ACTIVITS

77

Comment produire simplement une tension alternative ?

Raliser et observer Connecter les deux bornes dune bobine un oscilloscope. laide dun moteur, faire tourner un aimant devant la bobine(doc. 2). Observer sur loscillogramme la forme, la priode et lam-plitude de la tension lorsque : laimant est immobile ; la vitesse de rotation de laimant augmente ; un noyau de fer doux est introduit dans la bobine.

Interprter et exploiter Quelle est la forme de la tension obtenue ? Peut-on la visualiser lorsque laimant est immobile ? Citer deux facteurs influant sur lamplitude de la tension. Quel facteur modifie la frquence de la tension ?

2

1

Doc. 2 Un aimant, entran par un moteur, tournedevant une bobine relie un oscilloscope.

La production et le transport de llectricit

NS

Y1 M Y2 M

76

Objectifs : Identifier les modes de productionde lnergielectrique.

Connatre les fonctionsdes diffrentslments dun rseau de distributionlectrique.

Justifier le rle du transformateurdans la distributionlectrique.

11Le rle des transformateurs dans le transport de llectricit

Les cbles des lignes lectriques ont une rsistance de lordre de un ohm par kilomtre. Utilisons deux fils pour simuler ceux dune ligne lectrique.

EXPRIENCE 1. Quelle est linfluence de la rsistance dune ligne ?

Raliser et observer Raliser le circuit (doc. 3). Observer lclat de la lampe. Mesurer les tensions U1 aux bornes du gnrateur et U2aux bornes de la lampe.

Interprter et exploiter quoi correspond la baisse de tension ? Pourquoi la lampe ne brille-t-elle pas ?

EXPRIENCE 2. Peut-on rduire linfluence de la rsistance dune ligne ?

Raliser et observer Dans le circuit de lexprience 1, intercaler deux transforma-teurs (doc. 4) : un lvateur de tension 6 V / 24 V la sortie du gnrateur ; un abaisseur de tension 24 V / 6 V lentre de la lampe. Observer lclat de la lampe. Mesurer les tensions efficaces U1 aux bornes du gnrateuret U2 aux bornes de la lampe.

Interprter et exploiter Quelle est lutilit des deux transformateurs ?

2

1

2

1

Ni Cr

ACTIVIT 1

ACTIVIT 2

Comment sorganisent le transport et la distribution de llectricit ?

Raliser et observer Observer le schma (doc. 5).

Interprter et exploiter Entre la centrale et le particulier,sous quelles tensions llectricitest-elle transporte ? distribue ?

Pourquoi, ct de la centrale,une station lve-t-elle la tension ?

Sur ce schma, combien de trans-formateurs abaissent la tension ?

2

1

ACTIVIT 3

Doc. 3 Au laboratoire, simulation dune lignelectrique.

ProductionCentrale SNCF - Usine Particulier

Transport Distribution

G

T.H.T225 ou 400 kV

H.T90, 63, 20 kV

B.T400 ou 230 V

20 kV

Doc. 5 Schmatisation de la production, du transport et de la distribution de llectricit.

Ni Cr

Doc. 4 Deux transformateurs sont intercalsdans le circuit.

Doc. 1 Pour transporter llectricit, le rseau franais trs haute tension (T.H.T.) a une longueurde cble quivalente deux fois le tour de la Terre.

78

COURS

Doc. 6 Schma dun alternateur deux paires de ples (ttrapolaire)

A

B

D

C

N

N

S S

Induit(stator)

Inducteur(rotor)

Doc. 7 Les lignes (T.H.T.) sontformes de plusieurs faisceaux decbles pesant jusqu 48 tonnespar kilomtre.

Doc. 8 Dans les centres de contrle, les agents adaptentla production la consommationdnergie lectrique.

Production de lnergie lectriquePrincipe de lalternateur monophas Le dplacement dun aimant devant une bobine fait apparatre unetension aux bornes de celle-ci. Cette tension est due au phnomnedinduction magntique (chap. 6).Sa forme est alternative. Elle sannule lorsque la rotation cesse.Son amplitude et sa frquence augmentent avec la vitesse de rotationde laimant.Seule lamplitude augmente lorsquon introduit dans la bobine unnoyau de fer doux. Un alternateur industriel est constitu (doc. 6) : dun rotor comportant des lectroaimants. Il est entran par uneturbine ; dun stator constitu par des bobines fixes dlivrant la tension alternative.

