L'électricité
L'électricité est une forme d'énergie liée au déplacement ou à la présence de charges électriques. Elle est aujourd'hui indispensable dans notre vie quotidienne : elle permet d'éclairer nos maisons, de faire fonctionner les appareils électroniques, de chauffer, de communiquer et d'alimenter de nombreux systèmes industriels.
Tout ce qui nous entoure est constitué d'atomes. Ces derniers sont formés d'un noyau contenant des protons et des neutrons, entouré d'électrons. Les électrons portent une charge électrique négative. Lorsqu'ils se déplacent dans certains matériaux, ils créent un courant électrique.
Certains matériaux laissent facilement circuler les électrons : ce sont les conducteurs électriques. Les métaux comme le cuivre, l'aluminium ou l'argent sont de très bons conducteurs. À l'inverse, les matériaux qui empêchent le déplacement des charges sont appelés isolants, comme le plastique, le verre ou le caoutchouc.
Pour qu'un courant électrique circule, il faut généralement un circuit fermé. Un circuit électrique simple est composé de plusieurs éléments :
- Un générateur, comme une pile ou une batterie, qui fournit l'énergie électrique.
- Des fils conducteurs, qui permettent aux charges électriques de se déplacer.
- Un récepteur, comme une lampe ou un moteur, qui transforme l'énergie électrique en une autre forme d'énergie.
- Un interrupteur, qui permet d'ouvrir ou de fermer le circuit.
La circulation du courant électrique est décrite grâce à plusieurs grandeurs physiques.
- L'intensité électrique, mesurée en ampères (A), correspond à la quantité de charges électriques qui traversent un circuit pendant un temps donné.
- La tension électrique, mesurée en volts (V), représente la différence d'énergie qui pousse les charges à circuler.
- La résistance électrique, mesurée en ohms (Ω), s'oppose au passage du courant.
La relation entre ces trois grandeurs est décrite par la loi d'Ohm : la tension (U) est égale à la résistance (R) multipliée par l'intensité (I). Cette loi permet de calculer le comportement d'un circuit électrique.
Il existe deux grands types de courant électrique.
- Le courant continu (CC), dans lequel les charges circulent toujours dans le même sens, comme dans une pile ou une batterie.
- Le courant alternatif (CA), dans lequel le sens du courant change régulièrement. C'est celui utilisé dans les prises électriques des habitations.
L'électricité peut être produite grâce à différentes sources d'énergie. Les centrales électriques utilisent notamment le nucléaire, le gaz, le charbon, l'eau des barrages, le vent ou le Soleil pour transformer une énergie initiale en énergie électrique.
L'électricité doit être utilisée avec précaution. Une tension trop élevée ou un mauvais usage peuvent provoquer des électrocutions, des incendies ou des dommages aux appareils. C'est pourquoi les installations électriques possèdent des dispositifs de sécurité comme les fusibles et les disjoncteurs.
L'étude de l'électricité a profondément transformé le monde moderne. De la simple ampoule aux ordinateurs, aux smartphones et aux véhicules électriques, elle est devenue l'une des formes d'énergie les plus importantes de notre civilisation.
- L'électricité statique
- Le courant électrique
- Les circuits électriques
- Le magnétisme et l'électromagnétisme
- Les relais
- La production et le transport de l'électricité
- Les piles, batteries et accumulateurs
- Les transformateurs
- Le redresseur
- L'onduleur
- Le courant monophasé et triphasé
- Les variateurs de fréquence
- La sécurité électrique
L'onduleur
Un onduleur est un appareil électronique qui transforme un courant continu (DC) en courant alternatif (AC). Il permet ainsi d'alimenter des appareils fonctionnant normalement sur le secteur à partir d'une batterie, de panneaux solaires ou de toute autre source de courant continu.
Les onduleurs sont utilisés dans les installations photovoltaïques, les véhicules électriques, les bateaux, les camping-cars, les systèmes d'alimentation de secours et de nombreux équipements industriels.
Le principe de fonctionnement
Une batterie fournit une tension continue dont la polarité reste toujours la même. Or, la plupart des appareils domestiques fonctionnent avec un courant alternatif dont la tension change de sens plusieurs dizaines de fois par seconde.
L'onduleur utilise des composants électroniques de puissance, principalement des transistors, qui ouvrent et ferment très rapidement le circuit afin de créer une tension alternative à partir de la tension continue.
Cette commutation est pilotée par un circuit électronique qui contrôle précisément la fréquence, la tension et la forme du signal de sortie.
