Ingénierie électronique et électrique Génie électrique et

Ingénierie électronique et électrique
Génie électrique et électrotechnique
été 2016/17
Dr Łukasz Starzak, MSc(Eng) PhD
Lodz University of Technology
Faculty of Electrical, Electronic, Computer and Control Engineering
Department of Microelectronics and Computer Science
ul. Wólczańska 221/223, bât. B18, bureau 51
htp://neo.dmcs.p.lodz.pl/~starzak [pl, en]
htp://neo.dmcs.p.lodz.pl/iee [fr]
Plan du cours
●
CM+TD 1re partie :


●

Enseignant :
Durée :
Électronique
Pr Andrzej Napieralski
35h ≈ 9 semaines
TP :



●
Dr Łukasz Starzak
25h ≈ 6 semaines
CM+TD 2e partie :

●
Enseignant :
Durée :
Génie électrique et électrotechnique
Enseignant :
Durée :
Lieu :
Dr Łukasz Starzak
20h = 10 semaines à commencer de la semaine 6
Bâtiment B18, Lab PPM (RdC)
À ne pas oublier le travail personnel


On peut accéder aux laboratoires du Département (présentez-vous à
l’administrateur du système informatique, bureau 35, muni(e) de votre carte
d’étudiant)
On va utiliser des environnements gratuits qui peuvent alors être installés sur
vos ordinateurs personnels
Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17
2
Conditions d’évaluation
●
CM+TD génie électrique et électrotechnique



●
CM+TD électronique

●
Les règles seront communiquées par le Pr Napieralski
TP



●
Interrogation écrite lors de la dernière séance
Voir la page web pour des repères (après l’avant-dernière séance)
Deux interrogations de ratrapage
Présence et travail pendant les cours
▶ Montrez vos résultats finaux
Compte-rendu après que chaque énoncé est accompli
▶ Voir la page web pour des directives
Interrogations orales
▶ Après que chaque compte-rendu est délivré
Note finale

0,35 ∙ (CM+TD)1 + 0,35 ∙ (CM+TD)2 + 0,30 ∙ TP
Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17
3
Plan du cours magistral
Génie électrique et électrotechnique
1.
2.
3.
4.
5.
Énergie électrique, industrie et société
Notions et lois de base de l’électricité
Circuits électriques en régime continu
Circuits électriques en régime sinusoïdal
Production et transmission de l’énergie électrique
●
●
●
Sources conventionnelles et renouvelables
Réseaux triphasés basse tension
Qalité de l’énergie
6. Utilisation de l’énergie électrique
●
●
●
Récepteurs et convertisseurs
Sécurité et compatibilité électromagnétique
Gestion et eficacité
Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17
4
1. Énergie électrique, industrie et société
Caractéristiques et applications de l’énergie électrique
Impact social et économique
Histoire du génie électrique
Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17
5
Énergie
●
Formes de l’énergie :





●
mécanique
▶ position, mouvement
thermique
▶ température
chimique
▶ liaisons chimiques
…
électrique
On peut la transformer dans
une autre forme, mais :


elle ne peut pas disparaître
(1er principe de la
thermodynamique)
des pertes sont inévitables
(2e principe de la
thermodynamique)
Source : Wikimedia Commons
(Jean-Jacques Milan, Marsupilud, Cschirp, Jak, DynaBlast)
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6
Applications de l’électricité
Énergie
Information
Production
Acquisition
Distribution
Transmission
Stockage
Mémorisation
Conversion
Traitement
Utilisation
Exploitation
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7
Domaines couverts par ce cours
●
●
●
●
●
Génie électrique
La science qui étudie les phénomènes physiques liés à l’électricité et
ses applications
Électrotechnique
Étudie la production, le transport, la transformation et l’utilisation
de l’énergie électrique
Électronique
Étudie le traitement de l’information portée par des signaux
électriques, à l’aide de dispositifs électroniques
Électronique de puissance
Étudie le traitement de l’énergie électrique à l’aide de dispositifs
électroniques
Domaine apparenté non couvert : Automatique
Étudie le contrôle de systèmes, y compris électriques, en grande
partie à l’aide de signaux électriques et de dispositifs électroniques
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8
Pourquoi génie électrique en gestion ?
●
L’énergie électrique est la plus
populaire forme de l’énergie
grâce à :



●
La plupart des processus
industriels contemporains
utilisent l’énergie électrique
une grande diversité de sources
▶ adaptable aux localisations et
besoins divers
distribution et conversion facile
▶ espace et poids
▶ coût d’installation et de
maintenance
▶ fiabilité
les plus eficaces systèmes
informatiques (calcul, contrôle,
stockage, transmission…) étant
construits à partir de dispositifs
électriques et électroniques
Source : Wikimedia Commons (OhWeh, KVDP,
Fir0002/Flagstaffotos, Kārlis Dambrāns), Scheider Electric
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9
Impact du génie électrique sur l’entreprise
●
Finances



