Légende de la leçon
Vert : définitions
I. Le régime sinusoïdal
1) La puissance apparente S
La puissance apparente S s’exprime en volt.ampère (V.A) et a la dimension d’une puissance en watt (W). Elle est égale au produit des valeurs efficaces de la tension Ueff en volt (V) et de l’intensité Ieff en ampère (A) du courant : S = Ueff × Ieff.
C’est une grandeur de dimensionnement d’une installation électrique.
2) La puissance active P
La puissance active P est égale à la puissance moyenne mise en jeu par une installation électrique. Elle s’exprime en watt (W).
3) Le facteur de puissance k
Le facteur de puissance k est le rapport de la puissance active P par la puissance apparente S en régime sinusoïdal : k = PS. Il est sans dimension et compris entre 0 et 1.
Ainsi, la puissance active s’écrit P = k × S = k × Ueff × Ieff.
Dans un circuit électrique, les dipôles n’ont pas le même impact sur la puissance active, c’est pour cela que le facteur de puissance est inférieur ou égal à 1. Pour un circuit ne comportant que des résistances, k égale 1 ; s’il y a des inductances (bobines) ou des capacités, alors k devient inférieur à 1.
Application
Les courbes ci-dessous représentent l’évolution de la puissance instantanée en bleu foncé (produit de la tension et du courant instantanés) consommée par un dipôle soumis à une tension efficace Ueff = 230 V et traversé par un courant d’intensité efficace Ieff = 18 A. La puissance apparente vaut donc S = 4,4 x 103 V.A.
Les deux cas présentés ont des facteurs de puissance k différents :
- à gauche, le facteur de puissance k est égal à 1 (valeur maximale) : la tension et le courant sont en phase. La puissance instantanée est toujours positive et la puissance active (puissance moyenne) est maximale et égale à la puissance apparente ;
- à droite, le facteur de puissance est égal à 0,7 : le courant est « en retard » par rapport à la courbe de la tension. La puissance instantanée prend par moments des valeurs négatives, le dipôle refoule périodiquement de l’énergie sur le réseau, aussi la puissance active est plus faible que la puissance apparente.
II. Le transport et la distribution de l’énergie électrique
1) Le réseau
a) Définition
Un réseau électrique achemine l’énergie électrique des centres de production vers les consommateurs finaux.
Il comporte de nombreuses lignes électriques (sur des pylônes, enterrées) travaillant à des tensions définies. Ces lignes sont connectées entre elles grâce aux postes électriques, qui permettent de modifier la tension de la ligne à l’aide de transformateurs et de la diriger vers les consommateurs.
Le réseau électrique
L’énergie électrique ne pouvant pas être stockée, il faut donc assurer une gestion efficace de l’ensemble de la chaîne, de la production jusqu’au consommateur en passant par le transport.
b) La production de l’énergie
L’électricité peut être produite de différentes manières, mais en utilisant presque toujours le même principe : la transformation d’un mouvement de rotation en énergie électrique à l’aide d’un alternateur.
En France, la production d’électricité est essentiellement d’origine nucléaire (78 %). Le reste est produit par des usines hydrauliques et thermiques. Les énergies renouvelables, telles que l’éolien ou le photovoltaïque, produisent une part croissante d’électricité, qui reste cependant limitée.
c) L’acheminement de l’énergie
La tension produite est portée à la sortie du site de production à une tension de 400 kV, grâce à un transformateur élévateur de tension, ce qui permet de transporter de grandes quantités d’énergie sur de longues distances avec le minimum de pertes d’électricité. Ce réseau assure le lien entre les régions, il est interconnecté aux réseaux des pays voisins en Europe.
À l’échelle régionale ou locale, le transport est assuré en très haute tension (225 kV) et en haute tension (63 à 90 kV). Cette partie du réseau achemine l’électricité jusqu’aux grands consommateurs industriels et aux réseaux de distribution.
