Courant alternatif - Alternating current

Courant alternatif (courbe verte). L'axe horizontal mesure le temps (il représente également zéro tension/courant) ; la verticale, le courant ou la tension.

Le courant alternatif ( AC ) est un courant électrique qui change périodiquement de direction et change continuellement d'amplitude avec le temps, contrairement au courant continu (DC) qui ne circule que dans un seul sens. Le courant alternatif est la forme sous laquelle l'énergie électrique est fournie aux entreprises et aux résidences, et c'est la forme d' énergie électrique que les consommateurs utilisent généralement lorsqu'ils branchent des appareils de cuisine , des téléviseurs, des ventilateurs et des lampes électriques dans une prise murale . Une source courante de courant continu est une cellule de batterie dans une lampe de poche . Les abréviations AC et DC sont souvent utilisées pour signifier simplement alternées et directes , comme lorsqu'elles modifient le courant ou la tension .

La forme d' onde habituelle du courant alternatif dans la plupart des circuits électriques est une onde sinusoïdale , dont la demi-période positive correspond à la direction positive du courant et vice versa. Dans certaines applications, comme les amplificateurs de guitare , différentes formes d'onde sont utilisées, telles que les ondes triangulaires ou les ondes carrées . Les signaux audio et radio transportés sur des fils électriques sont également des exemples de courant alternatif. Ces types de courant alternatif véhiculent des informations telles que du son (audio) ou des images (vidéo) parfois véhiculées par modulation d'un signal porteur alternatif. Ces courants alternent généralement à des fréquences plus élevées que celles utilisées dans la transmission de puissance.

Transport, distribution et alimentation électrique domestique

Une représentation schématique de la transmission d'énergie électrique à longue distance. De gauche à droite : G=générateur, U=transformateur élévateur, V=tension au début de la ligne de transmission, Pt=puissance entrante dans la ligne de transmission, I=courant dans les fils, R=résistance totale dans les fils, Pw=puissance perdue dans la transmission ligne, Pe=puissance atteignant la fin de la ligne de transmission, D=transformateur abaisseur, C=consommateurs.

L'énergie électrique est distribuée sous forme de courant alternatif car la tension alternative peut être augmentée ou diminuée avec un transformateur . Cela permet à la puissance d'être transmise efficacement par les lignes électriques à haute tension, ce qui réduit l'énergie perdue sous forme de chaleur en raison de la résistance du fil, et transformée en une tension inférieure et plus sûre pour l'utilisation. L'utilisation d'une tension plus élevée conduit à une transmission de puissance nettement plus efficace. Les pertes de puissance ( ) dans le fil sont le produit du carré du courant ( I ) et de la résistance (R) du fil, décrites par la formule : $P_{\rm {w}}$

P_{\rm {w}}=I^{2}R\,.

Cela signifie que lors de la transmission d'une puissance fixe sur un fil donné, si le courant est divisé par deux (c'est-à-dire que la tension est doublée), la perte de puissance due à la résistance du fil sera réduite d'un quart.

La puissance transmise est égale au produit du courant et de la tension (en supposant qu'il n'y ait pas de différence de phase) ; C'est,

P_{\rm {t}}=IV\,.

Par conséquent, une puissance transmise à une tension plus élevée nécessite moins de courant générateur de pertes que pour la même puissance à une tension plus faible. La puissance est souvent transmise à des centaines de kilovolts sur des pylônes, et transformée en dizaines de kilovolts pour être transmise sur des lignes de niveau inférieur, et enfin transformée en 100 V - 240 V pour un usage domestique.

Les lignes de transmission triphasées à haute tension utilisent des courants alternatifs pour distribuer l'énergie sur de longues distances entre les centrales électriques et les consommateurs. Les lignes dans l'image sont situées dans l'est de l' Utah .

