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Le present livre est issu du COUTS donne aux etudiants de 3" annee a la Faculte d'Ingenierie en Langues Etrangeres (Filiere Francophone, section 'Genie electrique et Informatique) de l'Universite "POLlTEHNICA" de Bucarest, L'installation electrique est 1m systeme complexe representant l'ensemble de composants (sous la forme d'equipements electriques) sans lequel aucun benefice de I'energie electrique pour la vie quotidienne ne serait-il possible. Cette premiere redaction du COUTS d'Appareillage et Installations Electriques s'adresse aux etudiants qui ont deja parcouru le COUTS d'electrotechnique theorique mais qui n'ont pas encore des connaissances approfondies SUT Ies composants electriques (machines et appareils electriques ). Le COUTS a ete concu comme une introduction aux problemes complexes poses par une installation electrique, particulierement par une installation d'utilisation de l'energie electrique. II peut constituer line base permettanr aux etudiants non seulement de cornprendre les questions theoriques et pratiques fondamentales relatives aux installations electriques, mais aussi de les guider a travers l'abondante litterature des traites et normes specialises et de leur offrir la possibilite d'entreprendre rapidement, meme seuls, la specialisation dans une branche quelconque de ce domaine. Cet ouvrage a pour but de familiariser les lecteurs avec les principes concernant: - la structure systemique d'une installation electrique ; -Ies principales composantes du systeme (transformateurs, machines, appareillage) ; - Ie vocabulaire technique employe; - I'etabliesementet la lecture des schemas electriques ; -Je choix des composants d'une installation electrique. Afin que ce livre soit, autaut que possible, autonome, 011 a considere utile de rappeler, sous la forme des annexes, quelques notions d'electrotechnique theorique et des exemples de symboles indispensables a une bonne comprehension des problemes envisages. . A la fin est donne un petit nombre d'indications bibliographiques se rapportant seulement aux ouvrages auxquels I'auteur a fait des emprunts importants ou dont il recommaude la lecture pour completer l'information, AVANT PROPOS ~'I' " , ISBN 973 - 685 - 654 - 2 696.6 Descrlerea CIP a Bibllotecii Nationale a Romiiniei DINCULESCU, PAUL Apareillage et installations electriques I Paul Dinculescu - Bucurestl: Matrix Rom, 2003 Bibliogr. ISBN 973-685-654-2 Editura MATRIX ROM este acraditata de ISILIUL NATIONAL AL CERCET.A.RII~TIINTIFICE DININV.A.T.A.MANTULSUPERIOR ©MATRIXROM c.P. 16 - 162 77500 - BUCURESTI tel. 01.4113617, fax 01.4114280 e-mail: matl"[email protected] www.matrixrom.ro '\

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Page 1: Manual IAE

Le present livre est issu du COUTS donne aux etudiants de 3" annee a la Faculted'Ingenierie en Langues Etrangeres (Filiere Francophone, section 'Genie electrique etInformatique) de l'Universite "POLlTEHNICA" de Bucarest,

L'installation electrique est 1m systeme complexe representant l'ensemble decomposants (sous la forme d'equipements electriques) sans lequel aucun benefice de I'energieelectrique pour la vie quotidienne ne serait-il possible.

Cette premiere redaction du COUTS d'Appareillage et Installations Electriques s'adresseaux etudiants qui ont deja parcouru le COUTS d'electrotechnique theorique mais qui n'ont pasencore des connaissances approfondies SUT Ies composants electriques (machines et appareilselectriques ).

Le COUTS a ete concu comme une introduction aux problemes complexes poses par uneinstallation electrique, particulierement par une installation d'utilisation de l'energieelectrique. II peut constituer line base permettanr aux etudiants non seulement de cornprendreles questions theoriques et pratiques fondamentales relatives aux installations electriques,mais aussi de les guider a travers l'abondante litterature des traites et normes specialises et deleur offrir la possibilite d'entreprendre rapidement, meme seuls, la specialisation dans unebranche quelconque de ce domaine.

Cet ouvrage a pour but de familiariser les lecteurs avec les principes concernant:- la structure systemique d'une installation electrique ;-Ies principales composantes du systeme (transformateurs, machines, appareillage) ;- Ie vocabulaire technique employe;- I'etabliesement et la lecture des schemas electriques ;-Je choix des composants d'une installation electrique.Afin que ce livre soit, autaut que possible, autonome, 011 a considere utile de rappeler,

sous la forme des annexes, quelques notions d'electrotechnique theorique et des exemples desymboles indispensables a une bonne comprehension des problemes envisages.. A la fin est donne un petit nombre d'indications bibliographiques se rapportant

seulement aux ouvrages auxquels I'auteur a fait des emprunts importants ou dont ilrecommaude la lecture pour completer l'information,

AVANT PROPOS

~'I'",

ISBN 973 - 685 - 654 - 2

696.6

Descrlerea CIP a Bibllotecii Nationale a RomiinieiDINCULESCU, PAUL

Apareillage et installations electriques IPaul Dinculescu - Bucurestl: Matrix Rom, 2003Bibliogr.ISBN 973-685-654-2

Editura MATRIX ROM este acraditata deISILIUL NATIONAL AL CERCET.A.RII~TIINTIFICE DIN INV.A.T.A.MANTULSUPERIOR

©MATRIXROMc.P. 16 - 162

77500 - BUCURESTItel. 01.4113617, fax 01.4114280

e-mail: matl"[email protected]

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Page 2: Manual IAE

I

3.1. Constitution d'un circuit 3. 13.1. L Source d'alimentation " 3.13.1.2. Element alirnente 3.13.1.2. Ligne de raccordement : 3.2

3.2. Impedances des composants d'un circuit.. 3.23.2.1. Impedance de la ligne 3.2'3.2.2. Impedance du transformateur 3.33.2.3. Impedance du reseau 3.43.2.4. Impedance du recepteur 3.4

3.3. Charge d'un circuit.. 3.43.3.1. Types de charges : 3.43.3.2. Determination de IIIcharge d'un circuit 3.43.3.3. Charge de calcul d'un circuit 3.6

3.4. Effets du courant electrique 3.73.5. Echauffement des voies de courant. , 3.7

3.5.1. Echauffement des conducteurs 3.73.5.2. Echauffement des contacts 3.11

3. Circuit electriqllle

2.1. Production, transport, distribution et utilisation de l'energie electrique 2.12.2. Reseaux de distribution BT 2.2

2.2.1. Architecture du reseau 2.22.2.2. Parties conductrices dans une installation 2.32.2.3. Systemes de distribution BT 2.3

2.3. Equipemenrs de distribution 2.52.4. Division de l'installation 2.52.5. Circulation des puissances active et reactive 2.62.6. Schema unifilaire d'une installation BT 2.7

2. Installations eleetrlqees it basse tension

1.1. Documentation technique 1.11.2. Principes de structuration d'une installation 1.21.3. Reperage d'identification du materiel; designation de reference 1.3lA. Schemas electriques : 1.71.5. Conception des schemas electriques 1.9

Llnstallation electrique

TABLE DES T\1ATlERES

Page 3: Manual IAE

ill

9.1. Cireui t d'un recepteur 9. 19.2. Reseau de distribution radial (arborescente) 9.39.3. Effets et compensation des effets de la chute de tension 9.3

9. Chute de tension dans les reseaux

8. L Electroaimants 8.18.2, Relais et declencheurs , , 8.4

8.2.1. Generalites 8.48.2.2. Relais et declencheurs de tout ou rien 8.68.2.3. Relais et declencheurs de mesure 8.68.2.4. Relais et declencheurs electromagnetiques de surintensites 8.68.2.5. Relais et declencheurs thermiques de surintensite 8.8

8.3. Contacteurs , 8.128.3.1. Elements constituents , , 8.128.3.2. Principe de fonctionnement.. , 8.138.3.3. Caracteristiques de fonctionnement 8.158.3.4. Choix d'un contacteur., .. 8.16

8.4. Disjoncteurs , , , , , , , ,.. 8.188.4.1. Particularites de construction 8.198.4.2. Caracteristiques de fonctionnement ' , 8.228.4.3. Choix d'un disjoncteur , ,.... ..8.23

8.5. Coupe-circuit a fusibles , , 8.238.5,1. Elements constitutifs ' 8.248.5.2. Principe et caracteristiques de fonctionnement.. 8.258.5.3. Choix d'un fusible...................... . , ,8.288.5.4. Selectivite des protections amont/aval dans un reseau arborescent , 8.29

8:6. Appareils auxiliaires de commande. Acquisition de donnees et dialoguehomme-machine ,8.29

8.6. L Appareils de connexion pour circuits de commande 8.308.6.2. Boutons-poussoirs ., 8.308.6.3. Interrupteurs mecaniques de position 8.308.6.4. Detecteurs de proximite 8.318.6.5. Interrupteurs de pression , 8.31

8. Apparelllage. Construction. Fonctlonnement, Choix

7.9. Contacts des appareils 7.57.9.1. Resistance de contact.. , 7.67.9.2. Fonctions des contacts : : ".a , 7.6

7.10. Phenomenes electriques it la ferrneture et it l'ouverture 7.77.10.1. Arc electrique 7.77.10.2. Tension de retablissement 7.97.10.3. Comportement des appareils pendant l'intenuption du circuit 7.10

7.11. Donnees caracteristiques des appareils de distribution 7.117.11.1. Caracteristiques generales 7.117,11.2. Donnees caracteristiques des appareils mecaniques de connexions 7.127. 11.3. Donnees caracteristiques des fusibles 7. 13

II

7.1. Structure d'un systeme d'automatisme · · 7.17.2. Appareillage , , , , 7.17.3. Les fonctions de base de l'appareiJlage electrique 7.27.4. Principaux constituants d'appareillage , : 7.37.5. Appareillage mecanique de coupure , 7.37.6. Appareillage de commande et de protection , 7.47.7. Appareillage de sectionnemenL........................... .. " 7.47.8. Appareils a fonctions multiples et associations d'appareils , 7.5

7. AppareiBiage. Aspects generaux

6.1. Conducteurs usuel.s , 6.16.2. Modes depose......................... .. 6.26.3. Courant admissible , " 6.36,4. Choix de la section des conducteurs , , ~ 6,4

6. Conducteurs et d'ib;cs

5.1. Generalites , 5.15.2. Machine synchrone triphase " , 5.6

5.2.1. Construction ,.. , 5.65.2.2. Generateur synchrone (alternateur) , " " " 5.75.2.3. Moteur synchrone 5.8

5.3. Moteur asynchrone triphase " " " " " " 5.95.3.1. Construction :.5.95.3.2. Principe du moteur asynchrone (d'induction) " 5.115.3.3. Demarrage du moteur asynchrone it cage · 5.125.3.4. Grandeurs caracteristiques du moteur asynchrone , 5.135.3.5. Reglage de vitesse et changement du sens de rotation 5.14

5,4. Moteurs asynchrones monophases .. 5.14

5. Macbines Hectriques

4.1. Role, constitution et principe de fonctionnement. " · ··4.14.1.1. Role , 4.14.1.2. Constitution " 4.14.1.3. Principe de fonctionnement.......... .. 4.3

4.2. Fonctionnemenr du transformateur monophase 4.44.2.1. General " """'" .., " " 4.44.2.2. Fonctionnement (marche) it vide " .., , '" 4.54.2.3. Fonctionnement (marche) en charge 4.74.2.4. Transformateur reduit 4.8

4.3. Determination experimentale des parametres et des pertes du transformateur " .. 4.94.3.1. Regime de marche it.vide , "".""""""."""" .." 4.94.3.2. Regime de court-circuit 4.9

4.4. Grandeurs caracteristiques , ,,,,, , 4.104.5. Autotransformateur , " , 4.11

4. Trausformateur

Page 4: Manual IAE

1.1IV.

Annexe 1Anne.xe 2Armexe 3

Une installation peut etre consideree conune un systeme ; routes les proprietes d'unsysteme s'appliquent a l'installation. On systeme est un ensemble des objets lies entre eux.Chaque entite consideree dans Ie processus de conception, d'ingenierie, de realisation, defonctionnement, de maintenance et de demolition d'une installation est connue SOilS le nomd'abje/.

La documentation technique accompagne une installation on systerne pendant touteson existence. Elle est indispensable a la gestion, Ja mise en service et la maintenance d'uneinstallation ou d'un systerne. La documentation technique constitue dans un contrat une partieaussi significative que la foumiture du materiel et est un element essentiel du processus apres­vente. Il convient que la documentation fournisse les informations necessaires, tant pourle materiel que pour le logiciel, afin de couvrir toutes les phases par lesquelJes passe uneinstallation pendant toute son existence. En regie generale, elle devra : decrire de faconcomplete l'installation, le systerne ou l'equipement ; etre precise et concise ; etre facile acomprendre ; etre facile a exploiter et tenir 11jour.

L'objet de la documentation est de fournir des informations sous une forme unitaire, laplus simple possible. La redaction et la presentation de la documentation doivent avoir pourbut I'utilisation pratique, ce qui exige la clarte des exposes, schemas et illustrations ainsi quel'utilisation d'un systerne de reperage des materiels pour l'identification rapide de tous leselements du materiel; auxquels les utilisateurs ont acces,

L'information sur une installation est fournie sous la forme de documents tels que:schemes, cartes, diagrammes fonctiormels, tableaux, listes et instructions ou descriptionsecrites (texte),

Le niveau de detail adopte pour la documentation technique devra fournir nneexplication en ce qui concerne Ie fonctionnementjpar exemple.les schemas des circuits) et unedescription de Ja conception, war exemple.documents de eonnexion) du materiel.

En regie generale, l'ordre de l'elaboration des documents debute a un niveaud'ensemble suivi de niveaux plus detailles ; par exemple, on peut distinguer trois niveaux deschemas, du plus general au plus specifique et correspondant aux schemes d'ensemble, auxschemas fonctionnels et aux schemes des circuits (§ 1.2).

La presentation de la documentation conformernent it une structure norrnalisee fournitun moyen de sous-traiter et d'informatiser les operations de maintenance avec plus de facilite.Les informations relatives a une installation sont organisees, en regle generale, avec desstructures arborescentes servant de base; la structure represente la facon dont le processus 011

le produit se subdivise en processus ou sous-produits plus petits (§ 1.2)La conception et la documentation sont souvent assistees par ordinateur,

indications bib! iographiques

1.1. Documentation technique

Le terme installation electrtque denote toute cornbinaison' de materiels electriquesinterconnectes dans un domaine donne.

Par materiel electrique on entend tout materiel utilise pour la production, latransformation, la distribution ou l'utilisarion de l'energie electrique, tel que machine,transformateur, appareillage, appareil de me sure, dispositif de protection, materiel decanalisation, appareil d'utilisation.

.. ;

1. INSTALLATION ELECTRIQUE10.1. Passage du courant par le corps hurnain 10.]

10.1.1. Impedance electrique du corps humain 10. J10.1.2. Effets du courant electrique passant par Ie corps humain 10.2

10.2. Passage du courant par la terre (Ie sol) 10.310.2.1. Conductibilite du so1.. 10.310.2.2. Repartition des potentiels au voisinage d'une prise de terre 10.410.2.3. Tension et resistance d'une prise de terre 10.5

10.3. Principes de securite 10.610.4. Protection contre les contacts directs et indirects 10.610.5. Protection contre les contacts directs 10.710.6. Protection contre les contacts indirects 10.710.7. Protection sans coupure de l'alirnentation 10.710.8. Protection par coupure de l'alimentation l0.7

10.8.1.Protection par mise a la terre l0.810.8.2. Protection par mise au neutre 10.10

10. Protection des personnes centre l'actiou du courant electrique

Page 5: Manual IAE

1.31.2

Fig. t.2 1

Objet[F] Objet[G]Objet[H]

Une designation de reference a niveaux multiples est une representation codee duchemin parcouru du sommet d'Wle structure arborescente jusqu'a l'objet cOIlsid6re. Ladesignation est construite par concatenation de la designation de reference a niveau uniquepour cbaque objet repn:sente dans Ie chemin, en comme.oyant par Ie niveau Ie plus eleve.

