Electricité - Principes de base et notions élémentaires

Un glossaire de termes et de concepts relatifs  à la génération indépendante d’électricité, et des renseignements complets pour  vous aider à mieux connaître les génératrices électriques.

La  meilleure façon d’expliquer l’électricité et sa terminologie est de la comparer  à des domaines faciles à comprendre. Même si l’eau et l’électricité ne font  jamais bon ménage, les deux notions sont remarquablement similaires. En  comparant un courant électrique à de l’eau circulant dans un tuyau, on parvient  à mieux comprendre ce qu’il en est de l’électricité.

Pression et voltage

La pression  dans un tuyau est comparable au voltage électrique, qui circule dans un fil. Si  la pression aux deux extrémités est la même, l’eau ne coule pas. Si vous prenez  deux bassines d’eau de même capacité, et que l’une est pleine et l’autre vide,  et puis que vous les raccordez avec un tuyau par le fond de chaque bassine,  l’eau coulera de la bassine pleine dans la bassine vide. Dès que l’eau dans  chaque bassine aura atteint le même niveau, l’eau arrêtera de passer.

La pression  au fond de la bassine pleine est plus forte (quand le tuyau est raccordé) que  dans la bassine vide. Lorsque la même quantité d’eau se retrouve dans les deux  bassines, la pression au fond des deux est identique. Si les deux extrémités  d’un câble ou d’un fil électrique sont branchées à un même voltage (borne  positive d’une pile, par exemple), le courant ne passera pas non plus. Dans les  deux cas, c’est la différence de pression ou de voltage qui permet à l’eau ou à  l’électricité de circuler.

Le courant

Qu’il  s’agisse d’un courant d’eau ou d’un courant électrique, le courant se rapporte  au mouvement d’eau ou d’électricité. Lorsqu’il s’agit d’eau, nous nous référons  au nombre de gallons d’eau passant par un tuyau à la minute. S’agissant  d’électricité, nous nous référons au nombre d’électrons qui passent par un  point donné en une seconde.  La formule  est la suivante: 1 Ampère (abréviation : A) est égal à 6,24 x 1018  électrons par seconde. (C’est la ‘notation scientifique’ qui permet de représenter  ce nombre; on l’utilise pour les nombres très élevés. En effet, s’il fallait  utiliser la numérotation habituelle, on écrirait 6,240,000,000,000,000,000.  Comme le maniement de nombres si élevés se révèle encombrant sinon impossible de  façon régulière, nous utilisons la notation en Ampères, plus simple.)  Le courant d’eau par un tuyau, ou  d’électricité par un fil, est directement proportionnel à la différence de  pression ou de voltage d’un bout à l’autre du tuyau / du fil ou du câble.

Pour  revenir à l’exemple des deux bassines d’eau: si vous en remplissiez une de  quelques centimètres, le débit de remplissage de la bassine vide ne serait pas  vraiment rapide; en revanche, si vous remplissiez la même bassine d’un mètre  d’eau ou plus, le rythme ou débit de remplissage de la bassine vide serait nettement  plus rapide.

Même chose  avec l’électricité : plus le différentiel de voltage d’une extrémité du fil à  l’autre est élevé, plus le courant sera élevé.

Diamètre du tuyau et résistance

Plus il y a  de résistance dans un circuit, moins le courant sera élevé. De la même façon,  plus le diamètre du tuyau est petit, moins d’eau sera en mesure de passer par  le tuyau. Pour revenir à nos bassines, il est bien évident que si nous  raccordons les deux avec un tuyau de diamètre réduit, il faudra davantage de temps  pour remplir la deuxième bassine.

Si nous  allongeons le tuyau, la résistance au courant à l’intérieur du tuyau en  ralentira le flot, en augmentant la résistance. Il ressort par conséquent que  ce n’est pas seulement le diamètre du fil ou du câble électrique qui est en  cause, mais sa longueur également. Jetez un coup d’œil sur les circuits à  l’intérieur d’un moteur: vous verrez un très long et fin fil de cuivre. La  raison pour laquelle ce fil ne fond pas, c’est qu’il est suffisamment long et  fin pour agir comme résistance, ce qui ralentit le courant électrique.

La loi d’Ohm

 

Dans les  systèmes électriques, il existe une relation entre le courant (intensité), le  voltage et la résistance. C’est ce qu’exprime la loi d’Ohm, qui peut s’écrire  de différentes façons pour toujours revenir à l’équation fondamentale: V = I  R,  ‘V’ étant le voltage; ‘I’, le courant  et ‘R’, la résistance.

Cette  équation est invariable, que l’on parle de courant continu, alternatif,  capacitif, à induction, triphasé ou d’un autre type de circuit. Il faut  toutefois tenir compte du fait que les valeurs de voltage ou du courant ne sont  pas toujours des nombres simples: les facteurs ‘I’ et ‘V’  dans l’équation d’Ohm peuvent se voir  remplacés par de complexes fonctions mathématiques, même si elles représentent  le courant, le voltage.

