Le volt-ampère couramment utilisé est souvent confondu avec le watt en ce qui concerne les mesures dans la conception des systèmes électriques. Alors, watt exactement est la différence ?
Le volt-ampère est une mesure couramment utilisée mais généralement mal interprétée dans la conception des systèmes électriques. Il est important de comprendre son utilisation correcte lors de la création des spécifications des composants au sein d’un circuit.
Lorsque nous mesurons la puissance électrique, nous pensons aux watts. Le watt, nommé d’après l’inventeur écossais James Watt, définit la puissance qu’un système consomme. Plus précisément, la puissance électrique est définie comme le produit du niveau de tension instantané d’entrée du système et de la consommation de courant.
Statue de James Watt, Birmingham, Angleterre. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe Stock
Mathématiquement, le watt est défini comme :
\[P(t)=V(t)^{*}I(t)[W]\text{ }(Eq. 1)\]
ici, P(t) est la puissance électrique du système en watts, tandis que V(t) et I(t) sont les formes d’onde de tension et de courant du système, respectivement.
La différence entre Watt et Volt-Ampère
De manière intéressante, et souvent confusante, il existe une autre mesure avec les mêmes unités que le watt, le volt-ampère (VA). Comme son nom l’indique, les unités sont les mêmes que le watt, alors quelle est la différence entre ces deux quantités ? La différence est que, tandis que le watt définit la puissance instantanée d’un système électrique, le volt-ampère est défini comme le produit de la tension RMS et du courant RMS. Cela est également connu sous le nom de puissance apparente et est défini formellement comme indiqué dans l’équation 2.
\[Apparent\,Power=V_{RMS}{^{*}}I_{RMS}[VA]\text{ }(Eq.2)\]
Nous pouvons maintenant voir que le VA n’est pas variable dans le temps, mais le watt l’est, et c’est une différence cruciale entre les deux. De plus, si nous supposons que V(t) et I(t) de l’équation 1 sont des ondes sinusoïdales de la forme AV(t)sin(t+V) et AI(t)sin(t+I) respectivement, la valeur RMS maximale de la puissance instantanée, P(t), se produit lorsque les deux formes d’onde sont en phase, et est égale à la puissance apparente. Ainsi, le VA, ou puissance apparente, est la capacité de puissance maximale d’un système électrique, tandis que le watt, ou puissance instantanée, est la quantité de puissance réellement utilisée par le système, qui est inférieure ou égale à la valeur de la puissance apparente.
Maintenant, nous allons définir plus formellement la relation entre le VA et le watt. Tout comme l’impédance, la puissance peut avoir des composantes réelles et imaginaires. En raison des composants stockant de l’énergie comme les condensateurs et les inducteurs, les formes d’onde de courant et de tension d’une alimentation électrique AC ont tendance à être déphasées. Cela signifie que la forme d’onde de puissance instantanée du système est inférieure à ce qu’elle serait si elle était complètement en phase. Cette forme d’onde représente le watt et est la puissance réelle réellement fournie à la charge. Si les formes d’onde de courant et de tension étaient en phase, la forme d’onde de puissance instantanée serait plus grande. C’est la puissance de sortie maximale de l’alimentation électrique AC et est plus grande que lorsque les formes d’onde de courant et de tension sont déphasées, et cela représente la puissance apparente mesurée en volt-ampère (VA). Ainsi, nous pouvons illustrer la relation entre la puissance réelle, en watts, et la puissance apparente, en VA via le triangle rectangle montré dans la figure 1. Ici, la différence vectorielle entre les deux est la puissance réactive, puissance inutilisée due à la capacitance et l’inductance dans le système, et mesurée en volt-ampères réactifs (VAR).
Figure 1. Représentations vectorielles de la puissance réelle, apparente et réactive. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Nick St. John
Une autre façon d’illustrer la relation entre le VA et le watt est de penser à un verre de bière, comme on le voit dans la figure 2. Ici, le volume total du verre représente la puissance apparente (VA) et est la demande du système, c’est-à-dire la puissance fournie par l’alimentation. Ensuite, la bière représente la puissance réelle (W) fournie à la charge de l’alimentation (le système alimenté). Enfin, la partie inutilisable, la mousse, représente la puissance réactive (VAR) et est toute puissance de l’alimentation qui n’est pas utilisée et qui génère à la place de la chaleur ou des vibrations.
