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
Le courant monophasé et triphasé
L'électricité distribuée par le réseau n'est pas toujours acheminée de la même manière. Les habitations sont généralement alimentées en courant monophasé, tandis que les bâtiments industriels, les ateliers ou certaines installations de forte puissance utilisent souvent le courant triphasé. Ces deux systèmes transportent la même énergie électrique, mais leur organisation est différente.
Définition d'une phase
Une phase est un conducteur parcouru par une tension alternative. Dans un réseau alternatif, la tension varie continuellement en suivant une forme sinusoïdale.
Une phase ne conserve donc jamais une tension constante. En Europe, elle passe cinquante fois par seconde d'une valeur positive à une valeur négative avant de recommencer un nouveau cycle. Cette variation correspond à une fréquence de 50 Hz.
Pour qu'un courant circule, la phase doit être associée à un autre conducteur, appelé neutre ou à une autre phase selon le type d'installation.
Le courant monophasé
Le courant monophasé utilise une seule phase et un neutre.
La tension entre la phase et le neutre est d'environ 230 volts dans la plupart des habitations européennes.
Ce type d'alimentation convient parfaitement à l'éclairage, aux prises électriques, aux appareils électroménagers, aux téléviseurs, aux ordinateurs et à la majorité des équipements domestiques.
Le courant triphasé
Le courant triphasé utilise trois phases différentes, notées généralement L1, L2 et L3, auxquelles peut s'ajouter un conducteur neutre.
Les trois tensions sont identiques mais décalées dans le temps de 120°. Ainsi, lorsqu'une phase atteint son maximum, les deux autres se trouvent à des niveaux différents.
Grâce à ce décalage, la puissance fournie est beaucoup plus régulière qu'en monophasé.
Avantages du triphasé
Le triphasé permet de transporter davantage d'énergie avec des conducteurs de même section. Il limite également les variations instantanées de puissance et améliore le fonctionnement de nombreux appareils électriques.
Les moteurs électriques triphasés démarrent plus facilement, fonctionnent plus régulièrement et présentent généralement un meilleur rendement que les moteurs monophasés.
Les tensions d'un réseau triphasé
Dans une installation domestique triphasée, la tension entre une phase et le neutre est d'environ 230 V.
En revanche, la tension mesurée entre deux phases est d'environ 400 V. Cette valeur plus élevée permet d'alimenter des machines de forte puissance sans augmenter excessivement le courant.
Le conducteur neutre
Le neutre est relié au point commun des trois enroulements du transformateur de distribution. Son potentiel est voisin de celui de la Terre.
Dans une installation monophasée, le courant circule entre la phase et le neutre. Dans une installation triphasée, certains appareils utilisent également le neutre, tandis que d'autres fonctionnent uniquement entre les trois phases.
L'équilibrage des phases
Dans un réseau triphasé, il est préférable de répartir les appareils sur les trois phases afin qu'elles transportent des courants aussi proches que possible.
Un bon équilibrage limite les pertes d'énergie, réduit l'échauffement des conducteurs et améliore le fonctionnement de toute l'installation.
Le couplage étoile et le couplage triangle
Les moteurs et certains transformateurs peuvent être raccordés selon deux configurations principales : le couplage étoile (Y) et le couplage triangle (Δ).
Le couplage étoile relie une extrémité de chacun des trois enroulements à un point commun. Il est souvent utilisé lorsque chaque enroulement doit recevoir une tension plus faible.
Le couplage triangle relie les trois enroulements les uns à la suite des autres afin de former une boucle fermée. Chaque enroulement reçoit alors directement la tension entre deux phases.
Le champ magnétique tournant
Lorsque trois bobines sont alimentées par un courant triphasé, chacune crée un champ magnétique dont l'intensité varie en permanence. Comme les trois courants sont décalés de 120°, leurs champs magnétiques ne sont jamais maximum au même instant.
En se combinant, ces trois champs produisent un champ magnétique tournant. Ce champ ne reste pas immobile : il tourne continuellement autour de l'axe des bobines à une vitesse qui dépend de la fréquence du courant et du nombre de pôles du moteur.
Ce phénomène est propre au courant triphasé. Il permet d'obtenir directement un mouvement de rotation sans avoir recours à un collecteur ou à un système de commutation mécanique.
Le fonctionnement d'un moteur triphasé
Dans un moteur triphasé, le stator contient les bobines alimentées par le réseau électrique. Le champ magnétique tournant créé par ces bobines agit sur le rotor, situé au centre du moteur.
Le rotor cherche en permanence à suivre le champ magnétique tournant. Il se met donc à tourner dans le même sens, ce qui transforme l'énergie électrique en énergie mécanique.
Par exemple, les pompes industrielles, les ventilateurs, les compresseurs ou les machines-outils utilisent très souvent des moteurs triphasés, car ils démarrent facilement et fournissent un couple régulier.
La vitesse de rotation
La vitesse du champ magnétique dépend principalement de la fréquence du courant alternatif et du nombre de pôles du moteur. Cette vitesse est appelée la vitesse synchrone.
n = (60 × f) / p
où n est la vitesse de rotation en tours par minute, f la fréquence du réseau en hertz et p le nombre de paires de pôles du moteur.
Avec un réseau de 50 Hz, un moteur possédant une seule paire de pôles présente une vitesse synchrone de 3 000 tr/min. Avec deux paires de pôles, cette vitesse devient 1 500 tr/min, puis 1 000 tr/min avec trois paires de pôles.
Le glissement
Dans un moteur asynchrone, le rotor tourne légèrement moins vite que le champ magnétique. Cette différence est appelée le glissement.
Sans ce faible écart de vitesse, aucune induction ne pourrait se produire dans le rotor et le moteur ne développerait plus de couple. Le glissement est généralement de quelques pourcents seulement lorsque le moteur fonctionne normalement.
Les avantages du champ tournant
Le champ magnétique tournant permet d'obtenir une rotation régulière, un excellent rendement et un fonctionnement particulièrement fiable. Les moteurs triphasés sont robustes, nécessitent peu d'entretien et peuvent fournir de fortes puissances pendant de nombreuses années.
C'est pour cette raison qu'ils sont largement utilisés dans les usines, les ascenseurs, les pompes, les systèmes de ventilation, les compresseurs, les convoyeurs, les machines-outils et de nombreuses installations industrielles.