Régime sinusoïdal - Introduction 18/05/2014 Circuits électriques-Régime sinusoïdal • Objectifs : Fournir aux étudiants les outils de base nécessaires à la résolution des problèmes relatifs aux circuits fonctionnant en régime sinusoïdal permanent; • Pré-requis : Bac scientifique (C,D,E) • Modes d’évaluation : examen final (écrit ) • Débouchés de ce cours : Fait partie des pré-requis pour les cours relatifs à l’électronique et à l'électrotechnique • Volume horaire : 9h CM, 9h TD • Enseignant : Dr N’GUESSAN Alexandre • Bibliographie : – Fundamentals of electric circuits (Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku) 1 Circuits électriques-Régime sinusoïdal Résultats attendus A la fin de ce cours, l’étudiant devrait, au moins, savoir : • Passer du sinusoïdal temporel permanent au phasoriel et inversement • Utiliser les lois de base de l’électrocinétique pour déterminer les grandeurs d’un circuit fonctionnant en régime sinusoïdal permanent • Effectuer le bilan de puissance d’une installation électrique • Améliorer le facteur de puissance d’une installation électrique • Déterminer la fréquence de résonance d’un circuit • Fournir la fonction de transfert et tracer le diagramme de Bode d’un circuit à fréquence variable 2 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 1 Régime sinusoïdal - Introduction 18/05/2014 Circuits électriques-Régime sinusoïdal Programme • Chapitre 1 : Sinusoïdes et phaseurs • Chapitre 2 : Puissance électrique • Chapitre 3 : Réponse fréquentielle 3 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 2 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.1 Sinusoïde v(t ) = Vm sin(wt ) - Vm : l’amplitude de la sinusoïde - w : la pulsation (en radians/seconde) - wt : l’argument - T= 2P w - f : la période de la sinusoïde (en sec)--> v(t + T ) = v(t ) : la fréquence (en Hertz) f = 1 T 1 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.1 Sinusoïde v(t ) = Vm sin(wt + f) (wt + f) est l’argument (radians ou degrés) f est la phase (radians ou degrés) Soit : Soient v1 (t ) = Vm sin(wt + f1 ) v2 (t ) = Vm sin(wt + f2 ) f = f2 - f1 f = 0 --> v1 f ¹ 0 --> v1 et v2 sont en phase et v2 ne sont pas en phase 2 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 1 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.1 Sinusoïde Comparaison : • Même fréquence. • Pas obligation de même amplitude • Il vaut mieux exprimer les sinusoïdes sous la même forme (sinus ou cosinus) 3 1 . Sinusoïdes et phaseurs Passage sinus-cosinus sin(wt ± 180°) = - sin wt sin(wt ± 90°) = ± cos wt cos(wt ± 180°) = - cos wt cos(wt ± 90°) = m sin wt 4 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 2 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs Addition graphique de deux sinusoïdes de même fréquence A cos wt + B sin wt = C cos(wt - q) 3 cos wt - 4 sin wt = 5 cos(wt + 53.1°) Important : ne pas confondre les axes des sinus et cosinus avec ceux des angles complexes 5 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs Soit v(t ) = Vm cos(wt + f) ( v(t ) = Vm cos(wt + f) = Re Vme j(wt +f ) ou ( v(t ) = Re Vme jfe jwt ( ) ) ) D’où v(t ) = Re Ve jwt Avec V = Vme jf = VmÐf V est la représentation phasorielle de la sinusoïde 6 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 3 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs Les formes sinusoïdales peuvent être facilement exprimées sous forme des phaseurs qui sont plus aisées à utiliser que les sinus et les cosinus. Un Phaseur est un nombre complexe représentant l’amplitude et la phase d’une sinusoïde Les phaseurs fournissent des outils simples pour l’analyse des circuits linéaires excités par des sources sinusoïdales ; les solutions de tels circuits seraient très difficiles à obtenir autrement. v(t ) = Vm cos(wt + f) Û (représentation Temporelle) V = Vm Ðf (représentation phasorielle) 7 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs Un phaseur est une représentation complexe de l’amplitude et de la phase d’une sinusoïde 8 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 4 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs •Comme dans le cas d’une grandeur complexe, le phaseur peut être exprimé sous forme cartésienne, polaire ou exponentielle. •Le phaseur ayant une amplitude et une phase (direction), il se comporte donc comme un vecteur. 