Courant alternatif

Nature du courant alternatif

Le courant alternatif (CA) est un courant qui change constamment de sens. Les électrons vont donc alternativement dans un sens puis dans l'autre. Ces variations suivent généralement une loi sinusoïdale. Partant de zéro, le courant alternatif croît jusqu’à une valeur maximale puis diminue, repasse par une valeur nulle pour changer de sens, atteindre la même intesité mais dans l’autre sens, décroître à nouveau et répéter indéfiniment ce même cycle. Chaque cycle comporte deux alternances, l’une positive l’autre négative. Nous verrons que le courant alternatif est caractérisé par sa fréquence mesurée en hertz (Hz). Cette fréquence est de 50Hz pour la ditribution du courant en Europe.

Intérêt du courant alternatif

L'intérêt du courant alternatif est qu'il est facile à transformer. Les transformateurs permettent de modifier une tension alternative sans créer trop de pertes. Ces transformations des tensions sont nécessaires pour le transport du courant. En effet, nous savons que la puissance est donnée par le produit de la tension par l'intensité du courant  P = U x I

Les pertes dans les conducteurs durant le transport sont causées par la résistance des conducteurs et sont proportionnelles au carré de l'intensité  P = R . I²
On réduit donc l'intensité pour limiter les pertes tout en augmentant la tension car la puissance véhiculée doit rester la même P = U x I

C'est la raison pour laquelle les électriciens transportent les grandes quantités d'électricité en haute tension. Des transformateurs permettent ensuite de diminuer ces tensions pour distribuer l'électricité dans les habitations. La tension secteur est généralement de 230V dans nos régions.

D'autres raisons font que la distribution électrique se fait habituellement en courant alternatif :

• Les alternateurs qui produisent le courant alternatif sont plus simples à réaliser et ont un meilleur rendement que les générateurs de courant continu.
• Les moteurs à courant alternatif sont plus simples que les moteurs DC.
• La coupure d'un courant alternatif est plus facile car le courant passe régulièrement par zéro alors qu'en courant continu un arc électrique a tendance à subsister.
• Le courant alternatif est aisément transformé en courant continu.

Caractéristiques du courant alternatif

Le courant que nous fournit la compagnie d'électricité est périodique et sinusoïdal.

Périodique: la tension change périodiquement de sens, le courant s'inverse constamment.

Sinusoïdal: La tension varie en fonction du temps suivant une courbe appelée sinusoïde. Cette allure est due au principe de fonctionnement des alternateurs.

Durant un tour de l'alternateur celui-ci crée une alternance positive suivie d'une alternance négative.

On appelle période la durée des deux alternaces. La période est désignée par la lettre T et s'exprime en secondes.

La fréquence est le nombre de périodes par seconde. Elle s'exprime en Hertz (Hz)

Génération d'une sinusoïde

Le rotor dans un alternateur crée un champ tournant que nous représentons par un vecteur. La rotation du rotor engendre des fluctuations du champ magnétique qui correspondent à la projection verticale du vecteur tournant.

Certaines formules font appel à la pulsation ω (Oméga) Cette grandeur est étroitement liée à la fréquence. Elle correspond à la vitesse angulaire du vecteur tournant qui nous a servi à tracer la sinusoïde. La pulsation s'exprime en radians par seconde.

Déphasage Courant / Tension

Nous verrons en parlant des bobines et des condensateurs que le courant instantané  ' i '  ne fluctue pas toujours en phase avec la tension instantanée  ' u ' . Une tension alternative sinusoïdale engendre bien un courant alternatif sinusoïdal mais selon la nature du circuit électrique, le courant est en retard, en phase ou en avance sur la tension. Le décalage entre les deux signaux pourrait être exprimé en fractions de secondes mais les électriciens ont trouvé plus pratique d'exprimer ce déphasage par un angle : l'angle φ est le déphasage qu'il y a entre les vecteurs tournants dont les cycles nous servent à tracer les sinusoïdes u_(t) et i_(t)

Valeurs d'un courant alternatif

Outre la fréquence ou la pulsation, ce qui revient presque au même, nous devons aussi mesurer des tensions ou des intensités. Comme en alternatif ces grandeurs varient continuellement, nous distinguerons trois types de valeurs : instantanées, maximales et efficaces.

