Physique, production, transmission et utilisation de l'énergie électrique. Production, transport et consommation d'énergie électrique. Transformateur

Tutoriel vidéo 2 : Tâches pour courant alternatif

Conférence: Courant alternatif. Production, transmission et consommation énergie électrique

Courant alternatif- ce sont des oscillations qui peuvent se produire dans un circuit suite à sa connexion à une source de tension alternative.

C'est le courant alternatif qui nous entoure tous - il est présent dans tous les circuits des appartements, et la transmission par fil se fait précisément à partir d'un courant de tension alternative. Cependant, presque tous les appareils électriques fonctionnent à électricité constante. C'est pourquoi, à la sortie de la prise, le courant est redressé et passe dans les appareils électroménagers sous la forme d'un courant constant.

C’est le courant alternatif qui est le plus facile à recevoir et à transmettre sur n’importe quelle distance.

Lors de l'étude du courant alternatif, nous utiliserons un circuit dans lequel nous connecterons une résistance, une bobine et un condensateur. Dans ce circuit, la tension est déterminée en droit:

Comme nous le savons, le sinus peut être négatif et positif. C'est pourquoi la valeur de la tension peut prendre des directions différentes. Lorsque le flux de courant est positif (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre), la tension est supérieure à zéro ; lorsque le courant est négatif, elle est inférieure à zéro.

Résistance dans un circuit

Considérons donc le cas où seule une résistance est connectée à un circuit à courant alternatif. La résistance d’une résistance est dite active. Nous considérerons le courant qui circule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre à travers le circuit. Dans ce cas, le courant et la tension auront une valeur positive.

Pour déterminer le courant dans un circuit, utilisez la formule suivante de la loi d'Ohm:

Dans ces formules je 0 Et U 0 - valeurs maximales de courant et de tension. De là, nous pouvons conclure que la valeur maximale du courant est égale au rapport tension maximaleà la résistance active :

Ces deux grandeurs changent dans la même phase, donc les graphiques des grandeurs ont la même apparence, mais des amplitudes différentes.

Condensateur dans un circuit

Souviens-toi! Je ne peux pas obtenir D.C. dans le circuit où se trouve un condensateur. C'est un endroit pour interrompre le flux de courant et modifier son amplitude. Dans ce cas, le courant alternatif circule parfaitement dans un tel circuit, modifiant la polarité du condensateur.

Lorsqu’on considère un tel circuit, nous supposerons qu’il ne contient qu’un condensateur. Le courant circule dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, c’est-à-dire qu’il est positif.

Comme nous le savons déjà, la tension sur un condensateur est liée à sa capacité à accumuler des charges, c'est-à-dire à sa taille et à sa capacité.

Puisque le courant est la dérivée première de la charge, il peut être déterminé par quelle formule il peut être calculé en trouvant la dérivée de la dernière formule :

Comme vous pouvez le constater, dans dans ce cas L'intensité du courant est décrite par la loi du cosinus, tandis que la valeur de la tension et de la charge peut être décrite par la loi du sinus. Cela signifie que les fonctions sont dans la phase opposée et ont une apparence similaire sur le graphique.

Nous savons tous que les fonctions cosinus et sinus d'un même argument diffèrent de 90 degrés l'une de l'autre, nous pouvons donc obtenir les expressions suivantes :

À partir de là, la valeur maximale du courant peut être déterminée par la formule :

La valeur au dénominateur est la résistance aux bornes du condensateur. Cette résistance est dite capacitive. Il est localisé et désigné comme suit :

À mesure que la capacité augmente, la valeur d'amplitude du courant diminue.

Veuillez noter que dans ce circuit, l'utilisation de la loi d'Ohm n'est appropriée que dans le cas où il est nécessaire de déterminer la valeur maximale du courant ; il est impossible de déterminer le courant à tout moment en utilisant cette loi en raison de la différence de valeur ; phases de la tension et de l'intensité du courant.