9 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs Expression d’un nombre complexe : • Forme rectangulaire z = x + jy • Forme polaire z = rÐf z = re jf Relation entre forme rectangulaire et forme polaire : • Forme exponentielle z = x + jy = rÐf = r(cos f + j sin f) r= x 2 + y2 x = r cos f f = tan -1 y x y = r sin f 10 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 5 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.2 Les Phaseurs Opérations sur les nombres complexes : z1 = x1 + jy1 = r1Ðf1 •Addition : •Soustraction : •Multiplication : •Division : z 2 = x 2 + jy 2 = r2Ðf2 z1 + z 2 = (x1 + x 2 ) + j(y1 + y2 ) z1 - z 2 = (x1 - x 2 ) + j(y1 - y2 ) z1 z 2 = r1r2Ðf1 + f2 z1 r = 1 Ðf1 - f 2 z2 r2 11 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique Résistance R •Forme temporelle : i = I m cos(wt + f) v = iR = RI mcos(ωt + φ) •Forme phasorielle I = I m Ðf V = RI La relation tension-courant du domaine temporel continue d’exister dans le domaine phasoriel 12 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 6 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique •Résistance R Le courant et la tension sont en phase 13 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique Inductance L •Forme temporelle : i = I m cos(wt + f) di = -wLI m sin (wt + f) dt v = wLI m cos(wt + f + 90°) v=L - sin A = cos( A + 90°) •Forme phasorielle I = I m Ðf V = ωLI me j(φ+90° ) = ωLI me jφe j90° = e j90° × ωLI mÐφ e j90° = j V = jwLI 14 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 7 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique •Inductance L Diagramme phasoriel d’une inductance : le courant I est en retard de phase sur V 15 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique •Condensateur C •Forme temporelle : v = Vm cos(wt + f) i=C dv = -wCV sin (wt + f) dt i = wCV cos(wt + f + 90°) soit •Forme phasorielle V = Vm Ðf e j90° = j I = wCVme j(f+90° ) = wCVme jfe j90° = e j90° × wCVmÐf I = jwCV V= I jwC 16 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 8 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique •Condensateur C Diagramme phasoriel d’un condensateur : le courant I est en avance de phase sur V 17 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.3 Application des phaseurs aux éléments d’un circuit électrique Tableau récapitulatif 18 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 9 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Impédance et admittance L’impédance Z d’un circuit est le rapport entre le phaseur V et le phaseur I , mesuré en ohms (Ω) V = ZI ou Z= V I (L’admittance Y est l’inverse de l’impédance) 19 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Impédance et admittance On a Z = R + jX : l’impédance (en Ohms) Avec X = Lw - 1 Cw R = Re(Z) : la résistance (en Ohms) X = Im(Z) : la réactance (en Ohms) X positif X négatif X nulle Impédance inductive Impédance capacitive Impédance résistive (Lw f 1 Cw) (Lw p 1 Cw) (Lw = 1 Cw) Forme phasorielle : Z = Z Ðq Avec Z = R2 + X 2 et q = tan -1 X R 20 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 10 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Impédance et admittance Y = G + jB On a Avec : l’admittance (Siemens) G = Re(Y ) : la conductance (en Siemens) B = Im(Y ) : la susceptance (en Siemens) Passage Impédance – Admittance 1 I Y= = Z V G= R R + X2 B=- 2 X R + X2 2 1 Remarque : si X ¹ 0 alors G ¹ R 21 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Impédances en série Zeq = Z1 + Z2 + ... + Zn Impédances en parallèle 1 I 1 1 1 = Y eq = = + + ... + Zn V Z1 Z2 Zeq = Y1 + Y 2 + ... + Y n pour n=2 Z eq = Z ×Z 1 = 1 2 1/ Z 1 + 1/ Z 2 Z 1 + Z 2 22 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 11 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Pont