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Production et traitement dnergielectrique rgulation associe.
ARZIKA Djika S. Ibrahim & MAIGARGUE DankassouaM2 EEA-2013
Master 2:Electronique-Electrotechnique-Automatique
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Universit Abdou Moumouni FASTDpartement de Physique
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Expos
Thme 1: >
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Objectif
Donner aux apprenants les comptences
scientifiques, techniques et conomiques lacomprhension de la notion d'nergie lectrique
sous ses diffrentes formes.
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PLANINTRODUCTION
I. GENERALITES
II. LES MODES DE PRODCTION DE LENERGIEELECTRIQUE: Production nuclaire, thermique,hydraulique, photovoltaque et olienne;
III. RGULATION DE FRQUENCE TENSIONCONCLUSION
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Malheureusement, cette croissance de la demande a
t majoritairement couverte par l'importation de
source d'nergies fossiles, motive par des
considrations conomiques. D'autres facteurs comme
les missions de CO2, le caractre limit de nos
rserves fossiles, et l'indpendance nergtiquenationale n'ont pas t pris en compte.
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Comme alternative ces proccupations, le
dveloppement et l'implmentation des nergies
renouvelables est incontournable. Des ressources
nergtiques illimites et abondamment disponibles
existent et doivent tre exploites. Certaines, commel'nergie olienne ou hydraulique connaissent dj un
dveloppement technique et commercial important et
sont conomiquement comptitives.
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D'autres, comme l'nergie solaire et
thermolectrique, sont techniquement disponibles,mais leur comptitivit ncessite une plus grande
confiance de la part des entreprises prives et des
institutions publiques afin de favoriser
l'implmentation de ce type de systmes et de
favoriser une diminution des cots par lesconomies d'chelle.
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Dans l'optique de la production d'lectricit, l'nerg
solaire est une source d'nergie propre et inpuisablA l'heure de la prise de conscience massive des effe
du rchauffement climatique, il est primordial dconsidrer l'nergie solaire comme l'une de
alternatives possibles aux combustibles fossiles.
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A la fin de cet expos, vous serez en mesure de
connatre :Lorigine du courant lectrique ;
Comment produire le courant lectrique ;
Les diffrentes sourcesdnergies lectriques ;Les diffrents types de centrales lectriques et
leur principe fonctionnement ;Comment traiter la frquence puis la tension.
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I. GNRALITS
I.1. Histoire de llectricit
Llectricit a t dcouverte il y a 26 sicles par Thals
de Milet, un savant grec, 7e S avant J.C, quand il frottait
un morceaudambre avec un tissu. Il constatt que la
pierre russissait attirer des petits objets lgers
comme de la paille. Deux mille ans plus tard, on appela
ce phnomne lectricit ; du mot grec elektron qui
signifie ambre.
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I.2. Exprience de Faraday
En 1831, Michael Faraday fait une dcouverte importante : il montre
exprimentalement qu'on peut fabriquer un gnrateur lectrique avec une bobine et
un aimant. Il utilise un aimant droit et une bobine de fil de cuivre. Il relie les bornes dela bobine conductrice un dtecteur de courant aiguille appel galvanomtre.
Faraday constate alors que lorsqu'il introduit l'aimant l'intrieur de la bobine, le
galvanomtre dvie et que lorsqu'il retire l'aimant, l'aiguille dvie nouveau mais
cette fois-ci dans l'autre sens. Il affirme alors qu'avec l'aimant et la bobine, on peut
fabriquer un gnrateur. En effet, une tension est apparue aux bornes de la bobine, ce
qui a conduit la circulation d'un courant passager dans le circuit ferm constitu par
la bobine et le dtecteur de courant.
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Comment comprendre le phnomne dinductionlectromagntique ?
Lapparition du courant induit dans
un circuit ferm sans gnrateur
est lie la variation du flux
magntique travers ce circuit.Pour quun courant apparaisse il
faut que les porteurs de charge
aient t mis en mouvement par laction de force motrice ; on
appellera force lectromotrice ou
f.e.m la grandeur e = -d/dt,
en notant le flux magntique travers le circuit ferm.
