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Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 1 sur 15 Sommaire 1. Générateurs électriques 2. Récepteurs électriques Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 2 sur 15 1. Générateurs électriques 1.1 Générateurs : généralités Au sens large du terme, un générateur est un système capable de fournir de l’énergie. Par exemple : - une chaudière est un générateur d’énergie calorifique (ex. chauffage)) - une lampe est un générateur d’énergie lumineuse (ex. éclairage) - un moteur est un générateur d’énergie mécanique (ex. rotation – levage – traction) - une pile, une batterie sont des générateurs d’énergie électrique (production de courant continu) - un alternateur est un générateur d’énergie électrique (production de courant alternatif) En fait, un générateur transforme une énergie primaire (ou énergie d’entrée) en une énergie secondaire (ou énergie de sortie) utilisable sous une autre forme par un récepteur. Ainsi, pour les exemples précédents, l’énergie primaire est : - le fioul, le charbon, l’électricité… pour la chaudière - l’électricité pour la lampe - l’essence, le gazole, le gaz, l’électricité… pour le moteur - l’énergie chimique (électrolyse) pour les piles et les batteries - l’énergie mécanique (chute d’eau, vapeur, vent…) pour les alternateurs Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 3 sur 15 1.2 Rôle du générateur électrique Quels que soient leur apparence, leur taille ou leur principe de fonctionnement, le rôle des générateurs est d’alimenter des récepteurs électriques dans des conditions optimales, c’est-àdire de fournir à ces récepteurs la tension et le courant nécessaires à leur bon fonctionnement. I Générateur U Récepteur 1.3 Les différents types de générateurs électriques Dans un générateur électrique, l’énergie de sortie est bien évidemment de l’énergie électrique. Selon le générateur, l’énergie de sortie disponible peut fournir au récepteur soit du courant continu soit du courant alternatif. Plus facile à produire, à transporter et à transformer, c’est le courant alternatif qui, de loin, fournit la plus grosse quantité de l’énergie électrique produite dans le monde. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 4 sur 15 Exemples de générateurs électriques continus : - piles, accumulateurs - photopiles, thermocouples - « alimentations électriques » diverses : chargeurs de batterie de téléphone portable, d’appareil photo ou de caméscope numériques… alimentations de matériel informatique ou audiovisuel (TV, radio, HiFi…) Remarque : pour cette catégorie de générateurs, l’énergie primaire est de l’énergie électrique : c’est le secteur EDF qui fournit du courant alternatif sous une tension de 230 volts. Cette énergie est traitée et transformée pour fournir du courant continu (par exemple 300 mA sous 3 volts pour recharger les batteries d’un téléphone portable). Exemples de générateurs électriques alternatifs : Ce sont principalement des alternateurs : - alternateur de centrale EDF ou de groupe électrogène - alternateur de voiture - « dynamo » de bicyclette (en réalité, c’est un alternateur) Les onduleurs produisent du courant alternatif à partir de courant continu (batteries, accumulateurs). Leur autonomie est relativement faible, mais ils permettent la continuité de l’alimentation électrique d’équipements vitaux (matériel médical, ordinateurs, systèmes de sécurité…) Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 5 sur 15 1.4 Générateurs continus : principe de fonctionnement – Caractéristiques 1.4.1 Principe de fonctionnement - Electrolyse : c’est le phénomène chimique qui est mis en œuvre dans les piles, batteries, accumulateurs, thermocouples… pour produire du courant continu. Il est basé sur une réaction chimique qui se produit lorsqu’on met en contact deux métaux différents : c’est le principe de base du thermocouple, mais ce système ne peut fournir que de très faibles tensions et de très faibles courants. Dans les piles et les accumulateurs, on améliore ce phénomène en mettant deux métaux (les électrodes) en contact par l’intermédiaire d’une solution acide appelée électrolyte (c’est « l’eau » des batteries de voiture). - Photoélectricité : la lumière agissant sur certains assemblages de matériaux est capable de provoquer la libération d’électrons dans ces matériaux et l’apparition d’une tension continue, fonction de l’éclairement. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 6 sur 15 1.4.2 Caractéristiques – Utilisation - les piles : la tension obtenue par électrolyse est relativement faible (1 à 2 volts). Pour obtenir des tensions plus importantes, on associe des piles élémentaires en série (voir § 1.7) ; ainsi, une pile de 4,5 volts est obtenue par l’association série de 3 piles de 1,5 volts chacune. Leur capacité reste faible (au maximum quelques Ah), ce qui restreint leur utilisation à la fourniture d’une quantité d’énergie relativement faible : éclairage portatif, petit appareillage domestique (radio, calculatrices, montres…). Leur durée de vie est limitée. En effet, au fur et à mesure de leur fonctionnement, les électrodes s’oxydent, entraînant une diminution puis l’arrêt de la fourniture du courant (la pile est « vide » ou « déchargée »). Ce phénomène est irréversible : une