ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 Bases & physique 1 / Qu'est-ce que l'électricité ? Afin de comprendre ce qu'est l'électricité, nous devons nous pencher sur la physique. Nous ne pouvons en effet pas faire autrement que d'expliquer les principaux termes et éléments par des images, des représentations et des exemples. Le principal problème est que le courant électrique ne se voit pas, ne se sent pas ni ne s'entend. On ne reconnaît l'électricité qu'au travers de l'effet qu'elle produit. Empruntons donc le même chemin que les scientifiques: ayons recours à des images, des modèles et des calculs. Effets du courant électrique : lumière chaleur magnétisme (force) chimie (électrolyse) physiologie (médecine) effet électronique 2 / Structure de l'atome En principe, un atome se compose d'un noyau et d'un nuage électronique. Le noyau de l'atome comprend des protons et des neutrons. Des électrons tournent en orbite autour du noyau de l'atome. Potentiel (ou charge) des constituants de l’atome: Le noyau composé de neutrons et de protons (charges +) Le nuage électronique composé d'électrons (charges -) 3 / La tension La tension électrique est la différence de potentiel entre deux points (ou charges) de référence. Représentée en abrégée par la lettre V ou la lettre U, son unité est le volt. 3.1 / Production de tension Tous les appareils qui entraînent une séparation de charge sont appelés générateurs de tension. Il existe de nombreuses possibilités de produire une tension : par frottement, par exemple la charge statique par des aimants en mouvement, par exemple les générateurs par la chaleur, par exemple le thermocouple par la lumière, par exemple l'opto-capteur, les cellules solaires par la pression, par exemple Piezo par des procédés chimiques, par exemple batteries de piles sèches ou accumulateurs http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 1 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 3.2 / Types de tension Les producteurs de tension fournissent différents types de tension : Tension continue (piles, thermocouples et opto-capteurs) Tension alternative (générateurs des centrales) 3.2.1 / Tension continue La tension continue présente toujours le même comportement et la même polarité. Symbole graphique : Abréviation : DC (Direct Current) 3.2.2 / Tension alternative La tension alternative change constamment son comportement et sa polarité. Symbole graphique : ~ Abréviation : AC (Alternating Current) http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 2 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 4 / Loi de l'intensité L'intensité d’un courant électrique est représentée en abrégée la lettre I. L'unité du courant électrique est l’ampère (A). Lors de l'utilisation d'énergie, les charges dans une source de tension se séparent : une tension se produit. La tension s'efforce d'annuler cette séparation de charge. Ceci ne peut se produire au sein d'une source de tension, tant que les forces de séparation font effet. Par contre, si l'on connecte la source de tension à un consommateur par le biais de conducteurs métalliques, ce consommateur compense la charge – la boucle est bouclée. Malgré la compensation de la charge, la tension est maintenue aussi longtemps que les forces de séparation de la charge font effet. 4.1 / Sens du courant Au 19e siècle, l'origine du courant électrique était encore floue. Il avait été décidé que le courant électrique s'écoule vers le pôle négatif. Par la suite, il à été démontré que le courant correspond à un déplacement des électrons de la borne positive à la borne négative du générateur. Par convention on retiendra le sens d’origine (du + vers le -). 4.2 / Courant physique On caractérise le flux réel des électrons allant du pôle négatif au pôle positif de « sens du courant électronique » ou de « sens du courant physique ». 5 / La résistance La résistance électrique est désignée par la lettre R. Son unité est l'Ohm. symbole (grec : Omega) http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 3 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 5.1 / Résistivité Chaque conducteur métallique présente une résistance électrique. Des mesures effectuées sur des conducteurs de divers matériaux montrent que la résistance électrique dépend du matériau, pour autant que les conducteurs soient de dimensions égales. La grandeur électrique qui caractérise le matériau se nomme résistivité. Le cuivre présente par exemple une résistivité moins élevée que l'aluminium ou le fer. C'est pourquoi la plupart des conducteurs sont en cuivre. Symbole (grec : Rho) La résistance d'un conducteur dépend, en plus du matériau, de sa section A