Opérateurs sur machines automatisées

(Extraits du Tome 2 OMA et du GREME)

Table des matièresTout ce que vous devez savoir sur l’électricité…....................................................................................3

Electricité........................................................................................................................................3

Quelques dates...............................................................................................................................3

Nature de l’électricité.....................................................................................................................3

L’électricité statique...............................................................................................................................4

Le courant électrique.............................................................................................................................4

Le sens du courant..........................................................................................................................5

Production......................................................................................................................................5

Transport........................................................................................................................................6

Transformation...............................................................................................................................6

Stockage.........................................................................................................................................7

Dangers de l’électricité...........................................................................................................................7

Analogie hydraulique.............................................................................................................................8

La tension.......................................................................................................................................9

Le courant.......................................................................................................................................9

La résistance...................................................................................................................................9

Loi d’ohm..............................................................................................................................................10

Enoncé de la loi............................................................................................................................10

Application de la loi d’ohm...........................................................................................................11

Le courant continu...............................................................................................................................12

Le courant alternatif.............................................................................................................................13

Protection de mise à la terre................................................................................................................14

Rôle..................................................................................................................................................14

Valeur de la résistance de terre........................................................................................................15

La prise de terre...............................................................................................................................16

Energie électrique............................................................................................................................17

Définition de l’unité......................................................................................................................17

Puissance électrique.........................................................................................................................18

Définition de l’unité......................................................................................................................18

Application de l’énergie et la puissance électrique......................................................................19

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Tout ce que vous devez savoir sur l’électricité…Electricité

L’électricité est l’effet de déplacement de particules chargées, à l’intérieur d’un conducteur, sous l’effet de différence de potentiel aux extrémités de ce conducteur. 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 en grandes quantités une énergie facilement utilisable.

C’est au 18èmesciècle que les propriétés de l’électricité ont été découvertes. Aujourd’hui, l’énergie électrique est omniprésente : à partir de différentes sources d’énergie, principalement hydraulique, thermique, nucléaire et de plus en plus renouvelables.

Quelques dates

En 1750, Benjamin Franklin réalise des expériences sur la foudre et identifie l’électricité naturelle à l’œuvre dans les orages, d’où l’invention du paratonnerre. En 1799, Alessandro Volta invente la pile électrique. En 1820, André-Marie Ampère découvre les lois du magnétisme et de l’électrodynamique. En 1868, Zénobe Gramme réalise la première dynamo. En 1879, Thomas Edisson présente la première ampoule électrique à incandescence et la même année une centrale électrique de 7 kW est construite à St-Moritz.

Nature de l’électricité

C’est le mouvement des charges électriques de la matière qui est à l’origine de l’électricité, il permet d’expliquer l’origine de certains phénomènes. Si personne n’a jamais observé directement une charge électrique, les scientifiques remarquent des similitudes de comportements de certaines particules : ils en déduisent que ces particules partagent des caractéristiques communes, dont les propriétés coïncident avec leurs observations.

Contrairement à la masse, deux types de charges électriques se comportent comme si elles étaient opposées l’une de l’autre : par convention l’une est dite positive. Un atome possède une charge positive lorsque le nombre de protons est supérieur au nombre d’électron.

Deux charges de nature opposée s’attirent Deux charges de même nature se repoussent

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L’électricité statique

Dans la nature, les électrons sont des porteurs de charges négatives et les protons de charges positives. Les atomes qui composent la matière ordinaire comprennent des électrons qui se déplacent autour d’un noyau composé de protons et de neutrons, ces derniers étant électriquement neutres. Lorsque le nombre de protons est égal au nombre d’électrons, l’ensemble est électriquement neutre.

On parle d’électricité statique lorsqu’il n’y a pas de circulation des charges électriques. Expérimentalement, cela est généralement obtenu en utilisant des matériaux dans lesquels les charges sont piégées, des matériaux isolants comme le plastique, le verre, le papier… qui résistent à la circulation des charges.

Quand on frotte certains matériaux entre eux, les électrons superficiels des atomes de l’un sont arrachés et récupérés par les atomes de l’autre.

Exemple : une tige de verre frottée sur un tissu de soie se charge positivement, car les atomes du verre perdent des électrons au profit de la soie.

Le courant électrique

Les matériaux permettant aux charges électriques de se déplacer facilement sont dits conducteurs de l’électricité. Par exemple : métaux, eau salée, corps humain.

Lorsqu’on marche sur une moquette, le frottement des pieds sur le sol arrache des électrons et le corps se charge d’électricité statique.