Bobine dans une chaîne

Considérons un circuit comportant une bobine. Imaginons qu'il n'y ait pas de résistance active. Dans ce cas, il semblerait que rien ne doive gêner la circulation du courant. Cependant, ce n’est pas le cas. Le fait est que lorsque le courant traverse la bobine, un champ vortex commence à apparaître, ce qui empêche le passage du courant en raison de la formation d'un courant d'auto-induction.

L'intensité du courant prend la valeur suivante :

Encore une fois, vous pouvez voir que le courant change selon la loi du cosinus, donc pour ce circuit il y a un déphasage, qui peut être vu sur le graphique :

D'où la valeur maximale du courant :

Au dénominateur, nous pouvons voir la formule qui détermine la réactance inductive du circuit.

Plus la réactance inductive est grande, plus l'amplitude du courant est petite.

Bobine, résistance et condensateur dans un circuit.

Si tous les types de résistance sont présents simultanément dans le circuit, alors la valeur du courant peut être déterminée comme suit en transformant La loi d'Ohm:

Le dénominateur est appelé résistance totale. Il se compose de la somme des carrés de l'actif (R) et de la réactance, constitués du capacitif et de l'inductif. La résistance totale est appelée « Impédance ».

Électricité

Je ne peux pas imaginer Vie moderne sans utilisation appareils électriques, qui fonctionnent grâce à l'énergie qui se produit électricité. Tous Le progrès technique est basé sur l’électricité.

L'obtention d'énergie à partir du courant électrique présente de nombreux avantages :

1. Le courant électrique est assez facile à produire, car il existe des milliards de centrales électriques, de générateurs et d'autres dispositifs permettant de produire de l'électricité dans le monde.

2. L'électricité peut être transportée sur de grandes distances court instant et sans pertes significatives.

3. Il est possible de convertir l'énergie électrique en énergie mécanique, lumineuse, interne et autre.

Le transport d’électricité est un processus qui consiste à fournir de l’électricité aux consommateurs. L'électricité est produite à partir de sources de production éloignées (centrales électriques) par d'énormes générateurs utilisant du charbon, gaz naturel, l'eau, la désintégration atomique ou le vent.

Le courant est transmis via des transformateurs qui augmentent sa tension. Exactement haute tensionéconomiquement avantageux lors de la transmission d’énergie sur de longues distances. Lignes à haute tension les lignes de transport d’électricité s’étendent dans tout le pays. Grâce à eux, le courant électrique atteint les sous-stations proches grandes villes, où ils abaissent sa tension et l'envoient vers de petites lignes électriques (de distribution). Le courant électrique circule dans les lignes de distribution dans tous les quartiers de la ville et aboutit dans les boîtiers des transformateurs. Les transformateurs réduisent la tension à une certaine valeur standard sûre et nécessaire au fonctionnement appareils ménagers. Le courant entre dans la maison par les fils et passe par un compteur qui indique la quantité d'énergie consommée.

Un transformateur est un dispositif statique qui convertit le courant électrique alternatif d’une tension en courant alternatif d’une autre tension sans changer sa fréquence. Il ne peut fonctionner qu’avec du courant alternatif.

Principales parties structurelles du transformateur

Le dispositif se compose de trois parties principales :

1. Enroulement primaire du transformateur. Nombre de tours N 1.
2. Noyau de forme fermée constitué d'un matériau magnétique doux (par exemple, de l'acier).
3. Enroulement secondaire. Nombre de tours N 2.

Dans les schémas, le transformateur est représenté comme suit :

Principe d'opération

Emploi transformateur de puissance basé sur la loi induction électromagnétique Faraday.

Entre deux enroulements distincts (primaire et secondaire), reliés par un flux magnétique commun, une induction mutuelle se produit. L'induction mutuelle est le processus par lequel un enroulement primaire induit une tension dans un enroulement secondaire situé à proximité immédiate de lui.

