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Le courant alternatif industriel

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1/2 : Expériences : origine du courant alternatif !

Pourquoi l'alternatif ?

Si le courant continu provient de piles, accumulateurs, photovoltaïque... La majorité du courant industriel exploite une rotation (éolienne, turbine de chute d'eau ou de centrale nucléaire...) et produit donc nativement du courant alternatif. L'avantage de l'alternatif réside dans son transport, nous verrons qu'il est facile a modifier via des transformateurs ! A puissance égale, la haute tension permet d'abaisser l'intensité ce qui autorise une diminution de la section des fils conducteurs et donc de la quantité de cuivre nécessaire...
Élévation pour le transport puis l'abaissement de la tension coté utilisation sont aisées en ~ (Alternatif) grâce aux transformateurs (Vus avec les machines)...

C'est ainsi que, si le continu fut historiquement le premier distribué notamment en France, c'est l'alternatif qui s'imposa au XX° siècle.
Sachez toutefois, qu'aujourd'hui le courant alternatif est très souvent converti en continu aussi bien chez vous (toute l’électronique : PC, TV...) qu'en industrie (Variateurs, onduleurs, convertisseurs, soudure...) !
Peut-être qu'un jour le continu sera à nouveau choisit pour le transport, d'autant qu'il est devenu aisé de le produire, de l'élever ou de l'abaisser grâce à l'évolution de l'électronique.


Animation optimisée sur sa production

Production- du courant alternatif
L'alternatif monophasé est obtenu avec 1 aimantAvec 2 aimants, nous obtiendrons 2 périodes par tour, ou électroaimantPermet de modifier l'amplitude, et donc la tension, indépendamment de la vitesse de rotation et donc sans modifier la fréquence su signal obtenu..., qui tourne devant 1 bobineLà aussi avec 2 bobines, nous pourrons obtenir 2 périodes par tour...
Nous y reviendrons !
. A chaque changement de polarité magnétique correspond un changement de polarité électrique. Le fait que le Nord génère un + et le Sud un - est totalement arbitraire car lié notamment au sens d’enroulementLe fameux 'tire-bouchon' de Maxwell santé !
Tire-bouchon de Maxwell
des spires de la bobine.
Ici 2 pôles : 1 paire de pôles1 seul aimant = 1 nord et 1 sud = 2 pôles= 1 période par tour par tour = 1 périodeLa période, ou cycle, se mesure en seconde ou sous-multiples : ms, ns... Elle est inversement proportionnelle à la vitesse qui, pour le courant électrique, est nommé fréquence en Hertz.
Nous allons voir cela en détail !
du courant alternatif par tour !
Notez que le courant électrique passe de 0 à une valeur maximale en positif avant de revenir à 0, puis aller la valeur maximale opposée en négatif pour finalement revenir à 0 effectuant ainsi son cycle...




Zoom sur cet élément

Forme sinusoïdale de la tension induite


En électromagnétisme nous avons constaté qu'une tension était induite lors de toute variation de champ magnétique. Ici on met en évidence la forme sinusoïdale de la tension ainsi que son rythme, que l'on appellera fréquence. Rythme lié à la variation du champ magnétique.




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L'alternatif en vidéo


Observez l'évolution du signal, du galvanomètre avec un aimant barre jusqu'à l'aimant circulaire avec l'oscilloscope LCD. Notons que l'aimant circulaire, sans rupture magnétique, offre une forme de signal bien plus sinusoïdale ! Deux pôles2 pôles = 1 paire de pôle = 1 Nord et 1 Sud
Les fabriquants de moteurs raisonnent par pôle et donc 2 pôles = 1 paire pour eux...
par tour : la période du signal correspond à 1 tour de l'aimant.




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Un tour n'est pas toujours égal à une période...

Dans cette vidéo, la roue qui tourne devant la bobine dispose de 6 paires de pôles (6 Nord et 6 Sud)...

Cette vidéo nous confirme la loi de Lenz Faraday. On constate ici que 1 tour = 6 cycles électriques (12 pôles). Cycles que l'on appelle périodes du courant électrique. C'est d'ailleurs en multipliant le nombre de pôles magnétiques par tour que l'on modifie la vitesse des moteursMoteurs synchrones et asynchrones sans balais ainsi qu'alternateurs pour une même fréquence électriqueLa fréquence électrique est le nombre de périodes que produit le courant électrique par unité de temps (la seconde). Autrement dit : la fréquence est la vitesse électrique.