Si Ie signe prMixe pour une designation de reference a niveau unique est Ie meme pourla, designation de reference a uiveau unique precedeo.te, Ie signe prefix peut etre olms (si ladesignation de reference a niveau unique precedeute se telmine par un chiffre et que lasuivante conunence par une lettre repere) ou peut etre remplace par "." (point).

La figure 1.3.1 montre un arbre concatene avec indication des designations dereference a niveaux multiples adaptees a Ja fonction.

Uue transition peut etre effectuee d'un aspect d'un objet a WI autre aspect de memeobjet. L'objet. sur lequel la transition est effecruee doit etre designe d'apres l'aspect a partirduquel la transition est rea.lisee. On doit donner am( objets constitutifs dans I'aspect auquei latransition este effectuee une designation de reference it niveau unique d'apres eet asV'....ct(fig.I.3.2)

A titre d'exemple, la figure 1.3.3 represente differentes designations de reference aniveau unique qui sont possible pour un objet d'interet (I'objet qui est rempli dans larepresentatio.n schematique). Les produits -Fl et -F2 realisent respectivement les fonctions=B 1 et =B2. Dans la situation a) les produits -F 1 et -F2 n'ont pas de relation directe. Dans la

...Objel[BI

"

On attribue a chaque objet qui apparait a l'interieur d'un autre objet (c'est-a-dire 11chacun sons-objet) une designation de reference a niveau unique, par rapport a l'objet danslequel ·iL. apparait. On attribue une designation de reference a l'objet represente par Ie noeudsuperieur seulement si Ie systeme est integre a un systeme plus large.

Une designation de reference a niveau unique attribuee a un objet comprend un signeprefixe suivi : soit d'une lettre repere ; soit d'une lettre repere sui vie d'un numero ; soit d'unnumero.

Pour les types d'aspects anterieurement decrits, les signes prefixe sont :"=" lorsqu'il est fait reference a l'aspect fonction de l'objet ;«, lorsqu'il est fait reference a l'aspect produit de l'objet ;"+" lorsqu'il est fait reference a l'aspect emplacement de I'objet.L'identificatcur des bornes est precede par deux points (:) .Pour l'objet a designer, la lettre repere peut soit indiquer l'objet, soit indiquer la classe

de l'objet. Les lettres reperes doivent etre constituees en utilisant les lettres majuscules encaracteres remains A a Z (en excluant les lettres nationales speciales ainsi que les lettres I et 0s'il y a risque de confusion avec les chiffres un et zero). Voir Ie tableau 1.3.1 - classement parlettres reperes, '

Si 011 utilise a la fois une lettre repere et un numero, Ie numero doit suivre la lettrerepere. Dans ce cas, le numero doit perrnettre de differencier les objets ayant la meme lettrerepere qui sont des elements constitutifs du meme objet.

Pour faciliter la lisibilite, ilest recommande de limiter autant que possihle la longueurde l'identificateur (numeros et lettres reperes.)

Une designation de reference permet d'identifier sans ambiguite, un objet presentantun interet a l'interieur de l'installation consideree. Les nceuds dans les structures arborescentes(fig. 1.2.1, 1.2.2) representent ces objets.

Pour qu'un systeme/une installation puisse etre concute), fabriquete), entretenu(e) ouexploitete) de maniere efficace, Ie systeme et les informations relatives au systeme sontnonnalement divises en parties. Chacune des ces parties peut elle-rneme etre divisee. Cessubdivisions successives en parties et l'organisation de ces parties est appelee structuration.

Structure denote l'organisation de relations entre les objets d'un systeme decrivant desrelations d'element constituant (est compose de ...lest une partie de ...).

Chaque systeme 011objet peut etre regarde ou decrit d'une maniere specifique (aspect)telle que:

- fonction - ce que le systeme/l'objet fait (usage lie a un objet), sans prendre enconsideration ni l'ernplacement OU il est place ni~laTonction·iiccompl.ie·; .',., ,'", .. t: ,~..:r:.:.

- produit - la facon dont le systeme/l'objet est construit, sans tenir compte de safonction ou de l'endroit ou il se trouve ;

- emplacement - l'endroit ou le systeme/l'objet est situe (position physiquementoccupee par 11lI materiel dansrun ensemble, un batiment, etc.), independamment de saconstruction et de sa fonction.

Une sorte de materiel -est determinee par nature, variete, classe ou famille d'un. materiel.sans rapport avec sa fonction dans till circuit (par exemple, tout type de resistance estconsidere COIllIDeetant de la meme sorte de materiel).

Compte tenu des trois types d'aspects precises ci-dessus et selon la finalite recherchee,on peut distinguer differentes structures, par exemple une stru.cture adaptee a (orieutee vers) lafonction, une structure adaptee au (orientee vers Ie) produit et une structure adaptee a(orieruee vers) l'emplacement.

La structure adoptee a la fonction montre la subdivision de l'installation en elementsconstituants en fonction de l'aspect· de fonction, sans necessairement tenir compte del'emplacement et/ou des produits realisant les fonctions,

Une structure adaptee (IU produit montre la subdivision de I'installation en objetsconstitutifs en fonction le l'aspect de produit, sans necessairement tenir compte des fonctionset/ou des emplacements; un produit : peut realiser une ou plusieurs fonctions independantes ;peut etre seul :it un emplacement ou etre avec d'autres ; peut egalement appartenir a pJusieursemplacements.

Une structure adaptee a ['emplacemellt montre la suhdivision de l'installation enobjets constitutifs en fonction de I'aspect d'emplacement (batiment, etage, piece, emplacementd'une armoire, emplacement sur l.U1 pauneau), sans necessairement tenir compte des produitsetlou des fonctions ; un emplacement peut contenir n'importe quel de produits.

Le resultat de ces subdivisions successives du meme aspect des objets pent etrerepresente sous la fonne d'un arbre (structure arborescente) comme illustre a la figure 1.2.1.

1.3. Reperage d'Identification du materiel; designation de reference1.2. Principes de strueturation d'une installation

Page 6: Manual IAE

Fig. 1.3.3

1.51.4

d Stmcturu .rbonn.eentt) adop.uaup",du~

'0'DO

c} Structure utbor&a~Dntaadapbia i iii forv:tlon

.. "':',0 ...."B~Cr· .e.i~~,?~,0' 3,' _~~ ;;;,-C1 -...

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Fig. 1.3.1

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La fonction.• lIT former le produit -El ,F2 soot combines poduits -Fl et-situation b) I~s p~orseepar le produit -El.=A I est ensurte rea 1

Page 7: Manual IAE

1.7

.,,',, Le schema est la presentation graphique illustrant, a l'aide de symboles graphiques etde delimitations avec des inscriptions, les relations entre les compos ants et les parties d'UDsysteme ou d'un equipement comprenant ses interconnections.

On distingue deux methodes de presentation d'ensemble des schemas :-presentation fonctionnelle, par laquelle les symboles des composanrs ou leurs parties

sont placees dans ie schema de Idle facon que les relations fonctionnelles puissent eirereconnues facilement ; ,

- presentation topographique, par laquelle les symboles des composants ou leursparties sont placees dans le schema de teUe facon que les positions relatives dans Ie schemacorrespondent a I'emplacement effectif relatif des composants.

Parmi les documents orientes vers lafonction, ily a different types de schemas :- schema d'ensemble - schema relativement simple utilisant souvent la representation

unifilaire (voir ci-dessous), mont.rant les principales relations au connexions entre les piecesconstituant un systerne au sous-systeme, une installation, une partie de materiel, unequipement, un logiciel, etc. ;

- schema-bloc - schema d'ensemble qui utilise principalemeut des symboles presentessous forme de blocs annotes ;

- schemafonctionnel= schema representant les details du fonctionnement theorique aufictif d'un systeme ou sous-systeme, d'une installation, d'une partie de materiel, d'unequipemeut, d'un logiciel, etc. au moyen de circuits theoriques ou fictifs sans tenir compteobJigatoirement des moyens utilises pour la realisation;

- schema des circuits - schema representant la mise en ceuvre des circuits d'un systemeou sous-systeme, d'une installation, d'une partie de materiel, d'un equipement, d'un logiciel,etc. et decrivant les parties et connexions au moyen de symboles graphiques disposes de faconIi montrer les fonctions mais sans tenir compte des dimensions physiques, formes ouemplacements des materiels;

- schema fonctionnel des bornes - schema pour un ensemble fonctionnel representantles bornes pour les connexions d'interface et dormant une description des fonctions internes.

Les documents.de connexions cornprennent :- schema/tableau des connexions interieures, representant ou portant sous forme de

liste les connexions a l'interieur d'une unite de construction;- schema/tableau des connexions exterieures (interconnections), representant les

interconnections entre differentes mutes de construction;- schemaltableawliste des dibles, donnant des indications sur les cables, telle que Ie

reperage des conducteurs, I'emplacement des extremites et, si necessaire, les caracteristiques,les trajets et la fonction.

Un schema comprend des symboles graphiques et des traces de connexions entresymboles.

Un symoole graphiqne est une figure, marque ou caractere utilisesconventionnellement pour representer un objet (tel que produit ou fonction), c'est-a-dire pourtransmettre une information, independarnment de toute langue, representant I'objet. Unsymbole graphique est a distinguer de la representation si.mplifiee des produits qui esttoujours dessinee a l'echelle et peut ressembler a un symbole graphique.

On recollnait deux classes de symboles grapbiques :- symbole general - symbole graphique foumissant des informations fondamentales,

conunun a toute une famille de constituants ;- symbole distinct(f - symbole graphique foumissant des informations suppiementaires,

ajoute a un autre symbole pour foumir une information additionnelle.

1.4, Schemas eleetrlqaes

1.6

0) Parfois ou deSIgn. par KA _ContacreursauxiliOlfts, relotsd automatIsm". ' KM -COIIIQctew:sprm~IPQ=,Q _cont:acteursdans 105circuits de puissance; K - reloisde megUJeuuhses pOllrI. proteclJ.OIl

Lettre Sorte de materiel Exemples de materiels ,reo ere'

I Amplificateur it composants discrets, amplificateur

AI Ensembles, sous-ensembles magnetique, laser, maser, automate programmable, carte defonctionnels (de serie) circuit imprime

Couple thermo-electrique, cellule pboto-electrique,Transducteurs d'une grandeur dynamometre electrique, transducteur a cristal, microphone,

B non electrique eo une grandeur tae de lecture, haut-parleur, recepteur, synchro-transmetteur,electrique au vice versa ~essostat, thermostat, detecteur de Eroximite

C CondensateursOperateurs binaires, Dispositifs et circuits integres numenques,. ligne a :etard,

Ddispositifs de temporisation, bascule bistable, bascule monostable, enregistreur, memoire

. clispositifs de mise eo magnetique, enregistreur sur bande, euregistreur sur disquernemoire

__ E Materiel divers Eclairage. chauffag~ements non sl2ecifiesdans ce tableauCoupe-circuit iI fusible, limiteur de fiurteTI,si.oTI,.paraioudre

F Dispositifs de protection rel",;sde protection a maximum de courant, a se:ul de.tensronI Generateurs, dispositifs -- Generatrice, alternateur, convertisseur rctatif ue frequence, 1

G i d'alimentation de puissance batterie, oscillateur, oscillateur il quartzH I Disoositifs de sianalisarion Avertisseurs Jumineux et senoresJ I Relais et contacteursK ')

Bobine d'lnduction, bobine de blocage, reactanceL Inductances, reactances additionnelleM Moteurs

Amplificateur operationnel, dispositif BllalOlziQue-numerig_ueN Operateurs analogiquesInstruments de mesure, Appareil indicateur, appareil enregistreur, compteur,

pdisoositifs d'essai commutateur horaire-

I Apparel Is de connection pourQ')circuits de !,luissance

Disjoncteur, sectlonneursht;";;t.Resistance reglable, potentiometre, rheostat,

R Resistances thennistanceAuxiliaire manuel de commande, boutons-poussoirs,

S Appareils de connection pour interrupteur fln de course, cadran telephonique, etage decircuits de conduit, selecteurs connexion

T Transformnteurs Transformateur de tension, transformaieur de COW'WltDiscriminateur, demodulateur, convertisseur de frequence,

U Modulateurs, oonvertisseurs codeur, convertisseur du code, onduleur, redresseur,translateur telewaphique --

VTubes electfoniques, semi- Tube il vide, lube a gaz, tube it Mcbarge, lampe a Mcharge,conducteurs diode, transistor, thyristor

W ' Voies de transmission, guides Ugn" electriqlle, conducteur, dible, guides d'oncie, dipole.

r''''''' ~-"antenne paraboJiQlleFiche et prise de conllexioo, fisse d'essai, planehette Aborne,

.X Bomes, fiches, socies sortie it souder, raccordement, bOlte II cable d'e1ctremit" ou de'ionction

y Appareils mecaniques, Frein, embrayage, electrovalve pneumatiqueactionnes electriQuementCl:larges correctives, J . .' .

Z transformateurs differe!'tiels, Equilibreur, compresseuriextenseur, filtre a cnstal, reseau~ __~ __ ~~ ..~rr~,:~!!}..~,:!!.~_~_ _ ... ., ·___ .--;-----. ~ __ ~-.-.---.

Tableau 1.3.1

Page 8: Manual IAE

1.91.8

Exernples des plus usites symboles sont concentres en Annexe 1.Pour la representation des traces de ennnesions on peut utiliser : "a. la representationmultifilaire dans laquelle chaque connexion est representee par un

trait; ,b. la representation unifilaire dans laquelle deux ou plus de deux connexions sont

representees par un trait unique (faisceau de !ignes de connexions) au moyen de l'une desmethodes suivantes :

_Les traces de connexions paralleles sont interrompus : une ligne transversale apres unpetit intervalle represente l'assemblage en faisceau (fig.l. 4.2, a).;

_ Chaque trace de connexions individuel rejoint la ligne de faisceau en ?iais dans lesens de l'autre (des autres) extremitets) du trait individuel ; les traces de connexions formantune jonction avec l'une quelconque des lignes du faisceau rejoignent le faisceau II angle droit(fig. 1.4.2, b). , ' ,

Le nombre de traces de connexions ou de conducteurs semblables representes par uneligne de faisceau doit etre indique.si necessaire, par un nombre approprie de traits obliquesqui barrent le trait representant les connexions (fig. 1.4.2, c).

Dans l'etablissement d'un schema, l'essentiel est d'adopter une presentation claire afinde faciliter la comprehension.

• Les symboles graphiques utilises doivent etre conformes aux standards. II peutaussi etre possible d'elaborer un nouveau symbole a partir des symboles normalises, d'apresles regles normalisees.

Les syrnboles normalises sent prevus pour une direction principale de propagation desinformations comme suit :

- signaux et alimentation - de gauche a droite ou de haut en bas;- cornmandes mecaniques - de gauche a droite ou de bas en haut,II convient :- de representer de preference les symboles graphiques avec l'orientation et les

dimensions comme indique dans des standards. Dans certains cas, il est necessaire des'eioigner de l'orientation et des dimensions fondamenrales, Les dimensions d'un symbole, parrapport II un autre symbole peuvent etre adaptees au besoin d'un dessin, mais les dimensionsrelatives (les proportions) d'un symbole doivent etre toujours conservees lorsque le symboleest reduit ou agrandi, Les symboles peuvent etre transposes par rotation (par paliers de 90°,sens trigonometrique) ou par symetrie si leur signification n'est pas modifiee ;

- d'orienter les symboles de contact de teUe facon que le sens imaginaire dumouvement soit de bas en haut dans les traces de connexions horizontaux ou vers la droitedans les traces de conn.exions verticaux lorsque Je composant est actionne, Les syrnbolesplaces dans les traces de connexions horizontaux resultent par rotation des symboles placesdarts les traces de connexions verticaux, selon un angle de 90" dans Ie sens contraire desaiguilles d'une montre.

