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Grands principes de l'électricité

Les grands principes de l'électricité

Dans le monde moderne, l'électricité fait partie du quotidien de tout un chacun. Mais que se cache-t-il derrière la prise ? Dans sa définition la plus simple il s'agit d'un déplacement de charges électriques, un phénomène qui existe dans la nature avec la foudre ou encore les influx nerveux des êtres vivants et qui a été observé dès l'antiquité. Ce n'est qu'à partir du XVIIIème siècle que les lois physiques régissant les phénomènes électriques ont été établies et il faudra attendre la fin du XIXème siècle pour voir apparaître les premières applications industrielles. Dans le cas des systèmes électriques, le courant n’est pas à proprement parler un déplacement d’électrons comme on l’entend souvent dire, mais une excitation qui se transmet d’électron en électron sous l’effet d’une onde électromagnétique à l’intérieur d’un conducteur, c’est-à-dire un câble généralement en cuivre ou en aluminium.

Grandeurs électriques

Tension et intensité : analogie avec les circuits hydrauliques

Les circuits électriques peuvent être caractérisés par deux grandeurs principales : la tension qui s'exprime en Volts (V) et l'intensité, ou le courant, qui s'exprime en Ampères (A).

Une analogie avec la circulation de l’eau permet de mieux comprendre ces grandeurs physiques :

  • La tension correspond à la différence d'altitude (en mètres) entre le point haut et le point bas d’une chute d’eau : dans les deux cas, c'est une forme de déséquilibre qui met un flux en mouvement : une différence de potentiel qui génère une onde électromagnétique dans le premier, une différence de pesanteur due à l’attraction terrestre qui fait tomber l'eau du haut vers le bas dans le second
  • L'intensité quant à elle correspond au débit de l'eau que l’on mesure en mètres-cubes par seconde (ou m3/s).

Le cas particulier du courant alternatif

Plus complexe que le courant  continu, le courant alternatif est caractérisé par d’autres grandeurs.

Courants alternatifs et continus

Il existe deux grandes familles de circuits électriques : les circuits à courant continu dans lesquels l’onde se déplace toujours dans le même sens et les circuits à courant alternatif dans lesquels elle fait des aller-retours incessants sur de très petites distances. Historiquement, le courant alternatif a été choisi pour construire les réseaux électriques pour deux raisons principales :

  • Il est préférable de transporter l'électricité en haute tension pour limiter les pertes mais  de la délivrer en basse tension aux consommateurs pour des raisons de sécurité ; or à l’époque où les réseaux ont été construits, on ne savait pas changer la tension en courant continu, ou avec des rendements très mauvais ;
  • Les disjoncteurs, éléments essentiels à la sécurité pour éviter accidents et incendies, sont beaucoup plus facile et moins coûteux à réaliser en courant alternatif..

Ainsi, les réseaux électriques ont jusqu’à présent été majoritairement conçus et construits à travers le monde en courant alternatif, le courant continu étant réservé à des cas particuliers tels que :

  • lignes aériennes de très longue distance (au moins 500 km), notamment dans les grands pays ;
  • ligne électrique souterraine ou sous-marine de distance intermédiaire (au moins 50 km, comme la récente ligne France-Espagne passant sous les Pyrénées) ;
  • liaison entre réseaux non-synchrones (telle la ligne IFA2000 entre la France et l'Angleterre) ;
  • réseaux internes de certains sites isolés.

Avec les progrès de l’électronique de puissance qui permet de piloter tous les paramètres du courant électrique, il n’est pas impossible de voir à l’avenir le courant continu occuper une place plus importante dans les réseaux aux différents niveaux de tension – comme il le fait déjà dans la quasi-totalité des appareils électriques que nous utilisons à la maison ou au bureau à l’entrée desquels on trouve un transformateur alternatif/continu, qu’il soit dans un chargeur externe ou dans l’appareil lui-même.

Dernière Mise à jour : 29/10/2019

Puissance et énergie

Deux autres grandeurs sont essentielles :

  • la puissance (P) qui s'exprime en Watts (W) représente la force instantanée du courant électrique
  • l'énergie qui s'exprime en Watt-heures (Wh) pour l’électricité correspond à une certaine puissance pendant un certain temps - c’est l’équivalent de la quantité d’eau consommée dans les circuits hydrauliques (en m3 ou en litres).

