IV. Consommation de l’énergie électrique

Chapitre 11 – Puissance et énergie électrique

Je souhaite brancher mes plaques électriques et mon four encastré dans deux prises murales différentes. (Les fils des deux prises n’ont pas les mêmes diamètres.) Comment choisir la bonne prise ?

Dans la documentation du four, on peut lire 230 V – 3500 W, et pour les plaques 230 V – 7200 W.

I. Grandeurs physiques indiquées par les constructeurs des appareils électriques

Questions document 1 :

a) Quelles sont les grandeurs physiques indiquées sur l’emballage de la lampe ? Sur l’emballage sont indiquées la tension efficace nominale et la puissance nominale de la lampe.

b) Quelles sont les valeurs de ces deux grandeurs ? Tension nominale : Ueff = 230 V et Puissance nominale : P = 60 W.

c) Que signifie le terme « nominal » ? Il signifie que ces valeurs sont celles du fonctionnement normal de l’appareil.

Questions document 2 :

d) Quelle est la tension nominale du téléviseur ? Tension efficace nominale : Ueff = 220 – 240 V. (Ueff car alternatif.) e) Quelle est la puissance nominale du téléviseur ? Puissance nominale : P = 295 W.

f) Quelle est l’autre grandeur physique indiquée pour le bon fonctionnement de l’alimentation ? L’autre grandeur physique indiquée est la fréquence de fonctionnement de l’appareil : 50 – 60 Hz.

g) D’après vos connaissances, cet appareil peut-il fonctionner si on le branche directement sur le secteur ? Justifiez.

Cet appareil peut fonctionner sur le secteur car la tension du secteur a une valeur efficace de 230 V et une fréquence de 50 Hz, ce qui correspond aux valeurs nominales de cette télévision.

2) Ordres de grandeurs de puissances nominales

A partir du document de la page 174, classez les appareils proposés par puissances nominales croissantes.

Appareils Puissance électrique

Téléphone 1,5 W

Lecteur DVD 12 W

Lampe fluocompacte 18 W

Réfrigérateur 180 W

Télévision 200 W

Ordinateur 600 W

Four à micro-ondes 900 W

Lave-vaisselle 1000 W

Radiateur 1,5 kW = 1500 W

Aspirateur 2,2 kW = 2200 W

Fer à repasser 2,4 kW = 2400 W

Four 3,5 kW = 3500 W

3) Conclusion

Sur un appareil électrique sont indiquées deux valeurs : La puissance nominale, notée P, qui s’exprime en watt (W), et la tension efficace nominale.

Ces valeurs correspondent à la tension efficace à fournir à l’appareil pour qu’il fonctionne correctement et à la puissance qui sera alors consommée par l’appareil.

Si la tension efficace utilisée est inférieure à la tension efficace nominale, le fonctionnement ne sera pas optimal, si elle est supérieure, on risque d’endommager l’appareil.

Il faut donc alimenter le four et les plaques avec 230 V (secteur) et ils consommeront alors 3500 W et 7200 W (max).

W est le symbole des watts, unité dans laquelle s’exprime la puissance électrique.

Le constructeur d’un appareil électrique indique des valeurs nominales qui sont nécessaires au bon fonctionnement de l’appareil.

Document 1. Emballage d’une ampoule.

Document 2. Fiche technique d’un téléviseur.

Photo d’emballage où sont écrites deux valeurs : 230 V et 60 W.

Paramètre Ecran plasma 50 po.

Pixels 1280x768

Ampli audio 13 W + 13 W

Systèmes d’ambiance SRS/FOCUS/TruBass Alimentation 20-240 V, 50/60 Hz, 295 W (0,4 W veille)

Dimensions 1270x737x93 mm

Poids 32,8 kg

Sur le tableau électrique, on lit à propos des deux prises murales 230 V – 16 A max et 230 V – 32 A max. Quelle prise faudra-t-il donc utiliser pour le four? Et pour la plaque ?

II. Quelle relation y a-t-il entre puissance, tension efficace et intensité efficace d’un appareil ?

Comment chercher un lien entre ces trois grandeurs ?