La fréquence de sortie
Dans la plupart des pays européens, les appareils électriques sont alimentés par un courant alternatif de 50 hertz (50 Hz). L'onduleur doit donc produire une tension alternative ayant la même fréquence afin que les appareils fonctionnent normalement.
Dans d'autres pays, comme les États-Unis ou le Canada, la fréquence du réseau est généralement de 60 Hz. Les onduleurs destinés à ces réseaux produisent donc une fréquence différente.
La forme du signal
L'onde carrée
Les onduleurs les plus simples produisent une tension en forme d'onde carrée. Cette solution est facile à réaliser mais convient uniquement à certains appareils peu sensibles.
Les moteurs électriques, les transformateurs ou certains équipements électroniques peuvent fonctionner moins efficacement, produire davantage de bruit ou chauffer davantage avec ce type de signal.
L'onde pseudo-sinusoïdale
De nombreux onduleurs produisent une onde pseudo-sinusoïdale, constituée de plusieurs niveaux de tension qui imitent approximativement une sinusoïde.
Cette solution permet d'alimenter correctement la plupart des appareils courants tout en restant relativement économique.
L'onde sinusoïdale pure
Les onduleurs les plus performants délivrent une onde sinusoïdale pure, pratiquement identique à celle du réseau électrique.
Ce type d'onduleur est recommandé pour les ordinateurs, les appareils médicaux, les équipements audio, les moteurs électriques et tous les appareils électroniques sensibles.
La puissance
Chaque onduleur est conçu pour fournir une puissance maximale. Celle-ci s'exprime généralement en watts (W) ou en voltampères (VA).
La puissance totale des appareils branchés ne doit pas dépasser la puissance nominale de l'onduleur. Dans le cas contraire, celui-ci peut se mettre en sécurité ou s'arrêter automatiquement.
Un réfrigérateur ou une pompe peuvent nécessiter un courant très important pendant leur démarrage. L'onduleur doit être capable de fournir cette puissance momentanée sans se couper.
Le rendement
La transformation du courant continu en courant alternatif n'est jamais parfaite. Une partie de l'énergie est dissipée sous forme de chaleur dans les composants électroniques.
Le rendement d'un onduleur moderne dépasse souvent 90 %, ce qui signifie que seule une faible partie de l'énergie est perdue.
Les modèles les plus performants atteignent parfois un rendement supérieur à 95 %.
Le refroidissement
Les pertes d'énergie provoquent un échauffement des composants électroniques. Les onduleurs sont donc équipés d'ailettes de refroidissement, de dissipateurs thermiques ou de ventilateurs afin d'évacuer cette chaleur.
Les onduleurs de forte puissance utilisent parfois plusieurs ventilateurs commandés automatiquement en fonction de la température.
Les protections
La plupart des onduleurs possèdent plusieurs systèmes de protection contre les surcharges, les courts-circuits, les surtensions, les sous-tensions et les échauffements excessifs.
Ils surveillent également la tension de la batterie et arrêtent automatiquement son fonctionnement lorsque celle-ci devient trop faible afin d'éviter une décharge profonde susceptible de l'endommager.
Les différents types d'onduleurs
Les onduleurs autonomes
Les onduleurs autonomes sont alimentés uniquement par une batterie ou une autre source de courant continu. Ils produisent directement une tension alternative destinée aux appareils électriques.
Ils sont utilisés dans les camping-cars, les bateaux, les installations solaires isolées et les sites ne disposant pas du réseau électrique.
Les onduleurs de secours (UPS)
Les alimentations sans interruption, souvent appelées UPS (Uninterruptible Power Supply), alimentent normalement les appareils à partir du réseau électrique tout en rechargeant une batterie interne.
En cas de coupure de courant, l'onduleur bascule automatiquement sur la batterie en quelques millisecondes. Les ordinateurs, serveurs et équipements médicaux continuent ainsi de fonctionner sans interruption.
Les onduleurs photovoltaïques
Les installations solaires produisent un courant continu. Un onduleur photovoltaïque le transforme en courant alternatif compatible avec les appareils domestiques ou avec le réseau électrique.
Ces onduleurs synchronisent précisément leur tension et leur fréquence avec celles du réseau afin de pouvoir y injecter l'énergie produite par les panneaux solaires.
Les applications
Les onduleurs sont utilisés dans les installations photovoltaïques, les centrales électriques, les véhicules électriques, les camping-cars, les bateaux, les systèmes industriels, les télécommunications, les hôpitaux, les centres informatiques et les équipements de secours.
Ils permettent d'utiliser efficacement l'énergie stockée dans des batteries ou produite par des panneaux solaires tout en fournissant une alimentation compatible avec les appareils fonctionnant en courant alternatif.