Systèmes d'alimentation monophasés

Le diagramme schématique du système d'alimentation monophasé montre peu de choses sur le câblage d'un circuit d'alimentation pratique.

Représenté ci-dessus, est un circuit AC très simple. Si la dissipation de puissance de la résistance de charge était importante, nous pourrions appeler cela un "circuit d'alimentation" ou un "système d'alimentation" au lieu de le considérer comme un simple circuit normal.

La distinction entre un « circuit de puissance » et un « circuit normal » peut sembler arbitraire, mais les préoccupations pratiques ne le sont certainement pas.

Analyse de circuit pratique

L'une de ces préoccupations est la taille et le coût du câblage nécessaire pour fournir l'alimentation de la source CA à la charge. Normalement, nous ne réfléchissons pas beaucoup à ce type de problème si nous analysons simplement un circuit dans le but de connaître les lois de l'électricité.

Cependant, dans le monde réel, cela peut être une préoccupation majeure. Si nous donnons à la source dans le circuit ci-dessus une valeur de tension et donnons également des valeurs de dissipation de puissance aux deux résistances de charge, nous pouvons déterminer les besoins de câblage pour ce circuit particulier :

En pratique, le câblage pour les charges de 20 kW à 120 Vac est assez conséquent (167 A).

83,33 ampères pour chaque résistance de charge dans la figure ci-dessus ajoute jusqu'à 166,66 ampères de courant de circuit total. Ce n'est pas une petite quantité de courant et nécessiterait des conducteurs en fil de cuivre d'au moins 1/0 jauge.

Un tel fil mesure bien plus de 1/4 de pouce (6 mm) de diamètre et pèse plus de 300 livres par mille pieds. Gardez à l'esprit que le cuivre n'est pas bon marché non plus ! Il serait dans notre intérêt de trouver des moyens de minimiser ces coûts si nous concevions un système d'alimentation avec de longues longueurs de conducteurs.

Une façon de le faire serait d'augmenter la tension de la source d'alimentation et d'utiliser des charges conçues pour dissiper 10 kW chacune à cette tension plus élevée.

Les charges, bien sûr, devraient avoir des valeurs de résistance plus élevées pour dissiper la même puissance qu'avant (10 kW chacune) à une tension plus élevée qu'avant.

L'avantage serait moins de courant requis, permettant l'utilisation de fil plus petit, plus léger et moins cher :

Les mêmes charges de 10 kW à 240 Vca nécessitent un câblage moins important qu'à 120 Vca (83 A).

Maintenant notre total le courant du circuit est de 83,33 ampères, la moitié de ce qu'il était avant.

Nous pouvons maintenant utiliser du fil de calibre 4, qui pèse moins de la moitié de ce que fait un fil de calibre 1/0 par unité de longueur. Il s'agit d'une réduction considérable du coût du système sans dégradation des performances.

C'est pourquoi les concepteurs de systèmes de distribution d'énergie choisissent de transmettre l'énergie électrique en utilisant des tensions très élevées (plusieurs milliers de volts) :pour capitaliser sur les économies réalisées grâce à l'utilisation de fils plus petits, plus légers et moins chers.

Dangers d'augmentation de la tension source

Cependant, cette solution n'est pas sans inconvénients. Un autre problème pratique avec les circuits d'alimentation est le risque de choc électrique dû aux hautes tensions.

Encore une fois, ce n'est généralement pas le genre de chose sur laquelle nous nous concentrons lorsque nous apprenons les lois de l'électricité, mais c'est une préoccupation très valable dans le monde réel, en particulier lorsque de grandes quantités d'énergie sont traitées.

Le gain d'efficacité réalisé en augmentant la tension du circuit nous présente un risque accru de choc électrique. Les sociétés de distribution d'électricité s'attaquent à ce problème en enfilant leurs lignes électriques le long de poteaux ou de tours élevés et en isolant les lignes des structures de support avec de grands isolateurs en porcelaine.

Au point d'utilisation (le client de l'électricité), il reste le problème de la tension à utiliser pour alimenter les charges.