En réalité,  ce n’est pas la formule qui change, mais bien les variables de courant et de  voltage qui deviennent des nombres complexes. Il suffit de remplacer la valeur  ‘I’ par la fonction "I x cos(p)", où ‘p’ renvoie à la variation d’un  angle de calage ou de réglage du courant.

Cette loi  d’Ohm peut se décliner de différentes façons, mais renvoie toujours à une même  équation. Les trois déclinaisons le plus courantes de cette loi sont:
  ‘V’= ‘I’ *’R’
  ’I’= ‘V’ / ‘R’
  ’R’= ‘V’ /  ‘I’

Courant continu ou courant alternatif

Une pile  électrique contient un courant continu. La polarité d’une pile est toujours la  même : positive d’un côté et négative de l’autre. Dans un courant  alternatif au contraire, la polarité varie tous les 1/60ème de seconde – 60  fois par seconde: 60 Hz.

Imaginez un  individu miniature – très, très rapide – assis sur la pile de 9 volts à  l’intérieur de la télécommande de votre téléviseur, et que cet individu miniature  passe sans arrêt du positif au négatif 60 fois par seconde: vous auriez une  source d’énergie de 9 volts en courant alternatif.

Ce  transfert entre pôle positif et pôle négatif dans les circuits de votre  habitation s’effectue de manière un peu plus régulière; si vous pouviez le  visualiser, vous verriez comme une onde sinusoïdale.

Les  électrons qui se déplacent par le fil ou le câble ne montent ni ne descendent exactement  comme sur le graphe; il s’agit de la représentation mathématique de leur  mouvement. Ces électrons se déplacent en réalité de l’avant à l’arrière du fil  ou du câble électrique, leur vitesse étant représentée au graphe par la hauteur  de l’onde.

Fil de terre, fil neutre et fil thermique

Ces termes  servent à décrire les différentes parties d’un système de câblage électrique.  Ces termes ne sont pas absolus; ils servent uniquement à identifier de façon  rationnelle les fils utilisés dans un système électrique habituel. Un peu comme  leur surnom respectif.

Le fil de terre (fil de masse)

Si vous  disposiez d’un très gros voltmètre, et que vous placiez une sonde loin dans  l’espace et une autre sur la Terre, vous obtiendriez un voltage entre l’espace  et la Terre. Personne ne sait ce que ce voltage représenterait: 1 volt? 1  million de volts? Autrement dit, la Terre sert de référence: nous émettons  l’hypothèse que la Terre se trouve à 0 volt, même si nous savons que ce n’est  pas le cas.

Le fil de  terre dans votre habitation ou votre atelier se trouve effectivement connecté à  une tige de cuivre de plus de 2 mètres sous terre. C’est pourquoi l’on dit que  le fil de terre est à zéro volt. Croyez-le ou non: notre planète, la Terre, est  conductrice d’électricité; pas autant que le cuivre, mais tout de même.

Si les  ‘appareils’ dont nous nous servons tous les jours n’étaient pas connectés à la  Terre – s’ils se trouvaient en ‘apesanteur’ électrique, ils enregistreraient un  différentiel de voltage avec la Terre, tout comme la Terre en apesanteur en  enregistre par rapport à l’espace. Le châssis de l’appareil est branché au fil  de terre, qui ancre le voltage du châssis à zéro. Autrement dit, ce fil de  terre est un dispositif sécuritaire, qui fixe à zéro le voltage de l’appareil;  ce fil n’est pas sensé porter de charge électrique, à moins de dysfonctionnement  de l’appareil. (‘Appareil’ se rapporte en l’occurrence à tous ces appareils:  lampe, scie électrique, four, moteur etc. et n’est donc pas restreint aux  ‘appareils’ électroménagers proprement dits).

Si un  appareil devait mal fonctionner, le fil de terre est effectivement sensé  s’électrifier, se charger d’électricité. L’objectif principal du fil de terre  consiste toutefois à garantir que le châssis de l’appareil reste à zéro volt.

Fil neutre et fil thermique

La seule  différence entre le fil neutre et le(s) fil(s) thermique(s) d’un circuit  électrique contemporain réside en ce que le fil neutre doit rester à 0 volt  (ancré), par branchement au fil de terre dès le boîtier abritant le  disjoncteur. Si nous ne branchions pas le fil neutre au fil de terre, le  voltage du fil neutre et celui du fil thermique seraient à un niveau  intermédiaire, chacun des deux fils en ‘apesanteur’. C’est donc une mesure  sécuritaire de les raccorder. Il est beaucoup plus commode de travailler sur un  système où un fil seulement n’est pas à 0 volt. Contrairement au fil de terre,  le fil neutre est bien sensé acheminer le courant en fonctionnement normal.

