Mod2, Leçon 12 : Courant alternatif.

# Mod2, Leçon 12 : Courant alternatif. ## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de cette leçon, l’élève sera capable de : - Définir le courant alternatif (CA) et le distinguer du courant continu (CC). - Décrire les modes de production et de transport de l’énergie électrique en courant alternatif. - Expliquer les avantages du courant alternatif pour le transport sur de longues distances. - Interpréter les caractéristiques d’une tension alternative (valeur efficace, fréquence, forme d’onde). - Appliquer ces notions à des exemples concrets du réseau électrique camerounais et africain. - Résoudre un problème type examen lié à la production, au transport ou à l’utilisation du courant alternatif. **Prérequis** : - Notions de base sur l’électricité : tension, intensité, résistance, loi d’Ohm. - Connaissance du courant continu (piles, batteries). - Notions élémentaires de magnétisme (champ magnétique créé par un courant). - Lecture et interprétation de schémas électriques simples. --- ## Introduction Le courant alternatif (CA) est la forme dominante d’énergie électrique utilisée dans les réseaux de distribution à travers le monde, y compris au Cameroun et en Afrique subsaharienne. Contrairement au courant continu, qui maintient une direction constante, le courant alternatif varie périodiquement en intensité et en direction, suivant généralement une forme sinusoïdale. Cette caractéristique permet de produire, transporter et distribuer l’électricité de manière efficace sur de longues distances, grâce à la possibilité d’élever ou de réduire facilement la tension à l’aide de transformateurs. Le chapitre Mod2, Leçon 12 s’inscrit dans la compréhension globale du système électrique : de la production (centrales hydroélectriques, thermiques, solaires) au transport (lignes haute tension) jusqu’à l’utilisation domestique et industrielle. Au Cameroun, le réseau national, géré par la Société nationale d’électricité (SONEL), fonctionne principalement en courant alternatif triphasé à 50 Hz, avec des niveaux de tension variant de 220 V monophasé pour les foyers à 330 kV pour les lignes de transport interrégionales. Cette leçon permet à l’élève de maîtriser les concepts fondamentaux du CA, essentiels pour comprendre le fonctionnement du réseau électrique national et les enjeux de l’accès à l’énergie en milieu rural et urbain. --- ## I. Définitions des notions ### A. Courant alternatif (CA) vs courant continu (CC) Le **courant alternatif** est un courant électrique dont l’intensité varie périodiquement dans le temps, changeant de direction à intervalles réguliers. Il est caractérisé par sa **fréquence** (nombre de cycles par seconde, exprimée en hertz, Hz) et sa **forme d’onde** (souvent sinusoïdale). En revanche, le **courant continu** maintient une direction constante et une intensité généralement stable (bien qu’elle puisse varier, comme dans une batterie en décharge). > **> À retenir** : Le courant alternatif varie périodiquement en intensité et en direction ; le courant continu maintient une direction constante. Au Cameroun, le réseau domestique fournit du courant alternatif monophasé à 230 V (valeur efficace) et 50 Hz. Les appareils comme les lampes à incandescence, les ventilateurs ou les téléviseurs fonctionnent en CA, tandis que les téléphone portables ou les ordinateurs utilisent des adaptateurs qui convertissent le CA du secteur en CC pour leurs circuits internes. ### B. Tension alternative : valeur efficace, valeur maximale, fréquence Une tension alternative sinusoïdale se décrit par l’équation : \[ u(t) = U_{\text{max}} \cdot \sin(2\pi f t) \] où : - \( U_{\text{max}} \) est la valeur maximale (ou amplitude) de la tension, - \( f \) est la fréquence en hertz (Hz), - \( t \) est le temps en secondes. La **valeur efficace** (notée \( U_{\text{eff}} \) ou \( V_{\text{rms}} \)) est la valeur de tension continue qui produirait la même puissance thermique dans une résistance donnée. Pour une tension sinusoïdale : \[ U_{\text{eff}} = \frac{U_{\text{max}}}{\sqrt{2}} \] > **> À retenir** : Pour une tension sinusoïdale, \( U_{\text{eff}} = \frac{U_{\text{max}}}{\sqrt{2}} \). La valeur efficace permet de comparer l’effet chauffant du CA et du CC. Au Cameroun, la tension efficace du secteur est de 230 V. Donc : \[ U_{\text{max}} = 230 \times \sqrt{2} \approx 325 \, \text{V} \] Cela signifie que la tension varie entre +325 V et -325 V 50 fois par seconde. > **> À retenir** : La fréquence du réseau électrique camerounais est de 50 Hz, soit 50 cycles complets par seconde. ### C. Modes de production de l’énergie électrique L’énergie électrique est produite principalement par conversion d’autres formes d’énergie (mécanique, chimique, nucléaire, solaire) en énergie électrique via un **alternateur**. Un alternateur est une machine tournante qui transforme l’énergie mécanique d’une turbine (entraînée par vapeur, eau, gaz ou vent) en courant alternatif grâce à l’induction électromagnétique : une bobine tournant dans un champ magnétique fixe (ou inversement) génère une tension alternative. Les principaux modes de production au Cameroun et en Afrique sont : 1. **Hydroélectricité** : énergie potentielle de l’eau stockée dans un barrage convertie en énergie mécanique (turbine), puis en énergie électrique (alternateur). Exemple : barrage de Lagdo (Nord), barrage de Song Loulou (Sanaga-Maritime). 