L'enroulement primaire reçoit un courant alternatif, qui produit un flux magnétique lorsqu'il est connecté à une source d'alimentation. Flux magnétique traverse le noyau et comme il change avec le temps, il excite une force électromotrice induite dans l'enroulement secondaire. La tension actuelle sur le deuxième enroulement peut être inférieure à celle du premier, le transformateur est alors appelé transformateur abaisseur. Le transformateur élévateur a une tension de courant plus élevée sur l'enroulement secondaire. La fréquence actuelle reste inchangée. Abaisser ou augmenter efficacement la tension ne peut pas augmenter Puissance électrique, par conséquent, à la sortie du transformateur, l'intensité du courant augmente ou diminue proportionnellement en conséquence.

Pour les valeurs d'amplitude de la tension sur les enroulements, l'expression suivante peut s'écrire :

k - coefficient de transformation.

Pour un transformateur élévateur k>1, et pour un transformateur abaisseur - k<1.

Lors du fonctionnement d'un appareil réel, il y a toujours une perte d'énergie :

• les enroulements chauffent ;
• le travail est consacré à la magnétisation du noyau;
• Des courants de Foucault apparaissent dans le noyau (ils ont un effet thermique sur le noyau massif).

Pour réduire les pertes de chaleur, les noyaux des transformateurs ne sont pas constitués d'une seule pièce de métal, mais de plaques minces entre lesquelles se trouve un diélectrique.

De nos jours, le niveau de production et de consommation d'énergie est l'un des les indicateurs les plus importants développement des forces de production de la société. Le rôle principal ici est joué par l'électricité - la forme d'énergie la plus universelle et la plus pratique. Si la consommation d'énergie dans le monde double en 25 ans environ, la consommation d'électricité est alors multipliée par 2 en moyenne en 10 ans. Cela signifie que de plus en plus de processus consommateurs d’énergie sont convertis en électricité.

La production d'énergie. L'électricité est produite dans les grandes et petites centrales électriques, principalement à l'aide de générateurs à induction électromécaniques. Il existe deux principaux types de centrales électriques : thermiques et hydroélectriques. Ces centrales électriques diffèrent par les moteurs qui font tourner les rotors du générateur.

Dans les centrales thermiques, la source d'énergie est le combustible : charbon, gaz, pétrole, fioul, schiste bitumineux. Les rotors des générateurs électriques sont entraînés par des turbines ou des moteurs à vapeur et à gaz. combustion interne. Les plus économiques sont les grandes centrales électriques à turbine thermique à vapeur (en abrégé TPP). La plupart des centrales thermiques de notre pays utilisent de la poussière de charbon comme combustible. Pour générer 1 kW. heures d'électricité, plusieurs centaines de grammes de charbon sont consommés. DANS chaudière à vapeur plus de 90 % de l'énergie libérée par le combustible est transférée à la vapeur. Dans la turbine, l'énergie cinétique des jets de vapeur est transférée au rotor. L'arbre de la turbine est relié rigidement à l'arbre du générateur. Les turbogénérateurs à vapeur sont très rapides : la vitesse du rotor est de plusieurs milliers par minute.

Dès le cours de physique de 10e année, on sait que l'efficacité des moteurs thermiques augmente avec l'augmentation de la température du radiateur et, par conséquent, de la température initiale du fluide de travail (vapeur, gaz). Par conséquent, la vapeur entrant dans la turbine est portée à des paramètres élevés : température - près de 550°C et pression - jusqu'à 25 MPa. Coefficient action utile Le TPP atteint 40%. La majeure partie de l’énergie est perdue avec la vapeur chaude qui s’échappe.

Les centrales thermiques - appelées centrales de production combinée de chaleur et d'électricité (CHP) - permettent d'utiliser une partie importante de l'énergie de la vapeur résiduaire pour entreprises industrielles et pour les besoins domestiques (pour le chauffage et l'approvisionnement en eau chaude). En conséquence, le rendement de la centrale thermique atteint 60 à 70 %. Actuellement en Russie, les centrales thermiques fournissent environ 40 % de toute l’électricité et approvisionnent des centaines de villes en électricité et en chaleur.