Étant donné  que le fil neutre est à 0 volt, il n’y a pas de différentiel avec le fil de  terre; d’où le risque très minime qu’un utilisateur se fasse électrocuter au  contact du fil neutre. C’est aussi pourquoi il est normal qu’un appareil soit  directement branché au fil neutre, sans devoir passer par l’interrupteur ou par  le disjoncteur. Interrupteurs et disjoncteurs se trouvent sur le branchement à  charge, uniquement.

Disjoncteur et protection du circuit électrique

La fonction  du disjoncteur consiste à protéger les fils entre l’interrupteur et la charge,  bien qu’il puisse aussi servir à interrompre l’alimentation en déconnectant la  charge du circuit.

Le  disjoncteur n’est pas sensé protéger l’appareil en tant que tel – uniquement le  câblage entre le disjoncteur et la prise. Dans une habitation, on trouve des disjoncteurs  de 15 ou de 20 A, mais le moteur que vous branchez à la prise de courant risque  de brûler si le courant dépassait les 10 A. Le moteur est conçu pour se  protéger par lui-même, au cas où le courant devait excéder 10 A, mais pas le  disjoncteur.

Le Code  national de l’électricité exige non seulement que TOUS les fils thermiques  alimentés par une charge comportent un disjoncteur, mais aussi que TOUS les  disjoncteurs qui alimentent un appareil se déclenchent en même temps. C’est  pourquoi un outil sur 240 volts devra être équipé d’un disjoncteur à deux  pôles, et un outil triphasé d’un disjoncteur à trois pôles.

Sécurité du circuit électrique

Vous savez  bien sûr déjà qu’il faut couper le courant avant d’entreprendre tout travail  sur un circuit électrique, mais il convient de pousser ce principe un peu plus  loin.

Faites en  sorte que personne d’autre ne rétablisse le courant. Si un outil a une fiche,  débranchez-le et placez le cordon à vue, pour être averti au cas où quelqu’un  s’aviserait de le brancher. Si l’outil n’a qu’un disjoncteur et qu’il se trouve  en dehors de votre champ visuel, trouvez un moyen de bloquer le disjoncteur en  position Arrêt.

La plupart  des disjoncteurs comportent un orifice dans la poignée d’enclenchement: cet  orifice peut servir à y placer un petit cadenas, pour empêcher que le  disjoncteur soit branché à l’improviste. Dans le même temps, placez une note  sur la fermeture pour signaler que le circuit est en observation pour  entretien.

Dans  certains cas, il vous sera impossible d’interrompre l’alimentation en  électricité. Dans ces situations, seules les personnes qualifiées, habituées à  travailler dans ces conditions, pourront travailler sur le circuit.

Qu’un  circuit soit actif ou pas ne devrait pas modifier la façon dont vous  travaillez. Si vous travaillez de façon régulière dans la certitude que le  circuit est branché, vous ne risquez pas de vous blesser au cas où quelqu’un  réintroduirait l’électricité dans le circuit.
 

C’est le courant  qui passe dans le corps qui cause l’électrocution de la victime – pas le  voltage proprement dit. Le voltage peut tuer, mais c’est le différentiel de  voltage qui est responsable de l’accident, et c’est ce différentiel qui permet  au courant de passer dans le corps de la victime.

Les oiseaux  ne se font pas électrocuter quand ils se posent sur une ligne à haute tension,  puisque c’est le corps tout entier de l’oiseau qui se trouve au même voltage  (en apesanteur). Si l’oiseau devait toucher de son aile une source d’autre  voltage, comme le sol ou un autre fil, il bouclerait en l’occurrence  l’itinéraire à un voltage différent, ce qui dans ce cas entraînerait  l’électrocution.

Pour que le  courant puisse passer, l’itinéraire doit passer d’un voltage supérieur à un  voltage inférieur. S’il n’y a pas de circuit, le courant ne passe pas. Or un  circuit peut être établi par un fil électrique, par un tuyau à eau en métal,  par l’encadrement de votre compartiment électrique, ou par des chaussures  trempées, au contact du sol.

Chaque fois  que vous effectuez un câblage, n’oubliez pas un principe fondamental: aucune  partie du corps ne doit se trouver en contact avec le sol ou avec aucune autre  source de voltage.

Dans la  mesure du possible, n’effectuez vos tâches que d’une seule main, pour éviter que  par inadvertance l’autre ne touche un endroit dangereux. Au cas où un circuit  s’établirait avec votre corps, le courant passera par votre main occupée, au  lieu de traverser votre corps avant de rejoindre la terre.

Retours de courant ou de voltage

Ce qui rend  la consigne qui précède d’autant plus importante, c’est l’éventualité peu  probable d’un retour de voltage. Un tel incident a tué ou paralysé plus d’un  électricien chevronné. Cela ne peut arriver lorsque vous pouvez débrancher le  système tout entier, comme un outil dont on débranche simplement le fil. Des  précautions s’imposent par contre lorsque vous travaillez sur un système, ou une  composante d’un système, qui ne serait pas entièrement isolé des autres  composantes, comme une prise murale par exemple.