Transport de lnergie lectrique Des lignes, souvent ariennes, constitues de cbles mtalliques,transportent lnergie lectrique. cause de leur rsistance, elles sont le sige de pertes par effetJoule. On limite ces pertes par un transport de lnergie lectriquedans des lignes sous trs hautes tensions (T.H.T.) (doc. 7).Ainsi, la sortie des centrales, des transformateurs lvent les ten-sions de 20 kV jusqu 225 ou 400 kV. Un centre national surveillece transport. De plus, sept centres rgionaux assurent la distribution(doc. 8).

Distribution de lnergie lectrique La trs haute tension est abaisse progressivement partir de sous-stations rgionales par des transformateurs. Un rseau (90 et 63 kV)de hautes tensions (H.T.) dessert certaines entreprises, grandesconsommatrices dnergie lectrique (SNCF, usines).Pour les particuliers, elle est abaisse par des postes de quartier quidlivrent de la basse tension (B.T.) sous 400 V et 230 V.

3

2

1

11

79

INFO DOC.

De la centrale lutilisateur

11

Les centrales lectriquesLes centrales lectriques fournissent de lnergiemcanique aux turbines des alternateurs.En France, les centrales nuclaires assurent 80 % de la production dnergie.Il existe aussi des centrales thermiques ethydrauliques.Parmi celles-ci, on distingue les centrales : de haute chute (suprieure 200 m), placesau pied des barrages; de moyenne chute (de 30 200 m) la sortie des rservoirs; au fil de leau (chute infrieure 30 m).

1

Les turbinesLes turbines entranent les rotors des alter-nateurs. Elles sont mises en mouvement parla force de leau (centrales hydrauliques) oupar la vapeur deau sous pression (centralesthermiques et nuclaires).

2

Doc. 1 Centrale nuclaire.

Doc. 2 Centrale hydraulique.

Doc. 3 Turbine Pelton en cours de rparation. En fonctionnement, la turbine, place dans un carter, nest pas visible.

JE SAIS

1. Recopier et complterPour produire une tension variable dans une bobine, il suffitde un aimant dans son voisinage.Pour produire une tension variable dans une bobine, il suffitde cette bobine au voisinage dun aimant fixe.La tension efficace dlivre par un alternateur quand la vitesse de rotation du rotor diminue.

2. Oscillogrammes et alternateurQuelles tensions peut-on obtenir aux bornes du stator dunalternateur ? Justifier la rponse.

3. Identifier les lments dune ligneDans le schma de la ligne lectrique ci-dessous, indiquerles fonctions des divers lments G, T1 et T2.

G

T1 T2

Ligne lectrique

c d

a b

Faire le point avec un QCMPour chaque ligne, indiquer la (ou les) bonne(s) rponse(s).

A B C

EXERCICES

81

1. Un transformateur convertit de lnergie lectrique en nergie lectrique

de lnergie mcanique en nergie lectrique

de lnergie lectrique en nergie mcanique

2. Un alternateur convertit de lnergie lectrique en nergie mcanique

de lnergie mcanique en nergie lectrique

de lnergie lectrique en nergie lectrique

3. T.H.T. signifie trs haute transformation trs haute tension haute tension

4. Un alternateur dlivre une tension continue une tension efficace une tension alternative

5. Les transformateurs se trouvant la sortie des centrales

lvent la puissance lectrique

lvent la tension lvent lintensit du courant

6. Le transformateur de votre quartier

abaisse la puissance lectrique

abaisse la tension abaisse lintensit

7. La frquence de la tension dunalternateur augmente quand

la priode de la tensiondiminue

la vitesse de rotation de lalternateur augmente

la vitesse de rotation de lalternateur diminue

8. Dans un alternateur de centrale, lechamp magntique est produit par

des aimants des lectro-aimants des turbines

9. Entre deux transformateurs, les lignes lectriques les plus longueset les plus lourdes sont celles de

trs haute tensionT.H.T.

haute tensionH.T.

basse tensionB.T.

10. Les pertes en ligne sont dues la rsistance des fils de ligne

leffet Joule lintensit du courantqui traverse les cbles

80

INFO DOC. 11

Les transformateursDe puissants transformateurs lvent la tension(200 kV 400 kV) vers les lignes trs haute tension (T.H.T.).Dautres transformateurs abaissent progressivementla tension dans les lignes moyenne tension (M.T.) :63 kV, puis 10 15 kV, enfin 400 V / 230 V dansles lignes basse tension (B.T.) qui desservent lesutilisateurs.