La haute tension donne une plus grande efficacité du système grâce à un courant de conducteur réduit, mais il n'est pas toujours pratique de garder le câblage d'alimentation hors de portée au point d'utilisation de la manière dont il peut être élevé hors de portée dans les systèmes de distribution.

Ce compromis entre efficacité et danger est celui que les concepteurs de systèmes électriques européens ont décidé de risquer, tous leurs foyers et appareils fonctionnant à une tension nominale de 240 volts au lieu de 120 volts comme c'est le cas en Amérique du Nord.

C'est pourquoi les touristes américains visitant l'Europe doivent emporter de petits transformateurs abaisseurs pour leurs appareils portables, afin de réduire l'alimentation 240 VAC (volts AC) à une alimentation 120 VAC plus appropriée.

Solutions pour la livraison de tension aux consommateurs

Transformateurs abaisseurs au point final d'utilisation de l'alimentation

Existe-t-il un moyen de profiter à la fois des avantages d'une efficacité accrue et d'une réduction des risques pour la sécurité ?

Une solution serait d'installer des transformateurs abaisseurs au point final de la consommation électrique, tout comme le touriste américain doit le faire lorsqu'il est en Europe.

Cependant, cela serait coûteux et peu pratique pour tout sauf de très petites charges (où les transformateurs peuvent être construits à moindre coût) ou de très grandes charges (où les dépenses de fils de cuivre épais dépasseraient les dépenses d'un transformateur).

Deux charges de tension inférieure en série

Une solution alternative serait d'utiliser une alimentation à tension plus élevée pour alimenter deux charges à tension plus faible en série. Cette approche combine l'efficacité d'un système haute tension avec la sécurité d'un système basse tension :

Charges 120 Vca connectées en série, alimentées par une source 240 Vca à un courant total de 83,3 A.

Notez les marques de polarité (+ et -) pour chaque tension affichée, ainsi que les flèches unidirectionnelles pour le courant.

Pour la plupart, j'ai évité d'étiqueter les « polarités » dans les circuits CA que nous avons analysés, même si la notation est valide pour fournir un cadre de référence pour la phase.

Dans les sections ultérieures de ce chapitre, les relations de phase deviendront très importantes, j'introduis donc cette notation au début du chapitre pour votre familiarité.

Le courant à travers chaque charge est le même que dans le circuit simple de 120 volts, mais les courants ne sont pas additifs car les charges sont en série plutôt qu'en parallèle.

La tension aux bornes de chaque charge n'est que de 120 volts, pas de 240, donc le facteur de sécurité est meilleur. Remarquez, nous avons toujours 240 volts complets sur les fils du système d'alimentation, mais chaque charge fonctionne à une tension réduite.

Si quelqu'un doit être choqué, il y a de fortes chances que ce soit en entrant en contact avec les conducteurs d'une charge particulière plutôt qu'en contactant les fils principaux d'un système d'alimentation.

Modifications apportées à la conception des séries à deux charges

Il n'y a qu'un seul inconvénient à cette conception :les conséquences d'une panne d'ouverture ou d'arrêt d'une charge (en supposant que chaque charge dispose d'un interrupteur marche/arrêt en série pour interrompre le courant) ne sont pas bonnes.

Étant un circuit en série, si l'une des charges s'ouvrait, le courant s'arrêterait également dans l'autre charge. Pour cette raison, nous devons modifier un peu le design :(Figure ci-dessous)

L'ajout d'un conducteur neutre permet aux charges d'être pilotées individuellement.

Système d'alimentation à phase divisée

Au lieu d'une seule alimentation 240 volts, nous utilisons deux alimentations 120 volts (en phase l'une avec l'autre !) en série pour produire 240 volts, puis acheminons un troisième fil jusqu'au point de connexion entre les charges pour gérer l'éventualité d'une charge ouverture.

C'est ce qu'on appelle une phase fractionnée système du pouvoir. Trois fils plus petits sont toujours moins chers que les deux fils nécessaires avec la conception parallèle simple, nous sommes donc toujours en avance sur l'efficacité.

L'observateur avisé remarquera que le fil neutre n'a qu'à porter la différence de courant entre les deux charges vers la source.

