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Module état de l’art du génie électrique Qu'est-ce que le génie électrique? On

Module état de l’art du génie électrique Qu'est-ce que le génie électrique? On imagine mal la société sans l’électricité, moteur central des progrès technologiques depuis bon nombre d’années. Qu’adviendrait-il alors de l’éclairage des villes, du transport en métro, de l’ordinateur et des échanges par Internet, de la communication sans fil et par satellite, des stimulateurs cardiaques et de l’instrumentation médicale? Génie électrique Le génie électrique est une branche de la physique qui traite du domaine de l'électricité et de ses applications. Il regroupe les domaines du génie électrotechnique et du génie électronique. L'étude de domaine se réalise en physique, l'application se fait dans le domaine industriel. L’électricité est l'effet du déplacement de particules chargées, à l’intérieur d'un « conducteur », sous l'effet d'une différence de potentiel aux extrémités de ce conducteur. Ce phénomène physique est présent dans de nombreux contextes : l'électricité constitue aussi bien l'influx nerveux des êtres vivants que les éclairs d'un orage. Elle est largement utilisée dans les sociétés développées pour transporter de grandes quantités d'énergie facilement utilisable. Les propriétés de l'électricité ont été découvertes au cours du XVIIIe siècle. La maîtrise du courant électrique a permis l'avènement de la seconde révolution industrielle. Aujourd'hui, l'énergie électrique est omniprésente dans les pays industrialisés : à partir de différentes sources d'énergie, principalement hydraulique, thermique et nucléaire, l'électricité est un vecteur énergétique employé à de très nombreux usages domestiques ou industriels. 1. Électrotechnique Le Génie électrotechnique ou électrique est un domaine technologique qui traite de tout ce qui se rapporte à l'électrotechnique et ses applications. Ce domaine est très vaste. Il peut se rapprocher du génie électronique aussi bien que du génie mécanique.  Technologie Le mot technologie désigne l'étude des outils et des techniques. Ce terme se réfère à tout ce qui peut être dit à plusieurs périodes historiques particulières, concernant l'état de l'art dans tous les domaines des savoir-faire pratiques et d'utilisation des outils. Il inclut donc l'art, l'artisanat, les métiers, les sciences appliquées et éventuellement les connaissances. Par extension il peut aussi se référer aux systèmes ou méthodes d'organisation qui permettent une telle technologie, ainsi que tous les domaines d'études et les produits qui en résultent. 2. Électronique L'électronique est une branche de la physique appliquée, traitant de la mise en forme et de la gestion de signaux électriques, permettant de transmettre ou recevoir des informations. 1 On associe souvent l'électronique à l'utilisation de faibles tensions et courants électriques. Les faibles grandeurs électriques généralement utilisées dans les applications électroniques, s'expliquent en partie par le fait que si une information peut être transmise avec peu d'énergie, il y a peu d’intérêt à la transmettre avec beaucoup (lorsque deux personnes veulent échanger une information, elles peuvent le faire en criant, mais elles préfèrent en général le faire en parlant normalement). Il existe une discipline nommée « électronique de puissance » mais celle-ci est une branche de l'électrotechnique et non de l'électronique. On date généralement les débuts des applications de l'électronique à l'invention du tube électronique en 1904, l'ancêtre du transistor. Ce dernier compose actuellement l’essentiel des processeurs grand public. En raison du succès des appareils fonctionnant grâce à l'électronique et de leur impact sur la vie courante, le grand public amalgame souvent électronique avec cybernétique (science de l'automatique), aussi bien qu'avec informatique. 3. Automatique L’automatique est une science qui traite de la modélisation, de l’analyse, de l’identification et de la commande des systèmes dynamiques. Elle inclut la cybernétique au sens étymologique du terme, et a pour fondements théoriques les mathématiques, la théorie du signal et l’informatique théorique. L’automatique permet de contrôler un système en respectant un cahier des charges (rapidité, dépassement, stabilité…). Un exemple simple d'automatisme est celui du régulateur de vitesse d’une automobile: il permet de maintenir le véhicule à une vitesse constante prédéterminée par le conducteur, indépendamment des perturbations (pente de la route, résistance du vent, etc.). James Clerk Maxwell, dans son article « On Governors »1 (1868), définissait ainsi le système de régulation qu'il avait inventé: « A governor is a part of a machine by means of which the velocity of the machine is kept nearly uniform, notwithstanding variations in the driving-power or the resistance ». Cette définition est une excellente introduction à l'automatique 4. Télécommunications Les télécommunications sont définies comme la transmission à distance d’informations avec des moyens à base d'électronique et d'informatique. Ce terme a un sens plus large que son acception équivalente officielle « communication électronique ». Elles se distinguent ainsi de la poste qui transmet des informations ou des objets sous forme physique. Dans les débuts des télécommunications modernes, des inventeurs comme Antonio Meucci, Alexander Graham Bell ou Guglielmo Marconi ont mis au point des dispositifs de communication comme le télégraphe, le téléphone ou la radio. Ceux-ci ont révolutionné les moyens traditionnels tels que les pavillons ou le télégraphe optique Chappe. Actuellement, les télécommunications concernent généralement l'utilisation d'équipements électroniques associés à des réseaux analogiques ou numériques comme le téléphone fixe ou mobile, la radio, la télévision ou l'ordinateur. Celles-ci sont également une partie importante de l'économie et font l'objet de régulations au niveau mondial. 