Le schéma du système d’alimentation monophasé montre peu de choses sur le câblage d’un circuit d’alimentation pratique.
Représenté ci-dessus, est un circuit alternatif très simple. Si la dissipation de puissance de la résistance de charge était importante, nous pourrions appeler cela un » circuit de puissance » ou un » système de puissance » au lieu de le considérer comme un simple circuit ordinaire.
La distinction entre un » circuit de puissance » et un » circuit ordinaire » 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 de l’énergie de la source de courant alternatif à la charge. Normalement, nous ne réfléchissons pas beaucoup à ce type de préoccupation si nous analysons simplement un circuit pour apprendre les lois de l’électricité.
Cependant, dans le monde réel, cela peut être une préoccupation majeure. Si nous donnons à la source du circuit ci-dessus une valeur de tension et que nous donnons également des valeurs de dissipation de puissance aux deux résistances de charge, nous pouvons déterminer les besoins en câblage pour ce circuit particulier :
En pratique, le câblage pour les charges de 20 kW à 120 Vac est plutôt conséquent (167 A).
83,33 ampères pour chaque résistance de charge dans la figure ci-dessus s’ajoutent à 166,66 ampères de courant total du circuit. Ce n’est pas une petite quantité de courant et cela nécessiterait des conducteurs en fil de cuivre de calibre 1/0 au moins.
Ce fil fait bien plus de 1/4 de pouce (6 mm) de diamètre, pesant plus de 300 livres par mille pieds. Gardez à l’esprit que le cuivre n’est pas bon marché non plus ! Nous aurions tout intérêt à trouver des moyens de minimiser ces coûts si nous concevions un système d’alimentation avec de grandes longueurs de conducteurs.
Une façon de le faire serait d’augmenter la tension de la source d’alimentation et d’utiliser des charges construites pour dissiper 10 kW chacune à cette tension plus élevée.
Les charges, bien sûr, devraient avoir des valeurs de résistance plus grandes pour dissiper la même puissance qu’auparavant (10 kW chacune) à une tension plus élevée qu’auparavant.
L’avantage serait que le courant nécessaire serait moindre, ce qui permettrait d’utiliser des fils plus petits, plus légers et moins chers :
Les mêmes charges de 10 kW à 240 Vac nécessitent un câblage moins important qu’à 120 Vac (83 A).
Notre courant total du circuit est maintenant de 83,33 ampères, soit la moitié de ce qu’il était auparavant.
Nous pouvons maintenant utiliser du fil de calibre numéro 4, qui pèse moins de la moitié de ce que fait le 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 par l’utilisation de fils plus petits, plus légers et moins chers.
Dangers de l’augmentation de la tension de la source
Cependant, cette solution n’est pas sans inconvénients. Une autre préoccupation pratique concernant les circuits d’alimentation est le danger de choc électrique dû aux hautes tensions.
Encore, 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 de puissance sont traitées.
Le gain d’efficacité réalisé en augmentant la tension du circuit nous présente un danger accru de choc électrique. Les sociétés de distribution d’électricité s’attaquent à ce problème en faisant passer leurs lignes électriques le long de hauts poteaux ou de tours et en isolant les lignes des structures de support à l’aide de grands isolateurs en porcelaine.
Au point d’utilisation (le client d’électricité), il reste la question de la tension à utiliser pour alimenter les charges.
La haute tension donne une plus grande efficacité au système par le biais d’un courant conducteur réduit, mais il ne serait pas toujours pratique de garder le câblage électrique 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 ménages et appareils fonctionnant à une tension nominale de 240 volts au lieu de 120 volts comme en Amérique du Nord.
C’est pourquoi les touristes américains qui visitent l’Europe doivent emporter de petits transformateurs abaisseurs pour leurs appareils portables, afin d’abaisser la puissance de 240 VAC (volts AC) à un 120 VAC plus convenable.
Solutions pour la livraison de la tension aux consommateurs
Transformateurs abaisseurs au point final de l’utilisation de l’énergie
Y a-t-il un moyen de réaliser les avantages d’une efficacité accrue et d’une réduction du risque de sécurité en même temps ?
Une solution serait d’installer des transformateurs abaisseurs au point final de l’utilisation de l’électricité, comme le touriste américain doit le faire lorsqu’il est en Europe.
Cependant, cela serait coûteux et peu pratique pour tout sauf pour les très petites charges (où les transformateurs peuvent être construits à bon marché) ou les très grandes charges (où la dépense de fils de cuivre épais dépasserait la dépense d’un transformateur).
Deux charges de tension inférieure en série
Une solution alternative consisterait à utiliser une alimentation de tension supérieure pour fournir du courant à deux charges de tension inférieure en série. Cette approche combine l’efficacité d’un système haute tension avec la sécurité d’un système basse tension :
Charges 120 Vac connectées en série, pilotées par une source 240 Vac à 83,3 A de courant total.
Notez les marques de polarité (+ et -) pour chaque tension représentée, ainsi que les flèches unidirectionnelles pour le courant.
Pour l’essentiel, j’ai évité d’étiqueter les » polarités » dans les circuits alternatifs que nous avons analysés, même si cette notation est valable pour fournir un cadre de référence pour la phase.