Les hautes tensions présentent des inconvénients, tels que l'isolation accrue requise, et généralement une difficulté accrue pour leur manipulation en toute sécurité. Dans une centrale électrique , l'énergie est générée à une tension appropriée pour la conception d'un générateur , puis augmentée à une tension élevée pour la transmission. A proximité des charges, la tension de transmission est abaissée aux tensions utilisées par les équipements. Les tensions des consommateurs varient quelque peu en fonction du pays et de la taille de la charge, mais généralement les moteurs et l'éclairage sont conçus pour utiliser jusqu'à quelques centaines de volts entre les phases. La tension fournie aux équipements tels que les charges d'éclairage et de moteur est normalisée, avec une plage de tension admissible sur laquelle l'équipement est censé fonctionner. Les tensions d'utilisation standard et le pourcentage de tolérance varient selon les différents systèmes d'alimentation secteur présents dans le monde. Les systèmes de transmission d'énergie électrique à courant continu haute tension (CCHT) sont devenus plus viables car la technologie a fourni des moyens efficaces de modifier la tension du courant continu. La transmission avec un courant continu haute tension n'était pas possible au début de la transmission d'énergie électrique , car il n'y avait alors aucun moyen économiquement viable de réduire la tension du courant continu pour les applications d'utilisateur final telles que l'éclairage d'ampoules à incandescence.

La production électrique triphasée est très courante. Le moyen le plus simple est d'utiliser trois bobines séparées dans le stator du générateur , physiquement décalées d'un angle de 120° (un tiers d'une phase complète de 360°) les unes par rapport aux autres. Trois formes d'onde de courant sont produites qui sont d'amplitude égale et déphasées de 120° les unes par rapport aux autres. Si des bobines sont ajoutées en face de celles-ci (espacement de 60°), elles génèrent les mêmes phases avec une polarité inversée et peuvent donc être simplement câblées ensemble. En pratique, des « ordres de pôles » supérieurs sont couramment utilisés. Par exemple, une machine à 12 pôles aurait 36 bobines (espacement de 10°). L'avantage est que des vitesses de rotation plus faibles peuvent être utilisées pour générer la même fréquence. Par exemple, une machine 2 pôles tournant à 3600 tr/min et une machine 12 pôles tournant à 600 tr/min produisent la même fréquence ; la vitesse inférieure est préférable pour les machines plus grandes. Si la charge sur un système triphasé est équilibrée également entre les phases, aucun courant ne traverse le point neutre . Même dans le pire des cas de charge déséquilibrée (linéaire), le courant neutre ne dépassera pas le plus élevé des courants de phase. Les charges non linéaires (par exemple les alimentations à découpage largement utilisées) peuvent nécessiter un bus neutre surdimensionné et un conducteur neutre dans le panneau de distribution en amont pour gérer les harmoniques . Les harmoniques peuvent faire en sorte que les niveaux de courant du conducteur neutre dépassent celui d'un ou de tous les conducteurs de phase.

Pour le triphasé aux tensions d'utilisation, un système à quatre fils est souvent utilisé. Lors de la descente en triphasé, un transformateur avec un primaire en triangle (3 fils) et un secondaire en étoile (4 fils, mis à la terre au centre) est souvent utilisé, de sorte qu'il n'y a pas besoin de neutre du côté de l'alimentation. Pour les petits clients (la taille varie selon le pays et l'âge de l'installation), seule une phase et un neutre, ou deux phases et un neutre, sont transportés dans la propriété. Pour les installations plus importantes, les trois phases et le neutre sont acheminés vers le panneau de distribution principal. À partir du panneau principal triphasé, les circuits monophasés et triphasés peuvent être déconnectés. Les systèmes monophasés à trois fils , avec un seul transformateur à prise centrale donnant deux conducteurs sous tension , constituent un schéma de distribution courant pour les bâtiments résidentiels et les petits bâtiments commerciaux en Amérique du Nord. Cet agencement est parfois appelé à tort « biphasé ». Une méthode similaire est utilisée pour une raison différente sur les chantiers de construction au Royaume-Uni. Les petits outils électriques et l'éclairage sont censés être alimentés par un transformateur local à prise centrale avec une tension de 55 V entre chaque conducteur d'alimentation et la terre. Cela réduit considérablement le risque de choc électrique dans le cas où l'un des conducteurs sous tension serait exposé à cause d'un défaut d'équipement tout en permettant une tension raisonnable de 110 V entre les deux conducteurs pour le fonctionnement des outils.