Lapparition des forces motrices
sur des charges initialement aurepos peut sinterprter par
lexistence dun champ
lectrique induit E dont la
circulation le long du contour
ferm daire S nest pas nulle.
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I.3. Principe de base de la production dlectricit
Le principe de base de la production d' lectricit repose su
la conversion d' nergie mcanique en nergie lectrique
Le plus souvent, un fluide entrane une turbine.
Il a fallu des sicles aux inventeurs pour comprendre
comment produire de llectricit . Ils ont fait plein
dexpriences et ont appris la crer partir desdiffrentes sourcesdnergie de la nature.
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Ce nest quen lan 1800 que le savant italien Volta a
dcouvert le moyen de produire un courant lectrique. Il ainvent la premire pile lectrique, compose de disques
dargent et de cuivre spars par du carton humide.
Grce llectricit, la vie quotidienne a alors beaucoup
chang : clairage, chauffage, cuisson,
on pouvait faire des choses si incroyablesquon la appelela Fe lectricit .
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II. LES MODES DE PRODCTION DE LENERGE
ELECTRIQUE
II.1. Dune petite une grande production
Pour crer un petit circuit lectrique, on force les lectrons des atomes se
dplacer dun point un autre.Cest ce qua dmontr Volta qui appela pile,
lempilement de rondelles de cuivre et de zinc spares par des cartons imbibsdeau sale. En reliant par un fil mtallique les deux sorties ou ples de la
pile, on produit un courant lectrique : un grand nombredlectrons se
dplace entre les ples. Le courant lectrique provient de la circulation d
lectrons dans un corps conducteur, tel que certains mtaux ou gaz. Lecourant peut tre continu , (s'coule continuellement dans une seule
direction).
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C' est le cas par exemple dans une lampe lectrique :
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Pour crer une grosse quantit dlectricit, cest le
mme principe de fonctionnement que le petit circuitlectrique ci-dessus, simplement, le courant est
alternatif, (produit par la rotation d' un alternateur) et
il est reproduit trs grande chelle : c' est le cas
par exemple dans les centrales lectriques.
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II.2. Les diffrents moyens de production de lnergie lectrique
Quest -ce que lnergie ? La dfinition que nous donne le petit Robert est la suivante : proprit
dun systme physique capable de produire du travail .
Dun point de vue de la physique,lnergie est une grandeur physique qui peuttre mise en vidence lorsqueltat, lapparence de la nature oudun objettechnique changent soit spontanment, soit de faon provoque.
Un systme possde une nergiesil est capabledavoir un effet sur sonenvironnement.
Lnergie existe sous beaucoup de formes diffrentes. La difficult avec la
notion dnergie est que nous pouvons observer la sourcede lnergie (le
ptrole, le soleil, la nourriture,) ou bien leffet produit par lnergie (une
plante qui grandit, une machine qui fonctionne correctement, un vlo qui
roule,) mais nous ne voyons jamais l nergie elle-mme.
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La diffrence entre source dnergie et forme dnergie
1. La source dnergie est ce qui va tre utilis pour fournir de lnergie. Il Peut sagir dunematire (ptrole, charbon, tartines,), dun rayonnement comme la lumire du soleil ouencore duneforce comme celle du vent ou des cours deau.
2. La forme dnergie est la forme sous laquelle lnergiese prsente pour tre utilise. Exemple:une voiture utilise lessence comme source dnergie sous forme mcanique pour rouler
(effet).
3. On parlera deffet utile de lnergie pour dsigner ce qui est leffet recherch de lutilisationdnergie. Par exemple, le fait que les machines tournent est un effet utile de lnergielectrique. La croissance des plantes est leffetutile de lutilisationde la lumire du soleil.
Dfinitiondune nergie renouvelable : cest une nergie provenant de ressources que lanature renouvelle sans cesse.
Dfinition dune nergie non renouvelable : cest une nergie provenant de ressources
dont les stocks sur Terre sont limits.
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Quest -cequune dynamo ?Cest un convertisseur dnergie mcanique en nergie lectrique continue. On la
trouve le plus sur les bicyclettes.