Valeur maximale

Les valeurs maximales notées Um et Im ne sont pas très utiles puisqu’elles ne sont atteintes que très passagèrement. Ce sont les valeurs absolues des amplitudes mesurées aux sommets des alternances positives ou négatives.

Valeur instantanée

• Les valeurs instantanées sont fluctuantes. Elles sont fonctions des valeurs maximales, de la pulsation ω et de l'instant où elles sont mesurées
  
  
• L'angle φ exprime ici que le courant peut être en retard ou en avance par rapport à la tension.

Valeur efficace

Les mesures faites en alternatif avec un voltmètre ou un ampèremètre sont les valeurs efficaces. Ce sont celles que l’on mesurerait en courant continu pour avoir les mêmes effets.
L'intensité efficace d'un courant alternatif est la valeur de l'intensité d'un courant continu qui produirait la même quantité de chaleur dans une même résistance.
Le courant efficace parfois noté I_eff mais le plus souvent simplement I.

De même, la tension efficace est égale à la tension maximale divisée par racine de 2. Ainsi, la tension de 230 V du réseau est en réalité une tension alternative qui fluctue entre 325 V et - 325 V.

Que devient la loi d’Ohm en alternatif ?

Certains éléments de circuits s’opposent aux fluctuations du courant (les bobines) ou de la tension (les condensateurs) sans pour autant consommer de l’énergie comme le ferait une simple résistance. Ce phénomène est semblable à celui qu’on observe en mécanique si l’on compare l’effet des frottements et ceux des ressorts pour des mouvements oscillants. Les frottements transforment l’énergie en chaleurs alors qu’un ressort qui oscille emmagasine de l’énergie par moments mais la restitue immédiatement dès que le mouvement change de sens.

Il en va de même pour les bobines et les condensateurs. Ces composants présentent une réactance qui s’oppose aux fluctuations du courant. C’est notamment cette réactance qui est responsable du déphasage entre le courant et la tension.

Les circuits purement réactifs sont assez rares. Le plus souvent ils sont a la fois réactifs et résistifs, on parle alors d’impédance pour désigner la combinaison de ces deux phénomènes.

L’impédance s’exprime en Ohm (Ω) comme pour les résistances. Cette grandeur est représentée par la lettre Z.

On écrira par exemple la loi d’Ohm sous la forme     I = U / Z

Ne confondez cependant pas l’impédance Z avec la résistance R :
- la résistance R ne dépend pas de la nature du courant ( AC ou DC peu importe)
- l’impédance Z n’est à considérer qu’en alternatif elle dépend de la fréquence.

Nous y reviendrons dans les pages qui parlent des bobines et des condensateurs.

Puissances en alternatif

Puissance active

La puissance active, autrement dit la puissance électrique qui se converti en puissance mécanique ou calorifique, se calcule par le produit de la tension efficace et du courant efficace, multiplié par le "facteur de puissance" cos φ

P = U . I . cos φ

φ est l'angle de déphasage entre U et I.
Le facteur de puissance est une valeur comprise entre 0 et 1.
L’unité de puissance active est le watt (W).

Pour une résistance pure, le courant est en phase avec la tension. Le déphasage entre U et I est nul et le facteur de puissance vaut 1. (cos 0° = 1)
Dans le cas d'un circuit purement résistif, la puissance se calcule donc comme en courant continu :

P = U . I . cos φ     devient simplement     P = U . I

Par contre, lorsque le circuit est en partie capacitif (forte influence de condensateurs) ou inductif (présence importante de bobines), le facteur de puissance dépend du déphasage dont la valeur est plus difficile à connaître.
Une façon relativement simple d’évaluer le facteur de puissance est de mesure la puissance consommée avec un wattmètre puis de diviser le résultat mesuré par le produit U . I

Puissance apparente et puissance réactive

Les puissances que nous considérons ici peuvent être représentées graphiquement par le triangle des puissances.

Une étude plus approfondie de ce sujet sort du cadre de ce cours. Sachez toutefois que la puissance apparente, même si elle n'est pas aussi "réelle" que la puissance active, demande tout de même un excédent d'intensité et provoque donc indirectement des pertes supplémentaires dans les conducteurs.