On alimente un appareil (une lampe, par exemple) avec sa tension nominale.

La puissance consommée par cet appareil sera donc proche de sa puissance nominale.

On mesure alors l’intensité efficace traversant l’appareil.

On répète la manipulation pour plusieurs appareils.

On compare les valeurs obtenues pour tenter d’établir une relation.

2) Mesures pour différentes lampes

A partir de nos mesures et des mesures indiquées sur la photo, remplissez le tableau suivant :

Lampe Puissance nominale Tension efficace Intensité efficace Produit UeffxIeff

Lampe n°1 2,4 W 6,35 V 0,40 A 2,54

Lampe n°2 25 W 5,87 V 4,37 A 25,6

Lampe n°3 11 W 5,50 V 1,81 A 9,9

3) Interprétation :

a) Pourquoi ces valeurs sont-elles dites « efficaces »?

Le générateur utilisé délivre une tension alternative. Les valeurs de l’intensité et de la tension sont données par un ampèremètre et un voltmètre. On lit donc des valeurs efficaces.

b) Comparer le résultat du produit avec la puissance nominale donnée par le fabricant. On remarque que le produit Ueff  Ieff est du même ordre de grandeur que la puissance nominale donnée par le fabricant.

4) Conclusion

Un dipôle ohmique alimenté par une tension alternative reçoit (ou consomme) une puissance P égale au produit de la tension efficace Ueff à ses bornes par l’intensité efficace Ieff le traversant.

𝑃 = 𝑈_𝑒𝑓𝑓× 𝐼_𝑒𝑓𝑓

5) Alimentation des plaques et du four

Pour les plaques, 𝑃 = 𝑈_𝑒𝑓𝑓× 𝐼_𝑒𝑓𝑓 donc 7200 = 230 × 𝐼_𝑒𝑓𝑓 il faut une intensité de 𝐼_𝑒𝑓𝑓= ^𝑃

𝑈_𝑒𝑓𝑓=⁷²⁰⁰

230 = 31 𝐴.

Il faut donc absolument brancher les plaques électriques sur la prise 230 V 32 A. Les 16 A maximum de l’autre prise ne seront pas suffisants.

Pour le four, 3500 = 230 × 𝐼_𝑒𝑓𝑓 il faut une intensité de 𝐼_𝑒𝑓𝑓 = ^𝑃

𝑈_𝑒𝑓𝑓=³⁵⁰⁰

230 = 15 𝐴. On peut donc bien utiliser la prise 230 V 16 A.

Pourquoi a-t-on sur les prises ces limites 230 V – 16 A max ou 230 V – 32 A max ? Que se passe-t-il si la valeur efficace de l’intensité dépasse ces 16 ou 32 A ?

en W

en V en A

Lampe n°3.

Tension et puissance nominale : Unominale = 6 V

Pnominale = 11 W Tension et intensité efficace :

Ueff = 5,5 V Ieff = 1,81 A Lampe n°2.

Tension et puissance nominale : Unominale = 6 V

Pnominale = 25 W Tension et intensité efficace :

Ueff = 5,87 V Ieff = 4,37 A Lampe n°1.

Tension et puissance nominale : Unominale = 6 V

Pnominale = 2,4 W Tension et intensité efficace :

Ueff = 6,35 V Ieff = 0,40 A

III. Comment protéger les installations électriques ?

Document 1 – Installation électrique domestique Voir schéma de l’activité 2 du document à l’adresse suivante :

http://www.ac-aix-marseille.fr/pedagogie/upload/docs/application/pdf/2013-06/bhar_cme2_comment_proteger_une_intallation_electrique_eleve.pdf

Document 2 – Fonctionnement de nos prises de courant.

Nos prises de courant ont trois bornes : La phase, qui correspond en quelque sorte à la borne (+) de la prise, le neutre, qui correspond à la borne (-). La troisième borne est une tige métallique appelée prise de terre qui est une sécurité : Elle sert à évacuer un courant trop important vers la terre.

Sur les prises est indiquée une limite d’intensité, en général 10 ou 16 A (valeur efficace).

Cette limite d’intensité correspond à une limite de puissance que peut délivrer la prise.