Peut-être  avez-vous bien déconnecté le fil thermique de la source, et peut-être aussi le  fil neutre, mais il est toujours possible qu’il y ait un circuit quelque part,  auquel vous n’avez pas pensé, dont vous n’êtes pas informé.

Condensateurs et inducteurs sur moteurs

Les condensateurs  et les inducteurs emmagasinent l’énergie comme le font les piles. Chacun de ces  appareils emmagasine l’énergie d’une façon différente. C’est leur capacité à  emmagasiner l’énergie, précisément, qui les rend quelque peu complexes dans  l’évaluation d’un système électrique donné.

Les condensateurs

En deux  mots, un condensateur se compose de deux plaquettes métalliques parallèles, séparées  par un isolant. Comme cet isolant sépare les plaquettes du condensateur, il n’y  a pas de passage de courant dans le condensateur, même si on en a parfois  l’impression. Chacune de ces plaquettes va emmagasiner de l’énergie, comme une pile,  l’une étant chargée Positif et l’autre Négatif. C’est ce que l’on constate  aussi avec l’électricité statique, par exemple quand vous frottez un ballon sur  vos cheveux: vos cheveux ont une charge négative et le ballon une charge  positive, ou l’inverse.
  Comme le  courant ne peut passer par l’isolant, l’énergie est emmagasinée dans le  condensateur sous forme de charge électrique entre les deux plaquettes. Lorsque  vous introduisez un voltage entre les deux plaquettes et que vous retirez les  fils, le condensateur retiendra l’énergie jusqu’à épuisement de la charge.  (C’est pourquoi ces condensateurs posent un sérieux danger: ils peuvent  gravement blesser quelqu’un longtemps après que l’outil ait été débranché.)

Les inducteurs

Un système  d’induction se compose d’une bobine (spirale) de fil qui alimente les moteurs,  les transformateurs et les génératrices. Chaque fois qu’un courant électrique  passe dans le fil, elle génère un champ magnétique autour du fil. (C’est  l’énergie qui retient par exemple votre aimant sur la porte du réfrigérateur,  sauf que ce magnétisme n’est présent que lorsque passe le courant.) Ce champ  magnétique crée des lignes de courant concentriques autour du fil. Lorsque vous  rembobinez le fil, vous allez regrouper le fil en un petit espace, et dans le  même temps concentrer le magnétisme dans un espace réduit.

Un  inducteur va emmagasiner l’énergie dans un champ magnétique autour des spirales  ou bobines. Il faut de l’énergie pour développer ce champ: c’est ce qu’assure  la spirale (bobine) en se relâchant, ce qui se produit quand le courant est  interrompu ou transmis en sens inverse.

Dans un  courant alternatif, ne pas oublier que le voltage passe du Positif au Négatif,  en passant par 0, soixante fois par seconde. Lorsque vous branchez un inducteur  à un circuit alternatif, comme dans un moteur ou un transformateur, le champ  magnétique va constamment changer lui aussi en conséquence. Avec l’alternance  du courant, les fils qui génèrent le champ magnétique sont en continuel  mouvement de contraction / relâchement.

Propriétés respectives du condensateur et de  l’inducteur

Pour  résumer ce qui précède, le condensateur emmagasine le voltage, tandis que  l’inducteur emmagasine le courant. Quand vous introduisez un voltage dans un  moteur, l’effet d’emmagasinement du courant va momentanément retarder son  passage. C’est ce qu’on appelle dans le métier le ‘changement de phase’. Nous  reviendrons à ce phénomène après avoir traité d’un certain nombre d’exemples,  qui ont leur importance pour bien saisir comment une génératrice ou un moteur  assurent la génération d’électricité.

Types d’électricité à usage industriel

Trois types  d’électricité sont couramment employés en milieu industriel: 120 volts en  monophasé, 240 volts en monophasé et le voltage triphasé (disponible en  quantités variables, qui s’expriment ainsi: 120/208, 120/240, 277/480).

Ne vous inquiétez  pas si vous entendez dire 110 volts au lieu de 120 volts, ou 220 au lieu de  240. Il s’agit de désignations périmées, que le grand public utilise toujours,  alors que les compagnies d’électricité (en Amérique du Nord) livrent du 120  volts et du 240 volts par souci d’harmonisation et de partage des charges. La  plupart des outils et moteurs utilisent l’ancienne appellation 110 ou 220  uniquement pour indiquer qu’ils seront toujours performants, même si le voltage  devait tomber à ce seuil, respectivement.

120/240 volts, en monophasé

Les lignes  à 120 ou 240 volts en monophasé sont deux éléments d’un même système. Il s’agit  en réalité d’un système à 240 volts, que l’on divise en deux pour obtenir deux  systèmes à 120 volts. C’est pourquoi on les appelle systèmes monophasés.