Le fait de toucher une poignée de porte métallique provoque une petite décharge électrostatique accompagnée d’une étincelle, causée par le déplacement brutal des charges électriques qui s’écoulent vers le sol via les matériaux conducteurs de la porte.

Cet écoulement est dû au fait qu’il y avait davantage de charges dans le corps que dans le sol ; cette différence s’appelle différence de potentiel ; la sensation ressentie provient du courant électrique généré par la différence de potentiel existante entre la poignée et le corps humains d’où la déduction que :

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- La moquette est un générateur de tension électrique et un isolant- Le corps humain et la poignée de porte sont des conducteurs d’électricité

Pour créer un courant électrique, il faut donc :

- Un circuit de matériaux conducteurs qui permettra aux charges électriques de se déplacer- Un système permettant de créer une différence de potentiel entre les deux extrémités du

circuit. Ce système est appelé générateur ; ce peut être par exemple une pile, une dynamo ou un alternateur.

Le sens du courant

Par convention, on dit que le sens du courant va du pôle positif vers le négatif. En réalité il en est autrement puisque les électrons se déplacent du pôle négatif vers le pôle positif.

Sens conventionnel du courant

Sens de déplacement des électrons libres

Production

L’électricité représente environ un tiers de l’énergie consommée dans le monde. La méthode la plus courante pour produire de grandes quantités d’électricité est d’utiliser un générateur, convertissant une énergie mécanique en une tension alternative. Cette énergie d’origine mécanique est la plupart du temps obtenue à partir d’une source de chaleur, issue elle-même d’une énergie primaire, telle que les énergies fossiles comme le charbon, l’énergie nucléaire ou une énergie renouvelable, comme l’énergie solaire. On peut également utiliser une énergie mécanique, comme l’énergie hydraulique ou éolienne.

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+ -

Transport

Le courant qui circule sur un réseau électrique est le plus souvent alternatif et triphasé, car il est le plus économique à produire et à transporter. Il est le plus économique pour le transport du courant sur de longues distances, d’utiliser une très haute tension. En effet à puissance constante, si l’on augmente la tension on réduit l’intensité du courant.

Transformation

Les tensions électriques peuvent être transformées et converties.

En règle générale, pour les grosses puissances, les tensions sont alternatives, et passent par des transformateurs pour convertir le courant en flux magnétique, lui-même reconverti en courant dans les bobines. Ce principe permet de changer le niveau de tension tout en conservant la fréquence et une isolation galvanique entre le réseau primaire et secondaire du transformateur. Pour les puissances le permettant technologiquement, on utilise des convertisseurs à semi-conducteurs (transistors, thyristors) :

- Des redresseurs pour convertir une tension alternative en tension continue- Des onduleurs pour convertir des tensions continues en alternatives- Des convertisseurs permettant la conversion directe de tension continue par découpage à

haute fréquence

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StockagePour l’électricité transportée et distribuée au moyen de conducteurs, il est nécessaire d’équilibrer à tout moment la production et consommation. Les centrales thermiques sont généralement mises en service pour répondre à des pics de demande. On utilise également des stations de pompage turbinage entre deux retenues d’eau ; pendant les heures creuses, l’eau est pompée vers le bassin supérieur et pendant les heures de pointe l’eau est turbinée pour produire l’électricité sur le réseau.

Il est possible de stocker l’électricité à petites échelles au moyen de batteries d’accumulateurs, de condensateurs ou de bobines d’inductance.

Dangers de l’électricité

Comment l’être humain ressent le courant électrique :

- 0.5 mA aucune sensation-- 3 mA fourmillement-- 15 mA limite d’auto-libération-- 40 mA crispation musculaire-- 80 mA fibrillation ventriculaire, mort

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Analogie hydraulique

Pour comprendre certaines propriétés du courant électrique, il est intéressant de le comparer à de l’eau s’écoulant dans un circuit. Le générateur serait la pompe chargée de mettre sous pression le liquide dans la conduite (1).

La différence de potentiel, ou tension, ressemble alors à la différence de pression entre deux points du circuit d’eau. Elle est notée U et est exprimée en volts (V).

L’intensité du courant électrique peut être assimilée au débit d’eau dans la conduite (2). Elle rend compte du nombre de charges qui passent à chaque seconde dans un point du circuit. Elle est notée I et mesurée en ampères (A).

La résistance d’un circuit électrique serait comparable au diamètre de la conduite. Plus laconduite est petite plus la pression sera élevée pour garantir le même débit ; de façon analogue, plus la résistance est grande, plus la différence de potentiel devra être élevée pour garantir la même intensité. La résistance électrique rend compte de la faculté d’un matériau de ralentir plus ou moins le passage du courant. Elle est notée R et est exprimée en (Ω).