et de sa longueur l. Plus la section est grande, plus la résistance est petite ; plus la longueur est grande, plus la résistance est élevée. La formule pour calculer la résistance électrique est la suivante : Le tableau vous donne les valeurs de la résistivité de divers matériaux à 20°C. 5.2 / Exemple : Quelle est la résistance d'un rouleau de câble de 25 m de long comprenant 1 mm2 de conducteur de cuivre ? Solution : http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 4 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 5.3 / Couplage de résistances Plusieurs consommateurs peuvent être connectés à une source de tension. On différencie deux types de couplages : Couplage en série Couplage en parallèle 5.4 / Couplage en série Le couplage en série est synonyme de prolongation du conducteur électrique. Dans un couplage en série, la résistance totale est égale à la somme de toutes les résistances: Rg = R1 + R2 + R3 +... Couplage de résistances « les unes dernières les autres » 5.5 / Couplage en parallèle Le couplage en parallèle correspond à un agrandissement de la section du conducteur. Dans une installation domestique, les divers consommateurs (machine à laver, éclairage, radio, cuisinière électrique, etc.) sont connectés en parallèle. Pour les couplages en parallèle, la valeur réciproque de la résistance totale est égale à la somme des valeurs réciproques des résistances. Couplage de résistances « les unes à côté des autres ». http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 5 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 6 / La loi d'Ohm Dans une source de tension, l'énergie provenant d'autres formes d'énergie est transformée en énergie électrique. Dans le récepteur, l'énergie électrique est transformée en énergie utilisable (chaleur, rotation…). L'énergie électrique est "consommée" et une autre forme d'énergie est "produite". Le récepteur n'est donc pas un consommateur au sens propre, mais un transformateur d'énergie. 7 / Transformateur d'énergie Dans de nombreux conducteurs, la tension, l'électricité et la résistance dépendent l'un de l'autre selon une loi : si l'on varie la tension, l'intensité se modifie également. L'intensité augmente proportionnellement à la tension : I~U Le rapport entre la tension et l'intensité est une constante : Cette constante représente la résistance électrique R. La loi d'Ohm est une des lois de base en électrotechnique. Les équations (moyen mnémotechnique : canton d'URI) permettent de mettre en relation l'intensité et la tension dans des circuits électriques. Exemple : Quelle est la résistance d'une ampoule qui « consomme » une intensité de 0,26 A sous une tension de 230 V ? Solution : http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 6 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 8 / La puissance électrique L'unité de la puissance électrique est le Watt, abrégée W, et son symbole le P (anglais : power). La grandeur "puissance" (force) désigne le travail accompli au cours d'un certain temps. Elle indique à quelle rapidité ce travail a été accompli. Plus la puissance mécanique d'une turbine dans une centrale est grande, plus la hauteur et donc la pression de l'eau sont élevées, plus il s'écoule d'eau à la seconde à travers la turbine. De même, plus la tension et l'intensité sont élevées, plus la puissance électrique est grande. En plus des Watts, on a souvent recours aux unités suivantes : 1 térawatt = 1 TW = 1 000 000 000 000 W 1 gigawatt = 1 GW = 1 000 000 000 W 1 mégawatt = 1 MW = 1 000 000 W 1 kilowatt = 1 kW = 1 000 W 1 milliwatt = 1 mW = 0,001 W 1 microwatt = 0,000 001 W On utilise aussi : 1 kW =1,36 CV (cheval) ou 1 CV = 0,736 kW http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 7 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 Exemples : 9 / Récepteur (résistifs) à trois phases La puissance des consommateurs triphasés se calcule selon la formule suivante: Exemple : Connecté à une tension 3 x 400 V, un chauffe-eau « consomme » 8,7 A. Quelle est sa puissance ? Solution : 10 / Le travail électrique, l'énergie L'unité du travail électrique est le watt heure, abrégée Wh, et son symbole le E (en mécanique W). http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 8 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 Le travail désigne l'énergie disponible dans un agent énergétique (électricité, gaz, huile, essence, etc.) et l'énergie nécessaire pour l'exploitation d'un appareil durant un certain temps. Des sources de tension mettent de l'énergie électrique à disposition. Pour produire cette énergie, un travail est fourni dans les centrales durant une certaine durée. 