Il s’agit d’abord  d’une phase de courant à 240 volts. Pour obtenir du 120 volts, on se sert de ce  qu’on appelle une prise médiane. Les prises courantes utilisent un fil neutre  (prise médiane) et un fil thermique, où le voltage entre les deux est à 120  volts. Les prises en 240 se servent de deux fils thermiques : l’un à 120  volts, au dessus du fil neutre, et l’autre à 120 volts, en dessous du fil neutre  (comme précédemment, on connecte le fil neutre à la Terre, tandis qu’on laisse les  deux fils thermiques ‘flotter’ au-dessus et en dessous). On dit également que  chacun des éléments thermiques (pôles) d’un un système monophasé est déphasé à  180°.

Le fait qu’on  appelle ces systèmes ‘monophasés’ peut être source de confusion, mais il peut  être utile d’y penser comme des systèmes à deux pôles. (Dire qu’il y a deux pôles  est correct, mais dire qu’un tel système est à deux phases ne l’est pas.)

Systèmes triphasés

Alors qu’un  système monophasé comporte deux pôles déphasés à 180°, le système électrique triphasé  comporte trois pôles à 120°: notez : 3 x 120° = 360° = circuit complet. Comme  précédemment, le voltage entre le fil thermique et le fil neutre est de 120  volts, mais à cause de l’angle de phase, le voltage entre les deux fils  thermiques est de 208 volts, c’est-à-dire 40 x (0,866) = 208 volts, où 0,866 est  le cosinus d’un angle à 120°.

La majorité  des moteurs triphasés n’utilisent pas le fil neutre. C’est ce qu’on appelle un système  à connections delta. Quand on utilise le fil neutre, on parle de système à  branchement en étoile. La plupart des sources d’électricité se servent du  branchement ‘en étoile’. Une charge en delta (moteur, par exemple) peut  toujours être modifié en branchement ‘en étoile’, tout simplement en évitant le  fil neutre, mais l’inverse (de l’étoile au delta) est quasiment inexistant.  C’est possible, mais il faut une prise médiane, trois phases et un  transformateur pour artificiellement disposer d’un fil neutre.

Le courant dans le fil neutre

Voilà une  question que posent même des professionnels. Si le courant qui passe par le fil  neutre est bien la somme des courants dans chacun des fils thermiques, la  charge maximale au fil neutre ne devrait-elle pas être trois fois la charge  dans chaque élément – à charge maximale? À savoir: si 20 ampères passent dans  chacun des fils thermiques, le fil neutre n’a-t-il pas une charge de 60 volts? La  réponse est NON. (L’explication qui suit correspond aux systèmes triphasés, mais  vaut également pour les systèmes monophasés, à deux pôles.) Le courant qui  passe par le fil neutre est bien la somme des courants qui passent à chaque  phase; mais ce qui complique un peu les choses à ce stade, c’est que chaque  phase comporte une intensité et une direction. Chaque fois que nous avons à  faire à une expression qui comporte intensité et direction, cette expression  est vectorielle; les flèches dans le schéma ci-dessus sont des ‘vecteurs’.  Impossible d’indiquer l’intensité (ou la magnitude) d’un vecteur sans en  indiquer la direction.

Les vecteurs en mathématique

Pour  expliquer la charge au fil neutre, il convient de se remémorer certains  principes mathématiques, et notamment les ‘vecteurs’. Un vecteur désigne tout  ce qui peut comporter une intensité et une direction. Pensez à un déplacement,  où la longueur du trajet correspond à la magnitude (intensité) et la direction,  précisément à ce que le mot indique: la direction. Si nous faisons 10 mètres  vers l’est, et puis que nous marchons en sens inverse en parcourant 10 mètres à  nouveau vers l’ouest, notre déplacement net est égal à zéro: nous nous  retrouvons au point de départ. Si nous faisons 10 mètres vers l’est et 10  mètres vers le nord, nous aurions couvert la même distance si nous avions fait  14 mètres en marchant à 45° au nord-est (NE).Pour déterminer ces quatorze  mètres NE, nous pouvons ou bien nous servir d’un graphe, ou bien recourir à la  trigonométrie. La méthode du graphe est appelée ‘de bout à bout’ : elle  reproduit les vecteurs de sorte que le deuxième trajet commence où finit le  premier.

Coordonnées  des exemples ci-dessous : imaginons que vous parcourez 20 mètres à 120° Nord,  et puis que vous faites marche arrière pour parcourir 20 mètres à 240° Nord,  vous allez couvrir la même distance que si vous faisiez 20 mètres plein Sud.  (Signalons que ces 20 mètres Sud, et pas 24, correspondent au fait que 120° et  240° forment ce qu’il est convenu d’appeler un triangle parfait. S’il  n’existait pas ces angles ‘parfaits’, nous obtiendrions une autre distance, pas  20 mètres.)

Système monophasé à charge maximale, deux  phases à zéro

Pour  comprendre comment se détermine la charge sur le fil neutre, examinons trois  scénarios-catastrophes. D’abord, quand une phase est à 20A, et les deux autres  phases à 0, le courant bien évidemment au fil neutre sera égal à 20A.

