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) Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 6 Applications de l’électricité Énergie Information Production Acquisition Distribution Transmission Stockage Mémorisation Conversion Traitement Utilisation Exploitation Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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) Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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) Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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) Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 ! Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 ? Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 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 : Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 21 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 22 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 +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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 24 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 Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 25 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 ? Łukasz Starzak, Ingénierie électronique et électrique, été 2016/17 26