4

Les alternateursLe passage du rotor devant les bobines du stator delalternateur cre des tensions induites sinusodales.Leur valeur efficace est de 15 20 kV.Leur frquence est de 50 Hz.Leur puissance peut atteindre quelques centainesde millions de voltampre (VA).

3

Doc. 4 Salle dalternateurs.

Doc. 6 La basse tension (230 V) dessert les habitations.

Doc. 5 Transformateur levant la trs haute tension de 225 kV 400 kV.

83

a) Sur quel principe commun fonctionnent ces deux alter-nateurs ?

b) Quel lment produit le champ magntique ?

c) Quel lment dlivre la tension alternative ?

d) Quelle est la diffrence principale entre les deux typesdaimants de ces deux rotors ?

e) Quelle est la diffrence principale entre les deux typesde tensions dlivres par les bobines de ces deux stators ?

JE MATRISE10. Simulation dune ligne lectriqueUn gnrateur de 6 V alternatif alimente une ligne lec-trique. La rsistance de la ligne est matrialise par un conducteur ohmique de 56 . Un autre conducteurohmique de 10 symbolise un appareil branch entre Cet D. La loi dOhm est applicable pour ce circuit alimenten alternatif.

a) Quelle est lintensit 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 pouralimenter lappareil.

d) La valeur nominale de la tension de lappareil symbolispar le conducteur ohmique de rsistance r est 6 V. Cetappareil peut-il fonctionner convenablement ?

11. Pertes de puissance en ligne La puissance perdue par effet Joule dans une ligne estdonne par la relation P R I 2 ; R est la rsistance de laligne et I lintensit efficace du courant qui la parcourt.

a) Un fil de ligne de 15 km a une rsistance de 0,9 par kilomtre. Il est parcouru par un courant dintensitefficace 1 000 A. Calculer la puissance perdue par effetJoule dans ce fil.

b) Au dpart de la ligne, on installe un transformateurindustriel, lvateur de tension, dont le rapport de trans-

formation est 100. Calculer la nouvelle intensit efficacedu courant. En dduire la puissance perdue par effet Jouledans le fil de ligne.

c) Faire le rapport de lintensit de la question a) aveccelle de la question b). Comparer ce rapport celui desdeux puissances perdues par effet Joule.

d) Pouvait-on prvoir le rsultat de la question c) ?

12. Un scrabbleComplter la grille avec les mots correspondant aux infor-mations suivantes :

Verticalement : 3) Unit des tensions. Valeur crite sur la plaque signaltique des appareils.8) En alternatif sinusodal, valeur maximale divise par 2.10) Associ un disjoncteur diffrentiel, ce fil protge lespersonnes.Fait tourner le rotor de lalternateur.Produit des tensions alternatives.

Horizontalement :1) Fil qui nest pas neutre.Tensions ayant des centaines de kilovolts.25 volts en est une.Il est lvateur ou abaisseur.6) Enroulement lentre dun transformateur.8) Lorsque cet enroulement nest pas primaire.Lorsquelle est apparente, elle sexprime en VA.

13. Influence de la vitesse du rotorOn a relev les oscillogrammes de la tension dlivre par unalternateur de bicyclette lorsque son galet tourne deuxvitesses diffrentes. La sensibilit verticale commune estde 1 V/div et la dure du balayage est de 100 ms/div.

G 6 V

R 56 (ligne)C

appareilr 10

D

82

EXERCICES

4. Dans les centrales, sous quelle tensionproduit-on llectricit ?a) Sous quelle tension transporte-t-on llectricit sur delongues distances ?

b) Pour un particulier, sous quelle(s) tension(s) la livraisonde lnergie lectrique se fait-elle ?

5. Alternateur ou transformateura) Quel est le phnomne physique commun au principedun transformateur et dun alternateur ?

b) Quelle est la principale diffrence mcanique entre untransformateur et un alternateur ?

c) Quelle est la forme de la tension dlivre par un alter-nateur et un transformateur ?

d) En France, la frquence des tensions du rseau EDF est50 Hz. Cette grandeur physique est-elle dtermine par lesalternateurs ou par les transformateurs ?

JAPPLIQUE6. Une scierieUn gnrateur alternatif de puissance apparente S 15 kVAalimente le moteur dune scierie par lintermdiaire duneligne de rsistance 0,5 . On rappelle que la puissance apparente est S U I (VA)et la puissance dissipe par effet Joule est PJ R I

2 (W).

a) Calculer lintensit du courant dans la ligne et la puis-sance perdue par effet Joule : si la tension efficace au dpart de la ligne vaut 230 V ; si la tension efficace au dpart de la ligne vaut 400 V.

b) partir de ces rsultats, sous quelle tension est-il plusconomique de distribuer lnergie lectrique du gnrateur ?