pile ne se recharge pas. Les photopiles, capables de fournir des énergies faibles à moyennes, nécessitent de la lumière pour fonctionner. Elles ne stockent pas l’énergie, et comme pour les piles, on les groupe en série pour obtenir des tensions plus élevées. On les utilise principalement dans des lieux très ensoleillés et difficiles d’accès (déserts, montagnes…). - les accumulateurs : le principe de fonctionnement est identique à celui de la pile, mais la nature des électrodes et de l’électrolyte, ainsi que la structure de l’ensemble, font que les accumulateurs sont capables de fournir des énergies plus importantes. Comme pour les piles, la mise en série des accumulateurs permet d’obtenir des tensions plus élevées (de quelques volts à quelques centaines de volts) et des capacités moyennement élevées (de quelques Ah à quelques milliers d’Ah). Comme les piles, les accumulateurs se déchargent suite à l’oxydation des électrodes, mais ici, le phénomène est réversible : la recharge d’un accumulateur régénère les électrodes, permettant à nouveau son bon fonctionnement. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 7 sur 15 1.5 Générateurs alternatifs : principe de fonctionnement – Caractéristiques 1.5.1 Manipulation fondamentale Bobinage (spires de cuivre) aimant Noyau métallique (fer doux) voltmètre à aiguille Quand on déplace l’aimant devant le bobinage, on constate que l’aiguille du voltmètre dévie pendant le déplacement : - le sens de déviation dépend du sens de déplacement de l’aimant (il y a alternance de déviations « positives » et « négatives ») - en déplaçant l’aimant régulièrement, la fréquence des déviations suit la fréquence de déplacement de l’aimant. - en utilisant une bobine comportant plus de spires, ou en déplaçant l’aimant plus rapidement devant la même bobine, l’amplitude de déviation du voltmètre est plus importante. Remarque : on constaterait exactement les mêmes phénomènes si on déplaçait le bobinage devant l’aimant. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 8 sur 15 1.5.2 Alternateur Dans la manipulation précédente, on constate une déviation du voltmètre dans les deux sens : c’est l’indication de la production d’une tension électrique alternative. Cette tension électrique alternative pourrait alimenter un récepteur branché à la place du voltmètre : c’est le principe de l’alternateur. La fameuse « dynamo de vélo » est en réalité un alternateur : la rotation de la roue de la bicyclette entraîne la rotation de l’aimant (le rotor) devant un bobinage (le stator) ; la tension alternative produite aux bornes du stator alimente les deux ampoules d’éclairage du vélo. Remarque : une ampoule peut être alimentée indifféremment par du courant continu ou du courant alternatif pour fournir de la lumière. C’est le même principe qui est utilisé pour les alternateurs de voiture ou pour les gros alternateurs de production de l’électricité dans les barrages ou les centrales électriques. La seule différence est au niveau du rotor : l’aimant est remplacé par un électro-aimant (système bobinage + bagues + balais, alimenté par une batterie), qui permet plus de souplesse et de précision dans le contrôle de la production d’énergie de l’alternateur. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 9 sur 15 1.6 Adaptation du générateur au récepteur 1.6.1 Adaptation en puissance La puissance d’un générateur doit être adaptée à la puissance des récepteurs qu’il alimente. Par exemple : - nécessitant une puissance très faible et consommant très peu d’énergie, une montre est alimentée par une toute petite pile-bouton. - dans un paquebot, les installations électriques, nécessaires à la bonne marche du navire et au confort des passagers, requièrent une puissance moyennement importante, donc des générateurs moyennement importants. - par contre, le réseau EDF, qui fournit l’énergie nécessaire aux entreprises, aux villes, aux trains… est alimenté par des alternateurs très puissants, capables de fournir des tensions et des courants très importants. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 10 sur 15 1.6.2 Adaptation en tension En fait, il existe un certain nombre de tensions plus ou moins normalisées pour assurer le bon fonctionnement des appareils électriques. Par exemple : - - une montre doit être alimentée sous une tension de 3 volts : on utilisera donc une pile qui fournit une tension de 3 volts. sur un paquebot, les alternateurs fournissent des tensions de 5500 volts. La plupart des appareils électriques fonctionnant sous 230 volts, il faut utiliser un transformateur pour adapter la tension fournie par les alternateurs du navire à celle de ces appareils. de même, pour EDF, la tension de 25 000 V fournie par les alternateurs est élevée, par des transformateurs, jusqu’à 220 000 ou 400 000 V (THT : Très Haute Tension), pour transporter le courant dans les meilleures conditions. Cette THT est ensuite abaissée, toujours par des transformateurs, à des valeurs utilisables par les clients, par exemple : 20 000 V pour une grosse entreprise, 1 500 V pour une entreprise moyenne, 230 V pour les particuliers… Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 11 sur 15 Remarque importante : un générateur qui alimente un récepteur doit pouvoir lui fournir la tension et le courant nécessaires