Un troisième fil , appelé fil de liaison (ou fil de terre), est souvent connecté entre des boîtiers métalliques non porteurs de courant et la terre. Ce conducteur offre une protection contre les chocs électriques dus au contact accidentel des conducteurs du circuit avec le châssis métallique des appareils et outils portables. La liaison de toutes les pièces métalliques non conductrices de courant dans un système complet garantit qu'il y a toujours un chemin d' impédance électrique à la terre suffisant pour transporter tout courant de défaut aussi longtemps qu'il faut pour que le système élimine le défaut. Ce chemin à faible impédance permet la quantité maximale de courant de défaut, provoquant le déclenchement ou la combustion du dispositif de protection contre les surintensités (disjoncteurs, fusibles) le plus rapidement possible, amenant le système électrique dans un état sûr. Tous les fils de liaison sont reliés à la terre au niveau du panneau de service principal, tout comme le conducteur neutre/identifié s'il est présent.

Fréquences d'alimentation CA

La fréquence du système électrique varie selon les pays et parfois à l'intérieur d'un pays ; la plupart de l'énergie électrique est générée à 50 ou 60 Hertz . Certains pays ont un mélange d'alimentations 50 Hz et 60 Hz, notamment le transport d'électricité au Japon . Une basse fréquence facilite la conception des moteurs électriques, en particulier pour les applications de levage, de concassage et de laminage, et des moteurs de traction de type collecteur pour des applications telles que les chemins de fer . Cependant, la basse fréquence provoque également un scintillement notable dans les lampes à arc et les ampoules à incandescence . L'utilisation de fréquences plus basses offrait également l'avantage de pertes d'impédance plus faibles, qui sont proportionnelles à la fréquence. Les générateurs originaux de Niagara Falls ont été construits pour produire une puissance de 25 Hz, comme compromis entre la basse fréquence pour la traction et les moteurs à induction lourds, tout en permettant à l'éclairage à incandescence de fonctionner (bien qu'avec un scintillement notable). La plupart des clients résidentiels et commerciaux à 25 Hz pour l'électricité de Niagara Falls ont été convertis en 60 Hz à la fin des années 1950, bien que certains clients industriels à 25 Hz existaient encore au début du 21e siècle. La puissance 16,7 Hz (anciennement 16 2/3 Hz) est encore utilisée dans certains systèmes ferroviaires européens, comme en Autriche , en Allemagne , en Norvège , en Suède et en Suisse . Les applications offshore, militaires, textiles, marines, aéronautiques et spatiales utilisent parfois 400 Hz, pour bénéficier d'un poids réduit de l'appareil ou de vitesses de moteur plus élevées. Les systèmes informatiques centraux étaient souvent alimentés par 400 Hz ou 415 Hz pour les avantages de la réduction de l' ondulation tout en utilisant des unités de conversion CA/CC internes plus petites.

Effets à hautes fréquences

Lire les médias

Une bobine de Tesla produisant un courant haute fréquence inoffensif pour l'homme, mais qui allume une lampe fluorescente lorsqu'elle est approchée

Un courant continu circule uniformément dans toute la section transversale d'un fil uniforme. Un courant alternatif de n'importe quelle fréquence est forcé loin du centre du fil, vers sa surface extérieure. En effet, l'accélération d'une charge électrique dans un courant alternatif produit des ondes de rayonnement électromagnétique qui annulent la propagation de l'électricité vers le centre des matériaux à haute conductivité . Ce phénomène est appelé effet de peau . Aux très hautes fréquences le courant ne circule plus dans le fil, mais circule effectivement à la surface du fil, dans une épaisseur de quelques profondeurs de peau . La profondeur de peau est l'épaisseur à laquelle la densité de courant est réduite de 63 %. Même à des fréquences relativement basses utilisées pour la transmission d'énergie (50 Hz - 60 Hz), une distribution non uniforme du courant se produit toujours dans des conducteurs suffisamment épais . Par exemple, la profondeur de peau d'un conducteur en cuivre est d'environ 8,57 mm à 60 Hz, de sorte que les conducteurs à courant élevé sont généralement creux pour réduire leur masse et leur coût. Le courant ayant tendance à circuler à la périphérie des conducteurs, la section efficace du conducteur est réduite. Cela augmente la résistance AC effective du conducteur, car la résistance est inversement proportionnelle à la section transversale. La résistance AC est souvent plusieurs fois supérieure à la résistance DC, provoquant une perte d'énergie beaucoup plus élevée en raison de l' échauffement ohmique (également appelée perte I ² R).