2. **Thermique** : combustion de combustibles fossiles (gaz naturel, fioul, charbon) pour produire de la vapeur qui entraîne une turbine. Exemple : centrale thermique de Kribi (gaz naturel). 3. **Solaire photovoltaïque** : conversion directe de la lumière solaire en électricité via des panneaux (produit du CC, puis converti en CA par un onduleur pour injection au réseau). Exemple : centrale solaire de Maroua (Extrême-Nord). 4. **Éolien** : énergie cinétique du vent convertie en énergie mécanique (rotor), puis en électrique (alternateur). Encore peu développé au Cameroun, mais présent dans des projets pilotes (ex. : zone de Bamenda). > **> À retenir** : Un alternateur produit du courant alternatif par induction électromagnétique : une bobine tournant dans un champ magnétique fixe (ou vice versa) génère une tension alternative sinusoïdale. ### D. Modes de transport de l’énergie électrique Le transport de l’énergie électrique se fait principalement en **courant alternatif triphasé** à haute ou très haute tension pour minimiser les pertes par effet Joule (\( P_{\text{perte}} = R \cdot I^2 \)). En augmentant la tension, on diminue l’intensité pour une même puissance transmise (\( P = U \cdot I \cdot \cos\phi \)), ce qui réduit les pertes proportionnellement au carré de l’intensité. Les étapes du transport sont : 1. **Production** : l’alternateur génère du CA à une tension relativement basse (ex. : 11 kV). 2. **Élévation de tension** : un **transformateur élévateur** augmente la tension (ex. : de 11 kV à 110 kV ou 220 kV) pour le transport. 3. **Transport** : lignes aériennes à haute tension (supporter par des pylônes) acheminent l’énergie sur de longues distances (centaines de kilomètres). 4. **Réduction de tension** : un **transformateur abaisseur** diminue la tension près des zones de consommation (ex. : de 220 kV à 20 kV pour la distribution moyenne tension, puis à 400 V triphasé / 230 V monophasé pour les foyers). 5. **Distribution** : réseau de lignes basse tension desservant les habitations, écoles, hôpitaux, industries. > **> À retenir** : Le transport en courant alternatif permet d’utiliser des transformateurs pour élever ou abaisser facilement la tension, réduisant ainsi les pertes Joule lors du transport sur longue distance. Au Cameroun, le réseau de transport est géré par la SONEL et comprend des lignes de 220 kV et 330 kV reliant les principales zones de production (Sud, Sanaga, Nord) aux centres de consommation (Yaoundé, Douala, Garoua). Par exemple, l’énergie produite au barrage de Song Loulou est transportée en 220 kV vers Yaoundé et Douala. > **> À retenir** : Au Cameroun, le réseau de transport fonctionne principalement en courant alternatif triphasé à 220 kV ou 330 kV et 50 Hz. ### E. Avantages du courant alternatif pour le transport Le courant alternatif présente plusieurs avantages par rapport au courant continu pour le transport de l’énergie électrique : 1. **Facilité de transformation de la tension** : les transformateurs ne fonctionnent qu’avec du CA (ils nécessitent un champ magnétique variable). 2. **Réduction des pertes** : en élevant la tension, on diminue l’intensité et donc les pertes Joule (\( P_{\text{perte}} \propto I^2 \)). 3. **Compatibilité avec les alternateurs** : les principales sources d’énergie (hydro, thermique, éolien) produisent naturellement du CA. 4. **Disjonction et protection facilitées** : les arcs électriques sont plus facilement éteints en CA qu’en CC (le courant passe par zéro deux fois par cycle). > **> À retenir** : Le principal avantage du courant alternatif pour le transport est la possibilité d’utiliser des transformateurs pour élever la tension, ce qui réduit les pertes Joule lors du transport sur longue distance. Bien que le courant continu à haute tension (HVDC) soit utilisé pour certains liaisons sous-marines ou interconnexions très longues (ex. : projet Inga-Shaba en RDC), il reste coûteux et moins flexible pour les réseaux nationaux comme celui du Cameroun, où le CA reste dominant. --- ## II. Application : Exemple de sujet type examen **Sujet** : Une centrale hydroélectrique située près du barrage de Lagdo produit de l’électricité à une tension de 11 kV. Cette énergie est transportée sur une ligne de 150 km vers la ville de Garoua. Pour minimiser les pertes, la tension est élevée à 132 kV à l’aide d’un transformateur élévateur avant le transport. À l’arrivée, un transformateur abaisseur ramène la tension à 11 kV pour la distribution locale. On sait que la puissance transmise est de 50 MW et que le facteur de puissance est de 0,9. 1. Calculer l’intensité du courant dans la ligne de transport à 132 kV. 2. Justifier pourquoi le transport se fait en courant alternatif plutôt qu’en courant continu dans ce contexte. 