Dans les centrales hydroélectriques (HPP), il est utilisé pour faire tourner les rotors des générateurs. énergie potentielle eau. Les rotors des générateurs électriques sont entraînés par des turbines hydrauliques. La puissance d'une telle centrale dépend de la différence de niveau d'eau créée par le barrage (pression) et de la masse d'eau traversant la turbine chaque seconde (débit d'eau).

Les centrales nucléaires (NPP) jouent un rôle important dans le secteur de l'énergie. Actuellement, les centrales nucléaires russes fournissent environ 10 % de l’électricité.

Principaux types de centrales électriques

Les centrales thermiques sont construites rapidement et à moindre coût, mais elles génèrent de nombreuses émissions nocives. environnement et les réserves naturelles d’énergie sont limitées.

Les centrales hydroélectriques sont plus longues à construire et plus coûteuses ; le coût de l'électricité est minime, mais les terres fertiles sont inondées et la construction n'est possible qu'à certains endroits.

Les centrales nucléaires sont longues à construire et coûteuses, mais l'électricité est moins chère que les centrales thermiques, l'impact nocif sur l'environnement n'est pas significatif (si elles sont correctement exploitées), mais nécessite l'élimination des déchets radioactifs.

Consommation d'électricité

Le principal consommateur d’électricité est l’industrie, qui représente environ 70 % de l’électricité produite. Le transport est également un gros consommateur. De plus en plus de lignes ferroviaires sont converties à la traction électrique. Presque tous les villages et villages reçoivent de l'électricité des centrales électriques pour les besoins industriels et domestiques. Tout le monde connaît l’utilisation de l’électricité pour l’éclairage des maisons et dans les appareils électroménagers.

La majeure partie de l'électricité utilisée est désormais convertie en énergie mécanique. Presque toutes les machines industrielles sont entraînées par des moteurs électriques. Ils sont pratiques, compacts et permettent l’automatisation de la production.

Environ un tiers de l'électricité consommée par l'industrie est utilisée à des fins technologiques (soudage électrique, chauffage électrique et fusion des métaux, électrolyse, etc.).

La civilisation moderne est impensable sans l’utilisation généralisée de l’électricité. La rupture de l'approvisionnement en électricité d'une grande ville et même de petits villages en cas d'accident paralyse leur vie.

Transport d'électricité

Les consommateurs d’électricité sont partout. Il est produit dans relativement peu d’endroits proches des sources de carburant et des ressources hydroélectriques. L'électricité ne peut pas être conservée à grande échelle. Il doit être consommé immédiatement dès sa réception. Il est donc nécessaire de transporter l’électricité sur de longues distances.

Le transport de l’électricité est associé à des pertes notables, car le courant électrique chauffe les fils des lignes électriques. Conformément à la loi Joule-Lenz, l'énergie dépensée pour chauffer les fils de ligne est déterminée par la formule Q = I2Rt où R est la résistance de ligne.

Si la longueur de la ligne est très longue, le transport d’énergie peut devenir économiquement non rentable. Il est pratiquement très difficile de réduire significativement la résistance de ligne R. Il faut réduire le courant.

Par conséquent, des transformateurs élévateurs sont installés dans les grandes centrales électriques. Le transformateur augmente la tension dans la ligne autant de fois qu’il réduit le courant.

Plus la ligne de transmission est longue, plus il est avantageux d’utiliser une tension plus élevée. Ainsi, dans la ligne de transport à haute tension Volzhskaya HPP - Moscou et quelques autres, une tension de 500 kV est utilisée. Pendant ce temps, les générateurs de courant alternatif sont réglés sur des tensions ne dépassant pas 16-20 kV. Des tensions plus élevées nécessiteraient des mesures spéciales complexes pour isoler les enroulements et d’autres parties des générateurs.

Pour utiliser directement l'électricité dans les moteurs électriques d'entraînement des machines-outils, dans le réseau d'éclairage et à d'autres fins, la tension aux extrémités de la ligne doit être réduite. Ceci est réalisé à l'aide de transformateurs abaisseurs. Le schéma général du transfert d'énergie et de sa répartition est présenté sur la figure.