à son bon fonctionnement. Illustrons cette remarque par les manipulations ci-dessous où un voltmètre mesure la tension de la pile : Pile 4,5 V 4,7 V Pile 4,5 V 4,5 V Pile 4,5 V 3,6 V On constate que : - à vide (aucune lampe alimentée) : la pile fournit une tension de 4,7V - si elle alimente une seule ampoule, la pile fournit une tension de 4,5V, suffisante pour que l’ampoule éclaire normalement. - si elle alimente deux ampoules, la pile fournit une tension de 3,6V, insuffisante pour que les deux ampoules éclairent normalement. Conclusion : cette pile n’est pas adaptée pour alimenter deux ampoules, car elle ne peut leur fournir le courant nécessaire tout en maintenant 4,5V à leurs bornes. Si on veut alimenter deux ampoules, il faudra donc la remplacer par une autre pile, adaptée à la puissance à fournir, capable de fournir le courant nécessaire sous la bonne tension. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 12 sur 15 1.7 Couplage de générateurs : couplage série – couplage parallèle 1.7.1 Couplage série C’est un couplage utilisé essentiellement pour des générateurs continus. Il permet, entre autres, à partir de générateurs élémentaires fournissant une faible tension, d’obtenir un générateur fournissant une tension suffisante pour alimenter des récepteurs. Par exemple : - une pile plate de 4,5V est en réalité obtenue par la mise en série de 3 éléments de 1,5V : équivalent à 1,5V - 1,5V 1,5V 4,5V pour alimenter un poste de radio sous 7,5V, on met 5 piles de 1,5V en série pour alimenter un chariot élévateur sous 48V, on met 4 batteries de 12V en série 1.7.2 Couplage parallèle C’est un couplage utilisé essentiellement en alternatif, en particulier par EDF qui aliment son réseau par de gros alternateurs. C’est un couplage délicat à mettre en œuvre et qui nécessite de très grandes précautions pour sa réalisation : les alternateurs doivent fournir des tensions ayant mêmes amplitudes, mêmes fréquences et ils doivent être synchronisés. Remarque : le couplage parallèle de générateurs continus est utilisé exceptionnellement et ponctuellement, à condition que les générateurs fournissent la même tension. C’est par exemple le cas lorsqu’on veut faire démarrer, avec une batterie auxiliaire, une voiture dont la batterie est déchargée. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 13 sur 15 2. Récepteurs électriques 2.1 Récepteurs : généralités Au sens large du terme, un récepteur est un transformateur d’énergie. Par exemple : - une lampe transforme l’énergie électrique qu’elle reçoit en énergie lumineuse - un moteur thermique transforme l’énergie qu’il reçoit sous forme d’essence ou de gazole en énergie mécanique pour faire avancer la voiture Mais on vient de voir (§ 1.1) qu’un générateur est en fait lui aussi un transformateur d’énergie. Alors, générateur - récepteur, est-il aussi facile de les classer ? En fait, tout dépend du quel côté on se place. Par exemple : - la lampe reçoit de l’énergie électrique : c’est un récepteur électrique. En même temps, elle fournit de l’énergie lumineuse : c’est donc aussi un générateur d’énergie lumineuse. - un moteur électrique reçoit de l’énergie électrique : c’est donc un récepteur électrique. En même temps, il fournit de l’énergie mécanique, par exemple pour actionner une grue : c’est donc aussi un générateur d’énergie mécanique. Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 14 sur 15 2.2 Récepteurs électriques Dans le cadre de l’électricité, on dira qu’un système est : - générateur s’il fournit de l’énergie électrique - récepteur s’il reçoit (consomme) de l’énergie électrique On peut classer ces récepteurs en fonction de l’énergie qu’ils produisent : - énergie mécanique : moteurs électriques, électro-aimants… - énergie chimique : accumulateur en charge, dispositif d’électrolyse ou d’anodisation… - énergie lumineuse : lampe à incandescence, lampe halogène, tube néon… - énergie thermique : résistance d’un four, d’un radiateur, d’un chauffe-eau… Par contre, il est difficile de classer formellement les récepteurs par rapport à la nature du courant qu’ils consomment. En effet, certains récepteurs fonctionnent aussi bien en alternatif qu’en continu (lampes à incandescence, résistances de chauffage, certains moteurs…) ; d’autres ne fonctionnent qu’en continu (dispositifs d’électrolyse, moteurs à courant continu…) ; enfin, certains récepteurs ne fonctionnent qu’en alternatif (moteurs alternatifs, transformateurs…). Electricité Initiation TFS: DT01-120804.01 Générateurs et Récepteurs - L'alternatif Page 15 sur 15 2.3 Réversibilité générateurs / récepteurs Dans certains cas, c’est l’usage qu’on fait du système qui en fait soit un générateur soit un récepteur. Par exemple : - la batterie d’une voiture est un générateur de courant continu qui alimente phares, klaxon, démarreur… Mais cette batterie devient récepteur lorsqu’elle est mise en charge avec un chargeur de batterie. - dans la traction électrique, les moteurs sont des récepteurs lorsqu’ils font rouler le train. Mais lorsque le train freine ou descend, ils deviennent générateurs d’énergie électrique qu’ils restituent au réseau d’alimentation. Cependant, dans la plupart des applications pratiques, chaque appareil est dédié à un usage bien spécifique : il est ou bien générateur, ou bien récepteur.