Fig. 1.4.1

1.5. Conception des sehemas elecrriques

c)

Fig. 1.4.2

y- b)

a)

-H----. -- ---------- ---------- -----

Principes relatifs it. la creation des symboles : . '.' ._ La signification d'un symbole est definie par sa forme et par son graphisme lllteneUTj

la taille et la largeur du trait n'ont, habituellement, aucune influence; . . .. ,_ La forme d'un symbole graphique doit etre 'simple (afin d'ameliorer la perceptibilite

et la reproductibilite) et facile IIapprendre et a memoriser ; .'_ Les symboles graphiques possedant un element repn!sent~nt une partl'; mobile dans

un produit, par exemple un contact dans un dispositif de commutation electromec~mque, sontconcus dans une position qui correspond Ii hi position au repos (n~n mflu~~cee) pour lesproduits avec retour automatique (par exemple ressort de rappel) ou a I~ posltlon non-ac~vepour les produits sans retour automatique (par exemple dispositif de commutationelectromecanique en position de circuit ouvert) ;

_ Les svmboles graphiques peuvent etre combines pour former un nouveau symbolegraphique en tenant compte de l'harmonie avec les informations representees par ses elementsconstituants.;

Les symbolcs graphiques peuvent etre trouves dans les standards en vi~eur. ,D~llS tn,1systeme de conception assistee par ordinateur, les symboles sont ~on9us en regIe generale al'interieur d'une grille (module M = 2,5 mm), de facon telle que la distance entre leurs traits deconnexion soit u; multiple de 2M et qu'un nceud de connexion se trouve IIune intersection dela grille de 1M (fig. 1.4 1) ; la grille de fond n'est pas reproduite sur un dessin.

Page 9: Manual IAE

1.11 '1.10

Fig. 1.5.2

placee dans Ie schema selon une disposition qui faciJite la comprehension du fonctionnement ;

bJ

Fig. 1.5.1

b)a)

I13 ! 14

23 j::LL

24 21

22-rfI

_1.l_ ~--ji

tJ.j

chaque partie est reperee par l'identification de materiel (§ 1.3) par laquelle elles sontrattachees, ce qui permet de definir leur interaction.

A. titre d'exemple, les deux methodes ci-dessus sont illustrees dans les figures 1.5.1 et1.5.2 po~r'~relais electromagnetique et un bouton-poussoir.

Les circuits de puissance, de commande et de signalisation sont souvent representessur deux parties distinctes du schema, avec des epaisseurs de traits differentes.

Sur un schema des circuits de puissance, des lignes horizontales a la partie superieure(dans le cas des circuits verticaux) ou des lignes verticaJes a la gauche (dans Ie cas des circuitshorizontaux) representent le reseau. Les differents recepteurs sont places sur les derivations.La representation unifilaire peut etre utili see pour les cas simples.

Dans un schema de commande (en representation developpee), deux lignes(habituellement honzontales) figurent l'alimentation. Les bobines des contacteurs et lesrecepteurs divers, lampes, avertisseurs, etc., sont relies directerneni au conducteur inferieur,Les autres organes, contacts auxiliaires, appareils exterieurs de cornmande (boutons, contactsa commande mecanique) ainsi que Ies bornes de raccordement sont representees au-dessus del'organe commande,

" Le reperage des elements d'un schema definit les materiels, les bornes deraccordement des appareils, les conducreurs et les borniers. L'utilisation des· regles dereperage facilite non seulement leur l'identification sur le schema mais aussi les operations decablage, de mise au point et de maintenance des equipements.

Tous les materiels qui entrent dans la composition d'un equipement sont identifies parune suite alphanumerique (§.1.3). •

Les conducteurs d'un systeme d'alimentation sont reperes par ; Ll, L2, 1,3 (phase 1,2,3), N (neutre), PEN (conducteur combine, neutre et de protection) - courant alternatif ; L+, L­or "+" "-" - courant continuo

Reperage des barnes de materiels electriques, leis que resistances, coupe-circuit 'afusibles, relais, contacteurs, disjoncteurs, transformateurs, machines tournantes, etc. utilisedes lettres maj uscules latines et des chiffres arabes selon les principes sui vants :

- les deux extremites d'un element simple sont distinguees par des nombres dereference consecutifs, Ie Hombre impair etant inferieur au nombre pair;

- si plusieurs elements semblables sont combines dans un groupe d'elements on pelltutiliser:

- des lettres precedant les nombres de reference;- des Ilombres precedaniles nombres de reference, separes par un pomt ;- des nombres differents consecutifs, Je nombre impair de cb:.lque element etant

inferieur au Hombre pair de cet dement;- des groupes semblables d'61ements ayant leg memes lettres de reference sont

distingues par un prefixe numerique devant les iettres de reference.Pour les bornes d'un. equipemenl destinees 11 etre raccordees directement ou

indirectement aux conducteurs du systeme d'alimentation ou de protection, Ie reperage est Iesuivant : U, V, W, N, PE - courant alternatif; C, D - courant continuo Pour differencier entreplusieurs bomes d'un meme materiel, la lettre peut etre suivie ou preeedee d'un nombre.. Dans chaque groupe de barnes dans les bomiers d'un circuit de cammande, Ienumerotage va en croissant de la gauche vers Ja droite de I a n.

Les bomes des contacts principal/X (d'un appareil de commutation mecan.ique) sontreperees, en regIe generale, par un seul chiffre : del I a 6 en tripolaire ..}l convient de marquerles bomes du circuit principal d'un contacteur par une combinaison alphanumerique : IILl,2/Tl, 3/1.2, 4/T2, 5/L3, 6/T3.

Les bomes des contacts auxiliaires Cd'un appareil de commutatioll me~anique) sont.reperees par des .nombres 11deux chillies. Les pbiffres des unites ou chiffre de fOllction

-Sl24 2122tf' .tlJ

-811~ 14-:.--r-

ILi..J

-K1

~

A2 -K113 .14--:.------

.;

Le plus souvent, il n'est pas necessaire d'ajouter les symboles des bomes aux ,symbolesdes composants. Les symboles des bornes doivent etre figures dans les schemas desconnexions .

• Par la disposition des symboles et des circuits il faut mettre en evidence soit lacorrespondance fonctionnelle soit l'emplacement physiquement occupe par les materiels.

Ilconvient :_ d'utiliser des traces de connexions rectilignes avec minimum de courbures et de

croisements, orientes horizontalement ou verticalement (exceptions pr~sentationtopographique, certains dispositions symetriques des composants, changement dordre desphases) ; '1

- de disposer les circuits, chaque fois que possible, selon l'ordre dans lequel I S

fonctionnent : .- de disposer les circuits paralleles d'egale importance de maniere symetrique par

rapport au circuit commun ; . .- que des materiels similaires dans des circuits paralleles verticaux [horizontaux]

scient alignes horizontalement [verticalement] ;- de placer les groupes formant le systeme de commando a gauche ou au-dessus de

groupes fonctionnels qui representent le systeme commande, .Dans un schema avec presentation fonctionnelle, il convient de placer les symboles

lies par la fonction aussi pres Ies uns des autres que le permettent les exigences de I'annotationtout en evitant Ia surcharge. Les symboles doivent eire disposes sur le schema de facon que letrace des circuits soit claire et puisse etre facilement identifie, .

Pour un symbole composite dont les parties symbolisent les divers organes constituantd'un appareil (par exemple bobine, poles, contacts principaux et auxiliaires, etc. d'un appareilde commutation mecanique ) on peut utiliser d'habitude deux methodes. . ..

Dans La representation assemblee, Ies parties du sym?ole ,(Y comp.n~ les liaisonsfonctionnelles mecaniques) sont reunies et placees dans le schema a proximrte les unes desautres, tels qu'elles sont implantees dans I'objet correspondent. , ..» ,

Dans La representation developpee, le symbole est decompose, chaque pame etant-~ ~1

Page 10: Manual IAE

2.11.12

Cela conduit au transport d'energie eiectrique en haute. tension. Mais ]'energieelectrique est plus facile a utiliser en basse tension. nest donc necessaire un appareilsusceptible, avec des faibles pertes : .

Fig. 1.5.3

Quelques exemples sont donnes dans la figure 1.5.3 et dans J'annexe 2.

(2.1.3)CONT. COL13-14 51127·28 4

CONT. COL13-1. 223-24 333-34 5f2

R/ = P );~'j et R1 ~, P /Is) etani les resistances des conducteurs de la hrme.Vu que la longueur et Ie metal des conducteurs sont fi;es, il en resulte que la section

des fils et par consequent leur masse et leur prix sont inversement proportionnels au carre dela tension:

_E..~ 511_'_3 14_. 2/4-j _n..:..r24 214_Il_P-4 ~

(2.1.2)

(2.1.1)

L'alimentation en energie electrique comporte plusieurs etapes que l'on peut resumeren : production de l'energie electrique, transport de cette energie et sa repartition, distributionde l'energie et utilisation de l'energie electrique.

La chaine production-transport-ctistribution-utilisation de l'energie electrique peut etredivisee, comrne respcnsabilite et exploitation, en :

- fournisseur - I'ensemble des installations de production, transport et distribution;- consommateur -l'ensembJe des installations destinees a l'alimentation des recepteurs

qui transfonne l'energie electrique en autres formes d'energie. .Les deux parties sent separees par le soi-disant "point de delimitation".L'energie electrique est produite a partir des energies primaires qui sont : I'eau, le vent.

Ie soleil ou des res sources minerales, le charbon, l'uranium, le petrcle etc. Cette energie estproduite dans des centrales electriques par des generateurs de courant alternatif (alternateurs)a partir de l'energie mecanique fournie par des rnoteurs ou de turbines.

Les moyens de production d'energie electrique (centrales electriquesi sont concentres,pour des raisons technique et economique, en un nornbre relativement reduit de sites, tandisque les utilisateurs, extremement nornbreux, sont bien evidement repartis sur l'ensemble duterritoire.

Pour realiser les liens des llilS avec les autres est done necessaire d'etablir des liaisonselectriques constituant le reseau (ensemble des lienes entre les sources et elementsd'utilisation). -

Pour limiter les pertes par effet Joule, les dimensions des sections des conducteurs etla chute de tension dans les lignes de transport ou de distribution d'energie electrique on doitelever la tension. .

En effet, pour transporter une certaine puissance a distance, d'une usine generatrice aun lieu d'urilisation, on pent utiliser deux tensions U, et U: = nli} (n > J). Pour le memeregime thermique (les memes pertes Joule dans les conducteurs de la ligne) on a:

R}112 =R21/ ; UIl} =U2l2 ,

·K; ~I -1<2 ~I·1 3

v ~

215 ~

voCl1~T-1<3

2.1. Production, transport, distribution et utilisation de I'energieelectrique

2. INSTALLATIONS EI~ECTRIQUES _4. BASSE TENSION

. indiquent la fonction du contact: 1 et 2 - contact it ouverture (0) au normalement ferme ;3 et 4 - contact a fermeture (F) au nonnalement ouvert ; 5 et 6 - contact a ouverture afonctionnement special tel que temporise, decale, de passage, de declenchement thermique ;7 et 8 - contact a fenneture a fonctionnement special tel que temporise, decale, de passage, dedeclenchement sur un relais de surcharge. Le chiffre de dizaines indique le numero d'ordre dechaque contact de l'appareil. Le rang 9 (et 0 si necessaire) est reserve au contact auxiliaire desrelais de protection centre les surcharges, suivi de la fonction 5 et 6 ou 7 et 8.

POUT les organes de commande (bobines} les reperes sent alphanurneriques, Ia Jettreetant placee en premiere position: A1 et A2.

Chaque fois que possible, les reperages d'identification des materiels sont orienteshorizontalement et situes au-dessus d'un symbole s'il comporte des traces de connexionhorizontaux et Ii la gauche d'un symbole s'il comporte des traces de connexion verticaux. Lesidentifications des bomes ou des conducteurs doivent figurer de preference au-dessus destraces de connexion horizontaux et a gauche des traces de connexion verticaux, orientes lelong des traces de connexions. Lorsque les symboles des bomes ne sont representes pas,l'identification doit figurer a proximite de leur position sur Ie materiel.

Sur les schemas complexes, en representation developpee, lorsqu'il devient difficile detrouver tous les contacts d'un meme appareil, le schema est complete par un reperagenumerique de chaque ligne verticale. En dessous des organes de commande sent portes lesreperes numeriques des contacts qu'ils actionnent et le numero de Ia ligne verticale surlaquelle iis se trouvent. Si necessaire, le folio du schema est precise, son numero, suivi d'unebarre oblique, preeedant le repere du contact. Un systeme de coordonnees (une grille type)peut etre attache au dessin, les mailles etant reperees a l'aide de lettres majuscules sur l'axehorizontale et des chiffres sur l'axe vertical.

;.

Page 11: Manual IAE

2.32.2

neutre).

- T - masses relices directement a la terre, independamrnent de Ja mise it laterre eventuelle d'un point de I'alimentation ;

- N - masses reliees directement au. point d'alimentation mis a la terre (Ie point

Les systemes de distribution sont determines en fonction des types de schemas deconducteurs actifs et de Ja classification en fonction des liaisons it la terre.

Les tJPes de schemas des liaisons a la terre sont mis en evidence par des syrnbolesayant Ia signification suivante :

Premiere lettre ~ situation d'alimentation par rapport it 1a terre:- T -liaison d:un point avec la terre;- I - isolation de toutes les parties par rapport a. Ja terre.

Deuxieme lettre ~ situation des masses de l'installation 6lectrique par rapport it la terre:

Les reseaux de distribution BT les plus repandus dans la distribution pubiique etl'industrie sont des reseaux ouverts, Ia coniiguration Is plu$ usit6e etaDt celie de type radial(arborescent). La structure comporte, au secondaire cl'un transformateur, un au plusieurs jeuxde barres protegees par un ctisjoncteur de puissance (ctisjoncteur principa1). Partent enswte,radialement, des hgnes protegees par disjoncteurs secondaires ou fusibles. Ellsuite., plus oumoins ramifiee, se trouve la distribution terminale. Par suite de cette configuratlOn,I'exploitation du reseau est simple, Ie nombre de recepteurs affectes par l'indisponibilite d'untronyon est beaucoup plus faible, Ie systl.'lmede protection d'un depart est relativement simple.

La distribution triphasee est la plus utilisee. La tension de distribution 3x400/230 V 5etrouve justifiee, elant bien evidement liee aux parametres des appareils d'utilisation usuels etperrnettant Ie raccordement des recepteurs tant triphases que monophases (a I'alde duconducteur neutre). Pour des plus basses tensions, on fait appeJ it des transformateursappropries.

2.2.3, Systemes de dlstributiou BT2.2.1. Architecture du reseau

Partie active :- tout conducteur.ou .toute partie. conductrice sous tension en servicenormal y compris le conducteur neutre et les parties conductrices qui lui sont reliees.

Conducteur de phase (de ligne ~ L) ~ conducteur reliant la source d'energie avec leselements alimentes mais qui n'est pas relie au point neutre de la source.

Condiicteur neutre (N) - conducteur relie au point neutre de la source' et destine atransporter de l'energie.

Conducteur de protection (FE) ~ conducteur utilise dans certaines mesures deprotection contre les chocs electriques en cas de defaut et reliant des masses : soit a d'autresmasses, soit it des elements conducteurs : des prises de terre, un conducteur relie a la terre ouune partie active reliee a la terre.

Conducteur neutre et de protection (PEN) - conducteur combinant les fonctions deconducteur neutre et de conducteur de protection, dans certains cas et dans des conditionsspecifiees.

Les schemes de conducteurs actifs les plus utilises en courant alternatif (AC) sont :- monophase 2 conducteurs (L, N) ;- monophase 3 conducteurs (L, N, PE) ;- triphase 3 conducteurs (LI, L2, L3) ;- triphase 4 conducteurs (Ll, L2, L3, PE au Ll, L2, L3, PEN).

Element conducteur etranger a l'installation electrique (en abrege elementconducteur'[ ~ element susceptible de pro pager un potentiel et ne faisant partie de l'installationelectrique comme, par exemple : les elements metalliques utilises dans la construction dubatiment ; les canalisations metalliques de gaz, chauffage, eau et les appareils non electriquesqui leur sont relies (radiateurs, cuisiniers non electriques) ; les sols et parois non isolants.

Masse ._partie conductrice accessible qui u'est pas une partie active mai qui peut etremise sous tensionen cas de defaut,

Prise de terre - une ou plusieurs pieces enfouies dans le sol et destinees it assurer uneliaison electrique efficace avec la ten-e.