Habituellement, une diminution de la tension et, par conséquent, une augmentation du courant s'effectuent en plusieurs étapes. A chaque étape, la tension diminue de plus en plus et le territoire couvert par le réseau électrique s'élargit.

Si la tension est très élevée, une décharge peut se produire entre les fils, entraînant une perte d'énergie. L'amplitude admissible de la tension alternative doit être telle que, pour une section transversale donnée du fil, les pertes d'énergie dues à la décharge soient insignifiantes.

Les centrales électriques de plusieurs régions du pays sont reliées par des lignes électriques à haute tension, formant un réseau électrique commun auquel les consommateurs sont connectés. Cette combinaison, appelée réseau électrique, permet de lisser les pics de consommation d'énergie du matin et du soir. Le système électrique garantit un approvisionnement ininterrompu en énergie aux consommateurs, quel que soit leur emplacement. Aujourd'hui, presque tout le territoire de notre pays est alimenté en électricité par des systèmes énergétiques intégrés. Le système énergétique unifié de la partie européenne du pays est opérationnel.

L'énergie électrique est produite à différentes échelles dans les centrales électriques, principalement à l'aide de générateurs électromécaniques à induction.

La production d'énergie

Il existe deux principaux types de centrales électriques :

1. Thermique.

2. Hydraulique.

Cette division est causée par le type de moteur qui fait tourner le rotor du générateur. DANS thermique Les centrales électriques utilisent des combustibles comme source d'énergie : charbon, gaz, pétrole, schiste bitumineux, fioul. Le rotor est entraîné par des turbines à vapeur et à gaz.

Les plus économiques sont les centrales thermiques à turbine à vapeur (TES). Leur efficacité maximale atteint 70%. Cela tient compte du fait que la vapeur résiduaire est utilisée dans les entreprises industrielles.

Sur centrales hydroélectriques L'énergie potentielle de l'eau est utilisée pour faire tourner le rotor. Le rotor est entraîné par des turbines hydrauliques. La puissance de la centrale dépendra de la pression et de la masse d'eau traversant la turbine.

Consommation d'électricité

L'énergie électrique est utilisée presque partout. Bien entendu, la majeure partie de l’électricité produite provient de l’industrie. De plus, le transport sera un consommateur important.

De nombreuses lignes ferroviaires sont depuis longtemps passées à la traction électrique. L'éclairage des maisons, des rues de la ville, les besoins industriels et domestiques des villages et des villages - tout cela est également un gros consommateur d'électricité.

Une grande partie de l’électricité produite est convertie en énergie mécanique. Tous les mécanismes utilisés dans l’industrie sont entraînés par des moteurs électriques. Les consommateurs d’électricité sont nombreux et on les retrouve partout.

Et l’électricité n’est produite que dans quelques endroits. La question se pose du transport de l’électricité, et sur de longues distances. Lors de la transmission sur de longues distances, il y a beaucoup de perte de puissance. Il s'agit principalement de pertes dues à l'échauffement des fils électriques.

Selon la loi Joule-Lenz, l'énergie dépensée pour le chauffage est calculée par la formule :

Puisqu’il est presque impossible de réduire la résistance à un niveau acceptable, il faut réduire le courant. Pour ce faire, augmentez la tension. Généralement, les stations sont équipées de générateurs élévateurs et à l'extrémité des lignes de transport se trouvent des transformateurs abaisseurs. Et c’est à partir d’eux que l’énergie est distribuée aux consommateurs.

La demande en énergie électrique est en constante augmentation. Afin de répondre à la demande d’augmentation de la consommation, il existe deux manières :

1. Construction de nouvelles centrales électriques

2. Utilisation de technologies avancées.

Utilisation efficace de l'électricité

La première méthode nécessite la dépense d'un grand nombre de ressources de construction et financières. Il faut plusieurs années pour construire une centrale électrique. De plus, par exemple, centrales thermiques consomment beaucoup de ressources naturelles non renouvelables et nuisent à l’environnement.