U

1. Le générateur (Pompe chargée de mettre sous pression le liquide)2. L’intensité du courant (Débit du liquide)3. Turbine actionnant le mécanisme de rotation4. L’alternateur (transformation de l’énergie mécanique en énergie électrique)

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Diamètre conduite = Résistance

Exemple : (Vidéo)

La tension

La tension est caractérisée par une différence de potentiel, c'est-à-dire par un excédent d’électrons sur l’un des pôles du générateur et un manque sur l’autre.

La tension représente une différence de potentiel entre deux points d’un circuit.

Le courant

Le courant électrique est caractérisé par un déplacement d’électrons libres dans des corps plus ou moins bons conducteurs. Les électrons sont des charges électriques négatives qui peuvent se déplacer dans la matière.

L’intensité du courant représente une certaine quantité d’électricité qui passe chaque seconde dans un circuit électrique fermé.

La résistance

Tout matériau traversé par un courant présente de la résistance.

La résistance représente l’opposition plus ou moins grande que font les corps au passage du courant.

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Loi d’ohm

La loi d’ohm est la loi qui régit les relations entre les trois grandeurs que nous venons d’étudier, soit la tension U, la résistance R et l’intensité du courant I.

Enoncé de la loiDans un circuit fermé, la tension fait circuler un courant proportionnel à cette tension et inversement proportionnel à la résistance du circuit.

Pour une résistance donnée, une variation de tension provoque une variation de l’intensité du courant.

I Intensité du courant en ampères (A)

U Tension en volts (V)

R Résistance en ohms (Ω)

Pour un circuit donné, les grandeurs variables sont la tension et l’intensité du courant, seule la résistance peut être admise constante.

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U = R · I

Application de la loi d’ohm

Exercice 1

Calculer l’intensité du courant qui circule dans une résistance de 45 Ω alimentée sous une tension de 230 V.

Exercice 2

Sous quelle tension est alimentée une lampe qui est parcourue par un courant de 430 mA et dont la résistance est de 529 Ω ?

Exercice 3

Quelle est la résistance d’une plaque de cuisinière qui est parcourue par un courant de 4 A sous 400 V ?

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Le courant continu

On nomme courant continu, un courant qui dans un conducteur va toujours dans le même sens.

Toutes les sources de tension électrochimiques fournissent du courant continu.

Si le courant change de valeur sans changer de sens, périodiquement ou non, on parlera de courant continu pulsé.

Les piles, les accumulateurs, les cellules photovoltaïques et les dynamos sont des générateurs de courant continu.

Applications :

- La technique du courant faible- L’électronique- L’électronique dans l’automobile- L’électrochimie.

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Le courant alternatif

Si le courant dans le conducteur change de sens et que sa valeur moyenne est nulle, on parle de courant alternatif.

Cette appellation s’applique aussi bien à un courant de forme quelconque que sinusoïdale.

On appelle fréquence du courant alternatif, le nombre de périodes par seconde.

Les alternateurs triphasés et monophasés sont des générateurs de courant alternatifs.

Applications :

- Les centrales électriques sont toutes équipées d’alternateurs. L’alternateur transforme l’énergie mécanique en énergie électrique.

De plus, le courant alternatif peut être facilement modifié par un transformateur. On utilise donc le courant alternatif pour :

- Le transport et la distribution de l’énergie électrique- Les appareils électriques domestiques et industriels

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Protection de mise à la terre

Dans toute installation domestique et industrielle, le raccordement d’une prise de terre est une des règles de base à respecter pour garantir la sécurité du réseau électrique.

L’absence de prise de terre peut entraîner de réels dangers pour la vie des personnes et la mise en péril des installations électriques et des biens. Cependant, cette seule disposition ne suffit pas à garantir une sécurité totale. Seuls des contrôles réguliers peuvent attester du bon fonctionnement de l’installation électrique.

De nombreuses méthodes de mesure de terre existent en fonction du type de régimes de neutre, du type d’installation (domestique, industrielle, milieu urbain, campagne, etc), de la possibilité de mise hors-tension, etc.

RôleLa mise à la terre consiste à réaliser une liaison électrique entre un point donné du réseau, d’une installation ou d’un matériel et une prise de terre. Cette dernière est une partie conductrice, pouvant être incorporée dans le sol ou dans un milieu conducteur, en contact électrique avec la terre. La mise à la terre permet ainsi de relier à une prise de terre, par un fil conducteur, les masses métalliques qui risquent d’être mises accidentellement en contact avec le courant électrique par suite d’un défaut d’isolement dans un appareil électrique. Le courant de défaut n’aura ainsi pas de danger pour les individus puisqu’il pourra s’évacuer par la terre. Sans une mise à terre, l’individu sera soumis à une tension électrique qui, selon son importance, peut provoquer la mort.

