Alimentation distribution de l’énergie électrique I/ Réseaux de Distribution Sources d’énergie : Les trois sources d’énergie les plus utilisées pour produire de l’énergie électrique sont: énergies renouvelables (Barrages hydrauliques …) Energie Chimique (pétrole, charbon…) Energie Nucléaire Ces sources d’énergies sont très inégales si l’on considère le coût et la quantité d’énergie produite, ainsi que la durée de mise en route des systèmes de production. Elles ont cependant un point commun: la production électrique qui en est issu passe par une étape de conversion d’énergie _Mécanique_ en énergie électrique. Leur principe de fonctionnement est de mettre en rotation un alternateur; c’est à dire une génératrice qui fournie une tension alternative de l’ordre de 20 kV à le fréquence de 50 Hz. L’alternateur produit simultanément trois tensions de même valeur efficace et de même fréquence (50 Hz) mais déphasées de 2/3 (120°); on parle de tensions triphasées. Transport et distribution d’énergie Pour réaliser la liaison entre les lieux de production et de consommation, il est nécessaire d’établir des lignes aériennes et des canalisations souterraines. Le transport et la distribution de l’énergie électrique s’effectuent actuellement avec les tensions suivantes: Pour les très grandes puissances ou les grandes distances on utilise des tensions THT (très haute tension) de 400kv. Pour le réseau de distribution national, ligne THT de 225kv. Pour les répartitions régionales et locales se sont des lignes HT de 90kv et 45kv. Les ligne MT (moyen tension) de 20kv sont dédiées au gros consommateur (industries), aux villes et aux villages. Les ligne BT (basse tension) de 220v ou 380v pour les particuliers. Le réseau de distribution français est très complexe. Il est obtenu par interconnections de lignes indépendantes au départ. Des transformateurs d’énergie permettent de rendre interconnectables toutes les mailles du réseau et d’adapter leurs tensions. Page 1 sur 9 Alimentation Caractéristique du Réseau triphasé Une distribution triphasée comporte généralement quatre conducteurs; trois d’entre eux sont appelés conducteur de phase, le quatrième, relié au point commun des transformateurs d’énergie alimentant le réseau, est le conducteur de neutre. L1 u12(t) L2 L3 u1(t) u23(t) u2(t) u13(t) Réseau d’utilisation de l’énergie électrique u3(t) u1 = Usmax . sin( . t ) u2 = Usmax . sin( . t - / 3 ) u3 = Usmax . sin( . t – 4 . / 3 ) Usmax = 325V (230 Veff) U12max = 570V (400 Veff) Page 2 sur 9 u12 (t) = u1 (t) - u2 (t) u23 (t) = u2 (t) - u3(t) u13 (t) = u1 (t) - u3 (t) Alimentation Caractéristique du réseau monophasé Ce réseau de distribution comporte deux conducteurs (L1 et L2). La tension délivrée est u(t) = UM . sin ( . t ), le courant circulant dans la ligne s’écrit i(t) = IM . sin ( . t + ). L’angle représente le décalage angulaire entre la tension et le courant, appelé aussi déphasage. Tension et courant dans une ligne de distribution monophasé. i(t) = 2..f f=1 / T u(t) Réseau d’utilisation de l’énergie électrique u(t) .t i(t) Remarque importante : Sur une distribution en monophasé, il est important pour un technicien de distinguer la phase et le neutre. Pour une installation domestique et pour toutes les installations où une coupure de courant occasionnelle n’est pas dramatique, le neutre et la terre sont reliés ensemble. Ceci est fait au niveau du transformateur EDF Haute Tension / Basse Tension. Ceci est par exemple important pour le positionnement d’un simple interrupteur de commande d’une simple ampoule. Page 3 sur 9 Alimentation II – Alimentation continue L’immense majorité des circuits électronique on besoin d’une alimentions continue. Celle ci apporte l’énergie nécessaire au fonctionnement du circuit. Il existe deux manières d’apporter cette source d’énergie sous forme de tension continue au système : - un objet « chargé » en énergie (pile ,accumulateur, batterie) pour l’utilisation d’appareil nomade (téléphone, baladeur…) un objet utilisant le réseau E.D.F. pour fabriquer sa tension continue (alimentions de votre