Deux types de prises de terre sont prevus dans un systeme :- prise de terre de l'alimentation reliant a la terre le point neutre de la source;- prise de terre de protection (contre les chocs electriques) reliant a la terre les masses

des equipements.2.2. Reseaux de distribution BT

2.2.2. Parties conductrices dans nne installation_ de transformer au depart de l'usine generatrice, l'energie a basse tension et it fancourant en energie it haute tension et faible courant; .'

_ de transformer, a l'arrivee au lieu d'utilisation, l'energie it haute tension et faiblecourant en enerzie it basse tension et fort courant.

De fa90; generale, pour chaque partie d'un reseau i1y a une tension optimale.On resout ce probleme en utilisant des transformateurs elevateurs ou abaisseurs de

tension. On vena (Ch. 4) qu'ils fonctionnent seulement en courant altematif,On distingue assez classiquement dans Ia partie fournisseur : . ,_ reseaux de grand transport et d'interconnexion. Ces reseaux sont destmes au

transport d'une grosse puissance (l00 ... 1000 MW), a tres haute tension (THT - > 110 kV)des centrales de production vers les points de livraison des regions consornmatnces duterritoire, sur des longues distances (plusieurs centaines de kilometres). Les reseaux sontsouvent interconnectes, realisant la mise en commun de l'ensemble des moyens de productionit disposition de tous les consommateurs ; ..

_ reseaux de repartition. Ce type de reseaux assure, it I'echelle regionale, la des senedes points de livraison aux gros consommateurs industriels et au maillon suivant de la chaine(reseaux de distribution), dans la gamme de 10 a 100 MW, sous haute tension (HT ~ 20 ...110 kV) ;

_reseaux de distribution: Ces reseaux alimentent la majorite des consommateurs, etantorganises en deux niveaux de tension successifs : la moyenne tension (.MT - 10, 2? kV) et labasse tension (BT -:5 1 kV) qui se situent respectivement dans les domaines des megawatts etde dizaines de kilowatts .

Tous ces reseaux sont raccordes entre eux par des nceuds electriques appeles posies ;c'est la que se trouvent les transformateurs pour reduire Ia tension, les dispositifs de coupureet de connexion, les appareils de mesure, de controle, de commande etc.

Les consommateurs industriels ont leur propre reseau de distribution dirigeantsuccessivement l'energie electrique vers les differents equipements de distribution auelements d'utilisation. La partie centrale d'un equipement de distribution est constituee par unou plusieurs jeux de barres auxquels chaque circuit est raccorde par l'intermediaire d'unappareil de coupure et d'un appareil de sectionnement qui permet de le separer du reseau.

Le transport et la distribution d'encrgie electrique sont realises en courant alternatif

Page 12: Manual IAE

2.52.4

eFig_2.2,]

EE

r L2

L ts

P-

L1ITL1

Toute installation doit eire divisee en plusieurs circuits selon le besoin, afin d'evitertout danger et limiter les consequences d'un defaut ; de faciliter les verifications, les essais etl'entretien ; de tenir compte des dangers qui pourraient resulter d'une defaillance d'un seulcircuit tel qu'un circui t d'eclairage.

Des circuits de distribution distincts doivent etre prevus pour Les parties del'installation qu'il est necessaire de commander separement, de teUe sorte que ces circuits nescient pas affectes par la defaillance d'autres circuits.

Du point de vue reseau, on peut classifier les circuits en:- lignes d'ossature principale (appelees aussi colonnes) qui assurent le transit de

puissance entre la source (transfonnateur) et les points (equipements) de distribution (enparticulier, tableaux) ;

- lignes/circuits terminaux (de derivation, d'utilisation) qui assurent le raccordementde chaque recepteur/unite fonctionnele/equipement it l'ossature principale (au dernier tableaude distribution),

Du point de vue charge on a :- circuits de puissance ;- circuits de commando, conduite, signalisation etc.

c

2.4. Division de "installation

L1TN-C-S

b

Les equipernents de distribution dans un reseau BT, surtout dans un schema radial,sont habituellement des tableaux de distribution - des ensembles d'appareillage sousenveloppes. On pent distinguer : '"

- tableaux generaux, repartissant l'energie provenant de la source (transformateur) versd'autres tableaux ou vers les circuits d'utilisation ;

- tableaux secondaires (divisionnairesy; d'ou partent les circuits terrninaux a traversdes dispositifs de protection centre les surintensites ; ,

- tableutins - petit tableaux divisionnaires supportanr un ou plusieurs appareils decommande et de protection,

Les ensembles entierement fermes de grandes au moyennes dimensions sont connussous le nom d'al'moires. Les coffrets sont des ensembles de petites dimensions,

2.3. Equipements de distribution

- t1r- ......'"iz

~ ... L3PEN

I II • I-=l;:

TNC

- Le schema TI a un point relie directernenr a la terre, les masses de l'installationelectrique etant reliees a des prises de terre electriquement distinctes de la prise de terre deI'alim~p.t~non (fig:.}.f,!lld) ;

. ~ Le schema-IT n'a aucun point d'alimentation relie directernent a la terre, les massesde l'iustallation electrique etant rnises a la terre (fig. 2.2.1, e).

D'une maniere tres generate, les transformateurs MTIBT ont pratiquement toujoursleur point neutre accessible (connexion secondaire etoile) et raccorde a un conducteur neutre.Le point neutre du transformateur est mis directement a la terre au poste MTIBT (schemas TTet TN)

Le conducreur PEN est mis it la terre successivement sur son trajet et Iichaque point(equipement) de distribution,

Les problernes essentiels qui se posent sont lies Ii la protection des utilisateurs BTcentre les risques de contact electrique indirect (La touche d'une masse, en cas d'~.n defautd'isolement) et concernant Ie regime de mise a la terre des masses (enveloppes metalliques)des appareils d'utilisation.

d

r-« l2~~r- L3N

IJ.

-=:!;:=-- p-

TT

a

PENL3L2L1TN-S

l2~ L3~~ NPENl PE

PE I-=~ I 1 r _I

Autres lettres (eventuelles) - disposition du conducteur neutre et du conducteur deprotection:

- S - fonctions de neutre et de protection assurees par des conducteurs separes ;- C - fonctions de neutre et de protection cornbinees en un seul conducteur

(conducteur PEN),Les plus frequents sont les schernas suivants : \.._ Les schemes TN ant un point relie directement a Ja terre, les masses de l'installation

etant reliees it ce point par des conducteurs de protection: ._ TN-S, dans lequel le conducteur neutre et le conducteur de protection sont

separes dans l'ensemble du schema (fig, 2,2.1, a) ;_ TN-C, dans lequel les fonctions de neutre et de protection sont combinees ell

un seul conducteur dans l'ensemble du schema (fig. 2.2, 1, b) ;- TN-CS, dans lequel les fonctions de ueutre et de protection sont combinees

en un seul conducteur sur une partie du schema (fig. 2,2,1, c) ;

Page 13: Manual IAE

2.72.6

Fig. 2.6.1La puissance reactive fournie par une batterie de condensateur pour une puissance.active donnee Pd afin d'ameliorer te facteur de puissance de la valeur coso donne jusqu'a lavaleur coso' > coso devra etre telle que

Qc ",Pd(tg<jl-tg<p') (2.5.5)

(2.5.4)

PE

Recepieurs/unites fonctionnelles/equipemenrsEn effet la puissance reactive fournie par le reseau ne sera que la difference entre la

puissance reactive demandee par l'ensemble des appareils d'utilisation Qd et oelle produite parles dispositifs de compensation:

Circuits terrninaux (d'utilisation)

-W2

PEN'

=TD 1

nne forte circulation de puissance reactive etant illustree par un mauvais facteur de puissance.Pour une puissance active donnee a desservir, afin de reduire les effets nocifs de

l'energie reactive (ce "mal necessaire"), il faudra done eviter de transporter de la puissancereactive sur des longues portions du reseau, celle-ci devant etre confinee autant que possible aI'endroit ou elle est consommee,

Minimiser la puissance reactive et par consequent augmenter le facteur de puissancedans le reseau reviennent a :

- eviter les marches a vide ou Ii faible charge des moteurs et des transformateurs desorte que leur facteur de puissance soit proche du facteur de puissance nominal;

- foumir l'energie reactive en utilisant des dispositifs de compensation qui apportent al'ensemble de l'installation tout ou partie de l'energie reactive qu'elle consomme.

Pratiquement on utilise comme sources d'energie reactive des condensateurs branchesen parallele sur Ie reseau qui Iournissent une puissance reactive Qc proportionnelle a lacapacite C et au cam: de la tension:

- - - - _o ._ -.- I

-C1

(2,5.3)

Tableau general

,__ :. ,):D_G ., :, .. . _ _ _ _ .

-03 )

-T1

Peste de transformation-Q1 \

.Q2 J

= 51: - _._.- - - - - - - .. - - - - -3;io-",,- - - - .. - - - _.- - - - - - - - - ...- - - - __. - - _

~----------17------------------

La figure 2.6.1 donne un exemple de schema radial de distribution en basse tension ..Le reseau estfait pour transporter- des puissances electriques. Mais on sait que, pourtenir compte du phenomene de dephasage du courant sur la tension, il est commun, et d'unusage generalement repandu, de decomposer les circulations electriques en deux termes :puissance active (seule puissance reellement utile·et reellement transiteejP ~ VIcoso et unepuissance reactive Q = UI sino exprimant l'effet nocif dudephasage du courant.

On sait que la puissance reactive mesurable aux bomes d'un circuit estproportionnelle a la difference des energies electriques et magnetiques moyennesemmagasinees dans les champs electrique (capacites) et magnetique (inductances) du circuit.

L'iutensite du courant I qui circule dans un element de reseau est:1= /1 2 +1 2 (2.5.1)'0 r

10 etant la composante active (proportionnelle a Is puissance active P) et I, la composantereactive (proportionnelle a la puissance reactive Q).

Le dimensionnement du reseau se fait pour transporter essentiellement de la puissanceactive. Le transport de puissance reactive accroit les pertes actives (Ll.? = R/2) et la chute detension (AU = ZJ) dans le reseau, Le courant admissible dans un element de reseau etantlimite par l'echauffement thermique, tout transport de puissance reactive diminuera lespossibilites de transport de puissance active et, pOUT satisfaire Ii une merne consommationactive, il faudra augmenter la capacite des sources et des lignes (surdimensionner lestransformateurs, les conducteurs et l'appareillage), done augmenter les investissements.

Le poids de l'energie reactive est pris en consideration par Ie facteur de puissance:W p

cos<p = a = (2.5.2)IW2+W2 Ip2+0"V It r "V -

2.6. Schema unifilaire d'une installation BT2.5. Circulation des puissances active et reactive

Page 14: Manual IAE

3.1

L'element alimente pent etre ;- nn recepteur simple/ appareil d'utilisation (recepteur - element transformant

l'energie electrique en autre forme d'energie utilisable);- une unite fonctionnelle (equipement) composee de plusieurs recepteurs simples;- un point de distribution d'energie electrique (tableau de distribution, jeux de barres) ;- un transformateur.

3.1.2. Element alimente

- pile/accumulateur ~ DC (courant continu)- generateur (machine electrique tournante) - DC ou AC (courant continu

ou courant alternatif) ;- source secondaire, fondee sur Ia modification des parametres de l'energie electnque :

transformateur - AC (courant alrernatif) ; •- "pseudo-source" - la tension disponiblc aux jeux de barres d'un point (tableau) de

distribution ou une prise de courant ~ AC (courant alternatif).Une source primaire ou secondaire est caracterisee par les grandeurs 'suivantes :- tension ("force") electromotrice (f.e.m.) - la tension Ii vide (sans charge) Uo (E),

generee par le phenornene de conversion d'energie ;. -_impedance interne Z, (AC) ou resistance interne r, (DC) ;- tension aux bomes U, inferieure a la tension a. vide et dependant de la charge du

circuit alimente ;- puissance apparente nominate (en courant alternatif) - la puissance limite pouvanr

etre foumie Iiun recepteur resistif

La source d'alimentation peut etre :- source primaire, fondee sur la transformation d'aurres formes d'energie en energie

electrique :'-

3.1.1.Source d'alimentation.

Fig.3.1.l

Source Element alimentsLigne

Un circuit cornprend trois composants : la source d'energie ; l'element alimente ; laligne de raccordement de l'elernent a la source (fig. 3.1.1).

3.1. Constitution d'un circuit

Par circuit electrique (en abrege : circuit) on entend l'ensemble de milieux ou peuventcirculer des courants. Ce terme designe habituellement la partie de I'installation protegeecentre les surintensites par Ie ou les memes dispositifs de protection.

3. CIRCUIT ELECTRIQUE

Page 15: Manual IAE

3.2

S1; kVA 40 63 I 100 160 i 250 400 630 1000RT.mQ 100 60,5 ! 36,8 18,75 I 8,32 4,6 2,6 i,63XT. ron 125 81,6 ! 52,4 35,3 ! 38,0 23.5 15,0 9,45Zr,mQ ]60 ]02 I 64 40 I 38,4 24 I 15,2 9,6de coefftcient de conductibilit6

Tableau 3.2.1(3.2.1)

(en complexe)~,=R, + jX,

2/ =,/R/ +x/brancMe sur l'impedance de charge Zs (fig. 3,2.1).

La resistance d'un conducteur depend de :_ la matiere du conducteur, par l'intermediaire

electrique 0;_ la section transversale du conducteur s ;- la longueur du conducteur I :

One ligne BT ou un troncon de reseau a section transversale des conducteurs s etlonger Ipeut etre assimile a un quadripole caracterise par une impedance ZI compo see duneresistance R et d'une reactance inductive X

3.2. Impedances des composants d' un circuit

Une ligne est caracterisee par une impedance 21 dependant de matiere (substance),section transversale et longueur du conducteur et des impedances de l'appareillage contenu.

La tension U» aux. barnes secondaires d'un transformateur alimente a la t .~onsta~te ~I varie avec la.charge branchee a ses bornes. Le transformateur peut etre as:~~~~a ,t1~ . ans o,:nateur, parfait: dont. Ja tension secondaire teste toUjOUISCOIlstante et uneImpedance (dite Impedance Interne) connectee en serie avec chaque phase de I' J .secondaire (voir Ch. 4). . enrou ~ment

la' te Le s:O~daire d'un trans~onnateur peut etre done considere une source caracterisee par. ,nslOn, oncuonnement a Vide U20 et une impedance interne par phase Zr Cette~~~e~:tnCdeun est pa~ la meme jue l'impedance proprement dite de l'enroulement ;ec~~daire ;resista:nce;. :~~ .~llX enroX e:ents (primaire et secondaire) couples inductivement. Latransf nn T a le~ctance T ependent de la construction et de la puissance apparente du

o ateur (Tab. :>.2.1, transformateurs triphases, enroulements en aluminium).

3.2.1. Impedanee de Is ligne

3.2.2. Impedance du transformateur

(3.2.5)

(3.2.4)1 -Ir =- .n'mo a s

estla resistance specifique, par l'unite de longueur.Le coefficient de conductibilite a la valeur 53.106 O-Im-I (5~ 10 2) 1 .et 3? 106 0-1 -I (32 I > :>m -rnm pour e cuivre

-~ m, 0 ru O'mm-) pour l'aluminium, a la temperature 20°C et varie avec latemperature; a 70 C, on a respectivement 44.106 !Tlm-I (44 m/Q.mm2) 27.]06 0-1 -I(27 m/O'mm-). ' mque de ~~eactance induc~vefne depend pratiquement pas de 10 section des conducteurs ainsi

~ arrangement re au et peut etre exprimee par la relation:X, = xo'/ ,0

ou X(I '" 0,05 ... 0,07 mO'm-1 pour cables BT.

ou(3.2.3)

(3.2.2)1R,=-·t

(J"S

La resistance peut etre exprirnee par la relation:R, = ''0 . l , .0.

La ligne de raccordement entre source d'energie et l'element alimente comprend :_canalisation _ W1 ensemble comprenant les conducteurs electriques isoles au non, les

elements qui les protegent mecaniquement et ceux qui les fixent ;_ appareillage _ l'ensemble des materiels permettant d'etablir ou d'interrompre et de

distribuer l'energie electrique :_ appareillage de connexion - dispositifs etablis une fois pour tomes et ne

permettant etre modifies sans intervention directe sur leurs elements,generalement a l'aide d'outils : jeux de banes et derivations (soudees,boulonnees), bomes.

