Courant alternatif

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Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, cependant souvent utilisé) est un courant électrique qui change de sens, il est tantôt positif, tantôt négatif. Autre abréviation souvent rencontrée Vca (volt courant alternatif) exemple 220-240 Vca.

Ce courant alternatif est dit périodique s’il change régulièrement et périodiquement de sens.

Un courant alternatif périodique est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). C’est le nombre d’« aller-retours » qu’effectue le courant électrique en une seconde. Un courant alternatif périodique de 50 Hz effectue 50 « aller-retours » par seconde, c'est-à-dire qu'il change 100 fois (50 allers et 50 retours) de sens par seconde. Le courant alternatif à 60 Hz a une meilleure efficacité à longue distance, raison pour laquelle il est utilisé en Amérique du Nord ; le courant alternatif à 50 Hz a une meilleure efficacité à courte distance, raison pour laquelle il est utilisé en Europe et en Amérique du Sud^[1].

La forme la plus utilisée de courant alternatif est le courant sinusoïdal, essentiellement pour la distribution commerciale de l'énergie électrique.

On doit distinguer :

• les courants purement alternatifs dont la valeur moyenne (composante continue) est nulle, qui peuvent alimenter un transformateur sans danger ;
• les courants alternatifs à composante continue non nulle qui ne peuvent en aucun cas alimenter un transformateur.

Historique

Article détaillé : Histoire de l'électricité.

Aux États-Unis, le physicien Nikola Tesla en 1882 conçoit l'alternateur triphasé. Parallèlement, en France, Lucien Gaulard invente le transformateur. Ces deux inventions permettent de surmonter les limitations imposées par l'utilisation du courant continu pour la distribution de l'électricité alors préconisée par Thomas Edison qui avait déposé de nombreux brevets en rapport avec cette technologie (et possédait des réseaux de distribution de courant continu).

Les avantages apportés par le transport et la distribution de l'énergie électrique par courants alternatifs sont indéniables. L'industriel Westinghouse, détenteur des brevets, finit par l'imposer aux États-Unis.

Avantages

Contrairement au courant continu, le courant purement alternatif peut voir ses caractéristiques (tension/courant) modifiées par un transformateur à enroulements.

Dès qu'il existe une composante continue non négligeable, un transformateur est inutilisable.

Grâce au transformateur, le courant transporté par des réseaux de distribution haute tension subit des pertes par effet Joule beaucoup plus faibles : pour la même puissance instantanée p transportée, si on augmente la tension u d'un facteur 10, celle de l'intensité est divisée d'autant, puisque la valeur instantanée de la puissance vaut :

p(t) = u(t)×i(t)

Et en divisant simplement par 10 l'intensité du courant transporté i(t), on divise par 100 les pertes dues à la résistance des câbles électriques, la puissance dissipée dans une résistance étant proportionnelle au carré de l'intensité du courant

p_joule = Ri².

On abaisse ensuite la tension afin de fournir une alimentation en basse tension près du lieu de distribution, afin de pouvoir l'utiliser à des fins domestiques (le danger restant toutefois bien réel, même en basse tension).

Les courants alternatifs sinusoïdaux

Exemple de signaux sinusoïdaux

Un courant alternatif sinusoïdal est un signal sinusoïdal de grandeur homogène à un courant (exprimé en ampères). De façon stricte, sa composante continue doit être nulle pour le qualifier d'alternatif, la sinusoïde aura donc une valeur moyenne égale à zéro.

D'un point de vue mathématique

La valeur instantanée de tension est décrite par une équation de type

u(t) = u₀⋅sin(ω⋅t)

où

• u₀ est l'amplitude du signal, la tension de crête, en volts (V) ;
• ω est la pulsation du signal, en radians par seconde (rad⋅s^-1), défini par
  ω = 2⋅π⋅ƒ = 2⋅π/T
  ƒ étant la fréquence du signal en hertz (Hz), T étant la période du signal en secondes (s).