paillasse, chargeur de portable, adaptateur secteur, structure présente dans les appareils domestique branchés sur secteur comme un ordinateur, un magnétoscope, etc…) - A Le symbole fonctionnel utiliser pour la conversion d’une tension alternative en tension continue est donné ci-contre. E - a) piles et accumulateur : notion de quantité d’électricité Les piles et accumulateurs sont des éléments qui fournissent une tension continue « fixe ». A la différence des piles, les accumulateurs sont rechargeables. Sur une pile, les trois caractéristiques principales sont énoncées : - La tension nominale ( 1.5V pour une pile AA ) - La résistance interne ( moins d’un Ohm pour une pile AA ) - La quantité d’électricité Q (environ 2000 mA.h pour une pile AA alcaline) . L’expression donnant Q est simple : Q = I . t ; si I est en ampère et t en seconde, Q s’exprimera en Coulomb. Les industriels préfèrent utiliser l’A.h (ampère .heure) ou le mA.h (milli ampère .heure). 1 A.h = 3600 C La tension réelle chute en fonction - d’une part de l’état d’usure de la pile - d’autre part en fonction du courant débité. Cette chute de tension est due à la résistance interne de la pile : La tension à ses bornes dépend de la tension à vide (parois notée E) et de la chute de tension interne (donc du courant débité et de la résistance interne R): pile I R Upn E Upn = E – R. I Rq : Avec 2 mesures, on peut tracer la caractéristique U = f(I) de la pile et déterminer ses E et R Exercice : Page 4 sur 9 Alimentation Sur une moto, un système de béquillage motorisé consomme 5,8 A pendant les 18 s de la phase de béquillage. Calculer la quantité d’énergie (Q en A.h) consommée par le kit durant cette phase. Le concepteur de ce kit impose le remplacement de la batterie d'origine de la moto de 12V 20Ah 170A , par une batterie de 12V 30A.h 170A. Le remplacement est-il justifié ? Argumenter la réponse. Reponses : a) Q = 18 x 5,8 = 104,4 C = 0,029 A.h ou 29mAh 2 b) La surcapacité imposée par le constructeur est de 10A.h 1 cycle de montée correspond à une consommation de 0,029 ce qui est négligeable par rapport à la capacité de la batterie. Le changement de batterie ne se justifie donc pas Quelques types de piles : Piles salines Bon marché mais faible capacité Piles alcalines Grande capacité (Certaines sont rechargeables) Piles au Lithium Grande capacité massique mais coût élevé Accumulateurs Ni-Cd Avantages : charge facile;Acceptent une surcharge ;Possibilité de charge rapide Fort courant de décharge;Faible autodécharge inconvenients : Problème d'effet mémoire ;Pollution du Cadmium Ni-Mh Avantages : Plus grande capacité (+40%) Pas d'effet mémoire inconvenients : Charge plus délicate Courant de décharge plus limité Lithium-Ion Téléphones GSM, ordinateurs portables, caméscopes. Avantages : La plus grande capacité ;Meilleure gestion du niveau de charge inconvenients : Coût élevé ;Chargeur spécifique Plomb Accumulateurs pour automobiles, onduleurs Avantages : Grande capacité volumique Fort courant de décharge ( centaines d'ampères ) Très faible résistance interne inconvenients Très lourds Electrolyte liquide (acide) Page 5 sur 9 Alimentation b) alimentation regulée voilà le schéma fonctionnel partiel de l’alimentation regulée de l’objet techhnique «table de mixage ». cette fonction « Alimentation » doit elaborer la tension continue d’alimentation de l’ensemble des composants actifs de l’objet technique (portes logiques, etc…). Elle doit elaborer entre autre une tension continue de +5V+-10% pour satisfaire aux exigences des circuits de technologie HCT. Cette tension doit être elaborée à partir d’une tension de 230Veff+6%-10% delivrée par le réseau E.D.F. Le courant debité par cette alimentation est inferieur à 1A ( autrement dit, l’alimentation delivrera au maximum 1A) SEDF : Signal sinusoïdal de SEDF valeur efficace 230V+6% 10% , de fréquence 50Hz , délivré par le réseau E.D.F. VSEDF. √2 t PROTECTION FA1 SEDF.Pr TRANSFORMATION DE RAPPORT m = 1/30 FA2 ST REDRESSEMENT FA3 SR SEDF.Pr : Même caractéristiques que SEDF, protégé d’éventuelles surintensités ST : Signal de même fréquence et de même forme que SEDF, dont l’amplitude est celle de SEDF divisé par 30 VSEDF. √2.m t SR : signal redressé double alternance d’amplitudes 0 et VSR avec : 8,5 < VSR < 11,5V VSR t FILTRAGE FA4 SF SF : Signal continu de 10V +15% VSF t REGULATION A +5V FA5 Scc : Signal continu de 5V+- Vcc 10% t SCC Page 6 sur 9 Alimentation Description des differentes fonctions et structure utilisée pour réaliser cette fonction : Fonction FA2 – transformation de rapport m : La fonction « transformation » est généralement réalisée à l’aide d’un transformateur de tension. VSEDF. ? 