_apparetllage de coupure assurant :_ commando - mise en ou hors tension : interrupteurs, cornrnutateurs,

contacteurs, disjoncteurs, prises de courant (jusqu'a 16 A) ;_ protection des circuits - detection des surintensites dangereuses

(surcharges, courts-circuits) et coupure, a la suite d'une detection:relais, coupe-circuit a fusibles, disjoncteurs, contacteurs equipes derelais thermiques ;

_ sectionnement - isolation du reseau amont, afin de permettre aupersonnel d'entretien l'intervention sans danger sur l'installation aval :sectionneurs, appareils debrocbables (en position debrochee,verrouillee), barrettes arnovibles, disjoncteurs;

_ combinaisons assurant differentes fonctions enumerees ci-dessusinterrupteurs avec fusibles, disjoncteurs avec fusibles, sectionneurs avecfusibles.

Fig. 3.2.1. 3.1.2. Ligne de raccordement

-",

Un recepteur simple peut etre decrit par :_ grandeurs nominales : courant nominal (thermique) L, tension nominale Un,

puissance nominale PII .•• " indiquees sur la plaque signaletique ;_deviations admissibles de tension aux bornes AU;_ impedance propre, non-specifiee explicitement, deduite a partir des grandeurs

nominales et du schema de connexions internes .

Page 16: Manual IAE

3.5 .

sera estimee corrune suit:- pour un appareil d'utilisation, tel qu'un moteur, par exemple, on prendra la puissance

nominale affectee eventuellement d'un coefficient d'utilisation qui lui est propre(par exemple 0,8) ;

- pour les appareils d'eclairage, on prendra la puissance nominale pourl'incandescence, affectee du facteur de puissance pour les lampes a decharge ;

- pour les appareils de chauffage, on prendra la puissance nominale ;- pour les prises de courant. on prendra, que! que soit le nombre de prises placees sur

un merne circuit, la puissance d'emploi de ce circuit, definie par son appareil de protectioncentre les surcharges; .

- pour till groupe d'appareils (rnoteurs, eclairage, chauffage etc.), la puissance installeeaffectee par Ie coefficient de demande approprie ;

- pour toute la charge en aval, la somme des puissances de calcu! de taus les groupesd'appareils alirnentes.

11 faut noter que:• l'impedance du recepteur par phase Zrec est beaucoup elevee que les impedances de

la source Z, et de la ligne Z, (Zn!c » Z" Zrec » Zs) ; par consequent, Z,,;c determinepratiquernent la charge normale (courant d'emploi) du circuit:

Uph UOPh .J = - "" -- (3.3.3)e Zroc Zric '

.. l'impedance du reseau (source + line) determine :- In valeur du courant de court-circuit (triphase)

UOph1cc = --» I. (3.3.4)

Z,- la chute de tension de la source jusqu'au point du reseau considere

f:,Uph = I Z, , (3.3.5)Z, etant l'impedance de tous les composants du reseau (§ 3.2)

(3.3.2)

On distingue :- la puissance installee Pi - la SOl11l11edes puissances norninales des appareils

d'utilisation alimentes ;- la puissance d'alimeniation (puissance demandee, puissance de calcul) P, S; p;,

determinee d'apres : la puissance installee, facteur de simultaneite et facteur d'utilisation.i.e faaeurde simultaneue k, S; 1 est Ie rapport des puissances nominales des appareils

susceptibles de fonctiormer simultanement a !a somrne des puissances nominales de tous lesappareils alimentes par le meme circuit ou par la meme installation. En effet, pour chacun degroupe de recepteurs les pointes de consommation ne se superposent pas dans le temps.

Le facteur d'utilisation k. S; I d'un appareil d'utilisation est le rapport de la puissanceeffectivernent absorbee par l'appareil it sa puissance nominale.

Le facteur de demande kd pour un groupe d'appareils d'utilisation sernblable est leproduit du facteur d'utilisation moyenne et du facteur de sirnultaneite :

kd=k,-kv (3.31)Dans la plupart des cas le facteur de demande est inferieur a l'unite (kd < 1).La puissance de calcul

3.4

On peut distinguer :• charges uormales :- courant d'utilisaiion (J ~ I, .. I, - courant d'emploi) - courant susceptible

de parcourir un circuit (canalisation et l'appareillage insere) en service normal, compte tenude tous les appareils consommateursalimentes ;

_surintensite transitoire foncttonnelle (normale) appelee aussi courant de pointe:- courant de demarrage des moteurs ;- courant de fermeture de certains recepteurs (lampes it incandescence,

condensateurs) ;• surintensites dangereuses :- surcharge' (Ie < 1 < 21e) provoquee dans un circuit electriquement sain (non­

deteriore) par surcroit de charge du circuit par :- surcroit de charge mecanique des moteurs alimentes ;_ raccordement des recepteurs de puissance plus elevee que la puissance

prevue; .- courl -circuit: (I » Ie), dans les circuits endommages (defaut - contact accidentel

entre deux ou plusieurs conducteurs aux potentiels differents), .

3.3.2. Determination de la charge d'un circuit (dans un point quelcouquede l'Installation]

Un circuit peut alimenter, directernent ou par l'intermediaire de plusieurs points dedistribution successifs :

- un seul recepteur/appareil d'utilisation, dans un regime ?e fonctio~ement do~ne ;_ plusieurs recepteurs/appareils d'utilisation ; ces appareils peuvent etre groupes selon

leurs particularites de soliiciter puissance de reseau.

3.3.1. Types de charges

3.3. Charge d'un circuit

Par char}e d'un circuit on entend l'intensite du courant I traversaut le circuit.Habituellement, la charge est exprimee par la puissance absorbee par l'element alimente et lefacteur de puissance corresporuiant.

(3.2.7)z.;» Z,

3.2.4. Impedance du recepteur

L'impedance d'un recepteur depend de : la puissance nominale, la tension nominale, leschema de cormexion interne. Elle est beaucoup plus elevee que l'impedance du reseau :

(3.2.6)

3.2.3. Impedance du reseau

L'irnpedance du reseau est composee des reactances de la source (par exemple,transformateur) et de la ligne jusqu'au point du reseau considere :

---------------------------------------------- - --

Page 17: Manual IAE

3.7

Considerons le cas le plus simple d'un conducteur lineaire, homogene, de longueurinfinie, sans d'autres sources internes de chaleur, place dans l'air libre.

Soit s la section transversale du conducteur, p - le perimetre du conducteur, e - latemperature du conducteur a un moment donne, 8. -la temperature du milieu ambiant, Pe - laresistivite du materiau du conducteur (a la temperature consideree), I-l'intensite du courantparcourant le conducteur. On considere Ie plus souvent I'echauffement (Ia surtemperaturej &(la difference entre latemperarure du conducteur et la temperature du milieu) :

S =e -e,. (3.5.1)On suppose l'axe du condncteur confondu avec l'axe des x (fig. 3.5.1). On considere

un element de volume dV = s-dx pendant un intervalle de temps dr, it partir de la temperature

Toute portion de circuit electrique parcourue par un courant est le siege d'undegagement de chaleur dil a l'effet Joule, aux courants de Foucault et a l'effet de peau (encourant alternatif), Sous l'influence de ce degagement de chaleur, les elements du circuit(conducteurs de la ligne, jeux de barres, pOles des appareils electriques) s'echauffent, Latemperature maximum ainsi atteinte doit etre maintenue dans des limites bien definies, fautede quoi I'echauffement provoquerait, par exemple, l'oxydation des contacts, la deteriorationdes parties isolantes servant de support ou d'enveloppe aux divers elements des circuits,l'apparition des jeux dans les parties soumises a des dilatations et a des contractionssuccessives; la modification et la perte progressive de l'elasticite dans certains parties del'installation.

Le cas des conducteurs lineaires est traite avant tout dans ce chapitre puisqu'ilcencerne a peu pres toutes les categories d'installations electriques. Le cas des contacts prendune importance particulierement grande dans l'appareil1age d'interruption (§ 7.9).

3.5.1. Echauffement des condueteurs

Les effets sur les composants d'un circuit resident en :- contraintes thermiques (voir § 3.5)- echauffernent des voies de courant (conducteurs,

appareillage) du it la resistance du circuit (pertes Joule), ayant pour consequence la di.minutionde la duree de vie de l'isolation (avec la possibilite de degenerer en court-circuit) ou memeprovocation d'incendies ;

- chute de tension le long du circuit, entre la source et recepteur (voir Ch.9), due itl'impedance du reseau, qui diminue la tension aux bornes des recepteurs en reduisant leursperformances;

- contraintes mecaniques des voies de courant (efforts electrodynamiques),provoquees essentiellement par des forts courants (courants de court-circuit).

Le personnel venant en contact avec les parties SOllS tension de l'installation serasoumis aux chocs electriques (voir Ch.l0).

3.5. Ecilauffement des voies de courant

3.4. Effets du courant electrique

I :;U20Ph = U20 = U20 '"" Z t: In: (3.3.15) .~ ",3Zr .J3·-vRE2+X~2

ou Uzo est la tension secondaire a vide du transformateur d'alimentation et Z.E- l'impedancetotale du reseau, par phase, de la source au point du reseau considere.

c. Courant de court-circuit

3.6

(3.3.14)• mise sous tension des lampes afilament

1p = (15... 20)1n

(3.3.13)

I p = 1d = K d1" (3.3.12,)

Kd depende du type de moteur et du schema de branchement (Kd '" 6 - demarrage direct d'unmoteur asynchrone a cage).

• coup/age des fours electriques a arc et transformateurs pow' soudureIp = (2 ... 3)ln '

• demarrage des moteurs

b. Courant de pointe

(3.3.11)

(3.3.10)

Pour U,= 380 V : Ie '" (2 ... 2,2) A1kW.• circuit d'eclairage comportant N,lampes a decharge dans les gaz de puissance PI;

1 =N,(P,+Pb)= N,P, (I+Ph)= NIP, k (3.3.9)C Uplm cos rp Uphn cos rp P, Upi'" cos tp

k = 1,2 ... 1,25 pour lampes tubulaires a fluorescence, 1,1 p?ur lampes a vapeur de, merc~reou a vapeur de sodium (on ajoute la puissance Pb consommee par le ballast branche en seneavec chaque lampe).

o circuit d'un equipement comportant plusieurs recepteurs :~! ,j

Ie'" tJej .j~l

nil etant le nombre de recepteurs qui peuvent fonctionner simultanement,• circuit alimentant un tableau de distribution:

I = Pc S.t: .J3U; cos q> C - .J3Un

(3.3.8)Pn1 =-=-...!!---C .J3un cos fPnTJ"

(3.3.7)Ie {;;;,,3Un COS(O"

Pour un recepteur resistif (coso =1) et U;, =380 V : Ie'" 1,5 AlkW.• moteur triphase :

(3.3.6)PI = no Upi.. cos (jl"

Pour un recepteur resistif'{cose =1) et Uplm = 220 V : Ie '" 4,5 AfkW.• recepteur triphase t

• recepteur monophase :

a. Courant en service normal :

3.3.3. Charge de calcul d'un circuit

A titre d'exemples, l'intensite du courant prise en consideration comm~ charge d~calcul Ie sera determinee (en fonction de la puissance de calcul, la tension appliquee au circurtet le facteur de puissance) par les relations suivantes :

Page 18: Manual IAE

3.9

S=Sje T

. .Certa~. applications exigent un service continu ; d'autres - un fonctionnementmte~ttent periodique (FIg. 3.5.3). Un interet particulier presenre le regime normal de longueduree et le regime a tres courte duree.

Le refrotdissement d'un conducteur situe 11une temperature 6;_,apres l'interruption ducourant (FIg. 3.5.2, courbe 2) peut etre calcule a partir de l'equation generale du transfert de lachaleur en faisant 1= 0 :

Fig. 3.5.2

ee "

'.'l r . -,__t

e.o L ..

(3.5.13)c's1:=--ucP

est conn~e s0';1S le nome de constante de temps thermique du conducteur et represente letemps necessaire pour que Ie conducteur atteigne la temperature maximale en l'absence deces~lOn de chaleur. On peut admettre que la temperature maximale sera pratiquement atteinteapres trOIS constantes de temps.

La quantite

&=I2peS(1_e-:~:(J=& [l-e-~)1 (3cx.cP m .5.11)

(on rappele que l'equation differentielle y' = ay -+ b a pour solution generale y = CeQ/ - M1 ouC = const.).

La temperature du condu~teur presente donc une variation exponentielle (fig. 3.5.2,courbe 1) en fonction du temps (a partir du moment de connexion) et tend vers un maximum(en regime continu, stabilise t -+ (0) donne par

12p6m =-, e +6a =Sm +fia (3.5.12)cx.cps

Par raisons ~ symetrie, la temperature est constante en tous les points Ie long duconducteur et, ne depend done pas de l'abscisse x. Ceci conduit a annuler Je termecorrespondant a la transmissron par conduction dans l'equation precedente et il reste :

03 + ucP S_ p&12 = 0at c's C'S2 (3.5.10)Cette equation a pour solution (en tenant compte des conditions initiales

t=O,& =0):

3.8

(3.5.9)

L'energie transmise vers l'exterieure du conducteur, par convection et radiation, estproportionnelle a la surface de contact P: -dx et a la surtemperature ,It :

dW com'= c, p dx(6-6a)dt '" <lcpdxSdt (3.5.7)ou u, est le coefficient global de transmission de la chaleur (W/m2/grd), appele parfois"pouvoir emissif". Dans des conditions considerees, ce coefficient est fonction de l'etat relatifdu conducteur et du milieu qui l'entoure (forme et etat de la surface, section du conducteur,nature et mouvement eventuel du milieu). .

Le bilan energetique pour l'element considere sera :W =Wabs+Wcond+Wconv (3.5.8)

En substituant les expressions ci-dessus, on arrive it l'equatton generale du transfert dela chaleuren fonction de la surtemperamre :

as = Poll +~ a2s _ <lcP Sat C'S2 C'2 ox2 c's

(3.5.6)

(3.5.2)

La resistivite varie avec la temperature selon la loi :Po=Pe.(l+cx.R~) .

OUUR '" 0,004 est Ie coefficient de temperature de la resistance.L'energie develop pee par effet Joule dans l'element considere sera

2 dx 2dW=dRI dI=Pe-I dt . (3.5.3)s

Generalement i1 est possible que cette energie soit partiellement absorbee dans levolume considere et partiellement transmise au milieu voisin par conduction., par convectionet par radiation.

L'energie absorbee reste dans le volume considere, servant a echauffer Ie conducteur.L'energie necessaire pour elever r de de la temperature de l'element considere est:

00 00 00 88dWabs = m<c-dt= ydV c-dt = vcs dx -dt = c'sdx-d/ (3.5.4)'al at at atou c est la chaleur specifique massique (J/kg/grd), c' = cy - la chaleur specmque volumique(J/m3/grd) et y - la densite (kg/m'') pour le materiel du conducteur,

L'energie transmisepar conductionaux regions voisines de l'element, seion la loi deFourier, sera, en fonction de la temperature 6 :

dWcolld : -div(I.grade)dVdt (3.5.5)ou I. est la conductivite thermique du materiel (W/m/grd) ; le signe ,,_to signifie que le flux dechaleur s'ecoule dans le sens des temperatures decroissantes.

En. tenant compte que Ia transmission par conduction est possible seulement le long del'axe des X, on a :

Fig. 3.5.1

- _+._._._. __ ._._- _~~++_. ._.. ._-_._+ _n_:-

du milieu ambiant a.. A la frequence industrielle (50 Hz), on peut considerer un effetnegligeable des courants de Foucault et de l'effet de peau en courant alternatif.