diviseur de tension V1 = Z1 ×V Z1 + Z2 V2 = Z2 ×V Z1 + Z 2 I1 = Z2 ×I Z1 + Z 2 I2 = Z1 ×I Z1 + Z2 Pont diviseur de courant 23 Conversion étoile-triangle Conversion triangle-étoile Z × Z + Z2 × Z3 + Z3 × Z1 Za = 1 2 Z1 Z1 = Z b × Zc Za + Z b + Zc Zb = Z1 × Z2 + Z2 × Z3 + Z3 × Z1 Z2 Z2 = Zc × Za Za + Z b + Zc Zc = Z1 × Z2 + Z2 × Z3 + Z3 × Z1 Z3 Z3 = Za × Z b Za + Z b + Zc UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 24 12 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs Loi des noeuds La somme algébrique des courants circulant dans les branches adjacentes à un nœud est nulle. On peut aussi dire que la somme algébrique des k courants entrants dans un nœud est égale à la somme des l courants sortants. åI k = k ¾¾® · åI l l ·¾ ¾® Exemple : I1 - I 2 + I3 - I 4 = 0 ou I1 + I3 = I 2 + I 4 25 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Loi des mailles La somme algébrique des tensions rencontrées en parcourant la maille dans le sens prédéfini est nulle. å (± )V k ì+ si V k est dans le sens de p arcours = 0í î- si V k est dans le sens contraire Exemple : E1 - U1 + U2 - E 2 = 0 26 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 13 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de superposition L’intensité du courant circulant dans une branche (resp. la tension de branche) d’un réseau contenant plusieurs branches est égale à la somme algébrique des intensités (resp. tensions) créées dans cette branche par chaque générateur supposé seul (les autres étant éteints). Remarque : Il y a autant de cas à superposer que de générateurs intervenant dans le réseau. 27 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de superposition Exemple : Montage global I1 = Ia + I b = Z1 E 2 + Z2 E1 Z1 Z2 + Z × Z1 + Z × Z2 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun Montage 1 Ia = E1 (Z2 + Z) Z1 Z2 + ZZ1 + ZZ2 Montage 2 Ib = Z1 E 2 Z1 Z2 + ZZ1 + ZZ2 28 14 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de Thevenin Un réseau compris entre deux noeuds A et B est équivalent à un générateur indépendant de tension parfait E 0 en série avec le dipôle composé Z0 E 0 représente la tension lorsque la portion de réseau débite dans un circuit ouvert (tension à vide). Z 0 est l’impédance entre les points A et B lorsque toutes les sources indépendantes sont éteintes. 29 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de Thevenin Exemple : Lorsqu’on éteint les sources : Sans charge, on a une tension : UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun Z0 = E0 = Z1 Z2 Z1 + Z2 Z1 E 2 + Z2 E1 Z1 + Z2 30 15 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de Norton Un réseau compris entre deux noeuds A et B est équivalent à une source indépendante de courant réelle I 0 en parallèle avec un dipôle composé d’admittance Y 0 . I 0 est le courant électromoteur, c’est à dire lorsque la portion de réseau débite dans un court-circuit. Y 0 est obtenue lorsque toutes les sources indépendantes sont éteintes (comme pour Thévenin). 31 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de Norton Exemple : Lorsqu’on éteint les sources : Z0 = Z1 Z2 Z1 + Z2 Sans charge, on a un générateur de courant : UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun I0 = E1 - E 2 Z1 + Z2 32 16 Chapitre 1 – Sinusoides et phaseurs 19/05/2014 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Equivalent Norton-Thevenin On peut passer de Thevenin à Norton et inversement 33 1 . Sinusoïdes et phaseurs 1.4 Utilisation des lois relatives à la théorie des circuits Théorème de Millman Dans un réseau électrique de branches en parallèle, comprenant chacune un générateur de tension parfait en série avec un élément linéaire, la tension aux bornes des branches est égale à la somme des forces électromotrices respectivement multipliées par l'admittance de la branche, le tout divisé par la somme des admittances n åY E i V= i i =1 n åY i i =1 34 UFHB – UFR SSMT - L1 Tronc commun 17 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 Chapitre 2 Puissance électrique 1 1. Puissance