La mise à la terre permet donc d’écouler sans danger les courants de fuite et, par association avec un dispositif de coupure automatique, d’assurer la mise hors tension de l’installation électrique. Une bonne mise à la terre assure donc la sécurité des personnes mais aussi la protection des biens et des installations en cas de foudre ou de courants de défaut. Elle doit toujours être associée à un dispositif de coupure.

Exemple :

En cas de défaut d’isolement sur la charge, le courant de défaut est évacué par la terre via le conducteur de protection (PE). Selon sa valeur, le courant de défaut, entraîne une coupure automatique de l’installation par la mise en fonctionnement du disjoncteur différentiel (DDR).

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Valeur de la résistance de terre

Avant de réaliser une mesure de terre, la première question fondamentale à se poser est de savoir quelle est la valeur maximale admissible pour s’assurer que la prise de terre est correcte.

Dans une installation, pour garantir la sécurité des personnes, il faut que les dispositifs de protection se déclenchent dès qu’une tension de défaut circulant dans l’installation dépasse la tension limite acceptée par le corps humain. Les études réalisées par un groupe de travail composé de médecins et d’experts en matière de sécurité, ont conduit à la détermination d’une tension de contact permanente admise comme non dangereuse pour les individus : 50 V AC pour les locaux secs (cette limite peut être plus faible pour des milieux humides ou immergés).

La valeur de la résistance dépend du courant nominal du dispositif de protection différentiel (DDR) en tête de l’installation. On peut trouver cette valeur grâce à la loi d’Ohm :

Par exemple, la corrélation entre la valeur de résistance de terre et le courant différentiel assigné est donnée dans le tableau suivant :

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La prise de terre

En fonction des pays, du type de construction ou des exigences normatives, il existe différentes méthodes pour réaliser une prise de terre. Généralement, les types de construction utilisées sont les suivantes :

- Boucle à fond de fouille- Feuillard ou câble noyé dans le béton de propreté- Plaques- Piquets ou tubes- Rubans ou fils- Etc…

Quel que soit le type de prise de terre choisi, son rôle est d’être en contact étroit avec la terre dans le but de fournir une connexion avec le sol et de diffuser les courants de défaut. La réalisation d’une bonne prise de terre va donc dépendre de trois éléments essentiels :

- La nature de la prise de terre- Le conducteur de terre- La nature et la résistivité du terrain d’où l’importance de réaliser des mesures de résistivité

avant l’implantation de nouvelles prises de terre.

Sources :

http://www.chauvin-arnoux.com/sites/default/files/D00VDU62_0.PDF

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Energie électrique

La tension aux bornes d’un circuit fermé provoque un courant, donc un mouvement d’électrons.

Le passage du courant dans un récepteur alimenté sous une tension pendant un temps donné est appelé énergie électrique.

Définition de l’unitéLe joule est l’énergie dissipée par une résistance parcourue par un courant de un ampère sous une tension de un volt pendant une seconde.

L’énergie électrique s’exprime dans la pratique en kilowattheures [kWh]

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Puissance électrique

La puissance d’une machine est l’énergie qu’elle transforme chaque seconde.

Définition de l’unitéLe watt est la puissance d’une machine transformant une énergie de un joule chaque seconde.

Valeurs usuelles

Les indications se trouvant sur les plaquettes signalétiques des moteurs et des générateurs se rapportent à la puissance débitée ou utile désignée par P2.

Pour les lampes, les appareils thermiques, les appareils électroménagers et l’outillage électrique, il s’agit de la puissance absorbée désignée par P1.

Perceuse environ 500 W (P1)Lampes 15 à 1000 W (P1)Cuisinières environ 8kW (P1)Moteur d’ascenseur environ 10 kW (P2)

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Application de l’énergie et la puissance électrique

1. La consommation d’un appareil est de 756 MJ pendant 3 heures et 20 minutes. Quelle est la puissance ?

2. Un ampèremètre placé sur le conducteur de phase alimentant un radiateur monophasé indique 4 A. Quelle est la puissance du récepteur si la tension est de 228 V ?

3. Une plaque de cuisinière est marquée : P=1500W et U=400V. Par erreur, elle est raccordée sur une tension de 230V. Calculer la nouvelle puissance ?

4. L’énergie absorbée par un appareil est de 7.6 kWh. Quelle est l’intensité du courant si l’appareil a fonctionné de 8H à 14H sous une tension de 230V ? Calculez également sa résistance.

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