1 kiloWatt-heure (noté kWh) représente ainsi l'énergie consommée ou produite pendant une heure par un appareil d’une puissance de 1 kW.

En électricité, la puissance est le produit de la tension (U) par l'intensité (I) selon la formule P = U x I (ou P=UI). Ainsi les Watts sont équivalents à des Volts multipliés par des Ampères (V x A), c'est pour cela que l'on trouve des puissances exprimées en Volts-Ampères (VA) ou en Watts. Les deux se confondent pour le courant continu, mais ils se distinguent pour le courant alternatif : les Watts sont utilisés pour la puissance active et les Volts-Ampères pour la puissance apparente (voir le paragraphe suivant).

Les appareils électriques ont toujours une puissance nominale à laquelle ils doivent être alimentés pour fonctionner au maximum de leur capacité. Elle est de quelques Watts pour des appareils en veille ou des ampoules à LED, quelques dizaines de Watts pour une ampoule halogène ou un ordinateur, de 1000 W à plusieurs milliers de Watts pour une machine à laver, un four ou un radiateur électrique.

Les factures d'électricité dépendent à la fois de l’abonnement qui varie en fonction de la puissance souscrite (de 3 à 36 kVA pour un particulier par exemple) et de la consommation électrique mesurée en kWh par le compteur.

Dernière Mise à jour : 29/10/2019
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Fréquence

Comme son nom l’indique, un circuit en courant alternatif se caractérise par le fait que le courant change sans arrêt de sens. Chaque aller-retour sur un pas de temps déterminé appelé période fait varier la tension et l’intensité qui prennent tour à tour des valeurs positives puis négatives. En Europe et dans un certain nombre de parties du monde, la période retenue est de 20 millisecondes (ms), soit 50 changements de sens par seconde, ce qui correspond à une fréquence de 50 Hertz (Hz). Dans d'autres régions du monde, comme la majeure partie du continent américain, l'Arabie Saoudite, les Philippines, Taïwan, la Corée du Sud ou encore une partie du Japon, la fréquence est de 60 Hz. Certains réseaux ferrés (en Suisse, Allemagne, Autriche, Norvège et Suède) fonctionnent quant à eux en courant alternatif à la fréquence d’un tiers de 50 Hz, soit 16,66 Hz.

 Pourquoi transporter l'électricité en 50 ou 60 Hz ?
Le choix d'une fréquence de 50 ou 60 Hz pour la plupart des systèmes électriques dans le monde résulte d'un compromis. Une fréquence trop faible peut provoquer un scintillement des ampoules visible à l’œil nu et peu agréable. Une fréquence plus élevée entrainerait des pertes supplémentaires à cause de l'effet de peau : en régime alternatif, plus la fréquence est élevée, plus l'électricité se concentre sur la partie externe du conducteur qui la transporte, ce qui augmente les pertes par effet Joule.

 

Le strict maintien de la fréquence dans une plage extrêmement étroite (de 49,5 à 50,5 Hz en France et en Europe) est une condition impérative du fonctionnement du réseau : y veiller est l’un des rôles essentiels des gestionnaires des réseaux de transport (GRT).

Puissances active, réactive et apparente

En courant alternatif, la puissance active appelée P et mesurée en Watts est la puissance utile effectivement utilisée par les appareils électriques pour l’usage auquel ils répondent.

Toutefois, pour que cette puissance utile parvienne au consommateur, le réseau a aussi besoin d’une puissance inutile pour la plupart des usages proprement dit (sauf les moteurs électriques qui ne peuvent pas s’en passer) : c’est la puissance réactive appelée Q et mesurée en « volts-ampères réactifs » (var).

Elle peut se comparer à la force qui permet à une péniche tirée par un cheval qui se trouve sur un chemin de halage d’avancer dans la même direction que ce dernier alors que la traction de la corde s’exerce en biais selon un angle plus ou moins aigu en fonction de sa longueur (voir schéma ci-dessous).