L’électricité passe du réseau de transport aux réseaux de distribution dans des postes de transformation abaisseurs de tension : la haute et très haute tension est transformée en moyenne tension (15 à 20 kV) ou en basse tension (400 et 230 V). Les réseaux de distribution alimentent les particuliers, les petits commerçants, les collectivités locales et les petites et moyennes entreprises.
La tension délivrée par les prises électriques chez les particuliers a une fréquence de 50 hertz et une tension efficace de 230 V.
2) Le choix de la tension alternative
Le réseau électrique européen a globalement la même structure d’un pays à l’autre, pour pouvoir faire transiter de fortes puissances électriques au sein de l’Europe. Les distances à parcourir sont énormes, les pertes énergétiques par effet Joule doivent être réduites au maximum. Le choix de la tension alternative a donc été fait pour pouvoir transporter de grandes quantités d’énergie électrique sur de longues distances.
La justification se trouve dans les pertes thermiques créées par l’effet Joule. En effet, une ligne électrique ayant une résistance R peut être considérée comme un conducteur ohmique. La puissance Joule s’exprime par PJ = R.I2. Pour transporter une puissance électrique élevée en tension continue, il faut faire passer une intensité forte, ce qui engendre une perte importante sous forme thermique sur de grandes distances.
Ainsi, l’utilisation de la tension continue entraîne des pertes d’énergie élevées et oblige à avoir de nombreux sites de production, très proches des consommateurs. La tension continue a donc été abandonnée au profit de tensions alternatives triphasées, qui permettent de transporter de très fortes puissances électriques à travers un pays ou un continent. Pour limiter l’effet Joule, il faut augmenter la tension électrique U.
Définition
L’effet Joule est une perte d’énergie sous forme de chaleur.
3) Les transformateurs de tension
Les transformateurs permettent d’élever ou d’abaisser la valeur d’une tension alternative. Un transformateur est représenté par le schéma ci-contre. On les trouve aux extrémités des réseaux de transport et de distribution :
- un transformateur élévateur de tension à la sortie des centrales de production d’électricité ;
- un transformateur abaisseur après le transport de l’électricité.
Fonctionnement d’un transformateur
Un transformateur est constitué d’un circuit magnétique. Il comporte deux enroulements. On définit le rapport de transformation, noté m, comme le rapport du nombre de spires à l’enroulement secondaire N2 par le nombre de spires à l’enroulement primaire N1.
Ce rapport de transformation m est égal au rapport de la tension de sortie U2 au secondaire par la tension d’entrée U1 au primaire :
m = N2N1= U2U1.
Un transformateur ne fonctionne pas en courant continu, la tension de sortie est alors nulle.
Exemple
Un transformateur comporte N1 = 500 spires au primaire et N2 = 50 spires au secondaire. Calculez le rapport de transformation et la tension de sortie U2 si la tension d’entrée U1 est égale à 12,0 V.
Le rapport de transformation vaut donc 50500 = 0,10. Ce rapport est aussi égal au rapport de tension U2U1, donc U2U1 = 0,10, soit U2 = 0,10 × U1 = 1,2 V.
Remarque
Si N1 < N2 alors m > 1 et U2 > U1, c’est un transformateur élévateur de tension.
Si N1 > N2 alors m < 1 et U2 < U1, c’est un transformateur abaisseur de tension.
III. La protection
1) La protection des individus contre les risques du courant électrique
a) Les principaux effets physiologiques du courant
Les effets physiologiques de l’électricité sont liés à l’intensité du courant qui circule dans le corps humain et non à la tension. Cependant, l’intensité du courant dépend de la tension appliquée et de la résistance du corps humain. Les effets seront différents selon le chemin suivi par ce courant dans le corps humain et selon la fréquence : un courant circulant entre les doigts d’une même main ou traversant la cage thoracique n’aura pas les mêmes conséquences. Considérons les dangers liés à un courant passant entre les deux mains ou entre une main et les pieds d’une personne.