(Intensité et puissance sont en effet liées par la formule : 𝑃 = 𝑈_𝑒𝑓𝑓× 𝐼_𝑒𝑓𝑓.)

A cause du courant, les fils de la prise chauffent par effet Joule. Si l’intensité du courant est trop élevée, la chaleur dégagée est trop importante. Le fil, et surtout sa gaine isolante risquent de fondre, endommageant l’installation électrique et l’appareil qui y est branché. La surchauffe peut mener à un incendie, d’où l’importance de cette limite.

Document 3 – Protection des installations électriques Plusieurs types d’anomalies peuvent survenir : 1. Une surcharge : Lorsque le nombre d’appareils branchés est trop important (lorsqu’on combine les multiprises, par exemple), l’intensité délivrée par la prise dépasse la limite (en général de quelques ampères).

2. Un court-circuit correspond à un fil ou un contact métallique directement entre la phase et le neutre. Un court circuit se produit sur un appareil défectueux ou mal utilisé. L’intensité peut alors atteindre plus de 1000 A.

Lorsqu’un de ces deux problèmes survient, le coupe-circuit interrompt le contact électrique au niveau de la phase, coupant le courant. Le coupe-circuit permet donc de protéger l’installation électrique.

Le coupe-circuit est soit un fusible (de moins en moins utilisé), tige métallique qui fond lorsque le courant est trop important, soit un disjoncteur qui saute lorsque le courant est trop important. Le disjoncteur a l’avantage de pouvoir être réutilisé, alors que le fusible doit être changé à chaque incident.

3. Une électrisation ou électrocution de personne : Dans ce cas, le courant est évacué non pas par la borne neutre, mais par la terre. C’est alors que le disjoncteur différentiel entre en jeu : Il détecte que le courant qui repart par le neutre n’est pas exactement le même que celui qui est arrivé par la phase et coupe le circuit. Il permet ainsi de protéger les personnes d’une électrocution.

1) Pourquoi une intensité maximale est-elle indiquée sur les prises de courant ? 2) Correspond-elle à une puissance maximale ? Pourquoi ?

3) Qu’est-ce qui permet de protéger l’installation électrique d’un courant trop important ? 4) Comment un coupe-circuit fonctionne-t-il ?

5) Parmi les deux coupe-circuit présentés, lequel est le plus utilisé ? Pourquoi ?

6) Une installation domestique comporte-t-elle un ou plusieurs coupe-circuit ? Pourquoi, à ton avis ?

7) Quelle protection permet de prévenir une éventuelle électrisation ou électrocution ? Comment peut-on détecter une électrisation ?

1) Lorsque l’intensité du courant délivré par la prise est trop élevée, les fils chauffent anormalement par effet Joule, et cela risque d’endommager l’installation électrique, voire de provoquer un incendie.

2) L’intensité et la puissance sont liées par la relation 𝑃 = 𝑈_𝑒𝑓𝑓× 𝐼_𝑒𝑓𝑓. Donc l’intensité maximale correspond bien à une puissance maximale que peut délivrer la prise.

3) Le coupe-circuit permet de protéger l’installation électrique d’un courant trop important.

4) Lorsque le courant est trop élevé, le coupe-circuit interrompt le contact électrique au niveau de la phase, ce qui coupe le courant.

5) Le disjoncteur est très utilisé car il suffit de le remonter lorsqu’il saute, alors qu’on doit changer un fusible à chaque incident.

6) Une installation domestique comporte plusieurs coupe-circuit. En cas d’incident, cela permet de couper le courant uniquement sur la prise concernée, et non dans toute l’habitation.

7) Un disjoncteur différentiel est utilisé pour protéger les usagers d’une électrisation, voire d’une électrocution. Il détecte que le courant arrivant par la phase, n’est pas le même que celui qui repart par le neutre, ce qui signifie, qu’une partie du courant s’évacue par la terre, peut-être par l’intermédiaire d’une personne.

Conclusion :

Pour éviter une surchauffe, l’intensité du courant traversant un fil conducteur ne doit pas dépasser une valeur limite, indiquée au niveau de la prise ou du disjoncteur.

