Qu'est-ce que le courant alternatif (AC) ?

La plupart des étudiants en électricité commencent leurs études avec ce qu'on appelle le courant continu (DC), qui est de l'électricité circulant dans une direction constante et/ou possédant une tension à polarité constante.

Le courant continu est le type d'électricité produite par une batterie (avec des bornes positives et négatives définies), ou le type de charge générée en frottant certains types de matériaux les uns contre les autres.

Courant alternatif vs courant continu

Aussi utile et facile à comprendre que soit le courant continu, ce n'est pas le seul « type » d'électricité utilisé. Certaines sources d'électricité (notamment les générateurs électromécaniques rotatifs) produisent naturellement des tensions de polarité alternée, s'inversant positivement et négativement dans le temps.

Soit en tant que polarité de commutation de tension, soit en tant que sens de commutation du courant dans les deux sens, ce «type» d'électricité est connu sous le nom de courant alternatif (AC) :

Courant continu vs alternatif

Alors que le symbole familier de la batterie est utilisé comme symbole générique pour toute source de tension continue, le cercle avec la ligne ondulée à l'intérieur est le symbole générique pour toute source de tension alternative.

On pourrait se demander pourquoi quelqu'un s'embêterait avec une telle chose comme AC. Il est vrai que dans certains cas, le courant alternatif n'a aucun avantage pratique sur le courant continu.

Dans les applications où l'électricité est utilisée pour dissiper l'énergie sous forme de chaleur, la polarité ou la direction du courant n'a pas d'importance, tant qu'il y a suffisamment de tension et de courant à la charge pour produire la chaleur souhaitée (dissipation de puissance). Cependant, avec le courant alternatif, il est possible de construire des générateurs électriques, des moteurs et des systèmes de distribution d'énergie qui sont bien plus efficaces que le courant continu, et nous constatons donc que le courant alternatif est principalement utilisé dans le monde entier dans les applications à haute puissance.

Pour expliquer en détail pourquoi il en est ainsi, quelques connaissances de base sur l'AC sont nécessaires.

Alternateurs CA

Si une machine est construite pour faire tourner un champ magnétique autour d'un ensemble de bobines de fil fixes avec la rotation d'un arbre, une tension alternative sera produite à travers les bobines de fil lorsque cet arbre est tourné, conformément à la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique.

C'est le principe de fonctionnement de base d'un générateur AC, également appelé alternateur :Figure ci-dessous

Fonctionnement de l'alternateur

Remarquez comment la polarité de la tension aux bornes des bobines de fil s'inverse lorsque les pôles opposés de l'aimant rotatif passent.

Connectée à une charge, cette inversion de polarité de tension créera une inversion du sens du courant dans le circuit. Plus l'arbre de l'alternateur est tourné rapidement, plus l'aimant tournera vite, ce qui entraînera une tension et un courant alternatifs qui changeront de direction plus souvent dans un laps de temps donné.

Alors que les générateurs à courant continu fonctionnent sur le même principe général d'induction électromagnétique, leur construction n'est pas aussi simple que leurs homologues à courant alternatif.

Avec un générateur à courant continu, la bobine de fil est montée dans l'arbre où se trouve l'aimant sur l'alternateur CA, et des connexions électriques sont établies avec cette bobine en rotation via des « balais » de carbone fixes en contact avec des bandes de cuivre sur l'arbre rotatif.

Tout cela est nécessaire pour basculer la polarité de sortie changeante de la bobine vers le circuit externe afin que le circuit externe voit une polarité constante :

Fonctionnement du générateur CC

Le générateur illustré ci-dessus produira deux impulsions de tension par tour de l'arbre, les deux impulsions dans la même direction (polarité). Pour qu'un générateur CC produise constant tension, plutôt que de brèves impulsions de tension une fois tous les 1/2 tour, il existe plusieurs ensembles de bobines en contact intermittent avec les balais.

Le schéma ci-dessus est un peu plus simplifié que ce que vous verriez dans la vraie vie.

Les problèmes liés à l'établissement et à la rupture du contact électrique avec une bobine mobile devraient être évidents (étincelles et chaleur), surtout si l'arbre du générateur tourne à grande vitesse. Si l'atmosphère entourant la machine contient des vapeurs inflammables ou explosives, les problèmes pratiques de contacts de balais produisant des étincelles sont encore plus importants.

Un générateur à courant alternatif (alternateur) ne nécessite pas de balais et de collecteurs pour fonctionner, et est donc à l'abri de ces problèmes rencontrés par les générateurs à courant continu.

Moteurs AC

Les avantages du courant alternatif par rapport au courant continu en ce qui concerne la conception des générateurs se reflètent également dans les moteurs électriques.

Alors que les moteurs à courant continu nécessitent l'utilisation de balais pour établir un contact électrique avec des bobines de fil mobiles, les moteurs à courant alternatif ne le font pas. En fait, les conceptions de moteurs à courant alternatif et à courant continu sont très similaires à leurs homologues de générateur (identiques pour les besoins de ce tutoriel), le moteur à courant alternatif dépendant du champ magnétique inverse produit par le courant alternatif à travers ses bobines de fil fixes pour faire tourner l'aimant rotatif autour de son arbre, et le moteur à courant continu dépend des contacts de la brosse établissant et brisant les connexions pour inverser le courant à travers la bobine rotative toutes les 1/2 rotations (180 degrés).