électrique 1 Puissance instantanée i(t) Source sinusoïdale v(t ) = Vm cos(wt + q v ) v(t) Eléments passifs i(t ) = I m cos(wt + q i ) p(t ) = v(t )i(t ) p(t ) = v(t )i(t ) = Vm I m cos(wt + q v ) cos(wt + q i ) p(t ) = 1 1 Vm I m cos(q v - q i ) + Vm I m cos(2wt + q v + q i ) 2 2 2 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 1 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 1 Puissance instantanée Puissance instantanée = somme d’un terme constant et d’un terme fluctuant à fréquence double. Ce dernier a une valeur moyenne nulle. La puissance moyenne absorbée se réduit donc au premier terme. 3 1. Puissance électrique 2. Valeur efficace La valeur efficace d’un courant périodique est le courant continu qui produit la même puissance consommée par effet joule que ce courant périodique lorsqu’il traverse une résistance. (a) sinusoïdal ( (b) continu (b) Circuit conti 4 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 2 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique Valeur efficace Valeur efficace d’un signal périodique : X eff = 1 T 2 ò x dt T 0 Valeur efficace du courant (sinusoïdal) : I eff = I 2m 1 T 2 2 I cos tdt w == m T T ò0 I 1 ò 2 (1 + cos 2wt )dt = 2 T m 0 De même, la valeur efficace de la tension est : Veff = Vm 2 Notation : Les valeurs instantanées seront notées en minuscule (ex : i(t), p(t)). Pour les courant et les tensions, on notera V et I à la place de Veff et I eff Rem : Lorsqu’un courant sinusoïdal ou une tension sinusoïdale est spécifié, c’est très souvent en terme de sa valeur efficace. Par exemple, la tension domestique de 220 V est la valeur efficace de la tension délivrée par la CIE. 5 1. Puissance électrique 3. Puissances et facteur de puissance V = VmÐqv I = I mÐqi Puissance fluctuante (partie variable de p(t) : SI (W ) = VI cos(2wt + qv + qi ) Puissance active : P = VI cos(qv - qi ) Puissance réactive : Q = VI sin (qv - qi ) Puissance apparente : S = VI Facteur de puissance : cos(qv - qi ) Angle du facteur de puissance : q v - qi 6 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 3 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 3. Puissances et facteur de puissance L’angle du facteur de puissance est aussi égal à l’angle d’impédance de charge. V = VÐqv I = IÐqi Z= V VÐqv V = Ðqv - qi = I IÐqi I Remarques 0 £ Facteur de puissance £ 1 • • Charge purement résistive : fv - fi = 0 Þ cos(fv - fi ) = 1 Þ Q = 0 • Charge purement réactive : fv - fi = ±90° Þ cos(fv - fi ) = 0 Þ P = 0 FP en arrière FP en avant • • ccourant en retard sur tension courant en avant sur tension co ccharge inductive charge capacitive cha 7 1. Puissance électrique 4. Puissance complexe I V = VÐqv I = IÐqi V * S = V × I = VIÐqv - qi S = VI cos(qv - qi ) + jVI sin (qv - qi ) Z S = P + jQ • • • Q=0 pour une charge résistive (facteur de puissance =1) Q<0 pour une charge capacitive (facteur de puissance en avance) Q>0 pour une charge inductive (facteur de puissance en retard) Triangle des puissances Triangle des impédances 8 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 4 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 4. Puissance complexe S dans le 1er cadrant charge inductive S dans le 2ème cadrant charge capacitive 9 1. Puissance électrique 5. Tableau récapitulatif Puissance active Puissance réactive P = UI cos j Q = UI sin j Puissance apparente Facteur de puissance S = UI cos j = R Z = P S = RI 2 = XI2 = ZI2 U2 = R * = Re U × I U2 = X * = Im U × I U2 = Z { } { } = U×I * 10 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 5 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 6. Théorème de Boucherot I = I1 + I 2 ( ) S = VI = V I1 + I 2 = VI1 + VI 2 = S1 + S2 * * * * * Si les charges étaient en série, on aurait : V = V1 + V 2 S = VI = (V1 + V2 )I = V1 I + V2 I = S1 + S2 * * * * Quelque soit la manière dont les charges sont connectées (série ou parallèle), la puissance complexe apparente totale délivrée par source est égale à la somme des puissances complexes apparentes consommées par les charges 11 1. Puissance