Applications Industrielles de l'Énergie Électrique - Physique Chimie 1ère
Introduction
Découvrez comment l'énergie électrique est utilisée dans les industries modernes
Définition des applications industrielles
Qu'est-ce que les applications industrielles ?
Les applications industrielles de l'énergie électrique sont l'ensemble des utilisations de l'énergie électrique dans les processus de fabrication, de production et de distribution d'énergie dans les installations industrielles.
Elles incluent la conversion de l'énergie électrique en d'autres formes d'énergie (mécanique, thermique, lumineuse) et les transferts d'énergie dans les réseaux électriques.
Moteurs électriques
Conversion électrique-mécanique
Un moteur électrique convertit l'énergie électrique en énergie mécanique par l'interaction entre un champ magnétique et un courant électrique dans un conducteur mobile.
Où τ est le couple et ω la vitesse angulaire.
- 1 Moteurs à courant continu : vitesse variable, couple constant
- 2 Moteurs asynchrones : robustes, utilisés dans l'industrie
- 3 Moteurs synchrones : vitesse constante, précision
- 1 Conveyor belts : transport de matériaux
- 2 Pompes : circulation de fluides
- 3 Compresseurs : compression de gaz
- 4 Machines-outils : usinage, découpage
Transformateurs
Adaptation de tension
Un transformateur utilise le phénomène d'induction électromagnétique pour transférer de l'énergie électrique d'un circuit à un autre par induction magnétique.
Où U₁ et U₂ sont les tensions primaires et secondaires, et N₁ et N₂ le nombre de spires.
- 1 Transformateurs de puissance : transmission à haute tension
- 2 Transformateurs de distribution : alimentation des usagers
- 3 Transformateurs d'isolement : sécurité et protection
- 1 Centrales électriques : élévation de tension
- 2 Usines : adaptation de tension aux machines
- 3 Équipements de soudage : tension réduite
Réseaux électriques
Transport et distribution
- 1 Transport haute tension : 225 kV, 400 kV
- 2 Distribution moyenne tension : 20 kV, 35 kV
- 3 Distribution basse tension : 230 V, 400 V
La puissance transportée dans un réseau est donnée par :
Où cos(φ) est le facteur de puissance.
Les pertes dans les lignes électriques sont données par la loi de Joule :
Les pertes sont minimisées en utilisant des tensions élevées.
Chauffage électrique
Conversion électrique-thermique
Lorsqu'un courant électrique traverse un conducteur, l'énergie électrique est convertie en énergie thermique par effet Joule.
Où R est la résistance du conducteur.
- 1 Chauffage par résistance : fours, plaques de cuisson
- 2 Chauffage par induction : cuisson, fusion métallique
- 3 Chauffage par rayonnement : infrarouges, lampes
- 1 Fours industriels : traitement thermique
- 2 Procédés de fusion : sidérurgie
- 3 Séchoirs : industries alimentaires
Exercice d'application
Problème industriel
Une usine dispose d'un moteur électrique triphasé de 15 kW alimenté sous 400 V. Le facteur de puissance est de 0,85. La tension est fournie par un transformateur de 20 kVA.
1. Calculer l'intensité du courant absorbé par le moteur.
2. Déterminer la puissance réactive consommée.
3. Calculer l'énergie consommée en 8 heures de fonctionnement.
4. Évaluer si le transformateur est adapté à la charge.
Solution de l'exercice
Correction détaillée
Formule : P = U × I × √3 × cos(φ), donc I = P / (U × √3 × cos(φ))
L'intensité du courant est de 25,5 A.
On utilise la relation : S² = P² + Q², donc Q = √(S² - P²)
Pour le moteur : P = 15 kW, cos(φ) = 0,85, donc sin(φ) = √(1 - 0,85²) = √(1 - 0,7225) = √0,2775 ≈ 0,527
La puissance réactive est de 9,3 kVAR.
Formule : E = P × t
L'énergie consommée est de 120 kWh.
Puissance apparente nécessaire : S = P / cos(φ) = 15 / 0,85 ≈ 17,6 kVA
Le transformateur de 20 kVA est donc adapté à la charge (17,6 < 20 kVA).
Le taux de charge est de 17,6/20 = 88%, ce qui est acceptable.
Exercice supplémentaire
Problème complémentaire
Un four électrique industriel a une résistance de 20 Ω et est alimenté par une tension de 400 V. Le four fonctionne 6 heures par jour pendant 5 jours par semaine.
1. Calculer la puissance du four.
2. Déterminer l'énergie consommée par semaine.
3. Si le prix de l'électricité est de 0,15 €/kWh, calculer le coût hebdomadaire.
4. Quelle serait la température atteinte si 80% de l'énergie est utilisée pour chauffer 500 kg d'eau initialement à 20°C ?
Solution de l'exercice supplémentaire
Correction détaillée
Formule : P = U²/R
La puissance du four est de 8 kW.
Temps de fonctionnement : t = 6 × 5 = 30 heures/semaine
L'énergie consommée par semaine est de 240 kWh.
Le coût hebdomadaire est de 36 €.
Énergie utile : Eutile = 0,8 × 240 kWh = 192 kWh = 691,2 MJ
Capacité thermique massique de l'eau : c = 4180 J/kg·K
Température finale : Tf = 20 + 330,7 = 350,7 °C
Remarque : Ce résultat est théorique car l'eau bout à 100°C à pression atmosphérique.
Diagrammes énergétiques
Représentations graphiques
Graphique montrant la consommation de puissance d'un moteur triphasé pendant son cycle de fonctionnement.
Diagramme montrant la variation de la consommation d'énergie tout au long de la journée de travail.
Résumé
Points clés
- Moteurs électriques : conversion électrique-mécanique
- Transformateurs : adaptation de tension
- Réseaux électriques : transport et distribution
- Chauffage électrique : conversion électrique-thermique
- Puissance électrique : P = U × I
- Puissance triphasée : P = U × I × √3 × cos(φ)
- Énergie : E = P × t
- Effet Joule : P = R × I²
- Industrie manufacturière
- Production d'énergie
- Transport électrique
- Chauffage industriel
Conclusion
Félicitations !
Continuez à pratiquer pour renforcer vos compétences