Dans le cas ci-dessus, avec des charges parfaitement "équilibrées" consommant des quantités égales d'énergie, le fil neutre transporte un courant nul.

Remarquez comment le fil neutre est connecté à la terre à l'extrémité de l'alimentation. Il s'agit d'une caractéristique courante dans les systèmes d'alimentation contenant des fils « neutres », car la mise à la terre du fil neutre garantit la tension la plus faible possible à un moment donné entre tout fil « chaud » et la terre.

Un composant essentiel d'un système d'alimentation à phase séparée est la double source de tension alternative. Heureusement, en concevoir et en construire un n'est pas difficile.

Étant donné que la plupart des systèmes à courant alternatif reçoivent de toute façon leur alimentation d'un transformateur abaisseur (baisse de la tension des niveaux de distribution élevés à une tension de niveau utilisateur comme 120 ou 240), ce transformateur peut être construit avec un enroulement secondaire à prise centrale :

L'alimentation américaine 120/240 Vca est dérivée d'un transformateur de service à prise centrale.

Si l'alimentation CA provient directement d'un générateur (alternateur), les bobines peuvent être à prise centrale de la même manière pour le même effet. La dépense supplémentaire pour inclure une connexion à prise centrale dans un enroulement de transformateur ou d'alternateur est minime.

C'est ici que les marques de polarité (+) et (-) deviennent vraiment importantes. Cette notation est souvent utilisée pour référencer les phasages de multiple Sources de tension alternative, il est donc clair si elles s'aident (« se renforcent ») ou s'opposent (« s'opposent »).

Sans ces marquages ​​de polarité, les relations de phase entre plusieurs sources CA pourraient être très déroutantes. Notez que les sources à phase séparée dans le schéma (chacune 120 volts 0°), avec des marques de polarité (+) à (-) tout comme les batteries d'aide en série peuvent également être représentées comme telles :(Figure ci-dessous)

Une source à phase divisée 120/240 Vca équivaut à deux séries d'aide à des sources 120 Vca.

Pour calculer mathématiquement la tension entre les fils « chauds », nous devons soustraire tensions, car leurs marques de polarité montrent qu'elles sont opposées :

Si nous marquons le point de connexion commun des deux sources (le fil neutre) avec la même marque de polarité (-), nous devons exprimer leurs déphasages relatifs à 180° l'un de l'autre. Sinon, on désignerait deux sources de tension en opposition directe l'une avec l'autre, ce qui donnerait 0 volt entre les deux conducteurs « chauds ».

Pourquoi est-ce que je prends le temps d'élaborer sur les marques de polarité et les angles de phase ? Cela aura plus de sens dans la section suivante !

Les systèmes d'alimentation des ménages américains et de l'industrie légère sont le plus souvent du type à phase divisée, fournissant une alimentation dite 120/240 VAC. Le terme « phase divisée » se réfère simplement à l'alimentation en tension divisée dans un tel système.

Dans un sens plus général, ce type d'alimentation en courant alternatif est appelé monophasé parce que les deux formes d'onde de tension sont en phase ou en pas l'une avec l'autre.

Le terme « monophasé » est un contrepoint à un autre type de système électrique appelé « polyphasé » que nous sommes sur le point d'étudier en détail. Toutes nos excuses pour la longue introduction menant au sujet titre de ce chapitre.

Les avantages des systèmes électriques polyphasés sont plus évidents si l'on a d'abord une bonne compréhension des systèmes monophasés.

AVIS :

• Monophasé les systèmes d'alimentation sont définis en ayant une source CA avec une seule forme d'onde de tension.
• Une phase divisée Le système d'alimentation est un système avec plusieurs sources de tension alternative (en phase) connectées en série, fournissant de l'énergie aux charges à plus d'une tension, avec plus de deux fils. Ils sont principalement utilisés pour atteindre un équilibre entre l'efficacité du système (faibles courants de conducteur) et la sécurité (faibles tensions de charge).
• Les sources CA à phase divisée peuvent être facilement créées en tapant au centre des enroulements de bobines de transformateurs ou d'alternateurs.

FICHES DE TRAVAIL CONNEXES :

• Fiche de travail sur les systèmes d'alimentation polyphasés