Courant alternatif - Définition

Le courant alternatif est un courant électrique qui change de sens.

Ce courant alternatif est dit périodique s'il change régulièrement et périodiquement de sens.

Un courant alternatif périodique est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz). C'est le nombre d' " aller-retours " qu'effectue le courant électrique en une seconde. Un courant alternatif périodique de 50 Hz effectue 50 " aller-retours " par seconde, c'est-à-dire qu'il change 100 fois (50 allers et 50 retours) de sens par seconde.

La forme la plus utilisée de courant alternatif est le courant sinusoïdal, essentiellement pour la distribution commerciale de l'énergie électrique.

La fréquence du courant électrique distribué par les réseaux aux particuliers est généralement de 50 Hz en Europe et 60 Hz en Amérique du Nord.

On doit distinguer :

• Les courants purement alternatifs dont la valeur moyenne (composante continue) est nulle, qui peuvent alimenter un transformateur sans danger.
• Les courant alternatifs à composante continue non nulle qui ne peuvent en aucun cas alimenter un transformateur

Historique

voir Histoire de l'électricité

Aux États-Unis Nikola Tesla en 1882 conçoit l'alternateur triphasé. Parallèlement, en France, Lucien Gaulard invente le transformateur. Ces deux inventions permettent de surmonter les limitations imposées par l'utilisation du courant continu pour la distribution de l'électricité alors préconisée par Thomas Edison qui avait déposé de nombreux brevets en rapport avec cette technologie (et possédait des réseaux de distribution de courant continu).

Les avantages apportés par le transport et la distribution de l'énergie électrique par courants alternatifs sont indéniables. L'industriel Westinghouse, détenteur des brevets, finit par l'imposer aux USA.

Avantages

Contrairement au courant continu, le courant purement alternatif peut voir ses caractéristiques (tension/courant) modifiées par un transformateur à enroulements.
Dès qu'il existe une composante continue non négligeable, un transformateur est inutilisable.

Grâce au transformateur :

• Le courant transporté par des lignes à haute tension subit des pertes par effet Joule beaucoup plus faibles. En divisant simplement par 10 l'intensité du courant transporté, on divise par 100 les pertes dues à la résistance des câbles électriques, la puissance dissipée dans une résistance étant proportionnelle au carré de l'intensité du courant. (P = RI²)
• À puissance constante, on peut réduire fortement l'intensité d'un courant alternatif en augmentant sa tension.
• On abaisse ensuite la tension afin de fournir une alimentation en basse tension près du lieu de distribution, afin de pouvoir l'utiliser à des fins domestiques (attention le danger est bien réel, même en basse tension).

Les courants alternatifs sinusoïdaux

Un courant alternatif sinusoïdal est un signal sinusoïdal de grandeur homogène à un courant (exprimé en ampères). De façon stricte, sa composante continue doit être nulle pour le qualifier d'alternatif, la sinusoïde aura donc une valeur moyenne de 0.

• Explication d'un point de vue mathématique

Il a donc une équation du type , ou , puisque , avec l'amplitude du signal, la période du signal exprimée en secondes. , et le déphasage, ou phase à l'origine, exprimée en radians.

Généralement on résume cette équation à , avec la pulsation (exprimée en rad/s) qui correspond donc à notre ou .

De façon stricte, un courant alternatif sinusoïdal est autant de temps (T/2) positif que négatif, ce qui implique que sa composante continue soit nulle. La sinusoïde oscillera donc de façon équilibrée autour de 0, impliquant une valeur moyenne (mathématiquement) nulle, et une valeur efficace (électriquement) de .

Voici un exemple de signaux sinusoïdaux.

On dit de ces deux signaux qu'ils sont identiques mais déphasés de π. Entre leurs deux équations, il y a donc seul le déphasage (ou phase à l'origine) qui diffère.

En réalité, l'important est que la différence des phases à l'origine vaut avec un entier impair, puisqu'un tel déphasage (π radians correspondant à 180°) correspond à un décalage d'un demi-tour sur le cercle trigonométrique. On associe donc à un signal, la valeur opposée de l'autre, car sin(x + z.π) = − sin(x). Quand le signal bleu est au maximum, le rouge est au minimum, etc. On remarque donc que les deux signaux sont opposés, c’est-à-dire symétriques par l'axe des abscisses.

Monophasé

Ce courant est le plus utilisé. Il utilise deux cables : la phase et le neutre (généralement relié à la terre au dernier transformateur, comme le neutre du courant triphasé).

Triphasé

Seuls les alternateurs polyphasés sont susceptibles de fournir une puissance élevée. C'est le triphasé qui est utilisé pour la fabrication industrielle de l'électricité. L’alimentation électrique triphasée utilise trois câbles pour chacune des trois phases et un câble pour le neutre. Chacun des câbles est parcouru par un courant alternatif sinusoïdal déphasé de 2π/3 radians (120 degrés) par rapport aux deux autres câbles. Le neutre est généralement relié à la terre à l'origine, donc pas de câble de transport, il est simplement recréé par un couplage en étoile des enroulements triphasés secondaires du transformateur de distribution Basse Tension (230/400 volts). Ce neutre est de nouveau relié à une prise de terre aux endroits où cela est nécessaire.

Autres systèmes

Le XIXe siècle et le début du XXe siècle ont été très prolixes dans les types de courants alternatifs. On peut citer :

• Système biphasé : monophasé avec un point milieu
• Système quadriphasé (4 ou 5 fils) : phases à 90°
• Système diphasé (3 fils) : système issu du quadriphasé avec décalage du neutre.

Les systèmes de fréquences ont aussi été variés. On peut citer le 25 Hz dans le Sud Ouest et le 42,5 Hz dans la région de Nice.