Diagramme PQ.png

Assimilable à la corde, la puissance apparente appelée S est la résultante de la combinaison entre puissances active et réactive. Plus la corde est longue et plus l’angle qu’elle fait avec la puissance réactive est par conséquent ouvert, plus la péniche est facile à tirer et moins le rôle de la puissance réactive est important. L’ouverture de l’angle peut se mesurer par le facteur Sinus phi qui est compris entre 0 (angle totalement ouvert : le cheval se trouve devant la péniche, c’est-à-dire … dans l’eau) et 1 (angle totalement fermé : le cheval est à la hauteur de la péniche qui est devenue impossible à tirer).
En termes électriques, la puissance apparente S est la puissance totale du courant électrique en Volts-Ampères (VA) ; elle est égale à la moitié du produit de la tension et de l'intensité maximales selon la formule :

Formule S.png

Les gestionnaires de réseaux cherchent à limiter le transport d'énergie réactive. En effet, tout transport de courant engendre des pertes qui se traduise par un échauffement appelé « effet Joule ». Plus le courant transporté, qui est lié à la puissance apparente et pas seulement à la puissance utile, est important, plus ces pertes augmentent. Ainsi, la puissance réactive, comme la puissance active, participe aux pertes par effet Joule, alors même qu'elle n'est pas directement utilisée par les appareils consommateurs d'énergie. Les gros consommateurs d'électricité (au-delà de 250 kVA) paient également pour l'énergie réactive qu’ils consomment.

Enfin, dans un circuit en courant alternatif, il peut y avoir un décalage entre la tension et l'intensité, l’une étant en avance sur l’autre. Ce phénomène dit de déphasage – qui doit être le plus faible possible afin de limiter les pertes – est traduit par le facteur Cosinus phi, lui aussi compris entre 0 (déphasage maximal) et 1 (aucun déphasage).

Appliqué à la puissance active, ce facteur permet en outre de calculer la puissance apparente selon la formule :

Formule S fonction P.png

On voit ainsi que les 3 puissances définies ci-dessus sont reliées entre elles par le déphasage entre tension et courant.

Dernière Mise à jour : 29/10/2019

Grands principes de l'électricité

Les grands principes de l'électricité

Dans le monde moderne, l'électricité fait partie du quotidien de tout un chacun. Mais que se cache-t-il derrière la prise ? Dans sa définition la plus simple il s'agit d'un déplacement de charges électriques, un phénomène qui existe dans la nature avec la foudre ou encore les influx nerveux des êtres vivants et qui a été observé dès l'antiquité. Ce n'est qu'à partir du XVIIIème siècle que les lois physiques régissant les phénomènes électriques ont été établies et il faudra attendre la fin du XIXème siècle pour voir apparaître les premières applications industrielles. Dans le cas des systèmes électriques, le courant n’est pas à proprement parler un déplacement d’électrons comme on l’entend souvent dire, mais une excitation qui se transmet d’électron en électron sous l’effet d’une onde électromagnétique à l’intérieur d’un conducteur, c’est-à-dire un câble généralement en cuivre ou en aluminium.

Courants alternatifs et continus

Il existe deux grandes familles de circuits électriques : les circuits à courant continu dans lesquels l’onde se déplace toujours dans le même sens et les circuits à courant alternatif dans lesquels elle fait des aller-retours incessants sur de très petites distances. Historiquement, le courant alternatif a été choisi pour construire les réseaux électriques pour deux raisons principales :

  • Il est préférable de transporter l'électricité en haute tension pour limiter les pertes mais  de la délivrer en basse tension aux consommateurs pour des raisons de sécurité ; or à l’époque où les réseaux ont été construits, on ne savait pas changer la tension en courant continu, ou avec des rendements très mauvais ;
  • Les disjoncteurs, éléments essentiels à la sécurité pour éviter accidents et incendies, sont beaucoup plus facile et moins coûteux à réaliser en courant alternatif..