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Principe du transformateur et du découpage...


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2/2 : Fréquence, période, valeurs maximale et efficace

Période et fréquence

La fréquence et la période d'un signal sont des caractéristiques fondamentales pour un courant alternatif puisqu'elles déterminent la vitesse des moteurs asynchrones et synchrones. Suffisamment élevée, la fréquence empêche tout scintillementUne fréquence trop basse rendrait visibles les passages par 0 du courant alternatif des éclairages. Sans maîtrise précise de la fréquence, la mise en réseau et donc le maillageOn nomme maillage les multiples interconnexion du (notamment) réseau électrique français et européen des générateurs serait impossible (synchronisation) !
Alternances, période courant périodique
Cliquez l'image pour relancer

Chaque période comporte 2 alternances : une positive et une négative. Notez que la période peut se mesurer entre 2 valeurs quelconques à condition qu'elles soient identiques et dans le même sensPériode du courant alternatif.
Fréquence en Hz, nombre de périodes par seconde
La fréquence est le nombre de périodes disponibles en 1 seconde. Cela correspond à la vitesse du courant alternatif. Sur l'illustration ci-dessus, on compte 4 périodes, la fréquence est de 4 Hertz soit 4 Hz en abrégé.

Notons qu'en France la fréquence est de 50 Hz, soit 50 périodes par seconde.
La période vaut donc : 1 / 50 = 0.02 seconde ou 20 ms.
Période et fréquence sont inverses :

f = 1 / T     ;     T = 1 / f

Sur notre illustration, f = 4 Hz, T = 1 / 4 = 0.25 s

Pour des usages, notamment en électronique, on utilise la vitesse angulaire : équivalent d'une vitesse de déplacement mais adaptée à une rotation.
Cette vitesse est liée à la fréquence qui elle-même correspond à 1 tour du signal. Or, 1 tour = 360° ou encore 2Π radians. La vitesse angulaire ω est donc égale à : ω = 2 × Π × fVitesse angulaire, cliquez pour relancer
Cliquez l'image pour relancer

Elle correspond au nombre de radians par seconde parcourus par un signal et permet, entre autres, de déterminer les impédances de composants capacitifs et inductifsDans les cours d'électronique, Z, l'impédance d'un condensateur et d'une bobine en sont issues
Z = 1 / C × ω
Z ≃ L × ω
.
On peut aussi utiliser un moyen Mnémotechnique : la vitesse angulaire correspond à la vitesse en périphérie d'un cercle sachant que le périmètre d'un cercle est égal à 2Π × rayon. Rayon ici remplacé par la fréquence f.




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Valeurs max, efficace...

Comment mesurer la tension du courant alternatif ?
Avec le courant continu, rien de plus simple : on mesure la ddpDifférence de potentiel aussi appelée tension en Volts entre le + et le
Avec notre signal sinusoïdal c'est sans doute la même chose sauf que le signal ne fait qu'évoluer, allant même jusqu'à changer de sens !
Alors ? Comment le mesurer ?
  • Quand il passe par 0 ?
  • Quand il est maximum dans un sens ou dans l'autre ?
La bonne réponse est effectivement la seconde : la valeur maximale est très simple à mesurer avec un oscilloscope ou avec un peu d'électroniqueAvec un minimum de composants on sait 'stocker' les valeurs maximales d'un signal.

Oui mais... La valeur maximale c'est bien mais pourquoi est-il indispensable de connaître une tension que l'on nommera efficace ?
Afin de pouvoir raccorder des récepteurs sans les détruire ni les sous-alimenter !
En effet, certains récepteursAmpoule à filament, une résistance chauffante... utilisent indifféremment du courant alternatif ou continu lisseLe terme continu lisse désigne un signal qui est droit sans évolution contrairement à un signal unidirectionnel qui fluctuerait
Ex : 24 V ± 10% donc de 21.8 à 26.2 V
!
Il faudrait donc trouver un équivalent avec le courant continu !
Pensez-vous que la valeur maximum d'un signal alternatif corresponde à son équivalent en courant continu ?
Cela ne semble pas correct, pour nous aider à y répondre, voyons ci-dessous une série de représentations comparant un signal lisse à la valeur absolue de notre sinusoïdalLes récepteurs résistifs n'ont que faire du sens du courant, seule l'amplitude compte. On a donc rendu ce courant unidirectionnel pour une meilleure appréhension. :