L'intensité du courant a une équation du type :

i(t) = i₀⋅sin(ω⋅t + φ)

où

• i₀ est l'amplitude du signal en ampères (A),
• φ est le déphasage, ou phase à l'origine, exprimé en radians.

De façon stricte, un courant alternatif sinusoïdal est autant de temps (T/2) positif que négatif, ce qui implique que sa composante continue soit nulle. La sinusoïde oscille donc de façon équilibrée autour de 0, impliquant des valeurs moyennes (mathématiquement) u et i nulles, et des valeurs efficaces (électriquement) de

• $\mathrm{U} = \frac{u_0}{\sqrt{2}}$.
• $\mathrm{I} = \frac{i_0}{\sqrt{2}}$.

Considérons les deux signaux sur la figure ci-contre. On dit de ces deux signaux qu'ils sont identiques mais déphasés de π. Entre leurs deux équations, il y a donc seulement le déphasage (ou phase à l'origine) qui diffère.

En réalité, l'important est que la différence des phases à l'origine vaut φ_bleu - φ_rouge = kπ où k est un entier impair, puisqu'un tel déphasage (π radians correspondant à 180 degrés) correspond à un décalage d'un demi-tour sur le cercle trigonométrique. On associe donc à un signal, la valeur opposée de l'autre, car sin(x + k⋅π) = - sin(x). Quand le signal bleu est au maximum, le rouge est au minimum, etc. On remarque donc que les deux signaux sont opposés, c’est-à-dire symétriques par l'axe des abscisses.

Les systèmes de phase

Monophasé

Le courant monophasé est le plus utilisé. Il utilise deux câbles : la phase et le neutre (généralement relié à la terre au dernier transformateur, comme le neutre du courant triphasé).

Biphasé

Le système biphasé est un ancien système de distribution de l'énergie en France. Il n'utilise que deux des trois phases (triphasé) produites et non le neutre contrairement au monophasé et parfois on peut trouver un troisième conducteur la terre . Ce système est encore utilisé, mais il devient de plus en plus rare.

Triphasé

Seuls les alternateurs polyphasés sont susceptibles de fournir une puissance élevée. C'est le courant triphasé qui est utilisé pour la fabrication industrielle de l'électricité. L’alimentation électrique triphasée utilise quatre câbles, un pour chacune des trois phases, et un câble pour le neutre. Chacun des câbles est parcouru par un courant alternatif sinusoïdal déphasé de 2π/3 radians (120 degrés) par rapport aux deux autres câbles. Le neutre est généralement relié à la terre au départ, il n'est donc pas un câble de transport, à l'arrivée il est simplement recréé par un couplage en étoile des enroulements triphasés secondaires du transformateur de distribution basse tension (230/400 volts). Ce neutre est de nouveau relié à une prise de terre aux endroits où cela est nécessaire.

Le courant de phase J est le courant traversant une phase d'un récepteur.

Le courant de ligne I est le courant traversant une ligne.

A, B et C sont le nom des trois lignes. N est le neutre dans le cas d'un raccordement étoile. Dans le cas d'un raccordement triangle, il n'y a pas de neutre.

Si le récepteur est raccordé en étoile (appelé aussi Y), I_A = J_AN.

Si le récepteur est raccordé en triangle (appelé aussi Δ), $I_A=\sqrt{3}J_{AB}e^{(-j\frac{\pi}{6})}$.

Autres systèmes

Le XIX^e siècle et le début du XX^e siècle ont été très prolifiques en types de courants alternatifs. On peut citer :

• Système biphasé : monophasé avec un point milieu
• Système quadriphasé (4 ou 5 fils) : phases à 90 degrés
• Système diphasé (3 fils) : système issu du quadriphasé avec décalage du neutre.

Voir aussi

Les systèmes de fréquences ont aussi été variés. En France, on peut citer le 25 Hz dans le Sud-Ouest et le 42 5 Hz dans la région de Nice.

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