Ainsi, les réseaux électriques ont jusqu’à présent été majoritairement conçus et construits à travers le monde en courant alternatif, le courant continu étant réservé à des cas particuliers tels que :

  • lignes aériennes de très longue distance (au moins 500 km), notamment dans les grands pays ;
  • ligne électrique souterraine ou sous-marine de distance intermédiaire (au moins 50 km, comme la récente ligne France-Espagne passant sous les Pyrénées) ;
  • liaison entre réseaux non-synchrones (telle la ligne IFA2000 entre la France et l'Angleterre) ;
  • réseaux internes de certains sites isolés.

Avec les progrès de l’électronique de puissance qui permet de piloter tous les paramètres du courant électrique, il n’est pas impossible de voir à l’avenir le courant continu occuper une place plus importante dans les réseaux aux différents niveaux de tension – comme il le fait déjà dans la quasi-totalité des appareils électriques que nous utilisons à la maison ou au bureau à l’entrée desquels on trouve un transformateur alternatif/continu, qu’il soit dans un chargeur externe ou dans l’appareil lui-même.

Grandeurs électriques

Tension et intensité : analogie avec les circuits hydrauliques

Les circuits électriques peuvent être caractérisés par deux grandeurs principales : la tension qui s'exprime en Volts (V) et l'intensité, ou le courant, qui s'exprime en Ampères (A).

Une analogie avec la circulation de l’eau permet de mieux comprendre ces grandeurs physiques :

  • La tension correspond à la différence d'altitude (en mètres) entre le point haut et le point bas d’une chute d’eau : dans les deux cas, c'est une forme de déséquilibre qui met un flux en mouvement : une différence de potentiel qui génère une onde électromagnétique dans le premier, une différence de pesanteur due à l’attraction terrestre qui fait tomber l'eau du haut vers le bas dans le second
  • L'intensité quant à elle correspond au débit de l'eau que l’on mesure en mètres-cubes par seconde (ou m3/s).

Puissance et énergie

Deux autres grandeurs sont essentielles :

  • la puissance (P) qui s'exprime en Watts (W) représente la force instantanée du courant électrique
  • l'énergie qui s'exprime en Watt-heures (Wh) pour l’électricité correspond à une certaine puissance pendant un certain temps - c’est l’équivalent de la quantité d’eau consommée dans les circuits hydrauliques (en m3 ou en litres).

1 kiloWatt-heure (noté kWh) représente ainsi l'énergie consommée ou produite pendant une heure par un appareil d’une puissance de 1 kW.

En électricité, la puissance est le produit de la tension (U) par l'intensité (I) selon la formule P = U x I (ou P=UI). Ainsi les Watts sont équivalents à des Volts multipliés par des Ampères (V x A), c'est pour cela que l'on trouve des puissances exprimées en Volts-Ampères (VA) ou en Watts. Les deux se confondent pour le courant continu, mais ils se distinguent pour le courant alternatif : les Watts sont utilisés pour la puissance active et les Volts-Ampères pour la puissance apparente (voir le paragraphe suivant).

Les appareils électriques ont toujours une puissance nominale à laquelle ils doivent être alimentés pour fonctionner au maximum de leur capacité. Elle est de quelques Watts pour des appareils en veille ou des ampoules à LED, quelques dizaines de Watts pour une ampoule halogène ou un ordinateur, de 1000 W à plusieurs milliers de Watts pour une machine à laver, un four ou un radiateur électrique.

Les factures d'électricité dépendent à la fois de l’abonnement qui varie en fonction de la puissance souscrite (de 3 à 36 kVA pour un particulier par exemple) et de la consommation électrique mesurée en kWh par le compteur.

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Le cas particulier du courant alternatif

Plus complexe que le courant  continu, le courant alternatif est caractérisé par d’autres grandeurs.

Fréquence

Comme son nom l’indique, un circuit en courant alternatif se caractérise par le fait que le courant change sans arrêt de sens. Chaque aller-retour sur un pas de temps déterminé appelé période fait varier la tension et l’intensité qui prennent tour à tour des valeurs positives puis négatives. En Europe et dans un certain nombre de parties du monde, la période retenue est de 20 millisecondes (ms), soit 50 changements de sens par seconde, ce qui correspond à une fréquence de 50 Hertz (Hz). Dans d'autres régions du monde, comme la majeure partie du continent américain, l'Arabie Saoudite, les Philippines, Taïwan, la Corée du Sud ou encore une partie du Japon, la fréquence est de 60 Hz. Certains réseaux ferrés (en Suisse, Allemagne, Autriche, Norvège et Suède) fonctionnent quant à eux en courant alternatif à la fréquence d’un tiers de 50 Hz, soit 16,66 Hz.