1
2
3
4

Continu lisse vs maximum sinus

Pensez-vous vraiment que ces signaux produisent un effet identique ?
continu vs alternatif 2
continu vs alternatif 3
On s'aperçoit à gauche que le sinus, en pointillés, peut 'rentrer' dans le continu mais pas l'inverse à droite, l'alternatif n'englobe pas le continu !
Sur les 2 images en bas, la surface du sinusoïdal est clairement plus faible !
continu vs alternatif 4
continu vs alternatif 5
On constate qu'il manque à l'alternatif, en haut à droite, la surface grise... Le dessin du bas montre les équivalences : raboter le pointe du sinus pour remplir les cotés !
Les surfaces grise en bas à droite sont identiques !

Continu lisse vs maximum sinus
Voici l'animation finale ! La valeur maximale d'un sinusoïdal est bien inférieure à sa valeur efficace : valeur continue lisse équivalente dans un récepteur résistif à effet Joule !




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Premier point : efficace ≠ maximal...

Reste à définir ce qui lie une valeur efficace, en tension ou intensité, et une valeur maximale !
Si en sinusoïdal c'est très simple, cela se complique avec les signaux moins communs (voir Wikipedia)

Pour notre sinus, on doit réaliser une intégrale dont on s'épargnera le calcul pour conserver le résultat :
Valeur efficace = Valeur maxi / √2


En l'absence d'indication autre, on communique toujours une valeur efficace !
Ainsi :

U = U maxi / √2


U = U maxi × 0.7071 / √2 ≃ 0.707

I = I maxi / √2


I = I maxi × 0.7071 / √2 ≃ 0.707

Mais attention :

P = P maxi / 2


Car P = U × I et donc P = U maxi / √2 × I maxi / √2 (et donc √2² = 2)

Dans les conseils+ vous trouverez une information sur les diviseurs par √2 ainsi que sur les appareils (T)RMS, 'efficace vrai'TRMS : True R.M.S, RMS sans le T de 'true' (vrai), efficace vrai...
Cohabitent plusieurs types d'appareils : les classiques limités aux signaux sinusoïdaux qui divisent systématiquement via des résistances toute tension alternative par √2
; jusqu'à ceux qui réalisent une vraie intégration pour ne pas fausser les mesures de courants triangulaires, carrés... Et même ceux qui incluent une partie continue qui vient annuler la symétrie et donc valeur moyenne nulle ; nous allons le voir !
En France, la tension Phase / Neutre est de 230 V~ efficace soit :
230 × √2 ≃ 325 Volts max (de +325 V à –325 V) en 50 Hz.
La majorité du monde est aussi en 50 Hz pour des tensions de 200 à 240 Volts :
Voir la mappemonde sur Wikipédia, quelques pays en 110 V ou en 60 Hz




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Valeur moyenne

Terminons avec la valeur moyenne du courant alternatif à ne pas confondre avec l'efficace car la valeur moyenne d'un courant symétriqueToutes les formules de cette page ne sont valables que pour un signal dont les alternances positives et négatives sont opposées mais scrupuleusement identiques en valeur absolue comme représenté sur le dessin de gauche. est nulle, c'est pour cela qu'un voltmètre en continu affichera 0 :
Valeur moyenne, surfaces + et -Multimètre alternatif, continu, VAT
Les surfaces + et – sont équivalentes et donc un galvanomètre afficherait 0, l'aiguille n'ayant pas le temps de battre le rythme (50 Hz) resterait au milieu !A gauche un multimètre en ~, au centre en continu, à droite un VATVérificateur Absence de tension, utilisé lors de consignations électrique il offre l'avantage de rendre impossible toute erreur de calibre !
VAT en action Vérificateur Absence de Tension
Un autre VAT
, les 3 raccordés en parallèle sur la même source '230 V~'. Le voltmètre continu affiche bien 0 alors que la tension, commune aux 3 appareils, est de 215.8 Volts ~ !




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Cochez en vert les propositions exactes !...


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Un aimant et donc une variation de champ magnétique, induit une tension !


