Le courant alternatif (CA) est utilisé pour la distribution d'énergie dans les bâtiments car il peut être efficacement augmenté ou diminué en tension à l'aide de transformateurs.Cela permet à l'électricité de parcourir de longues distances à très haute tension, en minimisant les pertes d'énergie résistive, puis de la réduire en toute sécurité à 120 V.Le courant continu (CC) ne peut pas utiliser de transformateurs, ce qui rend la transmission de courant continu sur de longues distances historiquement impraticable.
La seule raison la plus importante pour laquelle le courant alternatif a gagné sur le courant continu à la fin du XIXe siècle est que les transformateurs ne fonctionnent qu'avec du courant alternatif.
Un transformateur fonctionne par induction électromagnétique (loi de Faraday): un champ magnétique changeant dans la bobine primaire induit une tension dans la bobine secondaire.Il produit un champ magnétique statique sans induction., donc un simple transformateur ne peut pas changer la tension CC.
Avec le courant alternatif, la tension peut être:
- Accéléré à la centrale électrique à des centaines de kilovolts (par exemple, 230 kV, 500 kV, 765 kV) pour une transmission longue distance.
- Réduit aux sous-stations locales à des niveaux de distribution (par exemple, 11 kV, 33 kV).
- Réinitialisé à 120 V, 240 V ou 230 V à proximité ou à l'intérieur du bâtiment pour une utilisation finale.
Cette transformation de tension en plusieurs étapes est l'épine dorsale du réseau moderne et elle n'est possible que parce que le courant alternatif inverse la direction 50 ou 60 fois par seconde.
L'électricité perdue sous forme de chaleur pendant la transmission suit la formule:
P_perte = I2 × R
où I est le courant et R est la résistance de la ligne.
P = V × I
Pour une quantité fixe de puissance, augmenter la tension (V) abaisse le courant (I).Même une modeste réduction du courant produit une baisse spectaculaire de l'énergie gaspillée.
Exemple concret: fournir 100 MW à 12 kV nécessite environ 8 333 A de courant. À 230 kV, les mêmes 100 MW nécessitent seulement environ 435 A.qui réduit la perte de chaleur dans la ligne d'environ 360 fois.
C'est pourquoi les centrales électriques envoient de l'électricité à des tensions extrêmes par des lignes de transmission à haute tension, puis la réduisent progressivement à mesure qu'elle s'approche des utilisateurs finaux.Un système de courant continu sans transformateurs devrait transmettre à la même basse, la tension au niveau du bâtiment utilisée par le client entraîne des pertes d'énergie catastrophiques même sur de courtes distances.
L'alimentation en courant alternatif présente également des avantages à la source et sur le réseau:
- Les générateurs à courant alternatif sont mécaniquement plus simples: une bobine tournante dans un champ magnétique produit naturellement du courant alternatif.La génération de courant continu nécessite un commutateur, un interrupteur mécanique en rotation qui rectifie la sortie, ce qui ajoute de l'usure., les points de maintenance et de défaillance.
- La synchronisation du réseau est simple. Les systèmes CA se synchronisent naturellement à la même fréquence (50 Hz ou 60 Hz), ce qui permet à plusieurs centrales électriques de se connecter à un réseau et de partager la charge.
- Plus d'un siècle de domination AC a produit un écosystème universel de transformateurs, de commutateurs, de dispositifs de protection, de moteurs,et les appareils électroménagers, tous conçus autour du courant alternatif.
Une fois que l'électricité atteint un bâtiment, les transformateurs AC permettent de fournir en toute sécurité à basse tension standardisée:
- 120 V (Amérique du Nord) et 230 V (Europe, Asie, Australie) sont suffisamment bas pour réduire la gravité du choc électrique tout en alimentant la plupart des charges domestiques.
- Les disjoncteurs et les fusibles interrompent l'alimentation en courant alternatif de manière plus fiable que celle en courant continu à la même tension, car l'alimentation en courant alternatif traverse naturellement le zéro volt 100 à 120 fois par seconde, ce qui aide à éteindre les arcs pendant les conditions de défaillance.
- Les prises et les récipients normalisés (NEMA, Schuko, Type A/B, etc.) créent une interface de sécurité universelle.
Le courant continu, en revanche, arcs en continu et est plus difficile à interrompre la raison que les disjoncteurs à courant continu sont physiquement plus grands et plus coûteux.
L'histoire n'est pas entièrement unilatérale.
- Transmission à très longue distance (des centaines à des milliers de kilomètres), où les lignes CC ont des pertes capacitives/inductives inférieures à celles du courant alternatif.
- Les câbles sous-marins, où la capacité CA à travers l'eau de mer devient prohibitive.
- Interconnexion de réseaux asynchrones fonctionnant à différentes fréquences ou phases.
La HVDC résout le problème de transformation de tension non pas avec des transformateurs, mais avec des électroniques de puissance (AC→DC) à l'extrémité émettrice et des onduleurs (DC→AC) à l'extrémité réceptrice.Ces produits ne sont devenus abordables que ces dernières décennies..
Pendant ce temps, à l'intérieur des bâtiments, de nombreux appareils fonctionnent déjà à courant continu: téléphones, ordinateurs portables, éclairage LED, chargeurs de véhicules électriques, panneaux solaires et serveurs de centres de données.Ils utilisent des redresseurs intégrés ou des sources d'alimentation pour convertir le courant alternatif en courant continu, ce qui gaspille de l'énergie et ajoute des coûts.C'est pourquoi certains nouveaux bâtiments et centres de données expérimentent la distribution en courant continu sur place, mais le réseau de transmission lui-même reste largement en courant alternatif.
Pourquoi ne pouvons-nous pas simplement utiliser le courant continu haute tension (HVDC) dans tout le réseau?
La HVDC est excellente pour la transmission point-à-point longue distance, mais la conversion en courant alternatif pour la distribution locale est coûteuse.et la CC manque de l'infrastructure de transformateur simple qui gère les circuits de brancheLe HVDC agit comme une "autoroute de transmission" qui alimente le réseau CA, et non comme un remplacement de la distribution au niveau du bâtiment.
Les bâtiments utilisent-ils réellement l'air conditionné ou le courant continu?
Les prises murales fournissent du courant alternatif, mais presque tous les appareils électroniques le convertissent en courant continu à l'intérieur..Les panneaux solaires et les chargeurs de véhicules électriques produisent ou utilisent du courant continu, ce qui nécessite des onduleurs ou des convertisseurs pour interagir avec le réseau CA.
L'air conditionné est-il éliminé en faveur du DC?
Le courant alternatif n'est pas en train d'être éliminé pour la transmission d'énergie. Cependant, le courant continu se développe à la pointe de la technologie dans les domaines du solaire sur le toit, du stockage de batteries, de la recharge rapide des véhicules électriques et des centres de données.AC pour la distribution sur de longues distances et dans les bâtiments, avec des segments en courant continu intégrés là où cela a du sens économique.
Conclusion
Le courant alternatif est devenu la norme pour la transmission d'énergie vers les bâtiments car il a résolu les deux problèmes qui ont défini l'électrification précoce:une transmission efficace sur de longues distances (via des transformateurs haute tension et une transmission basse tension) et sûreLa distribution de la tension continue et la distribution de la tension continue sont des applications de niche, mais la distribution de la tension continue et la distribution de la tension continue sont des applications de niche.Le courant alternatif reste le moyen le plus économique et le plus universellement compatible de fournir de l'électricité d'une centrale électrique à une prise murale.