10.1 / Exemple mécanique : Combien faut-il monter de sacs de 50 kg sur une dénivellation de 10 m, pour accomplir un travail de 1 kWh, si on néglige le poids du corps. Solution : F=M.g (N) F=50 . 9,81=490,5N W=F.h (ws) W=490,5 . 10=4905Nm Sachant que Wref=1kwh=3600000ws Nombre de sac : N=Wref/W = 360000/4905 = 734 sacs 10.2 / Exemple électrique : Une lampe de 60 W est allumée 200 jours par année, 4 heures par jour. Selon le tarif de l'entreprise électrique, 1 kWh coûte 20 centimes. Combien d'énergie faut-il et que coûte l'énergie électrique pour 1 année ? Solution : http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 9 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 10.3 / Mesure du travail électrique Pour mesurer le travail électrique, il faut un voltmètre, un ampèremètre et un chronomètre. Il est toutefois plus simple d'avoir recours à un compteur électrique. Il se compose en principe d'un circuit de tension (voltmètre) et d'un circuit de courant (ampèremètre). Tous deux agissent sur un compteur qui enregistre le travail durant son enclenchement (temps). L'unité Ws étant très petite, on utilise en pratique des unités plus grandes telles que le wattheure (Wh) et le kilowattheure (kWh). 10.4 / Mesure du travail 10.5 / Mesure de l'énergie Appareils de mesure http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 10 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 11 / Synthèse http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 11 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 11 / Transformations L'ensemble des formules ci-contre montre les relations qui existent entre les grandeurs électriques suivantes : intensité (I) en A, tension (U) en V, résistance (R) en Ohm et puissance (P) en W. 12 / Le circuit électrique Un circuit électrique se compose d' : une source d'électricité un consommateur (récepteur) un commutateur un conducteur d'arrivée et d'un conducteur de retour 12.1 / Comparaison avec l'eau Le courant électrique peut être comparé à un circuit hydraulique. 12.2 / Pression de l'eau Dans un circuit hydraulique fermé, la pompe produit une pression qui fait circuler l'eau dans les conduites. 12.3 Tension Dans un circuit électrique fermé, le générateur produit une tension électrique qui met les électrons en mouvement dans le conducteur (courant électrique). Dans les deux cas, les conduites et les consommateurs opposent une résistance au circuit. http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 12 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 Flux hydraulique (circuit de l'eau) – flux électrique (circuit des électrons) L'intensité électrique désigne la grandeur de la charge qui traverse la section du conducteur durant l'unité de temps : http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 13 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 Exemple : Quelle est l'intensité du courant qui passe dans une ampoule de 100 W alimenté sous tension de 230v? Solution : I = P :U = 100 : 230 = 0,44A 13 / Ordre de grandeur pour les intensités Posemètre (photo): env. 0,0001 A (où U=220V) Lampe de 100 W : env. 0,44 A (où U=220V) Fer à repasser : env. 5 A (où U=220V) Tram : env. 50 A (où U=?) Four pour la fonte de l'aluminium : env. 15 000 A (où U=?) Eclair : env. 100 000 A (où U=?) 14 / Induction Note : Tout conducteur produit un champ magnétique et tout changement du flux des aimants entraîne la formation d'un champ électrique. Production d'une force sur les électrons dans le cuivre en coupant le champ magnétique. La coupure d'un champ magnétique induit une tension dans le conducteur (principe des générateurs). 14.1 / Création d'une tension Le déplacement d'un fil conducteur dans un champ magnétique qui varie induit une tension. http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 14 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 La tension induite dans une bobine augmente : plus la variation du champ induit est rapide, plus la variation du champ induit est grande, plus le nombre de spires de la bobine est grand. L'évolution sous forme de sinus de la tension alternative résultant du mouvement circulaire de la bobine illustre le modèle d'un générateur de tension alternative. http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 15 2007-2008 ENERGIES RENOUVELABLES 15 / Puissance réactive Les récepteurs connectés au réseau électrique peuvent engendrer des coûts d'énergie différents. C'est pourquoi non seulement la grandeur de la puissance de raccordement et la durée d'exploitation, mais aussi le type de récepteur jouent un rôle dans la facture des coûts. On fait la différence entre les récepteurs ohmiques (résistifs) et les récepteurs inductifs (selfiques). (Non compensé) Font partie des récepteurs résistifs : lampes, chauffages, fourneaux électriques, etc. Les récepteurs résistifs n'utilisent que du courant actif du réseau. Il en résulte une consommation d'énergie active calculée en kWh. Font partie des récepteurs inductifs : moteurs, transformateurs, lampes fluorescentes, lampes économiques, etc. Les récepteurs inductifs utilisent en plus du courant actif, du courant réactif dans le réseau. Il en résulte une consommation d'énergie réactive calculée en kVarh. http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 16 2007-2008 ENERGIES RENOUVELABLES L'électricité réactive est nécessaire pour l'exploitation des récepeteurs inductifs. L'électricité réactive entraîne toutefois une charge plus élevée du réseau électrique. Un réseau chargé d'électricité réactive peut transporter moins d'énergie active. La part d'énergie réactive calculée à partir d'une certaine grandeur peut être éliminée par une installation de compensation. (Compensé) Note : Le champ électromagnétique a besoin d'énergie réactive. Exemple : Différence entre MW, MVar et MVA ? Réponse : La puissance apparente S (MW) sert à dimensionner les câbles d’alimentation. La puissance réactive (MVar) sert à calculer l’énergie de compensation à fournir. La puissance active (MW) est celle utilisée pour la transfomation de l’énergie électrique en energie utilisable (appropriée). http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 17 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 15.1 / Energie réactive Qu'est-ce que l'énergie réactive ? Pierre-André Chamorel, EOS Service Exploitation Lausanne Pour une machine asynchrone : Q= 15.2 / Graphique énergie réactive Graphique énergie réactive Pierre-André Chamorel, EOS Service Exploitation Lausanne 16 / Courant monophasé Savez-vous par hasard ce qu'est une phase? Lorsque les professionnels de l'électricité utilise cette expression, c'est qu'il s'agit de courant alternatif. Nous nous souvenons de ce type de courant qui, comme une onde sinusoïdale, monte, puis redescend jusqu'au zéro, puis remonte dans la direction inverse. Nous savons aussi que le courant alternatif est produit dans des générateurs où de puissants aimants passent à côté des bobines de cuivre et engendrent ces courants, ou plutôt les induisent. Dans le réseau domestique, chaque lampe est alimentée en courant alternatif " conventionnel " par une ligne bifilaire. Dans le jargon, on l'appelle courant alternatif monophasé, car il ne dessine qu'une onde sinusoïdale sur l'écran de l'oscilloscope, comme lorsqu'il circule dans la ligne. Une rotation complète présente une onde sinusoidale entière. Le courant monophasé se compose d'une seule onde http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 18 ENERGIES RENOUVELABLES 2007-2008 17 / Fréquence L'évolution de la courbe représente une rotation de la bobine, soit une oscillation. Puis, la même courbe recommence. Ce procédé est donc périodique. Par " période ", on désigne l'oscillation complète d'une tension alternative ou d'un courant alternatif. La durée d'une oscillation s'appelle la période. Son symbole est T et son unité la seconde (s). La période correspond à un angle de 360°. On peut donc remplacer l'angle par le temps t. Pour la tension alternative habituelle dans le réseau, T = 0,02 s. On peut en déduire le nombre de périodes par seconde: 1 période / 0,02 s = 50 périodes / s. Le nombre de périodes par seconde constitue la fréquence. La fréquence est représentée par la lettre f et son unité est l’Hertz, abrégée Hz (1 Hz = 1 / s). 18 / Courant triphasé Toute découverte technique évolue. Ce qui n'a pas manqué dans ce cas également. Les ingénieurs ont aussi produit des courants polyphasés et ont testé leur adéquation. Le courant triphasé, que nous avons illustré ci-contre, a acquis une grande importance dans la pratique. Illustration du courant triphasé. Sur le graphique, il n'est pas difficile de voir que les courants polyphasés ne sont rien d'autre que plusieurs courants alternatifs en chaîne, dont les traits d'ondes se déplacent à intervalles identiques. Le déplacement des trois phases est dû aux bobines du stator décalées de 120 °C, donc directement lié à la structure " géométrique " du générateur en une sorte de triangle. On trouve le courant triphasé du type que l'on vient de décrire dans le réseau de distribution jusqu'aux installation domestiques. Les 3 bobines donnent lieu à 3 phases de courant alternatif décalées de 120 degrés http://www.poweron.ch/fr (Association des entreprises électriques suisses) [Cours n°1 - Greta 25 - Electrotechnique / Professeur : M. TIMIN Jean-Louis] Page 19