Dans les sections ultérieures de ce chapitre, les relations de phase deviendront très importantes, c’est pourquoi j’introduis cette notation au début du chapitre pour vous familiariser.
Le courant à travers chaque charge est le même que dans le circuit simple de 120 volts, mais les courants ne sont pas additifs parce que les charges sont en série plutôt qu’en parallèle.
La tension à travers chaque charge n’est que de 120 volts, et non de 240, donc le facteur de sécurité est meilleur. Attention, nous avons toujours un plein 240 volts à travers les fils du système électrique, mais chaque charge fonctionne à une tension réduite.
Si quelqu’un doit être choqué, les chances sont que ce sera en entrant en contact avec les conducteurs d’une charge particulière plutôt que par contact à travers les fils principaux d’un système électrique.
Modifications de la conception de deux charges en série
Il n’y a qu’un seul inconvénient à cette conception : les conséquences d’une charge défaillante ouverte, ou mise hors tension (en supposant que chaque charge dispose d’un interrupteur marche/arrêt en série pour interrompre le courant) ne sont pas bonnes.
Etant un circuit en série, si l’une des charges devait s’ouvrir, le courant s’arrêterait également dans l’autre charge. Pour cette raison, nous devons modifier un peu la conception : (Figure ci-dessous)
L’ajout d’un conducteur neutre permet de piloter les charges individuellement.
Système d’alimentation à phases séparées
Au lieu d’une seule alimentation de 240 volts, nous utilisons deux alimentations de 120 volts (en phase l’une avec l’autre !) en série pour produire 240 volts, puis on fait passer un troisième fil jusqu’au point de connexion entre les charges pour faire face à l’éventualité de l’ouverture d’une charge.
C’est ce qu’on appelle un système d’alimentation biphasé. Trois fils plus petits sont toujours moins chers que les deux fils nécessaires avec la conception parallèle simple, donc nous sommes toujours en avance sur l’efficacité.
L’observateur astucieux remarquera que le fil neutre doit seulement transporter 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 de puissance, le fil neutre transporte un courant nul.
Notez comment le fil neutre est connecté à la terre à l’extrémité de l’alimentation. Il s’agit d’une caractéristique commune aux systèmes d’alimentation contenant des fils » neutres « , car la mise à la terre du fil neutre garantit la plus faible tension possible à tout moment entre tout fil » chaud » et la terre.
Un composant essentiel d’un système d’alimentation à phases séparées est la source de tension alternative double. Heureusement, il n’est pas difficile d’en concevoir et d’en construire une.
Puisque la plupart des systèmes à courant alternatif reçoivent de toute façon leur alimentation d’un transformateur abaisseur (abaissant 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 de 120/240 Vca est dérivée d’un transformateur de service public à prise centrale.
Si l’alimentation CA provient directement d’un générateur (alternateur), les bobines peuvent être centrées de façon similaire pour le même effet. La dépense supplémentaire pour inclure une connexion à prise centrale dans un transformateur ou un enroulement d’alternateur est minime.
C’est ici que les marquages de polarité (+) et (-) deviennent vraiment importants. Cette notation est souvent utilisée pour référencer les phases de plusieurs sources de tension alternative, de sorte qu’il est clair si elles s’aident ( » boosting « ) ou s’opposent ( » bucking « ) l’une à l’autre.
Sans ces marques de polarité, les relations de phase entre plusieurs sources alternatives pourraient être très confuses. Notez que les sources à phase séparée dans le schéma (chacune 120 volts ∠ 0°), avec des marques de polarité (+) à (-) tout comme les batteries en série peuvent alternativement être représentées comme telles : (Figure ci-dessous)
La source 120/240 Vac en phase séparée est équivalente à deux sources 120 Vac en série aidante.
Pour calculer mathématiquement la tension entre les fils « chauds », nous devons soustraire les tensions, car leurs marques de polarité les montrent opposées l’une à l’autre :
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 comme étant séparés de 180°. Sinon, nous désignerions 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 de développer 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 de type biphasé, fournissant ce qu’on appelle une alimentation 120/240 VAC. Le terme « split-phase » fait simplement référence 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 phase, l’une avec l’autre.
Le terme « monophasé » est un contrepoint à un autre type de système d’alimentation appelé « polyphasé » que nous allons étudier en détail. Toutes mes excuses pour la longue introduction menant au titre-sujet de ce chapitre.
Les avantages des systèmes électriques polyphasés sont plus évidents si l’on a d’abord une bonne compréhension des systèmes monophasés.
VUE D’ENSEMBLE:
- Les systèmes d’alimentation monophasés sont définis par le fait d’avoir une source de courant alternatif avec une seule forme d’onde de tension.
- Un système d’alimentation biphasé 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 dans les conducteurs) et la sécurité (faibles tensions dans les charges).
- Les sources de courant alternatif à phases séparées peuvent être facilement créées en prenant au centre les enroulements des bobines des transformateurs ou des alternateurs.
Fiches de travail connexes:
- Fiche de travail sur les systèmes d’alimentation polyphasés
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