Toute variation de champ magnétique engendre une tension induite !

EE = à vide, au 'coeur' du générateur
U = tension réelle aux bornes de la source de tension
, la tension induite...

  • Une bobine devient source d'une tension E uniquement lors de variations de champ
  • E est proportionnel à l'intensité du champ magnétique
  • E est aussi inversement proportionnel au tempsPlus le temps requis pour faire varier ce champ est court, plus l'effet est élevé
    (Vu avec : introduction de l'aimant...)
    E est proportionnel à la vitesse
    La vitesse est un déplacement par unité de temps, il est plus simple de raisonner directement sur le temps !
  • E s'oppose, E est donc négatif –
Mettons tout celà en équation :

Tension E = – ( Variation de flux / temps requis pour cette variation )


E = - ( ΔΦ / Δt )

Volt = - ( Weber / seconde )



Il existe bien des déclinaisons de cette formule générale, dans nos autres cours nous y reviendrons...

Valeur efficace et maximale !


Un appareil de mesure arbore un logo TRMSTRMS : True R.M.S, RMS sans le T de 'true' (vrai), efficace vrai...
Cohabitent plusieurs types d'appareils : les classiques qui divisent systématiquement via des résistances toute tension alternative par √2 et les TRMS
quand il est capable de mesurer des signaux autres que symétriques et sinusoïdaux dont notamment ceux incluant une composante continue, une forme différente ; voire le signal provenant d'un variateur ; en MLIModulation de Largeur d'Impulsion, voir variateurs ou électronique si le sujet vous intéresse
Singnaux MLI loi U sur F
.


Diviseur analogique simple

Diviseur par 2, racine de 2
Pour aborder simplement le sujet,  on commence par très simple : à gauche un diviseur par 2 : 2 résistances identiques en série, on lit la tension divisée par 2 à leur point de liaison !
Pour diviser par √2, la résistance première sera composée de la valeur flottante (après la virgule) de 1.4142... (√2), (ou d'un multiple), alors que l'on effectuera la mesure sur la valeur entière (1 ou multiple).

Signaux non sinusoïdaux, voire 'exotiques'


Signaux et piège !
  1. A gauche le carré, pour lequel, valeurs efficace et maxi sont ≃ identiques ! 100% de la surface
  2. Suit un triangle : efficace = maxi / √3
  3. Une rampe non symétrique : multimètre TRMS obligatoire !
  4. A droite... Le trapèze ! Signal impossible :-) ! Il remonterait le temps !

Tableau des (sous) multiples

1
2
3
4
T Téra 10^12

1
— = m
k
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = k
m
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12




1
— = µ
M
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = M
µ
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12







1
— = n
G
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = G
n
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12
T Téra 10^12










1
— = p
T
G Giga 10^9
M Mega 10^6
k kilo 10^3
Unité 1
m milli 10^–3
1
— = T
p
µ micro 10^–6
n nano 10^–9
p pico 10^–12

Gamme des fréquences

2 Hz

20 Hz


20 kHz (kilo : 10^3)


200 kHz

1 MHz


100 MHz (Mega : 10^6)


1 à 5 GHz (Giga : 10^9)


3 à 400 THz (Tera : 10^12)
400 à 770 THz
750 THz à 30 PHz (Peta : 10^15)



30 PHz à 30 EHz (Exa : 10^18)

30 EHz à 30 ZHz (Zeta : 10^21)


> 30 ZHz
BF
Gamme fréquences
HF
Mouvements sismiques

Son graves


Son Aigües, ultrason (40 kHz)


Anciennes grandes ondes radio

Radio Ondes courtes


FM ; VHF ; UHF (400 MHz)


Micro Ondes ; Wifi...


Infra rouges
Lumière visibe
Ultra violet



Rayons X

Rayons Gamma


Rayons cosmiques

Conseils+, compléments, prérequis :
Tension induite
Lenz Faraday
TRMS, diviseur racine 2
(sous) Multiples
Gamme de fréquences

Cours connexes recommandés par l'auteur :

Crée le 19 / 03 / 2017, der. màj le 26 / 10 / 2017 par : Guillaume (Guillaume DUPAS)
Contributeur Guillaume DUPAS Gu5835e07c1389f
Cours vu 162 fois ★★★☆☆
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Gu5835e07c1389f
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