Comprendre les unités de mesure de l’électricité

En tant que spécialiste de la mesure d’énergie électrique, Lettel vous explique les différentes unités mesurables ou calculables sur un circuit électrique, ainsi que leurs utilités.

Pourquoi mesurer l’électricité?

De nombreuses variables électriques peuvent être mesurées sur un circuit électrique. L’instrument ou appareil de mesure doit être sélectionné en fonction des données mesurées, selon les différentes applications :

Mesurer les consommations électriques

Les compteurs d’énergie, généralement installés sur le rail-din d’un coffret électrique, mesurent tension et courant afin de calculer l’énergie active consommée. Ils sont utilisés par les fournisseurs d’énergie pour facturer l’électricité, mais également pour des besoins de sous-comptage sur des circuits spécifiques.

Surveiller la qualité du signal électrique

Certaines perturbations dans le signal électrique réduisent le rendement des appareils, limitent leur durée de vie et peuvent perturber leur fonctionnement. Des dispositifs de compensation ou d’effacement de ces perturbations peuvent être mis en œuvre pour améliorer la qualité du signal.

Les centrales de mesures électriques permettent la détection et la mesure de ces perturbations.

Contrôler l’équilibrage du réseau électrique de distribution

Un bon équilibrage entre phases permet de limiter le dimensionnement des installations électriques de distribution, de réduire les coûts de maintenance et la puissance électrique de l’abonnement au fournisseur d’électricité.

Les unités de mesure de l’électricité

Tableau récapitulatif des symboles, grandeurs & unités de mesure électrique

 

Les unités de base

La tension (symbole U)

Exprimée en Volts (V), la tension électrique représente la capacité de circulation du champ électrique le long du conducteur.

Selon la loi d’Ohm, sa méthode de calcul est U = RI. Soit Tension (V) = Résistance (Ω) x Intensité (A).

Plus la tension est élevée, plus le débit de courant électrique peut être important. Le principe est comparable au diamètre d’une canalisation qui conditionne la quantité d’eau transportable.

C’est pour cette raison que les lignes électriques hautes tension transportent une tension de plusieurs dizaines de milliers de volts, qui sera ensuite transformée et distribuée aux consommateurs en 230V ou 400V.

La tension simple (symbole U L-N)

Il s’agit de la tension mesurée entre la phase et le neutre du circuit électrique. Sauf cas exceptionnels, la valeur de tension simple est de 230V en France. Elle est disponible sur un circuit monophasé et entre chaque et le neutre d’un circuit tétraphasé.

Tension composée (symbole U L-L)

Il s’agit de la tension mesurée entre deux phases d’un circuit électrique. En France la valeur de tension composée est généralement de 400V. Disponible sur des circuits électriques comportant à minima deux phases, la tension composée est donc mesurable sur les circuits électriques biphasés, triphasés et tétraphasés.

Le Courant ou l’Intensité (symbole I)

Exprimé en Ampères (A), le Courant ou Intensité est la quantité d’électrons qui circule sur un circuit électrique.

Le courant alternatif (symbole CA)

Les électrons circulent alternativement dans un sens puis dans l’autre à intervalles réguliers appelés cycles. Ce va-et-vient permanent, sur une distance de l’ordre du millième de millimètre, est appelé oscillation. Il permet à l’électron d’être acheminé jusqu’à l’extrémité du conducteur.
La vitesse d’oscillation se mesure en Hertz. En France la vitesse est de 50Hz, ce qui signifie que les électrons se déplacent à une vitesse de 50 cycles par seconde.

Le courant continu (symbole CC)

Le courant continu est unidirectionnel. Il permet d’alimenter un circuit dont la charge est constante dans le temps. Il est généralement utilisé pour alimenter des appareils électroniques dont la variation de charge est faible.

La fréquence (symbole F)

Exprimée en Hertz (Hz), la fréquence est une composante du courant alternatif. Il s’agit de la vitesse à laquelle les électrons effectuent un cycle oscillatoire. Elle est mesurée en nombre de cycles par seconde. En France la fréquence est de 50Hz.

Le facteur de puissance (symbole FP)

Le facteur de puissance, appelé également cosinus Phi indique l’efficacité énergétique du circuit (combien de la puissance totale est utilisée réellement).

Il se calcule selon la formule :
\( \text{FP} = \cos(\varphi) \)

Sa valeur est comprise entre 0 et 1.

Un appareil ayant un facteur de puissance de 1 est un appareil purement résistif, c’est-à-dire que toute la puissance apparente qu’il consomme est utilisée comme puissance active. Selon le type d’appareil, cette puissance peut être transformée en chaleur, lumière ou travail mécanique. Dans ce cas, la tension et le courant sont totalement en phase, et il n’y a aucune puissance réactive ni flux périodique d’énergie vers le réseau.

Certains appareils électriques sont dits réactifs. Ils stockent périodiquement de l’énergie dans un champ magnétique (inductif) ou électrique (capacitif) et la restituent ensuite au réseau. Ce phénomène crée un déphasage entre la tension et le courant, ce qui fait que le facteur de puissance est inférieur à 1.

À grande échelle, certaines charges non linéaires (alimentations à découpage, moteurs électroniques, LED, ordinateurs…) peuvent perturber l’onde sinusoïdale du réseau et produire des courants harmoniques, susceptibles de perturber le fonctionnement d’autres appareils électriques. Les charges purement résistives, elles, ne génèrent pas d’harmoniques.