1. Le galet et l'aimant: en frottant sur le pneu, le galet tourne et entraine l'axe de
rotation de l'aimant. Ils constituent la partie mobile de l'alternateur :le rotor .
2. La bobine: c'est la partie fixe de l'alternateur :le stator .
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Quest -cequun alternateur ?Cest un convertisseur dnergie mcanique en nergie lectrique alternative.
Lalternateur est la p artie commune toutes ces centrales except la centrale
photovoltaque. Celui-ci doit tre en rotation pour produire de lnergie lectrique.
Remarque :les centrales solaires fonctionnent sans alternateur mais ne
fabriquent pas la mme sorte de tension. La tension produite est continue et nest
pas utilisable par nos appareils lectriques, il faut la transformer auparavant.
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Quelles sont les principaux types des centrales
lectriques ?
Les centrales combustibles fossiles (charbon, ptrole et gnaturel) dites centrales thermiques classiques ;
Les centrales nuclaires qui, sont galement des centrales quelon
peut qualifi de thermiques ;Les centrales hydrolectriques ;
Les centrales solaires photovoltaques ;
Les centrales oliennes.
Comment fonctionnement les centrales lectriques ?Animations
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Quel est le principe commun toutes les centrales
lectriques ?
Une centrale lectrique fonctionne grce :un rservoir dnergie dite primaire qui sera transforme en
nergie mcanique ;
une turbine qui possde delnergie mcanique du fait de sonmouvement de rotation (sauf centrale olienne et photovoltaque)
un alternateur qui convertitlnergie mcanique de la turbine en
nergie lectrique (hormis centrale photovoltaque).
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III. RGULATION FRQUENCE-TENSION
III.1. IntroductionLe problme majeur delexploitant est de maintenir, en permanence,
lquilibre entre loffre disponible et la demande potentielle, tan
entendu quelquilibre instantan entre production et consommatio
est une condition ncessaire de fonctionnement du systme
production-transport-consommation (que nous appellerons aussi
systme lectrique, plutt que rseau, terme qui peut avoir diverses
acceptions.
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III.2. But du traitement dnergie lectriqueLe respect des caractristiques contractuelles de la tension et de la frquence est
avec la continuit du service, lun des critres essentiels qui permettent dapprcierla qualit du service, souci majeur du producteur et du distributeur.
Par ailleurs, la tension et la frquence sont galement des indicateurs trs prcie
de la bonne exploitation, technique et conomique, du systme production-
transport.
III.3. Principede fonctionnement dun rgulateur de tensionLe rgulateur est une sorte dinterrupteur qui ouvre ou ferme le circuit dexcitation
en fonction de la tension de sortie de lalternateur dbitant dans la charge. Il
surveillera donc la tension de la charge par rapport un seuil prdtermin et
ouvrira ou fermera le circuit dexcitation de lalternateur, suivant que lon sera
respectivement au-dessus ou au-dessous de ce seuil. ARZIKA Djika S. Ibrahim & MAIGARGUE Dankassoua M2 EEA-2013
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III.4. Quels sont les types de rgulateurs de tension ?Electromagntiques : Ces rgulateurs contacts secs ne sont plus tr
utiliss. Ils comprennent un relais qui ouvre ou ferme un contact
fonction de sa tensiondalimentation (tension de seuil) ;
Electronique : Celui-cisimpose de nos jours par sa finesse de rglage
et de correction thermique, son faible encombrement et sa bon
fiabilit. Il peut tre intgr danslalternateur par le constructeur
(tendance) ou ajout sparment.
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III.5. Rgulation de la frquenceLes centrales doivent tout instant produire la quantitdlectricit
ncessaire lalimentation de la consommation. Pour rpondre ce
impratif, les centrales devraient tre interconnectes grce
maillage du rseau de transport. Pour que le rseau interconne
fonctionne, il existe une obligation commune toutes les centrales :
leurs alternateurs doivent tourner la mme vitesse lectrique, afin
produire une tension de frquence uniforme dans tout le rseau.Cestce quon appelle le synchronisme des alternateurs.