2 Électrotechnique L’électrotechnique se rapporte « aux applications pratiques de l'électricité, à la science étudiant ces applications ». On peut citer la production, le transport, la distribution, le traitement, la transformation, la gestion et l’utilisation de l’énergie électrique. Parfois appelée génie électrique, on peut situer sa naissance avec l'invention de la dynamo en 1869. Principes de l’électrotechnique Production et consommation de l’énergie électrique L’électricité peut être employée pour transporter l’énergie d’un point à un autre, on l’utilise comme vecteur énergétique. On a d’abord une énergie primaire (potentielle de pesanteur, nucléaire, thermique…) que l’on transforme en énergie mécanique (ex : Énergie mécanique de rotation dans une turbine) qui elle-même est transformée, dans une centrale électrique en énergie électrique via un générateur électrique. Celles-ci fonctionnent, pour la plupart, grâce aux effets du magnétisme. Ces machines sont théoriquement réversibles, permettant de passer de l’énergie électrique à une énergie mécanique (fonctionnement moteur). Transport de l’énergie électrique Sur des longues distances, on doit prendre en compte l'effet d'onde et la résistance des câbles électriques qui entraine des pertes suivant la tension. Ces dernières pertes sont appelées « pertes par effet Joule ». Elles dépendent de la section du fil/câble, ainsi que de l'intensité du courant transporté. On doit alors trouver la forme optimale du signal pour transporter l’électricité. On choisit généralement un courant alternatif à très haute tension en triphasé. Le choix d'une tension élevée permet d'abaisser l'intensité du signal et donc, de réduire les pertes par effet Joule dissipée dans le câble durant le transport. Techniques de production d'électricité Techniques largement utilisées  Barrage hydroélectrique  Centrale hydroélectrique (Énergie hydroélectrique)  Centrale nucléaire (Énergie nucléaire)  Centrale au charbon (Énergie thermique)  Centrale au fioul (Énergie thermique)  Centrale thermique au gaz (Énergie thermique)  Éolienne (Énergie éolienne) 3 Techniques nouvelles  Panneau solaire (radiation solaire) (voir aussi Centrale solaire photovoltaïque et Centrale solaire thermodynamique)  Centrale géothermique (Géothermie)  Biomasse  Force de la gravité hors barrage Techniques en développement  Four solaire (Énergie solaire)  Usine marémotrice (Énergie marémotrice)  Centrale nucléaire (Fission nucléaire)  Hydrolienne (Force des courants marins)  Énergie maréthermique  Énergie des vagues  Tour solaire  Énergie osmotique  Gazéification de biomasse  Thermoélectricité La production La plupart du temps, l'électricité est produite à partir d'une source de chaleur, en utilisant la vapeur d'eau comme colporteur d'énergie. La vapeur fait tourner des turbines qui sont couplées à des générateurs électriques. La vapeur peut être produite en utilisant la plupart des sources d'énergie. Les énergies hydrauliques et éoliennes étant des exceptions puisque c'est la force de l'eau et du vent en déplacement qui produit un travail directement dans une turbine couplée à un générateur. Les centrales nucléaires utilisent souvent un circuit primaire et secondaire de vapeur, afin d'isoler physiquement le réacteur nucléaire de la salle des générateurs et du reste des installations. 4 De petites installations (brûlant habituellement du gaz naturel) combinent la génération d'électricité et de chaleur (pour le chauffage domestique ou pour des processus industriels). Ces centrales électriques combinées ont le meilleur rendement, après les centrales hydroélectriques. Cette technique porte le nom de cogénération. Des unités d'appoint ou de secours, appelées groupes électrogènes permettent une fabrication d'électricité ponctuelle, ils utilisent tous un moteur à explosion pour entraîner la génératrice.  Il existe des groupes transportables pour une utilisation des outils électriques hors des lieux électrifiés.  De gros générateurs sont utilisés pour pallier une rupture de fourniture toujours possible du fournisseur d'électricité. Les hôpitaux, certains services publics et, les grandes entreprises ne pouvant supporter un arrêt brutal de leurs processus industriels possèdent des groupes électrogènes à démarrage automatique. Fil électrique Un fil électrique : est le composant électro technique servant au transport de l'électricité, afin de transmettre de l'énergie ou de l'information. Il est constitué d'un matériau conducteur, mono-brin ou multi-brin, souvent entouré d'une enveloppe isolante (plastique, Téflon...). L'intérieur du fil électrique est appelée « âme » du fil. Les matériaux utilisés présentent uploads/Industriel/ module-etat-de-lart-de-genie-electrique.pdf