Configuration  où deux phases ont une charge maximale et une phase à zéro :
Quand un  courant biphasé est à 20A et que la troisième est à zéro (celui qu’indique la  flèche verticale est à zéro), le courant dans le fil neutre est à 20A -180°. La  somme 20A - 120° plus 20A - 240° égale 20A - 180°.

Quand les  trois phases du système sont chargées au maximum :
Lorsque les  trois phases charrient la charge maximale, elles s’annulent : la charge au  fil neutre devient égale à 0A.

En somme,  la charge dans le fil neutre ne peut jamais être supérieure à la charge  maximale dans l’un ou l’autre des éléments thermiques.

Énergie apparente, énergie réelle et facteur  énergétique

L’énergie  d’un système quelconque se rapporte à sa capacité à accomplir une tâche. L’eau  accomplit une tâche quand elle fait tourner les pales d’une turbine  hydroélectrique. De même, l’électricité accomplit sa tâche quand elle se  transforme en chaleur ou qu’elle fait tourner un moteur. Pour emmagasiner  l’énergie, il en faut au préalable; c’est ce qu’accomplissent les dispositifs à  condensation, qui l’emmagasinent avant de la libérer ultérieurement. (Ces dispositifs  consomment de l’énergie comme ils en génèrent.)

L’énergie en général

Dans les  systèmes à courant direct, l’énergie est le produit obtenu par la  multiplication (x) du courant par le voltage, produit qui se traduit par la  formule P = I x V. Dans les systèmes en courant alternatif qui ne comportent  que des résistances, c’est la même formule. Mais en ce qui concerne les  circuits à condensation ou à induction sur un système en courant alternatif, le  dispositif va temporairement emmagasiner une quantité d’énergie, ou en retarder  la diffusion; le cas de figure est par conséquent un peu plus complexe. Il va  en effet falloir compenser ce délai de transmission d’énergie; c’est à ce stade  qu’intervient la notion de facteur (coefficient) énergétique.

Le coefficient énergétique

Quand on  utilise n’importe quel dispositif à condensation ou à induction sur un circuit  en courant alternatif, le courant ou le voltage qui y circule se trouve un peu retardé,  ou ‘déphasé’. Un moteur est un dispositif à induction : le courant par  conséquent va se trouver en retard sur le voltage: rappelez-vous qu’un  inducteur emmagasine l’énergie. Sur les condensateurs au contraire, c’est le  voltage qui se trouve ‘déphasé’ par rapport au courant (le condensateur ayant  cette capacité d’emmagasiner le voltage).

Vous avez  peut-être entendu dire que c’est le courant qui est en avance sur le voltage  dans le condensateur: ce n’est que façon de parler, le voltage devant rester  identique, c’est le courant qui ou bien est en avance, ou bien est en retard  sur le voltage. C’est ce que traduit la formule conventionnelle: dans  l’inducteur, c’est le courant qui est EN RETARD sur le voltage; dans le  condensateur, c’est le voltage qui est EN AVANCE sur le courant. 
 

Dans un  circuit strictement à condensation ou à induction avec zéro de résistance,  l’angle d’avance/retard est de 90°. En ajoutant une résistance au circuit, on  augmente l’angle d’avance/retard.

L’expression  ‘coefficient du facteur énergétique’ correspond au cosinus de l’angle de phase.  Sur un circuit à induction uniquement, l’angle de retard est de 90° et le coefficient  énergétique de 0: [cosinus de 90 = 0]. Le coefficient énergétique le plus  répandu dans les moteurs électriques est de 0,8 (angle de retard : 36°), ceci  parce qu’il y a toujours des résistances au niveau des bobines ou des spirales  à l’intérieur d’un moteur.

L’énergie apparente (x 1000 Volts-Ampères ou  KVA)

L’énergie  apparente est l’énergie qu’un système va consommer ‘en apparence’. C’est-à-dire  que le produit courant x voltage renseigne sur la quantité d’énergie  ‘apparemment’ consommée par un système. Mais ce chiffre ne tient pas compte du  fait que l’appareil peut emmagasiner (ou retarder) le courant ou le voltage, ce  qui fait que le calcul est légèrement faussé.

Cette  notion d’énergie apparente est utile quand on a une génératrice électrique  diesel, où les fils n’ont qu’une capacité limitée à transmettre le courant, et  qu’on ne sait pas d’avance ce qu’il faudra connecter à la génératrice.  Autrement dit, indépendamment du retard d’exécution (ou de l’angle de phase),  la génératrice ne peut acheminer qu’une quantité donnée (limitée) de courant.

C’est pour  cette raison que plusieurs modèles de génératrices (et la plupart des  transformateurs) sont calibrés en volts-ampères (VA), ou en mille volts-ampères  (KVA). Une génératrice (ou un transformateur) calibré 25 KVA ne peut générer  plus de 70A par phase à 208 volts, sinon il va brûler sa spirale. Ces modèles  peuvent par conséquent fournir 25 kilowatts à une chaudière, mais seulement 20  kilowatts à un moteur (sur la base d’un coefficient énergétique de 80%), car  chacune de ces charges utilisera 70A. Étant donné que le fabricant ne sait pas  d’avance à quels usages ces génératrices sont destinées, elles sont calibrées  en KVA, ce qui indique la charge maximale de courant  utilisable, indépendamment du facteur énergétique.