Figure 2. Analogie des types de mesures de puissance comparée à un verre de bière avec mousse. Image utilisée avec l’aimable autorisation d’pÉlectrique
Maintenant que nous avons discuté de la différence entre les deux valeurs, quelle est l’importance de ces deux quantités ? Lorsqu’une alimentation électrique fournit de la puissance à une charge, le watt définit la quantité de puissance utilisée par la charge, tandis que le VA définit la puissance totale dépensée par l’alimentation. Ensemble, ces deux valeurs peuvent permettre de mesurer l’efficacité d’un système entier. Idéalement, nous voulons que toute la puissance fournie par l’alimentation soit absorbée par la charge, mais en réalité, ce n’est pas le cas. Ainsi, nous définissons l’efficacité énergétique du système comme le facteur de puissance (PF), qui est le rapport de la puissance réelle par rapport à la puissance apparente :
\[PF=\frac{Real\,Power(W)}{Apparent\,Power(VA)}\text{ }(Eq.3)\]
Pour une charge électrique avec une impédance purement réelle (une résistance), le facteur de puissance serait de 1,0, car la charge prend toute la puissance dissipée par l’alimentation. Pendant ce temps, le facteur de puissance est nul si la charge est purement réactive (un condensateur ou un inducteur). Ici, puisque les formes d’onde du courant et de la tension sont complètement déphasées, la moitié de la période du signal verra l’alimentation fournir de la puissance à la charge, alors que dans la seconde moitié, la charge restituera la puissance à l’alimentation. Ces deux phases s’annulent, et, en réalité, le système ne dissipe aucune puissance réelle ; par conséquent, le facteur de puissance est nul.
Volt-Amperes dans la conception de systèmes
Outre la mesure de l’efficacité du système, à quoi peut encore servir le VA ? Lors de la conception d’un système, un ingénieur doit s’assurer de la fiabilité, ce qui signifie que les fils et les composants doivent supporter les tensions et courants observés. Comment cela se fait-il ? Supposons que nous concevions un circuit simple pour alimenter une lumière via un interrupteur à partir d’une prise de 120 V dans une maison, comme illustré dans la figure 3.
Figure 3. Circuit pour alimenter une ampoule à partir d’une source de 120 V. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Nick St. John
Si l’ampoule est conçue pour 100 VA (en réalité, VA ou watts seront utilisés comme valeur de référence), c’est la puissance maximale autorisée à travers l’ampoule. Puisque nous savons que la lumière sera alimentée par une source de 120 V, le courant RMS maximal peut être calculé comme 100/120=0,83 A. En tant que concepteurs, nous savons maintenant que le courant maximal autorisé dans le système est de 0,83 A, et nous pouvons dimensionner les fils et l’interrupteur pour permettre un courant de cette amplitude. Nous pouvons installer un fusible avant l’interrupteur qui sautera si le courant dépasse cette valeur maximale, protégeant ainsi l’ampoule contre la surcharge.
Un autre exemple de l’utilité du VA est si notre source de 120 V est une alimentation conçue plutôt qu’une prise de maison. Ici, le VA nous permet de calculer le même courant qu’auparavant, définissant le courant de sortie maximal que l’alimentation doit fournir pour alimenter cette charge de manière fiable. Ainsi, nous pouvons voir que le VA nous permet de déterminer les spécifications des alimentations et de dimensionner les fils, les disjoncteurs et les fusibles pour garantir que le système électrique conçu fonctionnera de manière fiable et sûre à tout moment.
Les watts et les volt-ampères sont couramment utilisés dans la conception des systèmes électriques mais sont tout aussi couramment confondus, il est donc important de comprendre leur utilisation correcte lors de la création des spécifications des composants dans un circuit.