●
Organisation




●
Coût de l’installation d’alimentation en énergie électrique
Coût de l’achat de l’énergie (dans l’UE : distribution + consommation)
Coût de l’entretien du réseau d’alimentation (inspections, réparations)
Alimentation des outils de bureautique : ordinateurs, imprimantes, réseau
informatique, stockage de données… ; sources de secours
Santé au travail (éclairage, ventilation, climatisation, chaufage…)
Sécurité du personnel et des clients (lois et normes)
Relations publiques : énergie renouvelable, économie de l’énergie
Production


Alimentation de l’équipement de production, de test, de contrôle…
Disponibilité de l’énergie électrique
▶ puissance oferte par les centrales électriques et le réseau de distribution
▶ limitations temporelles imposées sur la consommation (cas été 2015)
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10
Impact social et macroéconomique
●
●
●
●
Les sociétés et économies
développées contemporaines
ne pourraient pas survivre sans
électricité
Les pays en voie de
développement consacrent
beaucoup d’efort à la
disponibilité de l’électricité
L’énergie électrique rend la vie
de l’humain plus facile et
même le permet de survivre
En même temps, elle contribue
à l’épuisement des ressources
naturels ainsi qu’à la pollution
de l’environnement
Source : Wikimedia Commons (Giuseppe Bollanti, Stefan Kühn)
Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17
11
Histoire de l’électrotechnique
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
●
1785 : loi de Coulomb Charles Coulomb
1800 : pile électrique Alessandro Volta
1826 : loi d’Ohm Georg Ohm
1840 : loi de Joule James Joule
1871 : générateur électrique Zénobe Gramme
1873 : moteur à courant continu Hippolyte Fontaine
1878 : ampoule Thomas Edison
1879 : train électrique Werner von Siemens
1882 : usine électrique à vapeur à courant continu Thomas Edison
1882 : transformateur Lucien Gaulard
1888 : moteur à courant alternatif Nikola Tesla
1891 : usine hydroélectrique à courant alternatif George Westinghouse
1904 : tube électronique A. Wehnhalt / J. Fleming
pré-électronique
1948 : transistor J. Bardeen, W. Bratain, W. Shockley
électronique
1956 : thyristor W. Shockley, J. Moll, G. Hall
électronique de puissance
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12
2. Notions et lois de base de l’électricité
Charge, courant, tension, résistance, puissance
Les lois de Coulomb, de Kirchhof, d’Ohm et de Joule
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13
Charge électrique
●
La charge électrique est une propriété de la matière

Chaque électron possède une charge négative de 1,602∙10−19 C
▶ appelée charge élémentaire notée e (aussi q, q )
e
tout autre charge étant une multiple de e (y compris ⅓e et ⅔e)
symbole : q
unité : coulomb (C)
▶


●
Découverte : Grèce ancienne


●
Une force physique est liée à la charge électrique


●
Après que l’ambre est froté avec la fourrure, elle atire
des objets et même une étincelle peut être produite
ambre = ηλεκτρον (ēlektron) ⇒ électron ⇒ électricité
Deux électrons (et chaque pair de charges du même signe) vont se repousser
Deux charges de signes opposés vont s’atirer
1 |q 1 q 2|
4 πε 0 r 2
Loi de Coulomb
|F⃗ |=
Source : Wikimedia Commons (Pediadeep)
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14
Champ électrique
●
Une charge produit un champ
électrique

●
Toute autre charge présente dans
son entourage subit une force
Force de Lorentz
F⃗ =q 2

●
(
1 q1
⃗
⃗
2 e r =q 2 E
4π ε 0 r
)
Sens (par convention) : tel que
posséderait la force subie par une
charge positive
Champ électrique comme
quantité physique


symbole : E
unité : V/m
Source : Wikimedia Commons (Mfrosz)
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15
Courant électrique
●
●
Si on place une charge dans un champ électrique (suscité de
n’importe quelle manière), la force de Lorentz la fera mouvoir
Le courant électrique est le mouvement ordonné de l’ensemble de
porteurs de charge électrique

●
Un porteur de charge est une particule possédant une charge électrique et
capable de se déplacer : électron, ion (électrolyte), trou (semiconducteur)…
Sens : tel que posséderait la vitesse de porteurs de charge positive


C’est donc l’inverse du sens du mouvement des électrons (charge négative)
Ce n’est qu’une convention, pourtant universellement acceptée
sens conventionnel
du courant
+
électrons
−
sens réel
du mouvement
des électrons
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16
Intensité du courant
●
L’intensité du courant est la quantité de charge transportée par
unité de temps


●
Symbole sur les schémas : flèche sur un
conducteur

●
Symbole : i
Unité : ampère [A]
dq
i=
dt
Si le sens de la flèche est cohérent avec le sens
conventionnel du courant réel, alors la valeur du
courant symbolisé est positive
Valeurs type




1 mA
30 mA
0,5 A
500 A
seuil de perception par l’humain
peut être mortel
ordinateur portable alimenté à 230 V
un moteur TGV
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17
Mesure du courant
●
●
●
Un ampèremètre mesure l’intensité du
courant qui le traverse
Branché en série
Le signe est positif quand les bornes de
l’ampèremetre correspondent au sens
réel (conventionnel) du courant