Techniques pour réduire la résistance AC

Pour les fréquences basses à moyennes, les conducteurs peuvent être divisés en fils torsadés, chacun isolé des autres, avec les positions relatives des brins individuels spécialement disposés dans le faisceau de conducteurs. Le fil construit à l'aide de cette technique est appelé fil de Litz . Cette mesure permet d'atténuer partiellement l'effet de peau en forçant un courant plus égal sur toute la section transversale totale des conducteurs toronnés. Le fil de Litz est utilisé pour fabriquer des inductances à Q élevé , réduisant les pertes dans les conducteurs flexibles transportant des courants très élevés à des fréquences plus basses, et dans les enroulements d'appareils transportant des courants radioélectriques plus élevés (jusqu'à des centaines de kilohertz), tels que les alimentations à découpage et transformateurs radiofréquence .

Techniques pour réduire la perte de rayonnement

Comme écrit ci-dessus, un courant alternatif est constitué de charge électrique sous accélération périodique , ce qui provoque le rayonnement d' ondes électromagnétiques . L'énergie qui est rayonnée est perdue. Selon la fréquence, différentes techniques sont utilisées pour minimiser les pertes dues au rayonnement.

Paires torsadées

À des fréquences allant jusqu'à environ 1 GHz, des paires de fils sont torsadées ensemble dans un câble, formant une paire torsadée . Cela réduit les pertes dues au rayonnement électromagnétique et au couplage inductif . Une paire torsadée doit être utilisée avec un système de signalisation équilibré, de sorte que les deux fils portent des courants égaux mais opposés. Chaque fil d'une paire torsadée émet un signal, mais il est effectivement annulé par le rayonnement de l'autre fil, ce qui entraîne presque aucune perte de rayonnement.

Câbles coaxiaux

Les câbles coaxiaux sont couramment utilisés aux fréquences audio et supérieures pour plus de commodité. Un câble coaxial a un fil conducteur à l'intérieur d'un tube conducteur, séparé par une couche diélectrique . Le courant circulant sur la surface du conducteur interne est égal et opposé au courant circulant sur la surface interne du tube externe. Le champ électromagnétique est ainsi entièrement contenu à l'intérieur du tube, et (idéalement) aucune énergie n'est perdue par rayonnement ou couplage à l'extérieur du tube. Les câbles coaxiaux ont des pertes suffisamment faibles pour des fréquences allant jusqu'à environ 5 GHz. Pour les fréquences micro- ondes supérieures à 5 GHz, les pertes (dues principalement au diélectrique séparant les tubes interne et externe étant un isolant non idéal) deviennent trop importantes, faisant des guides d'ondes un support plus efficace pour transmettre l'énergie. Les câbles coaxiaux utilisent souvent une couche diélectrique perforée pour séparer les conducteurs interne et externe afin de minimiser la puissance dissipée par le diélectrique.

Guides d'ondes

Les guides d'ondes sont similaires aux câbles coaxiaux, car les deux sont constitués de tubes, la plus grande différence étant que les guides d'ondes n'ont pas de conducteur interne. Les guides d'ondes peuvent avoir n'importe quelle section transversale arbitraire, mais les sections transversales rectangulaires sont les plus courantes. Parce que les guides d'ondes n'ont pas de conducteur interne pour transporter un courant de retour, les guides d'ondes ne peuvent pas fournir d'énergie au moyen d'un courant électrique , mais plutôt au moyen d'un champ électromagnétique guidé . Bien que les courants de surface circulent sur les parois internes des guides d'ondes, ces courants de surface ne transportent pas d'énergie. La puissance est transportée par les champs électromagnétiques guidés. Les courants de surface sont établis par les champs électromagnétiques guidés et ont pour effet de maintenir les champs à l'intérieur du guide d'ondes et d'empêcher la fuite des champs vers l'espace à l'extérieur du guide d'ondes. Les guides d'ondes ont des dimensions comparables à la longueur d' onde du courant alternatif à transmettre, ils ne sont donc réalisables qu'aux fréquences micro-ondes. En plus de cette faisabilité mécanique, la résistance électrique des métaux non idéaux formant les parois du guide d'onde provoque une dissipation de puissance (les courants de surface circulant sur des conducteurs à pertes dissipent de la puissance). A des fréquences plus élevées, la puissance perdue à cause de cette dissipation devient trop importante.