Énergie réelle (en Watts)

La  véritable quantité d’énergie utilisée par une machine, ou de réel travail  accompli, se désigne par ‘énergie réelle’. Ce chiffre tient compte du fait que  l’énergie est emmagasinée ou en retard. Cette notion d’énergie réelle renseigne  sur le travail réel accompli, ou encore sur le nombre de chevaux-vapeur (CV)  déployés par le moteur. Sur un circuit à résistance et/ou en courant direct,  énergie apparente et énergie réelle ne se distinguent pas, mais sur un circuit  à condensateur ou inducteur, l’énergie réelle est largement dépendante du  coefficient de retard du courant ou du voltage. L’énergie réelle se mesure en  Watts. Mathématiquement, il n’y a pas de différence entre un Watt (W) et un  volt-ampère (VA), sauf que l’un est utilisé pour désigner l’énergie apparente,  et l’autre l’énergie réellement déployée, tous deux étant des mesures de  l’énergie. Pour passer de la notion d’énergie apparente à celle d’énergie  réelle, on se sert du facteur (coefficient) énergétique.

Ainsi,  l’énergie (puissance) d’un système est obtenue en multipliant l’énergie  apparente par le coefficient énergétique (ce). Dans la pratique de tous les  jours, la formule est la suivante: P = I x V x ce.

Rendement

Indépendamment  du système, le rendement se mesure en soustrayant l’énergie alimentée de la  quantité d’énergie générée. Quand vous pédalez sur votre bicyclette, vos jambes  constituent l’énergie fournie, et la roue sur la chaussée correspond à  l’énergie générée. La différence entre les deux correspond au rendement de transmission  de l’énergie. Dans le cas de la bicyclette, cette perte d’énergie (rendement)  provient des frictions au niveau de la chaîne (même du pantalon sur vos  jambes), de la force du vent dans les rayons, et même aux pertes dues à la  friction entre le pneu et la chaussée; mais aucune de ces pertes n’est  attribuable ni à l’inclinaison de la montagne que vous êtes en train de  grimper, ni au vent qui pourrait souffler contre vous et le châssis de votre  bicyclette, puisqu’en l’occurrence il s’agit de cette portion du travail  (charge) que fournit la bicyclette.

Dans un  moteur, la perte d’énergie est due à la résistance des spirales (bobinages), à  la friction dans les roulements, à la résistance de l’air dans le moteur et au  phénomène dit ‘hystérèse’, au niveau du noyau du moteur.

Les pôles magnétiques

Tout  aimant, quel qu’en soit le type ou l’origine, a deux pôles: un pôle nord et un  pôle sud. Cette distribution est très semblable à celle d’une pile : une borne  positive et une borne négative. Si vous avez deux aimants, les pôles à polarité  opposée s’attireront mutuellement, tandis que les pôles de même polarité se  repousseront l’un l’autre. Ces forces d’attraction et de répulsion peuvent être  significatives; ce sont elles qui expliquent qu’un moteur tourne.

L’induction

Si vous  tenez un aimant, et que vous approchez un fil de cet aimant, cela créera un  courant dans le fil. Plus vite vous déplacez le fil, plus fort sera le courant.  En outre, plus votre aimant sera puissant, plus la charge de courant sera  élevée. Si vous changez la direction du fil, le courant changera lui aussi de  direction. C’est le principe de base des génératrices diesel, où un moteur diesel  fait passer deux fils à proximité d’un champ magnétique.

Les électro-aimants

Chaque  courant électrique en circulation génère un champ magnétique. Lorsque ce  courant passe dans un fil, le champ magnétique va se développer en anneaux  magnétiques autour du fil. Il est alors possible de concentrer ce champ en  embobinant le fil en boucles serrées, ce qui constitue l’électro-aimant. Il est  possible de concentrer ce champ magnétique encore davantage, en enveloppant le  fil dans une tige de fer. Cet électro-aimant comporte lui aussi un pôle nord et  un pôle sud, comme les autres aimants, mais sa polarité change avec le changement  de courant électrique. Si vous faites passer un courant d’une ligne de 60 Hz par  un électro-aimant, la polarité des pôles magnétiques changera soixante fois par  seconde.

Éléments d’un moteur

Un moteur  se compose d’un certain nombre d’aimants permanents ou électromagnétiques, qui  s’attirent et/ou se repoussent sans discontinuer. Ceci crée le déplacement du  rotor mobile à l’intérieur du moteur. La seule différence d’un moteur à un  autre réside dans la façon dont ces aimants sont fabriqués et contrôlés.

