Tension triphasée et transport d'énergie en Terminale
Cours complet, points clés à retenir et exercices d'entraînement de tension triphasée et transport d'énergie pour les élèves de Terminale. Conforme au programme officiel.
Réviser notion par notion
Ce que tu vas réviser
- Tension alternative sinusoïdale : valeur efficace et fréquence
- Système triphasé équilibré
- Transport et distribution de l'énergie électrique
- Puissance en régime sinusoïdal et facteur de puissance
Tension alternative sinusoïdale
Une tension alternative sinusoïdale varie périodiquement au cours du temps selon une fonction sinus : elle change régulièrement de signe et de valeur, contrairement à une tension continue qui reste constante.
Exemple
La tension du secteur effectue 50 cycles complets par seconde (50 Hz en France). Si vous branchez un oscilloscope sur une prise, vous verrez une courbe en forme de vague qui monte et descend régulièrement.
À retenir : La tension instantanée s'écrit $u(t) = U_m \sin(2\pi f t)$ où $U_m$ est l'amplitude maximale et $f$ la fréquence.
Valeur efficace et fréquence
La valeur efficace d'une tension alternative est la valeur de la tension continue qui produirait le même effet thermique dans une résistance. La fréquence est le nombre de cycles complets par seconde, en hertz (Hz).
Exemple
Quand on dit que le secteur fournit 230 V, c'est la valeur efficace. L'amplitude réelle atteint environ 325 V. En France, la fréquence est 50 Hz, soit 50 cycles par seconde : le courant change de sens deux fois par cycle, donc 100 fois par seconde.
À retenir : La relation entre valeur efficace et amplitude est $U_{eff} = \frac{U_m}{\sqrt{2}} \approx 0{,}707 \times U_m$
Système triphasé équilibré
Un système où trois tensions sinusoïdales identiques sont décalées de 120° les unes par rapport aux autres. C'est le système utilisé pour le transport d'électricité à grande distance.
Exemple
Les pylônes électriques que vous voyez le long des routes transportent trois phases différentes. Cela permet de transporter plus de puissance avec moins de pertes qu'avec une seule phase.
À retenir : Les trois tensions sont déphasées de $\frac{2\pi}{3}$ radians (ou 120°) et leur somme instantanée est toujours nulle.
Transport et distribution de l'énergie
Le processus qui achemine l'électricité depuis les centrales de production jusqu'aux maisons. On utilise des transformateurs pour augmenter la tension (réduire les pertes) puis la diminuer avant utilisation.
Exemple
Une centrale électrique produit du courant à 20 kV. Un transformateur l'élève à 400 kV pour le transport longue distance (moins de pertes). Près de chez vous, un autre transformateur le réduit à 230 V pour votre maison.
À retenir : Les pertes en ligne sont proportionnelles à $I^2$, donc augmenter la tension réduit le courant et les pertes : $P_{pertes} = R I^2$
Puissance en régime sinusoïdal
La puissance instantanée varie constamment avec la tension et le courant. On distingue la puissance active (utile), la puissance réactive (stockée) et la puissance apparente (totale).
Exemple
Un moteur électrique consomme de la puissance active (qui fait tourner le moteur) mais aussi de la puissance réactive (créée par les bobines). Sur une facture d'électricité, on paie l'énergie active consommée, exprimée en kilowattheures.
À retenir : La puissance active est $P = U_{eff} \times I_{eff} \times \cos(\phi)$ où $\cos(\phi)$ est le facteur de puissance.
Facteur de puissance
Le facteur de puissance est le rapport entre la puissance active et la puissance apparente. Pour une même puissance active, plus il est proche de 1, plus le courant appelé est faible, et donc plus les pertes dans les lignes d'alimentation sont faibles.
Exemple
Un radiateur électrique a un facteur de puissance de 1 (toute l'énergie chauffe). Un moteur a un facteur de puissance de 0,8 à 0,9 (ses bobinages appellent un courant supplémentaire qui ne produit pas de puissance active). Les industries doivent maintenir un bon facteur de puissance pour éviter des pénalités.
À retenir : $\cos(\phi) = \frac{P}{S}$ où $P$ est la puissance active et $S$ la puissance apparente $S = U_{eff} \times I_{eff}$
Les points clés
- La tension du secteur est sinusoïdale avec une valeur efficace de 230 V et une fréquence de 50 Hz en France
- Le système triphasé utilise trois tensions décalées de 120° pour transporter l'énergie efficacement
- Les transformateurs augmentent la tension pour réduire les pertes lors du transport longue distance
- La puissance active (utile) dépend du facteur de puissance : $P = U_{eff} \times I_{eff} \times \cos(\phi)$
- Un facteur de puissance proche de 1 signifie que l'énergie est utilisée efficacement
L'essentiel
Le transport d'électricité utilise la tension triphasée et des transformateurs pour minimiser les pertes : augmenter la tension réduit le courant et donc les pertes $P_{pertes} = R I^2$.
Exercices d'entraînement
Entraîne-toi sur ces exercices, puis fais-toi corriger pas à pas par le tuteur.
Exercice 1
Une ligne de transport électrique fonctionne à 400 kV avec un courant de 100 A. La résistance de la ligne est 10 Ω. Calculez les pertes en ligne. Que deviendraient les pertes si on abaissait la tension à 20 kV en gardant la même puissance transportée ?
Corrige cet exercice avec le tuteur →Exercice 2
Un moteur monophasé est alimenté sous une tension efficace de 230 V et absorbe un courant d'intensité efficace 10 A. Son facteur de puissance vaut 0,8. Calcule sa puissance apparente, puis sa puissance active.
Corrige cet exercice avec le tuteur →