●
●
●
+1 A
La borne négative est normalement désignée
« COM », « 0 » ou « − »
correct
Résistance très basse afin de ne pas
influencer le résultat de la mesure
Se comporte comme un court-circuit
Atention à ne pas brancher en
parallèle !
incorrect !
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18
Loi des nœuds (1ère loi de Kirchhof)
●
●
●
Dans un circuit électrique, un nœud est un point de jonction de
plusieurs conducteurs
Dans les schémas, les nœuds sont symbolisés avec des cercles
remplis
La somme des intensités des courants entrant dans un nœud est
égale à la somme des intensités des courants sortant de ce nœud
i 1+ i 3 + i 5=i 2+ i 4
ou
+ i 1 −i 2 + i 3 −i 4 + i 5 =0
i1
i2
nœud
i5
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i3
i4
19
Exercices
●
●
2.1.1. Combien d’électrons passent par les bornes d’un fil dans une
seconde si l’intensité du courant est de 1 A ?
2.1.2. Si i1 = 0,5 A, i2 = 4 A et i4 = 6 A, quel est i3 ? ? Est-ce qu’il
alimente ce nœud ou il en est alimenté ?
i1
i2
●
i3
i4
2.1.3. Un générateur photovoltaïque produit un courant de 5 A. Il
alimente un système d’éclairage et un accumulateur branchés en
dérivation. Si l’éclairage consomme 3,5 A, quel est le courant de
charge de l’accumulateur ?
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20
Tension et potentiel électrique
●
La tension électrique est la diférence de potentiel électrique entre
deux points dans l’espace


●
Symbole : u (États-Unis : v)
Unité : volt [V]
Le potentiel électrique décrit les champs électriques : il exprime
l’énergie potentielle que posséderait une charge électrique unitaire
(de 1 C) placée à un point donné


●
u AB=v A −v B
Symbole : v
Unité : volt [V]
Le potentiel électrique est relatif ??: on peut atribuer la valeur de
v = 0 V à n’importe quel point (dans l’espace ou d’un circuit)


Ce point est appelé masse (un terme abstrait) – symboles :
▶ Souvent : le point au potentiel le plus bas, le point commun de la source
▶ Analogie : atribution de l’altitude de 0 m au niveau de la mer
C’est diférent de terre : potentiel de la terre physique (le sol) – symbole :
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Signe et flèche d’une tension
●
●
Symbole de la tension sur les schémas : flèche placée à côté d’un ou
plusieurs composants
La pointe de la flèche symbolisant une tension uAB = vA − vB montre
vers le point A (par convention)


Si le potentiel du point A est supérieur à celui du point B, alors la valeur de la
tension symbolisé par cete flèche est positive
Sinon, elle est négative
uBA = −6 V
uAB = +6 V
u AB=v A −v B
u BA =v B−v A =−u AB
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Mesure de la tension
●
●
●
●
●
Un voltmètre mesure la
tension (la diférence du
potentiel électrique) présente
entre ses bornes
Branché en parallèle
Résistance très haute afin de
ne pas influencer le résultat de
la mesure
Se comporte comme un circuit
ouvert
S’il est branché en série, ce
n’est pas dangereux mais
aucun courant ne pourra
passer
●
Valeurs type





1,5 V
12 V
24 V
230 V
400 V
25 kV
100 MV
pile alcaline
accumulateur
automobile
réseau électrique bureau
ou résidentiel
alimentation TGV
éclair
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+6 V
23
Loi des branches (2e loi de Kirchhof)
●
La tension entre deux points d’un circuit électrique est égale à la
somme des tensions intermédiaires

Le choix d’un chemin particulier n’influence
pas le résultat : cela résulte de la définition
même de la tension
uAB
u AC=u AB + u BC
u AB + u BC=( v A −v B )+( v B −v C)=
=v A −v C=u AC
●
uBC
uAC
On considère que les fils sont des
conducteurs parfaits, c’est-à-dire les
tensions entre leurs extrémités sont de 0 V

Cete approximation est justifiée pour la plupart des problèmes en circuits
électriques à moins que l’imperfection des conducteurs afecte le circuit en
cause d’une manière importante
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Loi des mailles (variante de la 2e loi de Kirchhof)
●
●
Une maille est une branche fermée d’un circuit électrique
La somme des tensions au long d’une maille parcourue dans un
sens choisi est nulle

Si le sens d’une tension est opposé au sens du parcours, cete tension est
incluse avec le signe « − »
−u AC + u BC+ u AB=0
uAB
puisque

u CA + u BC+ u AB=0
Le choix d’un chemin du parcours
particulier n’influence pas le
résultat
uAC
uBC
u AC−u BC−u AB=0
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Exercices
●
●
●
2.2.1. Si uAB = 1 V et uCD = 6 V, quelle est la tension uBC ? ?
2.2.2. Qels sont les potentiels électriques aux points A, B, C et D si
la masse est assignée : a) au point D ; b) au point A ?
2.2.3. Deux piles de 1,5 V chaque alimentent une diode électrolumi­
nescente (DEL) par un résistor branché en série. Qelle est la
tension aux bornes du résistor si celle aux bornes de la diode est de
2,1 V ?
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