Page 19: Manual IAE

3.113.10

Fig. 3.5.3 Un contact electrique entre deux conducteurs introduit dans le circuit une resistancesupplementaire dite resistance de contact Rc(voir §7.9.~).L'echauffement supplementaire ducontact par rapport aux sections eloignees dun conducteur donne (caracterise par A et p) peutetre calcule en utilisant la relation approximative:

2S - ReI (3 9)c - 8AP .5.1

(3.5.15)

Les dimensions du conducteur interviennent done par le produit p.s :12

ps=~C1.c8m

3.5.2. Echauffement des contacts

Dans les services tntermittents periodiques on doit tenir compte du facteur demarche - rapport de la duree de passage au courant 1m a fa duree du cycle reT:::; 10 min) :

m= t; (3.5.19)

dont quelques valeurs (15, 25, 40 et 60 %) sont normalisees.Grace au temps de repos (1' - t",), pour la meme valeur de l'intensite du courant, la

temperature du conducteur sera inferieure it la valeur correspondante au service continu ce quipermet parfois d'augmenter la charge d'un circuit donne ou de diminuer la section duconducteur.t, temps de freinage

!m temps de marche .T duree du cycle repetitif

Id coUrant de demarragBI. courant d'omploird tempi de d8mattage

De zneme facon, on peut determiner Ia duree maximum pendant Jaquelle unconducteur pOUITasupporter une surintensite donnee.

(3.5.18)

croit done lineairement avec le temps et Ja droite representative se confond avec la tangente itl'origine de la courbe d'echauffement en regime normal.

En realite, les echauffements sont nettement differents (superieurs) dfi it la variationdes coefficients avec la temperature et les relations de calcul sont plus compliquees,

Pour des valeurs donnees de la temperature et de la duree, on peut determinerapproximativement la valeur admissible de la densite de courant de courte duree dans unconducteur donne -

Jed "" I~Bcd = const .,P lcd ~

(3.5.17)

. 2B "" P J"d t

cd c' cd

OU In = 1S1 - masse du conducteur (y - densite du materiel), Sed - surtemperature de courteduree, tcd -la duree de I'action du courant,j",( - densite de courant de courte duree.

La surtemperature du conducteurSeI\Iiee continv S1

Ser.rioe tempofllire 52

SeMce IntermittentS3~

Sewice Intennlttentplwiodique S4

a c:temarrages

Service lntennittentp8riodIque S5

A freinage I'lIectrique

Service Ioirrterrompup8riodlque

S6a charge intermitlente

SeIvioe inlnterr9mPUplIrlodlque 57a frelnage eJeotrique

ServIce lninlel'rompua dlangement 88de llitesse p61Iodi~

(3.5.16)

Ric/ted =mc.9cd-I 2p- J cd ted"" sIre,'} dS c

-. 21 n,.9PJed ed'" rC"'''ed = C ed

En pratique, ilexiste de nombreuses tables qui donnent, pour les divers conducteurs etpour les situations courantes de mode de pose, les intensites admissibles.

. Dans le cas du regime a tres courte duree (par rapport a la constante de tempsthermique du conducteur t :::;O,lt ) II l'intensite constante du courant de pointe I,., presque latotalite de la chaleur produite reste dans le conducteur CIachaleur perdue par rayonnement etconvection peut etre negligee en premiere approximation). La totalite de l'energie developpeedans le conducteur sert a echauffer progressivement Ie conducteur.

Si l'on considere, pour simplicite, p - la valeur moyenne de la resistivite dansl'intervalle de temps (et de temperature) considere, le bilan energetique s'ecrit doncapproximativement :

(3.5.14)1~

c.9m= __ 'psa Po .

Dans le cas du service permanent (marche continue au regime normal de pleinecharge - t ~ 00) l'echange de chaleur a lieu par rayonnement et/ou par convection ; leselements conducteurs atteignent progressivement leur etat d'equilibre a la temperature Sm.

Au point de vue pratique, le probleme essentiel est de determiner l'intensite maximumadmissible fa dans un conducteur donne (comme dimensions, materiau), dans des-conditions-­donnees de transfert de la chaleur afin que l'echanffement ne depasse pas les limites tolerees,De l'equation (3.5.12) on tire:

Page 20: Manual IAE

4.1

Dans un transfonnateur ordinaire, les enroulements prirnaire et secondaire sont engeneral electriquement isoles l'un de l'autre, de sorte que l'energie n'est transrnise d'unenroulement a l'autre que grace it leur couplage magnetique. Dans un autotransformateur unepartie d'energie est transmise du reseau primaire au reseau secondaire aussi par la voieelectrique grace a la liaison electrique entre les enroulements (§ 4.5).

isoles,

Le transfonnateur comporte deux 01.1 plusieurs enroulements a couplageelectromagnetique (ou, dans le cas particulier d'un autotransformateur, it couplage electriqueet electromagnetique) places sur un noyau magnetique unique.

L'enroulement branche sur le reseau d'alimentation (auquel est amenee l'energie) estappele enroulementprimaire (en abrege primaire) et l'autre enroulement branche sur le reseaud'utilisation (fournissant de l'energie aux recepteurs) s'appelle l'enroulement secondaire(abrege secondaire). L'enroulement connecte au reseau de tension plus elevee est appeleenroulement de haute tension. L'enroulement connecte au reseau de tension inferieure estappele enroulemeni de basse tension. Si 1a tension secondaire est inferieure a celle primaire letransforrnateur est appele transformateur abaisseur,et lorsque cette tension est superieure a Iatension primaire le transformateur est dit transformateur elevateur. Toutes les grandeurs(tension, intensite de courant etc.) qui se rapportent a l'enroulement prirnaire sont egalementappelees primaires et affectee de l'indice 1 (U1, 11 etc.) ; celles qui se rapportent al'enroulement secondaire sent dites secondaires et sent affectee de l'indice 2 ([h, h etc.). Letransformateur est theoriquement reversible: ilpeut indifferemment fonctionner en abaisseurou en elevateur,

Les enroulernents sont realises en utilisant des conducteurs en cuivre ou en aluminium

4.1.2. Constitutlon

Le role du transformateur decoule de la necessite d'adapter les tensions aux conditionsoptirnales de transfert d'energie dans differentes parties du reseau electrique (Ch, 1).

On appelle transformateur un convertisseur a induction statique (sans aucune partiemobile) destine it 1a conversion, par l'intermediaire de l'induction electromagnetique, desparametres de l'energie electrique it courant alternatif (habituellement la tension et l'intensitede courant de meme frequence), L'appareil est dit "statique" parce qu'il ne comporte aucunorgane en rnouvement.

L'objet du transformateur est de permettre de relier entre eux des circuits Ii destensions differentes : c'est grace a cet appareil qu'il est possible de constituer des reseaux degrande interconnexion.

Le transformateur est frequemment utilise pour obtenir un changement de la valeurefficace d'une tension alternative avec un excellent rendement.

Parmi les plus importants types de transformateurs on rernarque : les transformateursde puissance pourle transport et la distribution de l'energie electrique ; les transformateurs demesure du courant et de la tension pour le branchement dans les schemas des appareils demesure ; les transforrnateurs utilises en electronique etc. Les transformateurs usuels sont soitmonophases soit triphases.

4.1.1. Role

4.1. Role, constitution et principe de fonctioanement

4. TRANSFORMATEUR

3.12

L'isolation des conducteurs au voisinagedu contact sera ainsi soumise a une contraintethermique supplementaire,

I

___)Ii\

I

13m

~ !

0 X

Fig. 3.5.4

3 •

II en resulte une chute de tension supplementaire (LlUc = ReI) dans le circuit (latension de contact, relativement plus faible que la tension d'emploi), mais Ie plus importanteffet est l'echauffement supplementaire des pieces de contact ([) cc R.,f) qui contribue al'ecbauffement des elements du circuit. .

Cet echauffement peut detruire le contact et les pieces isolants voisines. n se propageaussi par conduction le long des conducteurs en contact (Fig. 3.5.4), selon une loiexponentielle de la forme :

S~SG'e-~x . (3.5.20)Le facteur !3 depende des caracteristiques du conducteur et des conditions de

transmission de la chaleur.

Page 21: Manual IAE

4.3

.Le principe de fonctionnement d'un transformateur est fonde sur l'interaction

electromagnetique de deux ou de plusieurs circuits immobiles run par rapport 11I'autre et surla loi de Faraday (induction d'une force electromotrice, dans un circuit fixe traverse par unchamp magnetique variable en fonction du temps, proportionnelle a la vitesse de variation duchamp). L'enroulement primaire est soumis a une tension sinusordale ; il est traverse par uncourant sensiblement sinusoidal. Le flux magnetique engendre induit, dans chacun des deuxenroulements, une force electromotrice sinusoidale. Ainsi apparait, entre les bornes d.usecondaire, une tension sinusoidale. L'induction d'une force electromotrice dans le secondaireest due 11la liaison rnagnetique entre les deux bobinages ; c'est une force electromotricemutuelle induite. Grace a la presence du fer, la liaison magnetique est excellente (Iecoefficient de couplage est a peine inferieur a l'unite).

En bref : par induction mutuelle, c'est a dire par l'intermediaire d'un flux magnetique,une puissance electrique passe d'un circuit dit "prirnaire" a un second circuit dit "secondaire".On voit que, par principe meme, un transformateur ne fonctionne que dans un reseau acourant alternatif.

Pour les symboles graphiques des transformateurs, voir Annexe 1.

4.1.3. Principe de fonctionnement

11faut distinguer des transformateurs 11l'isolement sec (impregnes de resine ou enrobesd'une resine epoxi) dans l'air ou immerges (dans l'huile ou dans un dielectrique chlore).

Fig. 4.1.5Fig. 4.1.4

HT

Les courants et les tensions triphases peuvent etre transformes soit par un groupe detrois transformateurs rnonophases i.dentiques dont les enroulements sont connectes entre euxde [aeon bien determinee, soit a j'aide d'un seul transformateur triphase dont les enroulementssont places sur un circuit magnetique commun.

Par I'enroulement primaire/secondaire d'un. transformateur triphase on entend unensemble de trois enroulements (bobines) identiques connectees entre eux selon un certainschema.

Dans un transformateur triphase a colonnes, I'enroulement de chacune des phases estplace sur sa propre colonne (fig. 4. .1.4) de sorte que les colonnes et les culasses qui lesreunissent forment un circuit magnetique ferme,

Les modes de couplage des enroulernents des transfonnateurs de puissance MT/BTpour la distribution de l'energie electrique sont habitueliement (fig.4.1.5) : en etoile ou entriangle pour le primaire (trois bornes) et en etoile, neutre sorti (accessible) pour le secondaire(quatre bornes).

4.2

enroulements concentriques ; b - enroulements alternes),Le circuit magnetique des transformateurs monophases cuirasses entoure

l'enroulement de deux cotes, en le revetant d'une sorte de "cuirasse" (fig. 4.1.3) ; les culassesdu transformateur peuvent avoir une section moine de celle de la colonne bobinee.

Fig. 4.1.3Fig. 4.1.2

Les enroulements peuvent etre places seuiement sur une colonne (fig. 4.1.2 a >

Fig. 4.1.1. '.'~I1.tl>ufcln~nl~eooceotrtouc«.

Le primaire d'un transformateur etant alimente par une source fonctionne en recepteurtandis que le secondaire, entre les bornes duquel sont branches des appareils que 1'on veutfaire fonctionner (la charge) est un generateur.

Le noyau commun du type dit "ferme" est realise en tales d'acier a transformateur(acier lamine au chaud). Pour reduire les pertes par courants de Foucault, Ie noyau estfeuillete : toles minces (0,3 ... 0,5 mm d'epaisseur) isolees l'une de l'autre par du vernis oupar une oxydation superficielle. Pour reduire les pertes par hysteresis, ces tales sont en feradditionne de silicium et, le plus souvent, a grains orientes, L'entrefer est reduit au minimumpar I'enchevetrement des toles, Compte tenu de l'epaisseur de l'isolant entre toles, la sectionutile represente environ 95% de la section du noyau,

Les parties du noyau sur lesquelles sont places les enroulements sont appeleescolonnes et les parties qui reunissent les colonnes et qui servent a fermer le circuit magnetiquesont appelees culasses. Les espaces entre les colonnes et les culasses, par lesquels pas sent lesenroulements sont appeles Jes fenetres du noyau.

Les circuits magnetiques des transformateurs sont de deux types principaux acolonnes et cuirasses.

Dans un transformateur monophase a colonnes, les enroulements primaire etsecondaire sont constitues en regie generale par deux bobines reliees entre elles en serie ou enparallele et placees sur les deux colonnes reunies par des culasses, Les deux enroulements(haute et basse tension) sont disposes soit concentriquement (fig. 4.1.1, a), soit sont realisesau moyen de bobines plates en forme de galettes qui sont altemees sur la colonne dans le sensvertical (fig. 4.1.1, b) ; dans ce dernier cas, les enroulements sont dits alternes ou 11galettes.

Page 22: Manual IAE

(4.2.7)

(4.2.6)

(4.2.5)

4.5

est l'amplitude du flux.Lorsque le flux magnetique (Ie flux ernbrase) est donne, on peut determiner les valeurs

efficaces des fe.m. dans les emoulements :

ou

d$ d$e] =-NI dt ; e2 =-N2 dt (4.2.3)

En entendant par 141 h1lensim.:" introduite dans l'enroulement du cote reseaud'alimentation, la seconde loi de Kirchhoff donne :

III +ej =ioRl . (4.2.4)En negligeant la chute de tension dans la resistance du primaire, on peut considerer

qu'avec une haute precision la f.e.m. d'induction est en opposition de phase avec la tension etque sa valeur efficace ne differe pas de la valeur efficace de la tension:

el '" -uj = -U1m cosrot = -Elm COS(J)/

E1 =U1

Le flux magnetique sera donne par la relation:

sont :Selon la loi de Faraday, les f.e.m: d'induction mutuelle au prima ire et au secondaire

Un transfonnateur est a vide quand l'enroulement secondaire n'alimente aucunecharge. Le secondaire du transformateur est un generateur a circuit ouvert et la tensionsecondaire est ega] II la force electromotrice secondaire. N' etant traverse par aucun courant, lesecondaire ne peut participer a la magnetisation du circuit, celle-ci etant assuree par leprimaire qui est seul relie a la source alternative.

Lorsque la tension u; est appliquee aux bornes de l'enroulement primaire, celui-ci estparcouru par un courant variant periodiquement to appele courant prima ire ii vide. Le couranta vide a deux composantes : la composante magnetisante iopnecessitee par Ia magnetisariondu circuit et la composante active iOa qui corresponde aux pertes dans le fer.

Le courant magnetisant produit un champ magnetique, La plupart des Iignes de forcese ferment a l'interieur du circuit magnetique (par le noyau) et entourent toutes les spires duprimaire (NI) et du secondaire (N2) ; elles fonnent Ie flux magnetique principal 4>- L'autrepartie du flux, generalement beaucoup plus petite (moins de 0,25% du flux principal) forme lechamp de dispersion dit champ de fune dont les !ignes passent surtout par l'air et sontembrassees surtout par I'enroulement primaire.

Lorsque le transformateur marche a vide, les pertes se composent surtout de pertesdans le fer (les pertes electriques etant negligeables).

On considere d'abord un transformateur simplifie (ideal ; "parfait"), c'est-a-dire untransformateur sans fuites et sans pertes (Foucault, Joule, hysteresis), les resistances dechaque bobine etant negligeables devant les reactances inductives des enroulements, Une tellemethode simplifiee permet de poser le problerne en gros, d'etudier les principes de base etensuite d'y introduire les corrections necessaires,

Un transformateur sans pertes magnetiques fonctiormant IIvide peut etre considere parrapport au reseau d'alimentation comme une bobine d'inductance a faible resistance.

4.2.2. Fonctionnement (marehe) a vide

4.4

Le transformateur est utilise sur une tension primaire variant harmoniquement :u1 = J2u1 cos rot . (4.2.2)

L'amplitude et la frequence de la tension primaire ne varient que tres peu avec lacharge si bien qu'on considere generalement qu'elles sont constantes et egales aux grandeursnominales correspondantes.

La puissance venant au transfonnateur d:u reseau d'alimentation couvre la puissancedemandee par la charge et les pertes dans le transforrnateur meme.