électrique 6. Théorème de Boucherot Soit une source alimentant N charges, le théorème de Boucherot stipule que : la puissance active d’un système est égale à la somme des puissances actives des éléments le constituant, de même pour la puissance réactive et la puissance apparente complexe. P = P1 + P2 + ... + PN Q = Q1 + Q2 + ... + Q N S = S1 + S2 + ... + SN Attention : S ¹ S1 + S2 + ... + SN 12 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 6 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 7. Correction du facteur de puissance Elle consiste à amener le facteur de puissance à une valeur proche de l’unité afin de diminuer les pertes par effet joule dans le réseau. Lorsque la charge est inductive (majorité des cas), le facteur de puissance sera amélioré en installant un condensateur en parallèle comme illustré sur la figure ci-dessous. 13 1. Puissance électrique 7. Correction du facteur de puissance Si la charge inductive d’origine a une puissance apparente , alors : P = S1 cos q1 Q1 = S1 sin q1 = P tan q1 Si nous souhaitons augmenter le facteur de puissance de à sans toucher à la puissance active , alors la nouvelle puissance réactive est : Q2 = P tan q2 La réduction de la puissance réactive est causée par le condensateur shunt, soit : QC = Q1 - Q2 = P(tan q1 - tan q2 ) UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 14 7 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 1. Puissance électrique 7. Correction du facteur de puissance QC = V² = wCV ² XC C= QC P(tan q1 - tan q2 ) = wV² wV² Rem1 : la puissance active P dissipée par la charge n’est pas affectée par la correction du facteur de puissance car la puissance moyenne due au condensateur est égale à zéro. Rem 2 : Bien que dans la majeure partie des situations en pratique la charge soit inductive, il est aussi possible que la charge soit capacitive, c’est-à-dire qu’elle opère avec un facteur de puissance en arrière. Dans ce cas, on connectera une inductance aux bornes de la charge pour la correction du facteur de puissance. L’inductance shunt L nécessaire peut être calculée à partir de : V² V² V² = Þ QL = avec QL = Q1 - Q2 L= X L wL wQ L différence entre ancienne et nouvelle puissances réactives 15 2. Adaptation d’un générateur à une impédance de charge 1. Adaptation en puissance Zi = R i + jX i Z = R + jX Adapter en puissance la charge au générateur revient à chercher R et X pour lesquels le générateur transmet le maximum de puissance à la charge. S = P + jQ = V × I * V= S= Z Eg Z + Zi æ Eg ö Z ÷÷ E g ´ çç Z + Zi è Z + Zi ø I= Eg Z + Zi * 16 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 8 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 2. Adaptation d’un générateur à une impédance de charge 1. Adaptation en puissance S = E g2 ´ Z Z + Zi 2 = E g2 ´ P = Re(S) = E g2 ´ (R + R i ) 2 (R + R i ) 2 Z 2 + (X + Xi ) dP (R + R i )(R i - R ) + X + X i = ´ E g2 2 2 2 dR (R + R ) + (X + X ) [ i Þ X = -Xi i et ¶P =0 ¶R R 2 + (X + X i ) ] et ¶P =0 ¶X dP - 2R (X + Xi ) = ´ E g2 2 2 2 dX (R + R ) + (X + X ) i i [ ] R = R i Pour adapter en puissance, il faut que la charge ait une impédance égale à l’impédance conjuguée du générateur 17 2. Adaptation d’un générateur à une impédance de charge 2. Adaptation en tension On recherche Z pour laquelle la tension V aux bornes de la charge est maximale ou la plus grande possible. V= Z Eg Z + Zi dV Zi = Eg ¹ 0 dZ (Z + Zi )2 " Z Pour que V soit maximum, il suffit que Zi pp Z Pour une bonne adaptation en tension, il faut que l’impédance interne du générateur soit très petite devant l’impédance de la charge. 