Des dispositifs de réduction ou de compensation permettent de limiter ces perturbations et d’améliorer la qualité de l’électricité. Une centrale de mesure sert notamment à mesurer les courants harmoniques et d’autres paramètres électriques afin de vérifier la qualité de l’énergie fournie par le réseau.

Les puissances

La puissance correspond à la quantité d’électrons qui circule dans un circuit électrique, par unité de temps.

La puissance active

Exprimée en Watts (W), il s’agit de la puissance nécessaire pour transformer un joule d’énergie pendant une seconde.

Par exemple un appareil électrique de puissance 500W utilisera 500 joules d’énergie par seconde pour fonctionner. Selon le type d’appareil, la puissance consommée peut être transformée en chaleur par une résistance ou en force mécanique par un moteur.

Comment calculer la puissance active ?

Charge monophasée
\( P = U_{L-N} \times I_L \times \cos\varphi \)

\( I_L \) = courant de phase (A)

Réseau triphasé (3 phases) : la tension composée \( U_{L-L} \) est égale à la tension simple \( U_{L-N} \)

Charge triphasée équilibrée
\( P = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \times \cos\varphi \)

Réseau tétraphasé (3 phases + neutre) : la tension simple \( U_{L-N} \) est reliée à la tension composée \( U_{L-L} \) par \( U_{L-L} = \sqrt{3} \times U_{L-N} \)

Charge tétraphasée équilibrée
\( P = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \times \cos\varphi \)
ou
\( P = 3 \times U_{L-N} \times I_L \times \cos\varphi \)

Charge tétraphasée déséquilibrée (somme des puissances de chaque phase)
\( P = \sum_{\text{phases}} U_{L-N} \times I_L \times \cos\varphi \)

La puissance réactive (symbole Q)

Son unité est le Volt-Ampère-Réactif (VAR). Il s’agit de l’énergie consommée par un circuit électrique pour créer le champ magnétique nécessaire au fonctionnement de certains appareils équipés de bobinage comme les transformateurs, moteurs à inductions, fours à induction, machines à souder, lampes à ballast ou à décharge…

Comment calculer la puissance réactive ?

Charge monophasée
\( Q = U_{L-N} \times I_L \times \sin\varphi \)

Charge triphasée équilibrée
\( Q = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \times \sin\varphi \)

Charge tétraphasée équilibrée
\( Q = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \times \sin\varphi \)
ou
\( Q = 3 \times U_{L-N} \times I_L \times \sin\varphi \)

Charge tétraphasée déséquilibrée (somme des puissances de chaque phase)
\( Q = \sum_{\text{phases}} U_{L-N} \times I_L \times \sin\varphi \)

La puissance apparente (symbole S)

Exprimée en VA, la puissance apparente est la somme de la puissance active et de la puissance réactive. Elle est utilisée pour la souscription d’un contrat d’électricité auprès d’un fournisseur d’énergie.

Comment calculer la puissance apparente ?

Charge monophasée
\( S = U_{L-N} \times I_L \)

Charge triphasée équilibrée
\( S = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \)

Charge tétraphasée équilibrée
\( S = \sqrt{3} \times U_{L-L} \times I_L \)
ou
\( S = 3 \times U_{L-N} \times I_L \)

Charge tétraphasée déséquilibrée (somme des puissances de chaque phase)
\( S = \sum_{\text{phases}} U_{L-N} \times I_L \)

Les énergies électriques

L’énergie correspond à la quantité d’énergie utilisée sur un laps de temps. Il s’agit de l’unité utilisée pour quantifier et facturer l’énergie électrique soutirée du réseau.

L’énergie active (symbole EP)

Son unité est le Kilo-Watt-Heure (kWh). Il s’agit de la puissance électrique active consommée pendant une heure. A titre d’exemple un appareil électrique qui consomme 2 kWh consommera 2 kW (puissance active) pour chaque heure de fonctionnement.

L’énergie réactive (symbole EQ)

L’énergie réactive dont l’unité est le kVARh correspond à la puissance réactive consommée sur 1 heure.

L’énergie à 4 quadrants.

Nous parlons également d’énergie à 4 quadrants, qui consiste à mesurer la puissance active et réactive dans les quatre quadrants, en fonction de la direction de l’énergie et du type de charge (inductive ou capacitive). Cette approche permet de distinguer à la fois l’importation et l’exportation d’énergie et la nature inductive ou capacitive des charges, offrant ainsi une vision complète de la consommation et de la production électrique.

Répartition de la puissance active et réactive selon les 4 quadrants

Les harmoniques (symbole THD)

Comme vu ci-dessus, certains appareils électriques réactifs connectés au réseau perturbent le signal électrique en créant des déphasages entre la tension et le courant. Ces perturbations se traduisent par une déformation des ondes sinusoïdales. Ce phénomène est appelé distorsions d’harmoniques (THD).

Ces perturbations peuvent réduire le rendement voire perturber le fonctionnement de certains appareils électriques.

Une centrale de mesure détecte le déphasage entre les ondes de tension et courant et calculent les taux de distorsions d’harmoniques sur le signal électrique.

Des dispositifs de compensation et d’atténuation des harmoniques pourront être installés pour améliorer la qualité du signal électrique.

L’expertise Lettel

Nous mettons à disposition notre expertise dans la surveillance de la qualité du signal électrique grâce à des appareils de mesure performants, permettant une analyse complète et précise des réseaux électriques.