Le transformateur meme consomme de la puissance active et de Ia puissance reactive.La composante reactive du courant consomme par le transformateur est necessitee par lamagnetisation du noyau et de l'air au voisinage du transformateur (des fuites magnetiques). Lacomposante active correspond aux pertes dans le noyau et dans les enroulements,

Les pertes dans Ie noyau (dites pertes dam' le fer ou pertes magnetiquesy sont dues al'hysteresis et aux courants de Foucault. Elles ne dependent que du champ maximal Em et de lafrequence f Vue que la frequence est invariable et le champ maximal est sensiblement lememe a toute charge (grace a la tension primaire constante), les pertes dans le fer sont presqueindependantes de la charge. Bien que le circuit magnetique du transformateur sou constituepar un empilage de minces toles d'acier special, les pertes magnetiques qui s'y produisent sechiffrent par 0,1 a 2% de la puissance nominale des gros transforrnateurs et 20 a 2% dans lestransformateurs miniatures.

Les pertes dans les enroulements (dites pertes dans Ie cuivre ou pertes electriques)sont les pertes par effet Jouie, dues aux resistances des enroulements. Elles sont doneproportionnelles au carre de l'intensite efficace de courant de charge.

Le comant dans l'enroulement secondaire varie en raison inverse de l'impedance decharge du reseau electrique auquel est branche eet enroulement.

Fig. 4.2.1

__ ..J11..-__ ..J1

- - - -- ","#

--,IIr-,: :z',...

Le fonctionnement d'un transformateur monophase peut etre etudie II partir de lafigure 4.2.1. Les enroulements primaire et secondaire sont figures, pour plus de clarte, sur descolonnes differentes, L' enroulement secondaire peut etre connecte sur une impedancequelconque Z dite-impedance de-charge'

Z=R+jX . (4.2.1)

4.2. Fenctionnement du transformateur menopbase

4.2.1. General

Page 23: Manual IAE

4.7

U,I =_" (4.2.14)2 Z

Les courants II et h engendrent des forces magnetornotrices (f.m.m.) primaire etsecondaire proportionnelies aux nombres de spires de chaque enroulement, dont la sommepeut etre representee comme la f.m.m. d'un certain courant primaire (courant magnetisant) joqui engendre le champ d'induction 4>. Le champ d'induction est engendre done par l'actionsimultanee des f.m: m. des enroulements prima ire et secondaire.

En supposant que toutes les grandeurs electriques et magnetiques varientharmoniquement en fonction du temps, on peut les representer par des vecteurs (phaseurs)correspondants. On a done, pour l'equation des f.e.m, :

IINJ +L2NZ =LoNl (4.2.15)

d'ou lion deduit l'equation dite des courants du transfonnateur :N2' ( )1]=lo--.f2=lo+12 4.2.16- - NI - - -

La composante du courant primaire !./ qui balance l'effet demagnetisant du COUTantsecondaire (loi de Lenz) est appelee courant secondaire equtvalent (reduit au primaire dutransfonnateur). Vu que 10 est tres faible on peut considerer, en valeurs efficaces :

N,1 ""I _" (4.2.17)I 2 NI

IJ en resulte que le transformateur est autoregulateur tant de courant (le courantprimaire double si le courant secondaire double) que de puissance (la puissance prelevee surle reseau est, pour toute charge, egale a la puissance appelee),

Le diagramme vectoriel du transformateur est represente sur la figure 4.2.4 (lacomposante active du courant a vide a ete negligee) .

Pour un transformateur reel, interviennent les resistances des enroulements primaireet secondaire qui donnent naissance aux chutes de tension et nux pertes electriques dans les

Lorsqu'un transformateur simplifie alimente sous une tension UJ fonctionne en charge,son enroulement secondaire branche sur une impedance Z = R + jX est parcouru par uncourant

Meme dans Ie cas ou ron tiendrait compte des pertes, la composante active du courantprimaire est beaucoup plus petite qu~ la com~sante ,reactive. De ce fait, on peut souventconsiderer que la valeur du courant a vide est egale a la valeur efficace de Ia composantereactive (courant magnensant).

11est a remarquer que les tensions et les courants sont toujours indiquees ~n valeursefficaces (designee par E, U: [) tandis que les grandeurs magnetiques (flux, induction,intensite du champ) sont donnees en valeurs de crete (4),", B«; Hm) meme s'ils sont parfoisnotes simplement par des lettres normales ($, E, H).

En utilisant la notation complexe, le diagramme vectoriel de marche a vide estrepresente sur la figure 4.2.3 La composante ~ du courant est en ph~e avec Ie fluxmagnetique principal et la composante active est en quadrature avec la premiere composante.La composante active du courant peut etre negligee (10 "" 1011) pour le transformateur simplifie,

Le courant a vide 10 ne constitue qu'une petite fraction (10 ... 0,5%) du courantprimaire nominal du transformateur en charge (d'autant plus petite que le transformateur estplus grand, done la puissance est plus elevee),

4.2.3. Fonctionnement (marche) en cbarge

4.6

, . Le rapport de transformation du transformateur est defini comme le rapport des f.e.m,induites dans les enroulements primaire et secondaire par le flux magnetique principal :

E2 N2 E} NIn2l =-E =-N au nt2 =-=- . (4.2.11)

'} 1 E2 N2 'Generalement on determine ce rapport comme Ie rapport de la f.e.m, la plus elev~ et

la f.e.m, la plus petite quel que soit l'enroulement primaire.Pour le transformateur simplifie :

UI NI~ = -U = _ (4.2.12)2 N~

Le courant magnetisant decoule de la loi du circuit magnetique<Pm =..fiIOV.Nll Rfl (4.2.13)

ou lol"l est la force magnetomotrice (fm.m.) produite par le courant qu'il parcourtl'enroulement primaire a vide (principalement le courant magnetisant) et R". est la reluctance.du noyau magnetique (fer et joints du noyau). En negligeant la saturation du fer la courbe ducourant magnetisant JOIl = f(t) est sinusoidale.

Y.,

1 "~4. •err I Ie. j_J

£2 r5.,

Fig. 4.2.3Fig: 4.2.2

E = Eml = (J)NI~m ~ 2n fN cp =444fN <PI Ii Ii Ii 1 Ttl' 1 m (4.2.8)

E2 =4,44fNlc!>mPuisqu'il n'y a pas de chute de tension, les valeurs des tensions sont egales a celles des

forces electromotrices (UJ = E), U20 = E2) et la formule de Boucherot peut done etre utili seeavec les deux tensions (primaire et secondaire) :

o, =4,44f NIBmS ; U20 =4,44fN2BmS , (4.2.9)ou B« est l'induction magnetique dans le noyau et S - la section du noyau et U20 - la tensionsecondaire de marche a vide.

Les expressions des f.e.m, et tensions permettent de determiner la f.e.m, (la tension)par spire (Visp)- une grandeur importante qui caracterise le transformateur et ses proprietes :

E,p = ~I = ~2 = 1t.fif4>m = 4;44Nm = 4,44f 8mS . (4.2.10)I 2

Comme on le voit sur la figure 4.2.2 qui montre la variation de Ul, ei, e2 et ~, le fluxmagnetique 4> est dephase de w2 en retard sur la tension U] et en avance du meme angle sur lesf.e.m. e, et e2.

Page 24: Manual IAE

4.9

Le court-circuit d'un transfonnateur est un rezune de fonctionnement limite aul'enroulement secondaire est ferrne sur lui-meme et par ~onsequent la tension secondaire U2est nulle,

a. Court-circuit d'exploitatien (d'avarie). Si on applique la tension nominale ou unetension voisine aux bornes primaires d'un transformateur en court-circuit; les courants dansles enroulements atteignent une valeur de lOa 20 fois superieure aux valeurs nominalespresentant un grand danger pour le transformateur (forts contraints thermiques etmecaniques). Si une protection prevue pour assurer Ie debranchernent rapide du reseau nefonctionne pas Ie transformateur sera avarie,

b. Court-circuit d'essal, L'essai en regime de court-circuit se fait sous tension reduiteUee etant destine a foumir les donnees de court-circuit du transformateur : la tension de court-

4.3.2. Regime de cenrt-circult

L'enroulement secondaire du transformateur etant ouvert, l'essai est effectue enutilisant une source de puissance faible a tension reglable et en appliquant aux bomes duprimaire une tension elevee de facon continue a partir de zero jusqu'a 1,1UJ".On mesure a 1afrequence nominalef= In l'intensite du courant II = 10 et la puissance Po consommee par letransformateur.

En utilisant les donnees de l'essai sous tension nominale on obtient : Ie rapport detransformation, le courant a vide et les pertes Ii vide (qui ne different pratiquement pas despertes magnetiques), Vu que le flux magnetique en charge nominaJe reste presque lememequ'en marche Ii vide, les pertes magnetiques en charge nominale seront approximativementegales aux pertes magnetiques a vide.

4.3.1. Regime de marche a vide

Pour la determination experimentale des parametres et des pertes du transformateur onpeut se passer de l'equipement onereux qui serait necessaire par un essai en charge. I.I est pluscommode d'utiliser les deux regimes extremes de fonctionnement : la marche a vide et lamarcbe en court-circuit.

4.3. Determination experimentale des parametres et des pertes dutransformateur

Fig. 4.2.6

: L_'R'~R" "_' " '_. '''''''''' ,, ,1.- ,__ •__ ,_, • • •__ .,,~ ,__ ,. _. • __ •• __ ._._._. __ • ,_, ._. • ••• 'M_," __ •__ •__•__

Transformateur reelTransformateur Ideal

Les considerations evoquees plus haut sont egalement valables pour chaque phase d'untransformateur triphase it l'enroulement secondaire couple en etoile (Fig. 4.2.6).

4,8

Fig. 4.2.5

Dans les reseaux BT, le secondaire d'un transformateur alimente Ii tension primaireconstante constitue done une source d'energie de f.e.m, U20 et impedance interne Zr.

Transformateur reelTransfonnateur ideal

Afin de simplifier I'evaluation quantitative des phenomenes ayant lieu dans untransformateur on utilise une methode par laquelle les deux enroulements du transformateur(dont les nombres de spires, tensions; courants et impedances sent differents) sont reduits aun meme nombre des spires Ii condition que cette operation n'influe pas sur les procesenergetiques du transformateur. Le schema electrique equivalent est rednit a un quadripole.

Generalement pour le.transformateur, considere comme un recepteur par rapport aureseau d'alimentarion ; on reduit l'enroulement secondaire Iil'enroulement primaire.A titre de source d'energie pour le reseau d'utilisation BT il y a avantage it ramener ausecondaire les grandeurs qui caracterisent l'enroulemerrt primaire ce qui revienne a considererle transformateur reel comme un transformateur ideal fonctionnant a vide dont la tensionsecondaire reste constante (U20) et une impedance Zr (dite l'impedance du transformateursconnectee en serie avec Ie secondaire (fig. 4.2.5). n est a remarquer que l'impedance Zr estune grandeur de calcul, due aux deux enroulemenis, et par consequent ne doit pas etreconfondue avec l'impedance de l'enroulement secondaire seul.

4.2.4.Transformateur reduit

La tension aux bomes secondaires d'un transformateur reel en charge est done toujoursinferieure a la tension a vide ; elle depend du courant de charge et des impedances dutransformateur.

Fig. 4.2.4

enroulements. La puissance absorbee du reseau dod couvrir la puissance demandee par lacharge aussi que les pertes dans le transformateur. Les pertes dans le fer restent pratiquementegales aux pertes Ii vide. Les pertes dans les emoulements dependent des resistances desenroulements et du courant de charge.

Page 25: Manual IAE

4.11

On appelle autotransformateur un transformateur dont une partie de l'enroulementappartient simultanement au primaire et au secondaire. Selon 1a figure 4.5.1, la partie del'enroulement primaire comprise entre les bomes 3 et 4 sert d'enroulement secondaire, laborne 4 comcidant avec la borne 6.

La puissance fournie Ii l'autotransformateur est transrnise a l'enroulement secondairepartiellement sous forme de puissance electromagnetique a la partie de l'enroulement 1-3 etpartiellement sous forme de puissance electrique Ii1apartie de l'enroulement 3-4.

Le regime de marche a vide d'un autotransformateur ne differe en rien du regimecorrespondant d'un transformateur ordinaire. En charge, la partie 3-4 de l'enroulement estparcouru par un courant qui represente la difference des courants.Z, et h En admettant 1a

4.5.Autotransformateur

Rappelons qu'on prend en consideration la tension nominale secondaire dutransformateur (U20 - tension de marche a vide).

(4.4.4)R ",Pct;ph '" p••T 1.2 31 2

I' "

On a pour un transformateur triphase :Z _Uccp,,_~U,,/.,fj=uccUn2

or - IN -100 s, 102Sn

.J3un

Fig. 4.5.1

Pccph

avec P2 = Sl cos <p,.Les pertes tiP sont compo sees des pertes dans Ie fer P Fe et pertes dans le cuivre PC" :

.6.P", PFe +PCu (4.4.3)L'impedance du transformateur (par phase!) 21' et ses composantes Rr et XT peuvent

stre calculees Ii partir des parametres de court-circuit (u,-", et Pee). Le circuit de calcul estrepresente sur la figure 4.4.1.

. La puissance fournie par le transformateur avec un courant IJ:n est S2 = U:;12n(monophase) ou U, est la tension secondaire reelle lorsque Ie transformateur fonctionne encharge.

Le rendement est le rapport des puissances actives du secondaire et du primairer, Pz ·4T]=-=--- , (.4.2)PI P2 +M

4.10

Vu que Ie rendement d'un transfurmateur (~.It.2. ) est tres eleve (superieur a 98% dansles transformateurs de grande puissance) 011 admet que les puissances nominales des deuxenroulements sont egales.

Autres grandeurs, par exemple celles precisees plus bas, caracterisent egalement lefonctionnement du transfonnateur.

Rapport de transformation est Ie rapport des tensions nominales (de ligne ou de phase)aux bomes du transformateur ; generalement, le rapport de la tension plus elevee a 13.tensionplus petite (quel que soit l'enroulement primaire).

La determination du rapport de transformation comme le rapport des nombres despires des bobines des enroulements pilmaire et secondaire (§ 4.2.2) est rigoureusementvalable seulement pour le transformateur monophase. Dans le cas d'un transformateurrriphase, une telle definition devient possible pour un schema specific de coupJage desenroulements.

(4.4.1)

Les grandeurs nominates d'un transformateur sont indiquees sur la plaquesignaletique (valeurs de ligne pour les tensions et courants en triphase) :

- tension prima ire nominale Ui; ;- tension secondaire nominale UJ:n = tho - la tension aux bornes de l'enroulement

secondaire lorsque le transformateur fonctionne It vide (la tension aux bornes de l'enroulementprimaire etant nominale) ;.

- courants nominaux primaire et secondaire calcules suivant les valeurscorrespondantes de la puissance nominate et des tensions nominales ;

- tension (nominale) de court-circuit ;• puissance nominale S; (puissance appa.rente) - puissance aux bomes de 1'enroulernent

secondaire, exprimee en VA ou kVA :S n "" U2012n - transformateur monophase

/ S, = .J3U20112n "" 3U20p,,12n - transformateur triphase

U201 = J3u 20ph

4.4. Grandeurs caraeterlstiques

circuit et les pertes en court-circuit car It ce regime le transformateur ne fournit aucun travailutile

L'essai est realise eo. faisant croitre progressivement la tension primaire depuis zerojusqu'a la valeur pour laquelle les courants dans les enrouJements du transformateur sontegaux aux valeurs nominales. Ainsi on obtient la tension Uee exprimee en pour cent de latensiotrtrominale'correspondante Un,appelee tension (nominate) de court-circuit :

u ""U""'lOO% (4.3.1)ct: U" .,

dont la valeur represente 4 ... 10% (d'autant plus grande que la puissance du transformateur etsa tension sont plus grandes).

Sous cette tension, ala frequence nominalef= /", on mesure le courant primaire et lapuissance Pcc consommee par Ie transformateur (les pertes en court-circuit), a partir desquelson calcule l'impedance du transformateur (l'impedance de court-circuit) et ses composantes(active et reactive) necessaires dans les calculs des courants de court-circuit et des chutes detension dans le resean,

Vu que la tension reduite appliquee cree un flux principal tres petit, on peut negligerles pertes magnetiques dans Ie fer du noyau et admettre que la puissance de court-circuit estdepensee pour compenser les pertes electriques (pertes dans le cuivre) des enroulements.

