salles n'entraîne pas un arrêt ou une gêne dans une autre. Caractéristiques des transformateurs : - Monophasé ou triphasé ; - Tension primaire / tension secondaire ; - Puissance apparente S en VA. - Puissance de court circuit en W. 2- Le réseau électrique: 2.1-Organisation globale : Les réseaux de production d'énergie électrique sont organisés grossièrement suivant le schéma cidessous : La production consiste à utiliser des énergies diverses de manière à faire tourner des alternateurs qui produisent des tensions et des courants électriques triphasés. On distingue ainsi des centrales de production : thermiques, nucléaires, hydrauliques, éoliennes, photovoltaïques, géothermiques, etc. Les avantages et inconvénients de chaque type proviennent principalement de la facilité d'exploitation et d'entretien des ressources, de leur "renouvabilité" et surtout du rendement de la transformation d'énergie. La distribution consiste à acheminer la tension produite par des lignes ou des câbles jusque chez les consommateurs tout en réalisant le moins de pertes possibles. Considérons une ligne de distribution d'énergie électrique qu'on modélise par une résistance R censée dissiper une certaine puissance perdue Pr. Lycée Jules Ferry Page 2 sur 4 TSI1 AL Les sources d’énergie cours AL-3 transport d’énergie La puissance perdue lors de la distribution, Pr, est d'autant plus petite que la tension U est grande, voilà pourquoi on achemine l'énergie électrique à Haute Tension (HTA de 20kV à 90kV) et Très Haute Tension (400kV). Le transport de l'énergie électrique se fait donc graduellement à des tensions d'autant plus grandes que la ligne est longue et qu'elle véhicule une grande puissance. L'outil permettant d'élever et de rabaisser la tension est naturellement le transformateur triphasé. La consommation représente l'ensemble des utilisateurs de l'énergie électrique. Cet ensemble est très diversifié et se répartit sur des échelles de tensions de 230V à 20kV et des courants de quelques mA à quelques kA. 2-2 Nature de la tension : 2-2-1 Comparaison continu / alternatif : Les tensions et les courants présents sur le réseau sont sinusoïdaux à une fréquence fixe de 50Hz (60Hz aux USA, au Canada, en Angleterre). En effet, les tensions alternatives possèdent de nombreux avantages (adaptation du niveau de tension, coupure du courant par le passage naturel par zéro deux fois par période, production directe par alternateur) par rapport aux inconvénients des tensions continues (difficulté de couper les courants continus, conversion finale laborieuse, pertes dues à l’impossibilité d’élever en très haute tension). Cependant, les tensions sinusoïdales présentent également des inconvénients tels que les effets inductifs et capacitifs tout au long du réseau, l’effet de peau, la difficulté d’interconnexion. Les décisions industrielles se font essentiellement par rapport aux contraintes de coût. Il est alors nécessaire de tenir compte du graphe ci dessous qui représente qualitativement le coût au kilomètre des installations en courant alternatif et continu en fonction de la longueur de l'installation (dans le cas d’un transport par lignes aériennes et non par câbles). En dessous de 500 à 800 km, il est plus avantageux de choisir une tension alternative qui, de plus permet l’utilisation généralisée de transformateurs et donc de valeurs de tension adaptées à chaque tronçon de l’installation. Voilà pourquoi la tension du réseau est alternative. En revanche, dans le cas d’un transport par câbles (éventuellement souterrains) la distance critique est d’environ 30km, voilà pourquoi, par exemple, la liaison France-Angleterre est faite en courant continu, ce qui, de plus, facilite l’interconnexion due au changement de fréquence. 2-2-2 Comparaison distribution sinusoïdale / non sinusoïdale : Les tensions non sinusoïdales sont composées d'harmoniques de fréquences multiples de la fréquence fondamentale. Ces harmoniques s’atténuent fortement le long des lignes à cause de "l’effet de peau". L'effet de peau est un phénomène physique concernant le lieu de circulation des courants dans les conducteurs. Lycée Jules Ferry Page 3 sur 4 TSI1 AL Les sources d’énergie cours AL-3 transport d’énergie Ces derniers ont tendance à se répartir sur la périphérie des conducteurs, qu'on peut appeler "couronne de conduction", et ce d'autant plus que la fréquence est élevée. La conséquence évidente est que plus la fréquence d'un courant est élevée, plus la résistance du conducteur (R=ρL/S) qui le véhicule est grande. Les composantes harmoniques des courants non sinusoïdaux s'atténuent fortement le long des lignes du fait des chutes de tension dues aux résistances équivalentes. Si les centrales produisaient des tensions non sinusoïdales, il ne subsisterait que la sinusoïde fondamentale au bout de quelques dizaines de kilomètres de lignes, le contenu harmonique perdu représentant de la puissance fournie pour rien. De façon générale, on désire éviter à tout prix la présence de puissance déformante D. De plus, la plupart des alternateurs génèrent naturellement des tensions sinusoïdales. La tension du réseau est donc alternative sinusoïdale. 4)réel Le :réseau réel 2-3 LeVIII réseau Le réseau électrique réel estdeconstitué de diverses centrales de Les par tensions Le réseau électrique réel est constitué diverses centrales de productions. Les productions. tensions produites les produites par les alternateurs sont élevées en HT (haute tension) puis en THT (très haute alternateurs sont élevées en HTA (haute tension) puis en HTB (très haute tension) pour être transportées être transportées sur de longues distances. cela, rabaisse la tension dans sur detension) longues pour distances. Après cela, on rabaisse la tension dans laAprès gamme deson BTB (moyennes tensions) la gamme des MT (moyennes tensions) de façon à alimenter directement des agglomérations de façon à alimenter directement des agglomérations ou des industries. Dans chaque quartier, on trouve ou des industries. Dans chaque quartier, on trouve des domestique postes de BTA transformation abaisseurs des postes de transformation abaisseurs qui délivrent la tension (basse tension : 230V) àqui délivrent la de tension domestique BT (basse tension : 230V) à un certain nombre de pôles de un certain nombre pôles de consommation. consommation. Il est à noter que les trois phases des lignes de distribution BTB et BTA sont réparties sur l'ensemble des Il est de à noter les trois deslelignes MT et BT (Feeders) sont réparties utilisateurs façon que à équilibrer auphases maximum réseau.deEndistribution effet, il est impératif d'imposer l'équilibre des sur pour l'ensemble utilisateurs de façon à équilibrer au maximum le sur réseau. En effet, courants éviter le des déséquilibre des tensions inévitable lié à l'absence du neutre les lignes hautesil est impératif d'imposer l'équilibre des courants pour éviter le déséquilibre des tensions inévitable tensions. lié à l'absence du neutre sur les lignes HT et THT. On représente le schéma synoptique d'un réseau sur le schéma : suivant : On représente le schéma synoptique d'uncomplet réseau complet sur lesuivant schéma Le réseau électrique doit accéder au plus près des lieux de consommation et doit former un ensemble maillé de telle manière qu'il y ait toujours plusieurs chemins possibles pour relier deux points (distribution en double dérivation, en coupure d’artère...) Plusieurs particularités sont à noter : - Le réseau électrique doit accéder au plus près des lieux de consommation et doit Page 4 sur 4 TSI1 former un ensemble maillé de telle manière qu'il y ait toujours plusieurs chemins possibles pour relier deux points. Lycée Jules Ferry