La fibre optique

A des fréquences supérieures à 200 GHz, les dimensions du guide d'ondes deviennent peu pratiques et les pertes ohmiques dans les parois du guide d'ondes deviennent importantes. Au lieu de cela, des fibres optiques , qui sont une forme de guides d'ondes diélectriques, peuvent être utilisées. Pour de telles fréquences, les notions de tensions et de courants ne sont plus utilisées.

Mathématiques des tensions alternatives

Une tension alternative sinusoïdale.

Pic, aussi amplitude,
De pointe à pointe,
Valeur efficace,
Point final

Une onde sinusoïdale, sur un cycle (360°). La ligne pointillée représente la valeur de la moyenne quadratique (RMS) à environ 0,707.

Les courants alternatifs sont accompagnés (ou provoqués) par des tensions alternatives. Une tension alternative v peut être décrite mathématiquement en fonction du temps par l'équation suivante :

v(t)=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)

,

où

$V_{\text{peak}}$ est la tension de crête (unité : volt ),
$\omega$ est la fréquence angulaire (unité : radians par seconde ).
La fréquence angulaire est liée à la fréquence physique, (unité : hertz ), qui représente le nombre de cycles par seconde, par l'équation . ${\style d'affichage f}$ $\omega =2\pi f$
${\style d'affichage t}$ est le temps (unité : seconde ).

La valeur crête à crête d'une tension alternative est définie comme la différence entre sa crête positive et sa crête négative. Puisque la valeur maximale de est +1 et la valeur minimale est -1, une tension alternative oscille entre et . La tension crête à crête, généralement notée ou , est donc . ${\style d'affichage \sin(x)}$ $+V_{\text{peak}}$ $-V_{\text{peak}}$ $V_{\text{pp}}$ $V_{\text{PP}}$ $V_{\text{peak}}-(-V_{\text{peak}})=2V_{\text{peak}}$

Pouvoir

Le rapport entre la tension et la puissance délivrée est :

p(t)={\frac {v^{2}(t)}{R}}

où représente une résistance de charge. ${\style d'affichage R}$

Plutôt que d'utiliser une puissance instantanée , il est plus pratique d'utiliser une puissance moyenne dans le temps (où la moyenne est effectuée sur un nombre entier de cycles). Par conséquent, la tension alternative est souvent exprimée sous la forme d'une valeur quadratique moyenne (RMS), écrite sous la forme , car ${\style d'affichage p(t)}$ $V_{\text{rms}}$

P_{\text{time averaged}}={\frac {{V_{\text{rms}}}^{2}}{R}}.

Oscillation de puissance: ${\begin{aligned}v(t)&=V_{\text{peak}}\sin(\omega t)\\i(t)&={\frac {v(t)}{R} }={\frac {V_{\text{peak}}}{R}}\sin(\omega t)\\P(t)&=v(t)i(t)={\frac {(V_{ \text{peak}})^{2}}{R}}\sin ^{2}(\omega t)\end{aligned}}$

Tension quadratique moyenne

Ci-dessous, une forme d'onde CA (sans composante CC ) est supposée.

La tension efficace est la racine carrée de la moyenne sur un cycle du carré de la tension instantanée.

Pour une forme d' onde périodique arbitraire de période : ${\style d'affichage v(t)}$ ${\style d'affichage T}$
$V_{\text{rms}}={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{[v(t)]^{2}dt}} }.$
Pour une tension sinusoïdale :
${\begin{aligned}V_{\text{rms}}&={\sqrt {{\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}[{V_{pk}\ sin(\omega t+\phi )]^{2}dt}}}\\&=V_{\text{pk}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}}\int _{0}^ {T}[{1-\cos(2\omega t+2\phi )]dt}}}\\&=V_{\text{pk}}{\sqrt {{\frac {1}{2T}} \int _{0}^{T}{dt}}}\\&={\frac {V_{\text{pk}}}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}$
où l' identité trigonométrique a été utilisée et le facteur est appelé facteur de crête , qui varie pour différentes formes d'onde. $\sin ^{2}(x)={\frac {1-\cos(2x)}{2}}$ ${\sqrt {2}}$
Pour une forme d'onde triangulaire centrée sur zéro
$V_{\text{rms}}={\frac {V_{\text{peak}}}{\sqrt {3}}}.$
Pour une forme d'onde carrée centrée sur zéro
$V_{\text{rms}}=V_{\text{peak}}.$

Exemples de courant alternatif

Pour illustrer ces concepts, considérons une alimentation secteur 230 V CA utilisée dans de nombreux pays à travers le monde. On l'appelle ainsi parce que sa valeur quadratique moyenne est de 230 V. Cela signifie que la puissance moyenne délivrée dans le temps est équivalente à la puissance délivrée par une tension continue de 230 V. Pour déterminer la tension de crête (amplitude), nous pouvons réarranger la l'équation ci-dessus à :

V_{\text{peak}}={\sqrt {2}}\ V_{\text{rms}}.