3. Expliquer le rôle des transformateurs dans ce schéma de transport. **Plan de réponse attendu** : **I. Calcul de l’intensité** La puissance utile transmise est : \[ P = U \cdot I \cdot \cos\phi \] Donc : \[ I = \frac{P}{U \cdot \cos\phi} = \frac{50 \times 10^6}{132 \times 10^3 \times 0,9} \approx \frac{50\,000\,000}{118\,800} \approx 420,9 \, \text{A} \] L’intensité dans la ligne de transport est d’environ **421 A**. **II. Justification du choix du courant alternatif** Le transport se fait en courant alternatif car : - Il permet l’utilisation de **transformateurs** (élévateur et abaisseur), qui ne fonctionnent qu’avec du CA. - Ces transformateurs permettent d’**élever la tension** pour le transport, réduisant ainsi l’intensité et les pertes Joule (\( P_{\text{perte}} = R \cdot I^2 \)). - En CC, il serait nécessaire d’utiliser des convertisseurs électroniques coûteux pour changer de tension, moins efficaces et moins répandus pour ce type de réseau. - Le réseau de production (alternateur) et de consommation (moteurs, éclairage) est naturellement adapté au CA. **III. Rôle des transformateurs** - Le **transformateur élévateur** augmente la tension de 11 kV à 132 kV avant le transport, ce qui diminue l’intensité pour une même puissance transmise, réduisant les pertes dans les lignes. - Le **transformateur abaisseur** diminue la tension de 132 kV à 11 kV à l’arrivée, rendant l’énergie compatible avec le réseau de distribution moyenne tension. - Ils fonctionnent grâce à l’induction électromagnétique : un champ magnétique variable dans le primaire induit une tension dans le secondaire, proportionnelle au rapport des spires. --- ## Synthèse du chapitre - Le **courant alternatif (CA)** varie périodiquement en intensité et en direction, contrairement au courant continu (CC). - Une tension alternative sinusoïdale est caractérisée par sa **valeur maximale**, sa **valeur efficace** (\( U_{\text{eff}} = U_{\text{max}} / \sqrt{2} \)) et sa **fréquence** (50 Hz au Cameroun). - Le CA est produit principalement par un **alternateur** via induction électromagnétique (ex. : centrales hydroélectriques, thermiques). - Le transport de l’énergie électrique se fait en **CA triphasé à haute tension** (220 kV, 330 kV au Cameroun) pour minimiser les pertes Joule. - Les **transformateurs** (élévateurs et abaisseurs) permettent d’adapter la tension : élévation pour le transport, abaissement pour la distribution. - Le CA est privilégié pour le transport car il permet une **transformation facile de la tension**, contrairement au CC. - Au Cameroun, le réseau de la SONEL produit, transporte et distribue de l’électricité en CA à 50 Hz, avec des exemples concrets : barrage de Song Loulou, ligne Yaoundé-Douala en 220 kV, transformateurs dans les postes électriques de Ngoa Ekélé ou Bonabéri. - Les pertes lors du transport sont réduites grâce à l’élévation de la tension : \( P_{\text{perte}} \propto I^2 \), donc en diminuant \( I \) par augmentation de \( U \), on réduit fortement les pertes. - Le facteur de puissance (\( \cos\phi \)) influence l’intensité nécessaire pour transmettre une puissance donnée : plus il est faible, plus l’intensité est élevée pour la même puissance utile. --- ## Glossaire - **Courant alternatif (CA)** : Courant électrique dont l’intensité varie périodiquement dans le temps, changeant de direction à intervalles réguliers. - **Courant continu (CC)** : Courant électrique dont la direction et l’intensité restent constantes (ou varient lentement). - **Valeur efficace (U_eff)** : Valeur de tension continue produisant le même effet chauffant qu’une tension alternative donnée dans une résistance. Pour une sinusoïde : \( U_{\text{eff}} = U_{\text{max}} / \sqrt{2} \). - **Fréquence (f)** : Nombre de cycles complets par seconde d’une grandeur alternative, mesurée en hertz (Hz). - **Alternateur** : Machine électrique qui convertit l’énergie mécanique en énergie électrique sous forme de courant alternatif par induction électromagnétique. - **Transformateur** : Appareil statique qui modifie la tension d’un courant alternatif grâce à l’induction magnétique entre deux bobinages (primaire et secondaire). - **Transformateur élévateur** : Transformateur qui augmente la tension du primaire au secondaire. - **Transformateur abaisseur** : Transformateur qui diminue la tension du primaire au secondaire. - **Perte Joule** : Puissance dissipée sous forme de chaleur dans un conducteur due à l’effet résistif : \( P = R \cdot I^2 \). - **Facteur de puissance (cosφ)** : Rapport entre la puissance active et la puissance apparente dans un circuit alternatif ; indique l’efficacité de l’utilisation du courant. - **Réseau triphasé** : Système de distribution constitué de trois tensions alternatives de même amplitude et fréquence, déphasées de 120° entre elles. - **Haute tension (HT)** : Niveau de tension utilisé pour le transport de l’énergie électrique (généralement supérieur à 30 kV) afin de réduire les pertes. --- *Fin de la fiche de cours.*