Transformateurs

Nous savons donc que les générateurs à courant alternatif et les moteurs à courant alternatif ont tendance à être plus simples que les générateurs à courant continu et les moteurs à courant continu. Cette relative simplicité se traduit par une plus grande fiabilité et un moindre coût de fabrication. Mais à quoi sert AC d'autre ? Il doit sûrement y avoir plus que des détails de conception de générateurs et de moteurs ! En effet, il y a.

Il existe un effet de l'électromagnétisme connu sous le nom d'induction mutuelle , par lequel deux ou plusieurs bobines de fil placées de sorte que le champ magnétique changeant créé par l'une induit une tension dans l'autre. Si nous avons deux bobines mutuellement inductives et que nous alimentons une bobine avec du courant alternatif, nous créerons une tension alternative dans l'autre bobine. Lorsqu'il est utilisé en tant que tel, cet appareil est connu sous le nom de transformateur :

Le transformateur « transforme » la tension et le courant alternatifs.

L'importance fondamentale d'un transformateur est sa capacité à augmenter ou à diminuer la tension de la bobine alimentée à la bobine non alimentée. La tension alternative induite dans la bobine non alimentée (« secondaire ») est égale à la tension alternative aux bornes de la bobine alimentée (« principale ») multipliée par le rapport entre les spires de la bobine secondaire et les spires de la bobine primaire.

Si la bobine secondaire alimente une charge, le courant traversant la bobine secondaire est exactement le contraire :le courant de la bobine primaire multiplié par le rapport des spires primaires aux spires secondaires. Cette relation a une analogie mécanique très proche, utilisant le couple et la vitesse pour représenter respectivement la tension et le courant :

Le train d'engrenages à multiplication de vitesse réduit le couple et accélère. Le transformateur abaisseur abaisse la tension et augmente le courant.

Si le rapport d'enroulement est inversé de sorte que la bobine primaire a moins de tours que la bobine secondaire, le transformateur « élève » la tension du niveau de la source à un niveau plus élevé à la charge :

Le train d'engrenages de réduction de vitesse augmente le couple et réduit la vitesse. Le transformateur élévateur augmente la tension et diminue le courant.

La capacité du transformateur à augmenter ou diminuer facilement la tension alternative donne au courant alternatif un avantage inégalé par rapport au courant continu dans le domaine de la distribution d'énergie dans la figure ci-dessous.

Lors de la transmission d'énergie électrique sur de longues distances, il est beaucoup plus efficace de le faire avec des tensions élevées et des courants abaissés (fil de plus petit diamètre avec moins de pertes de puissance résistives), puis réduisez la tension et le courant vers le haut pendant l'industrie, l'entreprise ou l'utilisation par les consommateurs.

Les transformateurs permettent une transmission haute tension efficace sur de longues distances de l'énergie électrique.

La technologie des transformateurs a rendu pratique la distribution d'énergie électrique à longue portée. Sans la possibilité d'augmenter et de diminuer efficacement la tension, il serait trop coûteux de construire des systèmes d'alimentation pour autre chose que l'utilisation à courte distance (à quelques kilomètres au maximum).

Aussi utiles que soient les transformateurs, ils ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif, pas du courant continu. Parce que le phénomène d'inductance mutuelle repose sur le changement les champs magnétiques et le courant continu (CC) ne peuvent produire que des champs magnétiques stables, les transformateurs ne fonctionneront tout simplement pas avec du courant continu.

Bien sûr, le courant continu peut être interrompu (pulsé) à travers l'enroulement primaire d'un transformateur pour créer un champ magnétique changeant (comme c'est le cas dans les systèmes d'allumage automobile pour produire une puissance de bougie d'allumage haute tension à partir d'une batterie CC basse tension), mais Le courant continu pulsé n'est pas si différent du courant alternatif.

Peut-être plus que toute autre raison, c'est pourquoi le courant alternatif trouve une application si répandue dans les systèmes d'alimentation.

AVIS :

• DC signifie « courant continu », ce qui signifie une tension ou un courant qui maintient une polarité ou une direction constante, respectivement, au fil du temps.
• AC signifie « courant alternatif », ce qui signifie une tension ou un courant qui change de polarité ou de direction, respectivement, au fil du temps.
• Générateurs électromécaniques à courant alternatif, appelés alternateurs , sont de construction plus simple que les générateurs électromécaniques à courant continu.
• La conception des moteurs CA et CC suit de très près les principes de conception des générateurs respectifs.
• Un transformateur est une paire de bobines mutuellement inductives utilisées pour transporter le courant alternatif d'une bobine à l'autre. Souvent, le nombre de tours dans chaque bobine est défini pour créer une augmentation ou une diminution de tension de la bobine alimentée (principale) à la bobine non alimentée (secondaire).
• Tension secondaire =Tension primaire (tours secondaires / tours primaires)
• Courant secondaire =Courant primaire (tours primaires / tours secondaires)

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les alimentations AC-DC de base
• Fiche de travail sur les transformateurs d'augmentation, de diminution et d'isolement