La bonne gestion de l`énergie électrique est un problème complexe

ENERGIE ET PUISSANCE ELECTRIQUE
1MISE EN SITUATION
La bonne gestion de l’énergie électrique est un problème complexe, elle contribue aux performances
de l’industrie. Par une bonne gestion de l’énergie, on doit pouvoir assurer :
¾ L’utilisation optimum des actionneurs industriels (moteurs, chauffage ...) ;
¾ Les économies d’énergie maximales (pour réduire les coûts de fabrication) ;
¾ La sécurité des biens et des personnes amenées à travailler sur les équipements électriques.
2LES SOURCES D'ÉNERGIE ÉLECTRIQUE
Les sources d’énergie électrique sont les centrales électriques. Leur principe de fonctionnement est de
mettre en rotation un alternateur, c’est à dire une génératrice qui fournit une tension alternative de l’ordre
de 20 kV à la fréquence de 50 Hz.
Pour les centrales thermiques (fuel, charbon ou nucléaire), la rotation de l’alternateur est produite par
de la vapeur d’eau chauffée qui agit sur une turbine solidaire de l’alternateur.
Pour les centrales hydrauliques, c’est l’action de l’eau qui fait tourner une turbine solidaire de
l’alternateur.
L’alternateur produit simultanément trois tensions de même valeur efficace et de même fréquence
(50 Hz) mais déphasées de 2Π/3 (120°), on parle de tensions triphasées.
3STRUCTURE DES RÉSEAUX DE DISTRIBUTION
Le transport et la distribution de l’énergie électrique s’effectuent actuellement avec les tensions suivantes :
Î Lignes THT (Très Hautes Tensions) de 400 kV ;
Î Lignes THT de 225 kV pour le réseau de distribution national ;
Î Lignes HT de 90 kV et 45 kV pour les répartitions régionales et locales ;
Î Lignes MT (Moyennes Tensions) de 20 kV pour les industries, les villes et villages ;
Î Lignes BT (Basses Tensions) de 230 V ou 400 V.
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Voici un schéma synthétique montrant le réseau français de transport de l'énergie :
On peut voir que le transport de l'énergie se fait en haute tension (jusqu'à 400 kVolts) à cause des pertes
par effet Joule qui sont beaucoup moins importantes dans ce cas. Puis, progressivement, cette tension est
ramenée à des valeurs de plus en plus basses (20 kVolts pour les entreprises) pour arriver chez le
particulier à une valeur de 230 Volts.
4LE MODE DE TRANSPORT
Pour des besoins industriels, on transporte l'énergie électrique sous forme triphasée. Dans ce cas nous
avons 4 conducteurs (en général) :
✗
3 conducteurs de phase (L1, L2, L3).
✗
1 conducteur appelé neutre (N).
La tension entre conducteurs de phase est appelée tension composée. La tension entre le neutre et une
phase est appelée tension simple.
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E
D
F
L1
L2
L3
neutre
Maison
Distribution
monophasée
Industrie
Distribution
triphasée
Schéma du réseau EDF et la distribution de l'énergie électrique en monophasé et triphasé
L'allure des tensions du réseau est la suivante :
Nous voyons bien trois tensions sinusoïdales, qui sont déphasées (ou décalées) de 120° (ou 1/3 de
période) l'une par rapport à l'autre.
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5PUISSANCE ÉLECTRIQUE
Au sens le plus général, la puissance se calcule avec la formule suivante :
p(t) = v(t) * i(t)
Que l'on peut traduire par : “La puissance instantanée vaut la tension instantanée multipliée par le
courant instantané”.
Pour notre part, nous utiliserons deux cas : le monophasé et le triphasé.
Remarque très importante ! Nous n'utiliserons jamais la forme mathématique des signaux, ce qui ferait
intervenir des outils mathématiques trop lourds. Nous utiliserons toujours la valeur efficace des signaux.
CAS MONOPHASÉ
Dans le cas monophasé, le calcul des puissances se fait de manière très simple. Le schéma est le suivant :
A
I
V
V
Récepteur
Electrique
La formule générale dans ce cas est :
P =U ∗ I ∗cos
φ représente le décalage qu'il y a entre le courant et la tension (voir TD). Si les signaux sont continus
alors
cos(φ)=1.
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CAS TRIPHASÉ
Dans ce cas, le récepteur est branché aux phases conductrices. Le schéma est le suivant :
I
L1
1
I
L2
V1
V2
2
Moteur
I
3
L3
V3
La formule permettant de calculer la puissance absorbée par le récepteur (ici c'est un moteur mais ça
pourrait être autre chose) est :
P = 3 U.I.cos  
ou bien
P =3.V.I.cos  
Rem1 : la différence entre les deux formules sera faite en TD.
Rem2 : φ représente toujours le décalage entre le courant et la tension.
6LE RENDEMENT
Une des caractéristiques de tout système qui doit convertir ou transporter de l'énergie est d'avoir le
meilleur rendement possible. Malheureusement il n'existe pas encore de machine parfaite qui convertisse
intégralement l'énergie sans en perdre au passage. Pour rendre compte de tout cela on fait un bilan des
puissances :
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Puissance
disponible
Puissance
absorbée
Pertes 2
Pertes 1
Allure générique d'un bilan des puissances
Le calcul du rendement est extrêmement simple :
=
Puissance Disponible
Puissance absorbée
Comme il n'a pas de dimension (c'est à dire pas d'unité) il s'exprime en %.
Les pertes sont dues à différentes causes, par exemple des frottements dans les systèmes mécaniques ou
des pertes par effet joule dans tous les conducteurs électriques.
Dans la plupart des cas nous aurons à traiter des exemples ou la puissance absorbée est électrique et ou la
puissance disponible est mécanique.
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