 Pourquoi transporter l'électricité en 50 ou 60 Hz ?
Le choix d'une fréquence de 50 ou 60 Hz pour la plupart des systèmes électriques dans le monde résulte d'un compromis. Une fréquence trop faible peut provoquer un scintillement des ampoules visible à l’œil nu et peu agréable. Une fréquence plus élevée entrainerait des pertes supplémentaires à cause de l'effet de peau : en régime alternatif, plus la fréquence est élevée, plus l'électricité se concentre sur la partie externe du conducteur qui la transporte, ce qui augmente les pertes par effet Joule.

 

Le strict maintien de la fréquence dans une plage extrêmement étroite (de 49,5 à 50,5 Hz en France et en Europe) est une condition impérative du fonctionnement du réseau : y veiller est l’un des rôles essentiels des gestionnaires des réseaux de transport (GRT).

Puissances active, réactive et apparente

En courant alternatif, la puissance active appelée P et mesurée en Watts est la puissance utile effectivement utilisée par les appareils électriques pour l’usage auquel ils répondent.

Toutefois, pour que cette puissance utile parvienne au consommateur, le réseau a aussi besoin d’une puissance inutile pour la plupart des usages proprement dit (sauf les moteurs électriques qui ne peuvent pas s’en passer) : c’est la puissance réactive appelée Q et mesurée en « volts-ampères réactifs » (var).

Elle peut se comparer à la force qui permet à une péniche tirée par un cheval qui se trouve sur un chemin de halage d’avancer dans la même direction que ce dernier alors que la traction de la corde s’exerce en biais selon un angle plus ou moins aigu en fonction de sa longueur (voir schéma ci-dessous).

Diagramme PQ.png

Assimilable à la corde, la puissance apparente appelée S est la résultante de la combinaison entre puissances active et réactive. Plus la corde est longue et plus l’angle qu’elle fait avec la puissance réactive est par conséquent ouvert, plus la péniche est facile à tirer et moins le rôle de la puissance réactive est important. L’ouverture de l’angle peut se mesurer par le facteur Sinus phi qui est compris entre 0 (angle totalement ouvert : le cheval se trouve devant la péniche, c’est-à-dire … dans l’eau) et 1 (angle totalement fermé : le cheval est à la hauteur de la péniche qui est devenue impossible à tirer).
En termes électriques, la puissance apparente S est la puissance totale du courant électrique en Volts-Ampères (VA) ; elle est égale à la moitié du produit de la tension et de l'intensité maximales selon la formule :

Formule S.png

Les gestionnaires de réseaux cherchent à limiter le transport d'énergie réactive. En effet, tout transport de courant engendre des pertes qui se traduise par un échauffement appelé « effet Joule ». Plus le courant transporté, qui est lié à la puissance apparente et pas seulement à la puissance utile, est important, plus ces pertes augmentent. Ainsi, la puissance réactive, comme la puissance active, participe aux pertes par effet Joule, alors même qu'elle n'est pas directement utilisée par les appareils consommateurs d'énergie. Les gros consommateurs d'électricité (au-delà de 250 kVA) paient également pour l'énergie réactive qu’ils consomment.

Enfin, dans un circuit en courant alternatif, il peut y avoir un décalage entre la tension et l'intensité, l’une étant en avance sur l’autre. Ce phénomène dit de déphasage – qui doit être le plus faible possible afin de limiter les pertes – est traduit par le facteur Cosinus phi, lui aussi compris entre 0 (déphasage maximal) et 1 (aucun déphasage).

Appliqué à la puissance active, ce facteur permet en outre de calculer la puissance apparente selon la formule :

Formule S fonction P.png

On voit ainsi que les 3 puissances définies ci-dessus sont reliées entre elles par le déphasage entre tension et courant.

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