Le stator (induit fixe)

Il s’agit  de l’élément magnétique fixe du moteur, et qui dans certains cas constitue le  châssis. Sur la plupart des moteurs, le champ magnétique du stator provient  d’électro-aimants. Exception: les petits moteurs à courant direct, qui animent  les jouets d’enfants: trains électriques, etc., lesquels utilisent de petits  aimants permanents en barre. Il est rare de trouver des aimants permanents dans  les moteurs d’importance, car ils risquent de perdre leur magnétisme si le champ  est trop élevé dans le bobinage. Ceci entraînerait la saturation d’un aimant  permanent et causerait une re-magnétisation du stator dans la polarité opposée.

Le rotor

Le rotor est  la pièce qui compose l’arbre de rotation du moteur. Ce rotor est pratiquement  toujours électromagnétique (bobines).

Les bobinages (enroulements)

Il s’agit  des spirales de fil qui constituent l’électroaimant. Elles enrobent  habituellement une superposition de barres de fer stratifiées. Le pourquoi de  la stratification nous entraînerait trop loin, mais pour ceux et celles qui s’y  connaissent, la stratification vise à éliminer les pertes dues à l’hystérèse au  niveau du noyau.

Le commutateur

On en  trouve aussi bien dans les moteurs de type ‘universel’ que dans ceux à courant  direct. Ces dispositifs, ainsi que les balais, servent à alterner la polarité  des spirales pendant que le moteur accomplit une révolution. (Manette à marche  avant / arrière, si l’on préfère).

Les balais

Il s’agit  généralement de petites barres de carbone, ou de graphite, qui servent à  conduire le courant des fils au commutateur, puis vers les spirales du rotor.  Ces petits balais sont doux, de sorte qu’ils font contact avec le commutateur  dès que celui-ci entre en rotation.

Calculs

En raison  des principes de conservation de l’énergie (l’énergie ne se perd ni ne se crée;  elle ne fait que se transformer d’une forme à une autre), on peut dire que  l’énergie à l’intérieur d’un moteur (sous forme d’électricité) est égale à  l’énergie développée par le moteur: Chevaux-Vapeur (CV) - moins les pertes ou  déperditions durant le processus de conversion.

Un moteur,  ce n’est rien d’autre qu’un convertisseur d’énergie. Un moteur convertit tout  simplement une énergie électrique en énergie mécanique, générant ce faisant un  sous-produit: un peu de chaleur. (Noter que les pertes ou déperditions ne sont  pas en contradiction avec le principe de ‘conservation’ de l’énergie: ces  pertes se traduisent en réalité en chaleur ou autres formes d’énergie.)

La formule  qui sert à établir la conservation d’énergie électrique en chevaux-vapeur  mécaniques est la suivante: CV = W/745, où CV signifie le cheval-vapeur, W les  watts et 745, le coefficient de conversion. Dans ce qui précède, nous avons vu  que l’énergie, en volts-ampères, se traduit par l’équation: P = I x V. Dans le  cas d’un engin à induction comme un moteur, il faudra tenir compte de l’angle  de phase entre le courant et le voltage et donc ajouter le coefficient  énergétique (ce). L’équation devient alors P = I x V x pf. L’équation définitive  devient alors ceci: HP = I x V x pf / 745.

Système à terre partagée

Un système  dit ‘à terre partagée’ désigne tout système où le fil ou le circuit à la terre  est commun à l’ensemble des panneaux de contrôles. Dans une architecture de ce  type, seule la borne de charge centrale est mise à la masse (le fil neutre  connecté à la terre). Il ne devra se présenter dans le système aucune autre  connexion du sol au fil neutre.

Chacun des  panneaux de contrôles subsidiaires ou annexes devra être branché par un circuit  indépendant du neutre à la terre, lorsque ce branchement provient d’une borne  centrale de charge. Par défaut, tous les systèmes électriques dans un même  édifice se partagent la même borne à la terre. C’est pour cette raison que, si  vous ajoutez un panneau supplémentaire dans votre sous-sol par exemple, il vous  faudra faire courir un fil à la terre du panneau central vers ce panneau  annexe; et vous ne manquerez pas d’enlever la vis de mise à la masse du panneau  annexe.

Système séparé de mise à la terre

Dans un  système de mise à la terre séparée, vous disposez en réalité de deux systèmes  indépendants. Ces systèmes électriques ne devraient pas être abrités dans un  même édifice ou habitation, et il ne devra se trouver aucun trajet à la terre  qu’ils aient en partage (tuyauteries et canalisations d’eau comprises). Lorsque  qu’on a deux systèmes à la terre entièrement autonomes, on les met à la masse  respectivement.

Pour vous  donner un simple exemple d’un système séparé, il suffit de visualiser l’apport  en électricité de votre entreprise dans un panneau de distribution, avant  d’alimenter deux édifices différents. Il y aura une borne centrale dans chacun  de ces édifices et une barre à la terre séparée. Aucun fil à la terre ne  raccordera les deux édifices. Dans ce cas, il n’y a pas de panneau ‘annexe’,  chaque panneau servant de panneau central de charge.