2.m t Fonction et symbole Un transformateur est un quadripôle permettant de transmettre une puissance électrique sans contact, en modifiant les amplitudes des courants et tensions mais en conservant la fréquence. Transformateur réel Transformateur idéal Présentation Le transformateur est constitué au minimum de deux enroulements (ou bobines) et d’un corps magnétique. Le transformateur peut être de taille et de forme variée mais le principe de fonctionnement reste le même. Principe de fonctionnement : Un transformateur monophasé est constitué au minimum de deux enroulements sans liaison conductrice entre eux (isolation galvanique) et d’un circuit magnétique. On appelle enroulement primaire la bobine qui reçoit de l’énergie et enroulement secondaire l’enroulement qui fournit de l’énergie. Il existe des transformateurs munis de plusieurs enroulements secondaires Page 7 sur 9 Alimentation Relations fondamentales Symbole d’un transformateur parfait: I1 I2 m U1 U2 Le rapport de transformation d’un transformateur, noté m, correspond au quotient du nombre de spires du secondaire sur le nombre de spire du primaire. apparente fournie à la charge connectée sur le secondaire est P2=V2eff.I2eff. mN2U2 I1 N1 U1 I2 ηP2 P1 Le rendement : Un transformateur réel a un rendement η<1, un transformateur idéal a un rendement η=1. La puissance apparente demandée au réseau d’alimentation est P1=V1eff.I1eff , la puissance exemple : Pour UA = U1 = 230veff avec une fréquence de 50Hz et un rapport de transformation de 5.102 , donnez la valeur crête de la tension au secondaire. VSR Fonction FA 3 : Redressement : t La fonction redressement permet de transformer le signal alternatif (donc de valeur moyenne nulle) en un signal purement positif (ou négatif). Cette fonction est généralement réalisée avec un pont de diodes. D1 Rq : Il existe des ponts de diodes intégrées D2 UB D4 VSR D3 UC RCH Le pont de diode est constitué de quatre diodes Si l’on considère que les diodes sont idéales (Vseuil=0v), : Si UB > 0v, D2 et D4 sont passante et D1 et D3 sont bloquées donc UC = UB. Si UB < 0v, D3 et D1 sont passante et D2 et D4 sont bloquées donc UC = - UB. La tension UC est donc toujours positive. Page 8 sur 9 Initiation à l’électrotechnique Fonction FA4 – filtrage : VSF t Cette fonction permet de réduire les ondulations de la tension redressée, cette fonction est réalisée à l’aide de condensateurs, le plus souvent electrolityques Borne négative Borne négative Fonction FA5 – régulation : Vcc t Fonction et symbole Pour réaliser cette fonction on utilise un régulateur qui maintient une tension de sortie constante quelles que soient les fluctuations de la tension d’entrée. Le symbole d’un régulateur est représenté sur la figure 21 et l’un des boîtiers utiliser pour un régulateur est représenté sur la figure 22. Vous pouvez voir sur ces deux figures que le régulateur dispose de trois broches : une broche d’entrée, une broche généralement reliée à la masse et une broche de sortie. Sachant que la tension d’entrée doit toujours être supérieur à la tension de sortie à réguler Régulateur Tension d’entrée Tension de sortie . Il existe des régulateurs à tension de sortie positive dont la référence commence par 78 et suivie de la tension de régulation (ex : 7805 pour une tension de sortie de 5v, 7812 pour 12v, 7815 pour 15v…), il existe des régulateurs de tension négative dont la référence commence par 79 et des régulateurs dont on peut ajuster la tension de sortie à l’aide d’un potentiomètre. 9