Lorsque cette limite est dépassée, un coupe-circuit (en général un disjoncteur) permet de couper le courant dans le circuit pour protéger l’installation électrique.

Phase Neutre

Prise de terre

IV. Consommation de l’énergie électrique

L'énergie électrique correspond à la « quantité » totale d'électricité consommée par un appareil. Elle dépend de la puissance de l'appareil, mais aussi de sa durée de fonctionnement.

L’unité de l’énergie est le joule (J) dans le système international.

L'énergie électrique E transférée à un appareil consommant une puissance P et ayant fonctionné pendant une durée t se calcule par la relation :

𝐸 = 𝑃 × 𝑡

Exemple : Si j'utilise mes plaques de cuisson à mi-puissance pour faire la cuisine pendant 3/4h, quelle quantité d'énergie auront-elles consommée ?

𝐸 = 𝑃 × 𝑡 =7200 2 ×3

4× 3600 = 3600 × 2700 = 9 720 000 𝐽 = 9,72 𝑀𝐽 Le Joule est l'unité officielle, mais on exprime souvent l'énergie électrique en watt-heure (Wh) :

Energie en watt-heure = Puissance en watt x temps en heure.

𝐸 (𝑊ℎ) = 𝑃 × 𝑡 = 3600 × 0,75 = 2700 𝑊ℎ = 2,7 𝑘𝑊ℎ

2) Lecture d’une facture d’électricité

Du 05/06/2007 au 06/06/2008

Relevé ou estimation en kWh Consommation (en kWh)

Prix kWh en

€

Montant HT en €

Taxes locales

TVA Total TTC ancien nouveau différence

Total électricité 352,59 33,86 61,48 447,93

Abonnement 7,63/mois du 30/07 au 30/09

15,26 7,71/mois du

30/09 au 30/07

77,10 Consommation

HC

17129 18118 989 989 *0,0462 45,69

HC : Du 05/06/2007 au 06/06/2008, 71 jours à 0,0458€ + 290 jours à 0,0463€

soit un prix moyen de 0,0462€

Consommation HP

71984 74717 2733 2733 *0,0785 214,54

HP : Du 05/06/2007 au 06/06/2008, 71 jours à 0,0778€ + 290 jours à 0,0787€

soit un prix moyen de 0,0785€

HC signifie « heures creuses » (où l'électricité est moins chère, comme la nuit et l'après-midi selon les abonnements) et HP signifie « heures pleines ». Le compteur électrique est capable de distinguer heures pleines et heures creuses.

a) Dans quelle unité s'expriment les relevés d'énergie électrique

Les relevés d'énergie électrique s'expriment en kWh. (1 kWh = 1000 Wh).

b) Comment a-t-on trouvé la consommation en heures creuses entre le 30/07/07 et le 30/07/08?

On a fait la différence entre le relevé du 05/06/07 et celui du 06/06/08 en heures creuses.

c) Combien a coûté un kWh en heures creuses ? En heures pleines ? En heures creuses, 1 kWh a coûté 0,0462€, en heures pleines, 0,0785€.

d) Vérifie le coût total de la consommation en heures creuses et en heures pleines. (Auquel s’ajoutera sur la facture le prix de l’abonnement à EDF.)

On a consommé en heures creuses : 989 kWh à un coût de 0,0462 €/kWh, pour un total de 989 × 0,0462 = 45,69 €.

On a consommé en heures pleines : 2733 kWh à 0,0785 €/kWh, pour un total de 2733 × 0,0785 = 214,54 €.

Ces prix correspondent bien aux prix indiqués sur la facture.

e) A votre avis pourquoi y a-t-il 71 jours à 0,0458 € et 290 jours à 0,0463 € ?

Il y a probablement eu une augmentation du prix de l'électricité au cours de l'année.

f) Vérifiez le prix moyen au kWh en heures creuses.

71 jours à 0,0458 €/kWh et 290 jours à 0,0463 €/kWh font une moyenne de : 0,0458 × 71 + 0,0463 × 290

290 + 71 =16,6788

361 = 0,0462 €/𝑘𝑊ℎ en W

en s en J