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III.5.1 Quest -ce que la frquence ?La frquence correspond au nombre de cycles que fait le cour
alternatif en une seconde. Pour un alternateur, elle correspond
nombre de tours que faitlarbre de la turbine en une seconde,
multipli par le nombredlectro -aimants placs dans le rotor.
A la diffrence de la tension, qui est un paramtre local (la tens
est diffrente en tout point du rseau, elle dpend du courant
circule dans les lignes au voisinage du point considr), la frquence
est homogne dans tout le rseau lectrique ds lors que la
production et la consommation sont en quilibre.
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III.5.2 Comment maintenir constante la frquence ?La frquence doit tre maintenue autour de la valeur nominale d
Hz, quelles que soient les variations de consommation ou
production. En effet,dune part, une frquence voluant sans ces
rendraitllectricit inutilisable pour de multiples usages,dautre part,
la plupart des composants du systme lectrique sont conus
fonctionner dans une plage de frquence donne, en dehors de laq
des dysfonctionnements graves de matriels peuvent apparatre.
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III.5.3. Quelles sont les diffrents types de variations de
frquence ?Les petites variations globales et alatoires autour de 50 Hz dues
aux volutions continues de la consommation ;
Les variations globales de frquence, qui peuvent tre provoque par des variations brutales de production (arrt inopindune
centrale ou avarie sur la ligne de raccordementdun groupe) ;
Les fortes variations locales de frquence qui surviennent lorsdincidents de type court-circuit.
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CONCLUSION & PERSPECTIVES
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CONCLUSION & PERSPECTIVESLes principaux modes de productiondnergie lectrique sont :
les nergies non renouvelables (centrales thermiques) :
i) flamme (62,5% de la production mondiale) ;ii) nuclaire (17,5% de la production mondiale) ;
les nergies renouvelables : les centrales hydrauliques, solaire, gothermique, olienn
hydrolienne (20% de la production mondiale).
NB : les pourcentages (des cinq catgories) concernent seulementllectricit issue desnergies renouvelables (production mondiale).
Les impacts des centrales lectriques sur lenvironnement :
Les centrales thermiques classiques sont des moyens de productiondnergie trs sales.
Elles rejettent danslatmosphre normment de gaz effet(doxydes dazote (NO, NO2),de soufre (S) et principalement du dioxyde de carbone CO2). Elles sont responsables des
pluies acides et de la pollution delair .
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Les centrales nuclaires ne rejettent pas de gaz effet de serre. Elles produise
des dchets radioactifs. Le stockage des dchets radioactifs pose un gr
problme pour lenvironnement .Une centrale hydraulique produit delnergie lectrique sans produire de gaz
effet de serre. Ilsagit doncdune nergie propre.
Une olienne : il sagit dune nergie renouvelable proprenmettant aucune
pollution. Le seul aspect ngatif seraitlaspect esthtique.Le principe physique qui permet de produire de l'lectricit avec un alternate
est donc le magntisme.
La rgulation de la tension et celle de la frquence sont indispensable aumaintien de la stabilit et de la fiabilit des rseaux de transport. Le syst
dexcitation de performants et les rgulateurs de vitesses sont les lments pou
arriver. ARZIKA Djika S. Ibrahim & MAIGARGUE Dankassoua M2 EEA-201335
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PERSPECTIVES
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Lutilisation des nergies renouvelables connait une croissance
significative dans le monde. Au Niger, lutilisation de ces nergiesrenouvelables est trs ngligeable devant celle dnergie non
renouvelable, malgr notre grand potentiel en nergie solaire et
olienne (dans le Nord et lEst du pays) faible consommation dnergie
lectrique. IL sera plus idoine dutiliser les sources dnergie
renouvelable pour satisfaire les besoins des rgions loignes (dsertes,
et montagneuses, villages,) et mme dans les villes pour rduire la
dpense en nergie lectriquede notre pays.Malgr leurs inconvnients, les nergies demeurent primordiaux dans le
dveloppement de grandes industries.
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MERCI DE VOTRE AIMABLEATTENTION !
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