18 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 9 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 2. Adaptation d’un générateur à une impédance de charge 3. Adaptation en courant On recherche la valeur de Y pour laquelle le courant dans Y es maximum ou le plus grand possible. On cherche la valeur de Y pour laquelle le courant dans Y est maximum ou le plus grand possible I= Y I0 Yi + Y dI Yi = ¹0 dY (Y + Yi )2 I sera le plus grand possible si Y est très grand devant Yi 19 3. Principe de dualité Définition : A chaque circuit électrique, on peut faire correspondre un autre circuit appelé circuit dual où toutes les équations sont identiques à condition de permuter les tensions par les intensités Exemples Z=R+jX Y=G+jB X réactance (Ω) B susceptance (S) V=Zi i=Yv V tension I courant L inductance C condensateur Eléments en parallèle Eléments en série Générateur de tension Générateur de courant Noeud Maille Circuit diviseur de tension Circuit diviseur de courant UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 20 10 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 3. Principe de dualité Þ Þ 1 ö æ Z = R + jç Lw ÷ C wø è 1 ö æ Y = G + jç Cw ÷ Lw ø è 21 3. Principe de dualité Méthode de construction du circuit dual : • On part du schéma du circuit initial • On crée un nœud à l'intérieur de chaque maille de ce circuit plus un à l'extérieur • On trace un lien entre chacun de ces nœuds en passant systématiquement à travers un dipôle du montage • On obtient le circuit dual en dessinant un circuit où chacun des liens précédents contient le dipôle dual de celui qui a été coupé par le lien. 22 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 11 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 4. Notion de résonance Les circuits résonants comportent des éléments réactifs L et C simultanément. 1. Résonance série 1 ö æ Z = R + jX = R + jç Lw ÷ Cw ø è a. Définition On dit qu’un circuit est résonnant si i et v sont en phase autrement dit si l’impédance du circuit pour la fréquence w0 est une résistance pure. Soit Im(Z) = 0 A la résonance on a : Lw = 1 Þ w0 = Cw 1 1 Þ f0 = 2p LC LC fréquence de résonance 23 4. Notion de résonance b. Etude de l’impédance en fonction de la fréquence b.1 X en fonction de ω X = Lw - 1 Cw ìw ® 0 ï íw ® ¥ ï îw = 1 LC X ® -¥ (réactance capacitive) X ® +¥ (réactance inductive) X=0 24 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 12 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 4. Notion de résonance b. Etude de l’impédance en fonction de la fréquence b.2 Z en fonction de ω 1 ö æ Z = R ² - X ² = R ² + ç Lw ÷ wø C è ìw ® 0 ï(capacitif ) ï ï íw ® ¥ ï(inductif ) ï ï îw = w0 2 Z ® 1 Cw Z ® Lw Z=R 25 4. Notion de résonance b. Etude de l’impédance en fonction de la fréquence b.2 Argument de Z Lw ArgZ = Arctg 1 Cw R ArgZ ® - π 2 ìw ® 0 ï(circuit capacitif ) ï ï ArgZ ® π 2 ïw ® ¥ í ï(circuit inductif ) ïw = w0 ArgZ = 0 ï ï î(circuit résistif ) 26 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 13 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 4. Notion de résonance c. Coefficient de surtension Recherche de Vc et VL aux bornes du condensateur et de l’inductance à la résonance V V I I = Þ VC = VC = avec R RCw0 Cw0 On a Lw0 = 1 V V Þ VC = = Lw0 Cw0 RCw0 R De même : VL = Lw0 I = V Lw0 = VC R Pour Lw0 f R, on a VL f V ou VC f V Þ VXUWHQWL RQ Q0 = Lw0 1 1 = = R RCw0 R L C est le coefficient de surtension 27 4. Notion de résonance 2. Résonance parallèle 1 ö æ Y = G + jB = G + jç Cw ÷ Lw ø è L’étude de l’admittance Y (module et phase) nous donne les mêmes courbes que celle de Z dans le circuit série. Etude de l’impédance Z 1 jLw + R - RCLw² Lw + jR (CLw² - 1) = = Z jRLw RLw Z= RLw RLw(Lw - jR (LCw² - 1)) = Lw + jR (LCw² - 1) (Lw)² + R 2 (LCw² - 1)2 28 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 14 Chapitre 2 – Puissance électrique 18/05/2014 4. Notion de résonance A la résonance, on a : ( ) Im(Z) = 0 Þ R LCw2 - 1 = 0 Þ w02 = 1 (même pulsation de résonance LC que celle du circuit série). w®0 Z®0 et Arg( Z) ® p 2 w = w0 Z®R et Arg( Z) = 0 w® ¥ Z®0 et Arg( Z) ® - p 2 29 4. Notion de résonance Coefficient de surintensité A la résonance, les amplitudes complexes des différents courants sont donnés par: Ir = Vmax = I0 R IL = Vmax R I 0 = - jQ 0 I 0 = -j jLw0 Lw0 I C = jCw0 Vmax = jRCw0 I 0 = jQ 0 I 0 avec Q0 = R Lw0 avec Q0 = RCw0 = R Lw0 Q 0 est le coefficient de surintensité du circuit parallèle 30 UFHB – UFR SSMT – L1 Tronc commun 15