Pour 230 V AC, la tension crête est donc , qui est d'environ 325 V. Au cours d'un cycle, la tension monte de zéro à 325 V, passe par zéro à -325 V et revient à zéro. $V_{\text{peak}}$ $230{\text{ V}}\times {\sqrt {2}}$

Transmission d'informations

Le courant alternatif est utilisé pour transmettre des informations , comme dans le cas du téléphone et de la télévision par câble . Les signaux d'information sont transportés sur une large gamme de fréquences AC. Les signaux téléphoniques POTS ont une fréquence d'environ 3 kHz, proche de la fréquence audio de la bande de base . La télévision par câble et d'autres courants d'information transmis par câble peuvent alterner à des fréquences de dizaines à des milliers de mégahertz. Ces fréquences sont similaires aux fréquences des ondes électromagnétiques souvent utilisées pour transmettre les mêmes types d'informations par voie hertzienne .

Histoire

Le premier alternateur à produire du courant alternatif était un générateur électrique à dynamo basé sur les principes de Michael Faraday construit par le luthier français Hippolyte Pixii en 1832. Pixii a ensuite ajouté un commutateur à son appareil pour produire le courant continu (alors) plus couramment utilisé. La première application pratique enregistrée du courant alternatif est celle de Guillaume Duchenne , inventeur et développeur de l' électrothérapie . En 1855, il annonce que le courant alternatif est supérieur au courant continu pour le déclenchement électrothérapeutique des contractions musculaires. La technologie du courant alternatif a été développée par la société hongroise Ganz Works (1870) et dans les années 1880 : Sebastian Ziani de Ferranti , Lucien Gaulard et Galileo Ferraris .

En 1876, l'ingénieur russe Pavel Yablochkov a inventé un système d'éclairage dans lequel des ensembles de bobines d'induction ont été installés le long d'une ligne CA à haute tension. Au lieu de changer la tension, les enroulements primaires transféraient la puissance aux enroulements secondaires qui étaient connectés à une ou plusieurs « bougies électriques » (lampes à arc) de sa propre conception, utilisées pour empêcher la défaillance d'une lampe de désactiver l'ensemble du circuit. En 1878, l' usine Ganz , à Budapest, en Hongrie, commença à fabriquer des équipements d'éclairage électrique et, en 1883, elle avait installé plus de cinquante systèmes en Autriche-Hongrie. Leurs systèmes à courant alternatif utilisaient des lampes à arc et à incandescence, des générateurs et d'autres équipements.

Transformateurs

Les systèmes à courant alternatif peuvent utiliser des transformateurs pour faire passer la tension du niveau bas au niveau élevé et inversement, permettant la génération et la consommation à basse tension mais la transmission, éventuellement sur de grandes distances, à haute tension, avec des économies sur le coût des conducteurs et des pertes d'énergie. Un transformateur de puissance bipolaire à noyau ouvert développé par Lucien Gaulard et John Dixon Gibbs a été démontré à Londres en 1881 et a suscité l'intérêt de Westinghouse . Ils ont également exposé l'invention à Turin en 1884. Cependant, ces premières bobines d'induction à circuits magnétiques ouverts sont inefficaces pour transférer la puissance aux charges . Jusqu'à environ 1880, le paradigme de la transmission de courant alternatif d'une alimentation haute tension à une charge basse tension était un circuit en série. Des transformateurs à noyau ouvert avec un rapport proche de 1:1 ont été connectés avec leurs primaires en série pour permettre l'utilisation d'une haute tension pour la transmission tout en présentant une basse tension aux lampes. Le défaut inhérent à cette méthode était que l'extinction d'une seule lampe (ou autre appareil électrique) affectait la tension fournie à toutes les autres sur le même circuit. De nombreuses conceptions de transformateurs réglables ont été introduites pour compenser cette caractéristique problématique du circuit série, y compris celles utilisant des méthodes d'ajustement du noyau ou de contournement du flux magnétique autour d'une partie d'une bobine. Les systèmes à courant continu ne présentaient pas ces inconvénients, ce qui leur confère des avantages significatifs par rapport aux premiers systèmes à courant alternatif.