7. Vitesse de rotation et frquenceLa frquence de la tension dlivre par un alternateur estproportionnelle la vitesse de rotation du rotor.Un alternateur dlivre une tension de frquence 50 Hzlorsquil tourne 3 000 tr/min. quelle vitesse doit-il tourner pour fournir une tension defrquence 60 Hz ? (Cette frquence est utilise dans laMarine Nationale.)

8. tude exprimentaleUn aimant est en rotation devant la face dune bobine dontles deux bornes sont relies celle dun oscilloscope. Onenvisage les trois montages ci-aprs :

La vitesse de rotation n2 est suprieure n1.Associer ces trois montages aux oscillogrammes corres-pondants, raliss avec les mmes calibres. Justifier les choix.

9. AlternateursLalternateur dune automobileLe rotor griffes comprend 6 paires de ples. Ce ne sontplus des aimants permanents mais des lectroaimants ; ilssont aliments par une partie du courant cr par lalter-nateur.Le stator est constitu de bobines dont les enroulementsassurent leurs bornes des tensions triphases.

Lalternateur dun cyclomoteur (appel aussi volantmagntique).Le volant magntique est constitu : dun rotor mobile solidaire de larbre moteur ; ce rotorcomprend 4 6 aimants permanents ; dun stator comprenant 3 5 bobines. Chacune dentre elles dlivre une tensionmonophase qui ali-mente un des circuitsdu cyclomoteur.

Clignotant

Clignotant

B3Allumage

B2clairage

B1Avertisseur

et stop

Dispositifdallumage

S

S

SN

N

a b c

NS

Noyau defer doux

n2

NS

Noyau defer doux

n1

NS

n11 2 3

Vers loscilloscope

EXERCICES

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

84

Complter le tableau ci-dessous :

a) Quelle est linfluence de la vitesse de rotation du galetde lalternateur sur la frquence et sur la valeur maximalede la tension dlivre par lalternateur ?

b) Les deux vitesses de rotation du galet sont de 2,5 tr/s et 5 tr/s. quelle vitesse de rotation du galet correspond loscillo-gramme 1 ? Justifier votre rponse.

14. Daprs BEP (acadmie de Paris Crteil Versailles)

Afin dtudier le rle du transformateur dans le transportdnergie, un lve ralise le montage lectrique suivant olon considre que les conducteurs ohmiques R1 et R2 secomportent comme des fils lectriques de grande longueur.

a) Donner le nom des appareils 1 et 2 utiliss dans le mon-tage du document 1.

b) Le gnrateur utilis dlivre-t-il une tension continue ouune tension sinusodale ? Justifier la rponse.

c) Lappareil utilis pour mesurer la tension aux bornes dela lampe comporte plusieurs calibres : 200 mV, 2 V, 20 Vet 200 V. Sachant que le gnrateur dlivre une tension de6 V, quel calibre llve doit-il choisir ?

d) La tension releve aux bornes de la lampe est de 3,30 V.Calculer, arrondie au centime, la tension aux bornes dechacun des conducteurs ohmiques R1 et R2.

e) On rappelle : U R I ; P U I ; P R I 2 pour unconducteur ohmique. La valeur de lintensit du courantcirculant dans chacun des conducteurs ohmiques R1 et R2est I 0,90 A.Calculer, en watt, la puissance consomme par chacun desconducteurs ohmiques R1 et R2.

f) Dans le montage du document 1, on introduit deux transformateurs T1 et T2 comme le montre le document 2.T1 est un transformateur lvateur de tension, T2 est untransformateur abaisseur de tension. Lintensit du couranttraversant les rsistances R1 et R2 est alors I 170 mA. Calculer la puissance consomme par chacun desconducteurs ohmiques dans ce cas. Comparer cette puissance celle consomme par lesconducteurs ohmiques dans le premier montage. En dduire lintrt dutiliser des transformateurs dans letransport de lnergie lectrique.

G

T1

R1

T2

R2

G

R1 1,5

R2 1,5

Lampe6 V

appareil demesure 2

appareil demesure 1

Observation : la lampe brille normalement.

Observation : la lampe brille peu.

1

2

EXERCICES

Priode (s)

Frquence (Hz)

Valeur maximale de la tension (V)

Oscillogramme 1 Oscillogramme 2

oscillogramme 1

oscillogramme 2