Les tableaux suivants présentent les effets du courant en fonction de l’intensité :
La fibrillation cardiaque provoque un dérèglement du rythme cardiaque, conduisant à un arrêt du cœur. Au-delà de quelques ampères, le courant peut créer des brûlures internes ou externes.
Application
Les courbes suivantes présentent de manière détaillée les effets physiologiques du courant en fonction de l’intensité du courant I qui traverse le corps et de la durée, pour un courant alternatif de fréquence 50 Hz.
Effets physiologiques d’un courant alternatif de fréquence 50 Hz
La zone ➀ correspond à une non-perception du courant.
La zone ➁ correspond à une perception du courant mais sans incidence.
Dans la zone ➂, la personne ressent des crispations musculaires, mais les effets sont réversibles.
La zone ➃ est la plus dangereuse, les effets peuvent être irréversibles.
La courbe noire continue est la courbe de protection des personnes : une personne ne subira aucun effet si elle n’est pas traversée par un courant supérieur à cette frontière pour une durée donnée.
On remarque que l’intensité maximale pouvant être supportée pendant plusieurs secondes sans danger est 30 mA. C’est pour cela que des dispositifs de protection des personnes, appelés « disjoncteurs différentiels » se déclenchent pour cette valeur limite de 30 mA lorsqu’ils détectent un courant de fuite supérieur ou égal à cette valeur.
b) Le seuil de dangerosité des tensions
Courbes de sécurité électrique
Le corps présente une résistance différente selon qu’il est sec, humide ou immergé. Le courant qui traverse le corps est donc différent selon que le corps est sec ou non. Les tensions présentant un danger varient et on définit des tensions limites au-dessus desquelles une personne est en danger.
On peut alors construire des courbes de sécurité en fonction de la tension, du temps de contact et de la présence d’eau (voir ci-contre).
c) Les dispositifs de protection
L’ensemble de l’installation électrique doit être raccordée à la terre. Cela nécessite :
- une prise de terre ;
- des conducteurs associés aux différents circuits de l’installation électrique ;
- une liaison équipotentielle principale reliant à la terre les canalisations métalliques rentrant dans le bâtiment, afin d’éviter des tensions électriques entre différents points du réseau d’eau.
Les hommes sont alors protégés de l’électrocution par le disjoncteur différentiel. Celui-ci se déclenche dès qu’il détecte un courant de fuite au niveau de la terre, supérieur à un seuil. En général, ce seuil est choisi à 30 mA. Le disjoncteur différentiel est placé sur le panneau électrique principal.
Disjoncteur différentiel
S’il n’y a pas de défaut (pas de rupture d’isolant), I1 = I2, le disjoncteur différentiel (DD) ne se déclenche pas.
En présence d’un défaut d’isolement, I1 – I2 = If, le circuit de détection du disjoncteur différentiel compare le courant de fuite If et l’intensité de référence permise Iréf. Si If atteint Iréf (intensité de déclenchement), les interrupteurs s’ouvrent et l’équipement sera automatiquement mis hors tension.
2) La protection des matériels contre les risques du courant électrique
Le réseau électrique comporte des fils électriques dont la section doit être adaptée à l’intensité électrique alimentant les appareils.
La protection des installations est réalisée par un système qui coupe l’alimentation dès que le courant dépasse un seuil jugé dangereux (qui pourrait par exemple conduire à un incendie par mise en contact des fils conducteurs après fusion des gaines de protection) pour les instruments électriques à travers lesquels ce courant passe. On trouve dans cette catégorie :
- les fusibles, qui fondent dès que l’intensité du courant devient trop élevée, ce qui coupe le circuit. Il faut changer le fusible lorsqu’il a coupé le circuit, car il n’est plus utilisable ;
- les disjoncteurs, des interrupteurs qui coupent le circuit à chaque fois que l’intensité du courant est trop élevée. Il suffit de le réenclencher en le mettant sur la position « marche » lorsque l’on veut remettre l’installation sous tension (après avoir trouvé et éliminé l’origine de déclenchement du disjoncteur).