Pionniers

L'équipe hongroise "ZBD" ( Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy , Miksa Déri ), inventeurs du premier transformateur de connexion shunt à noyau fermé à haut rendement

Le prototype du transformateur ZBD exposé à l'exposition commémorative Széchenyi István, Nagycenk en Hongrie

À l'automne 1884, Károly Zipernowsky , Ottó Bláthy et Miksa Déri (ZBD), trois ingénieurs associés à l' usine Ganz de Budapest, ont déterminé que les dispositifs à noyau ouvert étaient peu pratiques, car ils étaient incapables de réguler de manière fiable la tension. Dans leurs demandes de brevet conjointes de 1885 pour de nouveaux transformateurs (appelés plus tard transformateurs ZBD), ils ont décrit deux conceptions avec des circuits magnétiques fermés où les enroulements en cuivre étaient soit enroulés autour d'un noyau annulaire de fils de fer, soit entourés d'un noyau de fils de fer. Dans les deux conceptions, le flux magnétique reliant les enroulements primaire et secondaire a voyagé presque entièrement dans les limites du noyau de fer, sans chemin intentionnel dans l'air (voir noyaux toroïdaux ). Les nouveaux transformateurs étaient 3,4 fois plus efficaces que les dispositifs bipolaires à noyau ouvert de Gaulard et Gibbs. L'usine de Ganz a expédié en 1884 les cinq premiers transformateurs CA à haut rendement au monde. Cette première unité avait été fabriquée selon les spécifications suivantes : 1 400 W, 40 Hz, 120 :72 V, 11,6 :19,4 A, rapport 1,67 :1, monophasé, en forme de coque.

Les brevets ZBD comprenaient deux autres innovations majeures interdépendantes : l'une concernant l'utilisation de charges d'utilisation connectées en parallèle, au lieu de connectées en série, l'autre concernant la possibilité d'avoir des transformateurs à rapport de transformation élevé de sorte que la tension du réseau d'alimentation pourrait être beaucoup plus élevée (initialement 1400 V à 2000 V) que la tension des charges d'utilisation (100 V initialement préféré). Lorsqu'ils sont utilisés dans des systèmes de distribution électrique connectés en parallèle, les transformateurs à noyau fermé ont finalement permis techniquement et économiquement de fournir de l'énergie électrique pour l'éclairage des maisons, des entreprises et des espaces publics. Bláthy avait suggéré l'utilisation de noyaux fermés, Zipernowsky avait suggéré l'utilisation de connexions parallèles en dérivation et Déri avait réalisé les expériences ; L'autre étape essentielle a été l'introduction des systèmes de « source de tension, à forte intensité de tension » (VSVI) » par l'invention des générateurs à tension constante en 1885. Au début de 1885, les trois ingénieurs ont également éliminé le problème des pertes par courants de Foucault avec l'invention du laminage de noyaux électromagnétiques. Ottó Bláthy a également inventé le premier compteur d'électricité à courant alternatif .

Le système d'alimentation en courant alternatif a été développé et adopté rapidement après 1886 en raison de sa capacité à distribuer efficacement l'électricité sur de longues distances, surmontant les limites du système à courant continu. En 1886, les ingénieurs de ZBD ont conçu la première centrale électrique au monde qui utilisait des générateurs à courant alternatif pour alimenter un réseau électrique commun connecté en parallèle, la centrale à vapeur Rome-Cerchi. La fiabilité de la technologie AC a été stimulée après l'électrification par les travaux de Ganz d'une grande métropole européenne : Rome en 1886.

Westinghouse Early AC System 1887
( brevet américain 373035 )

Au Royaume-Uni, Sebastian de Ferranti , qui développait des générateurs et des transformateurs CA à Londres depuis 1882, a redessiné le système CA de la centrale électrique de Grosvenor Gallery en 1886 pour la London Electric Supply Corporation (LESCo), y compris des alternateurs de sa propre conception et un transformateur. dessins similaires à Gaulard et Gibbs. En 1890, il a conçu leur centrale électrique à Deptford et a converti la station Grosvenor Gallery de l'autre côté de la Tamise en une sous - station électrique , montrant ainsi la voie à suivre pour intégrer des centrales plus anciennes dans un système d'alimentation universel en courant alternatif.

Aux États-Unis, William Stanley, Jr. a conçu l'un des premiers dispositifs pratiques pour transférer efficacement le courant alternatif entre des circuits isolés. Utilisant des paires de bobines enroulées sur un noyau de fer commun, sa conception, appelée bobine d'induction , était un des premiers transformateurs . Stanley a également travaillé sur l'ingénierie et l'adaptation de conceptions européennes telles que le transformateur Gaulard et Gibbs pour l'entrepreneur américain George Westinghouse qui a commencé à construire des systèmes à courant alternatif en 1886. La propagation de Westinghouse et d'autres systèmes à courant alternatif a déclenché un recul à la fin de 1887 par Thomas Edison (un partisan du courant continu) qui a tenté de discréditer le courant alternatif comme trop dangereux dans une campagne publique appelée la « guerre des courants ». En 1888, les systèmes à courant alternatif ont gagné en viabilité avec l'introduction d'un moteur à courant alternatif fonctionnel , ce qui manquait à ces systèmes jusqu'alors. La conception, un moteur à induction , a été inventée indépendamment par Galileo Ferraris et Nikola Tesla (la conception de Tesla étant sous licence par Westinghouse aux États-Unis). Cette conception a été développée davantage dans la forme triphasée pratique moderne par Mikhail Dolivo-Dobrovolsky , Charles Eugene Lancelot Brown . et Jonas Wenström .

La centrale hydroélectrique d'Ames et la centrale électrique originale de Niagara Falls Adams ont été parmi les premières centrales hydroélectriques à courant alternatif. La première transmission longue distance d'électricité monophasée provenait d'une centrale hydroélectrique de l'Oregon à Willamette Falls qui, en 1890, a envoyé de l'électricité à quatorze milles en aval du centre-ville de Portland pour l'éclairage des rues. En 1891, un deuxième système de transmission a été installé à Telluride Colorado. Le générateur de San Antonio Canyon était la troisième centrale hydroélectrique commerciale à courant alternatif monophasée aux États-Unis à fournir de l'électricité sur de longues distances. Il a été achevé le 31 décembre 1892 par Almarian William Decker pour fournir de l'électricité à la ville de Pomona, en Californie , située à 14 miles de là. En 1893, il a conçu la première centrale électrique commerciale triphasée aux États-Unis utilisant le courant alternatif, la centrale hydroélectrique Mill Creek No. 1 près de Redlands, en Californie . La conception de Decker incorporait une transmission triphasée de 10 kV et établissait les normes du système complet de génération, de transmission et de moteurs utilisés aujourd'hui. La centrale hydroélectrique de Jaruga en Croatie a été mise en service le 28 août 1895. Les deux générateurs (42 Hz, 550 kW chacun) et les transformateurs ont été produits et installés par la société hongroise Ganz . La ligne de transmission de la centrale électrique à la ville de Šibenik mesurait 11,5 kilomètres (7,1 mi) de long sur des tours en bois, et le réseau de distribution municipal 3000 V/110 V comprenait six stations de transformation. La théorie des circuits à courant alternatif s'est développée rapidement dans la dernière partie du 19e et au début du 20e siècle. Les contributeurs notables à la base théorique des calculs de courant alternatif incluent Charles Steinmetz , Oliver Heaviside et bien d'autres. Les calculs dans les systèmes triphasés déséquilibrés ont été simplifiés par les méthodes des composants symétriques discutées par Charles Legeyt Fortescue en 1918.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

Willam A. Meyers, History and Reflections on the Way Things Were: Mill Creek Power Plant – Making History with AC , IEEE Power Engineering Review, février 1997, pp. 22-24

Liens externes

" AC/DC : Quelle est la différence ? ". Le miracle de la lumière d'Edison, l'expérience américaine . ( PBS )
" AC/DC : à l' intérieur du générateur AC ". Le miracle de la lumière d'Edison, l'expérience américaine. (PBS)
Kuphaldt, Tony R., " Leçons de circuits électriques : Volume II – AC ". 8 mars 2003. (Licence Design Science)
Visite du professeur Mark Csele de la centrale 25 Hz Rankine
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Historique et chronologie de l'alimentation CA

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