Page 26: Manual IAE

5.1

Fig. 5.1.1

Les machines electriques peuvent etre concues pour Ie fonctionnement soit sur unreseau a courant alternatif, soit sur un reseau a courant continuo On distingue done lesmachines a courant alternatif et les machines a courant continuoIl existe deux types demachines a courant alternatif : machines synchrones et machines asynchrones.

Pour les symholes graphiques des machines, voir Annexe 1.La machine electrique represente un systeme electromagnetique qui se compose de

circuits magnetique et electrique interdependants. Les circuits magnetiques fixe et mobile sontrealises en materiau magnetique et separes par un entrefer, c'est-a-dire un intervalle d'air nonmagnetique, suffisamment grand pour permettre Ie deplacement de la partie mobile. Lescircuits electriques, representes par deux ou plusieurs emoulements coupleselectromagnetiquement, peuvent se deplacer l'un par rapport a l'autre avec les noyauxmagnetiques sur lesquels ils sont places, Un enroulement est compose de deux ou plusieursbobines convenablement branchees entre elles.

Entre le flux (dans le circuit rnagnetique) et les courants (dans les circuits electriques)s'exerce une action reciproque resultant des principes connus : un courant electnque engendreun flux (toutes machines); un circuit parcouru par un courant electrique tend a embraser Jemaximum de flux (moteurs); un flux variable embrasse par un circuit electrique ferme y creeun courant electrique induit (generateurs)

Les plus repandues sont les machines electriques tournantes (rotatives) danslesquelles la partie mobile cylindrique tourne a l'interieur de la partie fixe realisee sous laforme d'un cylindre creux (fig. 5.1.2).

~nergiemecaniqueutile

Prno\c=MQ

.,nergie e!ectrique Energieeiectrique

utile foumie

Pe, POI

~nergiemecaniqu

foumie

PertesPertesd'energie

• Les machines qui transforment l'energie mecanique en energie electrique ou realisentl'operation inverse s'appellent machines electriques. Toute machine electrique dont le principede fonctionnement repose sur les phenomenes d'induction electromagnetique se compose dedeux parties essentielles (appelees aussi armatures) : une partie fixe et une partie mobile.Lamachine electrique destinee a la transformation de l'energie mecanique en energie electriqueporte le nom de generateur. La machine electrique destinee a la transformation inverses'appelle moteur. En principe, toute machine electrique est reversible permettant latransformation electromecanique d'energie dans les deux sens possibles (Fig, 5.1.1), Si onapplique a la partie mobile de la machine electrique de l'energie mecanique, la machinefonctionne en generateur d'energie electrique, Au contraire, si la machine recoit de l'energieelectrique, sa partie mobile effectue du travail mecanique.

5.1. Generalites

5. MACHINES ELECTRIQUES

4.12

Fig. 4.5.1

meme densite de courant on peut dimin d la .partie de rem ul L' uer one section transversale du conducteur de cette• . 0 ement.. autotransformateur est plus economique qu'un transformateur de

meme puissance, La tension de court-circuit et les pertes de court-circuit sont diminuees,

Page 27: Manual IAE

5.3

• Un champ magnetique tournant (voir A.3.2) se propage dans la peripherie d'unearmature magnetique ou dans l'entrefer d'une machine electrique rotative.

Un champ toumant dans l'entrefer d'une machine peut etre obtenu au moyen d'un rotoractionne par un couple mecanique et dont I'enroulernent itp paires de poles est alimente encourant continuo

Le champ toumant peut etre aussi engendre par des courants parcourant unenroulement convenablement dispose dans l'espace,

Le champ magnetique genere par une bobine alimentee par un courant alternatifsinusoidal (monophase) de pulsation (I) est un champ pulsateur sinusoidal dans le temps etdans l'espace (similaire a une onde stationnaire). On peut demontrer qu'il est la resultante dedeux champs qui tournent en sens inverse et ayant chacun pour valeur constante la moitie dela valeur du champ maximum. Au veeteur sinusoidal b = Bm siJ%}t (11 = Hm sinrot)

• Les enroulements des machines sont des enroulements heteropolaires qui. secaracterisent par une alternance periodique des sens des courants dans les conducteurs, ayantpour effet de produire un champ rnagnetique variant periodiquement dans l'espace (c'est-a­dire de magnetiser la surface de l'armature magnetique de facon que les poles alternent : unpole Nord est suivi d'un pole Sud, un pole Sud est suivi d'un pole Nord, etc.). Suivant ladistance entre les zones dans lesquelles sont loges les ccnducteurs parcourus par des courantsde sens alternes, l'enroulement engendre un champ rnagnetique ayant un certain nombreP deperiodes ou, cornrne l'on dit, un champ a p paires de poles. Les poles sont necessairement ennombre pair puisque le flux sortant d'un pole doit entrer dans un pole voisin.

Les enroulements peuvem etre alimentes depuis les reseaux electriques auxquels ilssont connectes. Pour la liaison avec les enroulements mobiles on utilise des contacts frottants(bagues et balais). Lorsque la machine fonctionne en moteur, eJle absorbe de I'enerzieelectrique de ces reseaux (ou de l'un d'entre eux), lorsqu'elle fonctionne en generateur, cliefoumit de l'energie electrique a ces reseaux (ou a l'un d'entre eux).

Dans les machines a courant alternatif, les poles saillants sont mobiles (places sur lerotor). Les bobines d'excitation sont branchees en serie ou en parallele de sorte que la polaritedes poles alterne sur la peripberie du rotor; les poles voisins sont de nom contraire. Les poleslisses sont constitues en disposant convenablement les bobines inductrices dans les encochesde l'armature ; l'execution assure l'existence de poles altemativernent N et S.

La f.m.m. principale necessaire a la production d'un flux est due soit a un courantcontinu soit Iiun courant alternatif.

La transformation electromecanique de l'energie dans les machines electriques estbasee sur le phenomene d'induction electromagnetique et Me aux forces electromotrices(f.e.m.) dynamiques qui sont induites au COlli'S de Ia variation periodique du champmagnetique lors du deplacernent mecanique relatif dans l'espace des enroulements ou deselements du circuit magnetique ainsi que sur l'interaction courants-champ magnetique,

En general, dans les machines a courant alternatif, Ie champ dans l'entrefer est unchamp radial toumant qui resulte des effets combines de deux champs tournant a la memevitesse (champs synchrones) : l'un est engendre par le systerne de courants alimentant lesenroulements du stator et l'autre emane du rotor.

I'enroulement (Fig. 5.1.3 : 1 - culasse du rotor; 2 - dent; 3 - encoche . 4 - canal axial deventilation; 5 - orifice pour arbre ; 6 - culasse du stator). '

5.2

Fig. 5.1.3

Dans les machines ordinaires au moins une des armatures (particulierement le stator)est constituee par une couronne de tOles d'acier magnetique empilees et isolees, de formecirculaire, poinyonnees en un seul morceau avec peryage simultane des encoches situees sur lasurface de l'armature magnetique orientee- vers l'entrefer, dans lesquelles est loge

• Le circuit magnetique d'une machine est I'ensemble de ses elements destines acanaliser Ie flux d'induction vers la position de l'espace ou ilest utile.

Le flux d'induction magnetique, source de f.e.m. dans les generateurs, source decouple dans les moteurs, est l'element essentiel de toute machine electrique, Les conditions desa production et de ses caracteristiques presentenr un grand interet.

Les armatures magnetiques du stator et du rotor peuvent etre :- a poles lisses - un cylindre dont la surface presente de petites encoches pour le

logement d'un enroulement heteropolaire reparti ;- a poles saillants (armature dentee) constitues par des grosses dents, l'enroulement

heteropolaire concentre etant loge dans les Jarges encoches entre les dents.

Fig. 5.1.2

La partie fixe appelee stator est constituee par : un circuit magnetique 3 deconfiguration quelconque ; un ou plusieurs enroulements 1 ; pieces constructives 5 destinees itdonner a tous les elements du stator une position bien detenninee dans l'espace sur l'assise deIa machine. Le noyau du stator est fixe dans la carcasse. La carcasse (generalement en fonte)remplit des fonctions uniquement constructives, en fixant les parties actives dans une positiondeterminee. La partie mobile appelee rotor comprend : un circuit magnetique 4 ; un ouplusieurs enroulements 2 ; des pieces constructives 6 (arbre), 7 (paliers) destinees a permettrele deplacement, dans un sens determine, de la partie mobile par rapport a la partie fixe ainsiqu'a transmettre I'energie mecanique.

A l'aide de l'arbre le rotor est accouple a une autre machine avec laquelle il echange del'energie mecanique (il en foumit lors du fonctionnement en moteur et en recoit lors dufonctionnement en generateur).

Page 28: Manual IAE

5.5

n= dr/dt etant la vitesse angulaire au rotor.

(5.1.6)

(5.1.5)M=KMl~(KE et KMetant des constantes de la machine) ;

- le couple et Ia puissance sont lies par la relation:'. n

P = iliA '"21t-M60

~On rappele que, dans le cas d'un conducteur droit de longueur /, place dans un champmagnetique d'induction B dans le plan perpendiculaire a la direction des lignes d'induction :

- l'action de generateur est basee sur la loi d'induction electrornagnetique donnant laf.e.m. e induite dans le conducteur en fonction de la vitesse v de deplacement relatif duconducteur par rapport au champ rnagnetique (deplacement du conducteur ou deplacement duchamp)

e =Blv ; (5.1.2)- l'action de moteur est basee sur la force qui agit sur le conducteur lorsque celui-ci est

parcouru par un courant iF = Bli . (5.1.3)

D'autre part, lorsqu'on considere le champ magnetique resultant dans la machine (dil al'action simultanee des enroulements statorique et rotorique) $:

- la f.e.m. induite dans lID enroulement depend de 1a vitesse de rotation relative n(tours par minute) par rapport au champ magnerique resultant:

E = K<n~ ; (5.1.4)- le couple electromagnetique a l'arbre de la machine depend du courant dans

I'enroulement rotorique :

- le champ Hi augmente ; les deux champs qui le composent ont done la tendance it serapprocher de l'axe OH3 ; de plus, vu que le flux correspondant est negatif, le champ estdirige dans le sens oppose a la bobine.

En superposant les champs des trois bobines, on trouve que: -- les trois champs qui toument dans le sens anti-horaire sont decales de 1200 et, par

consequent, s'annulent ;- les trois champs qui toument dans Ie sens horaire s'additionnent pour former un

champ toumant d'arnplitude constante 3Bn/2 (3H./2), a nne paire de poles qui effectue un tourpendant une periode du courant d'alimentation.

Pour en enroulement ayant p paires de poles, Ia vitesse angulaire du champ par rapporta l'induit sera n = O)/p.

Vu que n = 21met 0) = 2m,on trouve la frequence de rotation:

n=f , tr/s ; n;;60f , tr/mn . (5.1.1)P p

La frequence de rotation est souvent appelee vitesse de synchronisme et exprimee entours par minute. La frequence des courants etant imposee par le reseau (en regle generale,50 Hz), la vitesse de synchronisme peut varier seulement par echelons en fonction du nombrede pairs de poles: 3000 tr/mn (deux poles), 1500 tr/mn (quatre poles), 1000 tr/mn (six poles),etc.

La permutation de deux phases provoque Ie changement du sens de rotation du champtournant,

5.4

On remarque que :- le champ HI diminue ; les deux champs qui le compo sent ont done la tendance a

s'eloigner de l'axe OHl;- le champ m augmente ; les deux champs qui le composent ont done la tendance a se

rapprocher de l'axe om ;

Ph1 PhIHI

H1max-2-

I <, ,,"0

PhS Ph2 Ph:> Ph2

b)

Fig. 5.1.5

a)

PhS

Ph1

Le champ de chaque bobine peut etre decompose en deux champs tournants (voir ci­dessus). A un instant t] quelconque de la periode (Fig. 5.1.4 b), les champs produits parchaque enroulement peuvent etre representes comme sur la figure 5.1.5.

Fig. 5.1.4

b)

Phl Ph2 Pt>3

a)

representant l'induction (l'intensite du champ) sur son axe et dirige suivant son axe, on peutsubstituer deux vecteurs constants Bml2 (Hm/2) tournant dans des sens opposes avec la vitesseangulaire 0).

Trois bobines' 'geometnquement decalees de 120°, alimenres chacun par une desphases d'un reseau triphase .a1ternatif (Fig. 5.1.4), sont parcourues par des courants electriquespresentant le meme decalage et produisant chacun un champ magnetique radial altematifsinusoidal, toujours dirige suivant le meme axe, etant maximum quand le courant dansl'enroulement est maximum.

Page 29: Manual IAE

5.7

Les machines synchrones sont utilisees en principal pour fonctionner en generateurpour foumir de l'energie electrique dans le reseau Dans les centrales electriques lesalternateurs sont entraines soit par turbines it vapeur ou a gaz soit par turbines hydrauliques.Les alternateurs de petite puissance et destines it alimenter des recepteurs ind6pendants sontactlOnnes par d'autres types de machines motrices (diesels, moteurs a combustion interne,etc.).

Le champ magnetique du rotor toumant a la vitesse n induit dans l'enroulementtriphase statorique des f.e.m. fonnant un systeme triphase (les f.e.ill. sont dephase de 1200l'une par rapport it l'autre). La frequence est bee ala vitesse de rotation et au nombre de pairsde pOles par la relation (5.2.1).

5.2.2. Generateur synchrone (slternateur)

Toute machine synchrone est reversible et peut done foncti.onner tant en moteur cu'engenerateur. Pourtant, chaque machine est presque toujours destinee par son constructeur a'etreutilis6e. dans un regime determine (soit en generateur soit en moteur) pour lequel elle presenteles meilleurs caracteristiques, Lorsqu'elle fonctionne en generateur, Ia machine svnchroneprend le nom d'altemateur. .-

Fig. 5.2.1

Une machine synchrone est excitee par le courant continu alimentant son enroulementd'excitation et provenant dans les anciennes constructions d'une machine a courant continuspeciale appelee exciiatrice, dont l'induit est couple mecaniquement avec l'arbre de lamachine synchrone ; souvent son enroulement d'excitation est alimente par une autre machine-sous-excitatrice (ou excitatrice pilot). Le reglage .du courant d'excitation s'obtient par lavananon de la tension de l'excitatrice.

Dans les constructions modernes on utilise des systemes statiques d'excitation. Dansun systeme d'autoexcitation, l'energie necessaire a l'excitation de la machine synchrone estprelevee a I'enroulernent de l'induit, Ii l'aide d'un transformateur et un redresseur commande(thyristors). Dans un systeme d'excitation independante, l'energie necessaire a l'alimentationde l'enroulement ~'e~cita?on est fo~ie par un excitateur a courant alternatif triphase (dont lerotor est monte a 1extremite de 1arbre de l'alternateur principal), par l'intermediaire d'unredresseur. Dans un systeme d'excitation independante sans balais (qui ne comporte aucuncontact frottant), l'enroulement it courant alternatif de l'excitatrice est place sur son rotor et leredresseur Ii semiconducteurs alimente depuis cet enroulement est monte sur l'arbre de lamachine.

Dans une machine synchrone triphasee, trois groupes de conducteurs, loges dans lesencoches du stator, sont associes pour former trois bobines identiques de l'induit (une pourc~gl_l_ephase), decalees d'un angle convenable les unes par rapport aux autres, Elles sont le. siege des f.e.m. et des courants qui forment un systeme triphase,

5.6

Les machines synchrones les plus repandues sont les machines synchrones comportantun enroulement heteropolaire ap periodes au stator, branche sur le reseau, et un enroulementd'excitation heteropoiaire a p periodes au rotor. Dans la plupart des cas, Ie stator est l'induit etIe rotor est l'inducteur.

L'inducteur a pour rOle de creer da..'1S l'entrefer un champ toumant, a repartitionsinusoldale, presentant 2p _pOles.

L'arrnature rotorique est souvent a pOles saillants (fig.5.2.1 : 1 - armature magnetiquede l'induit ; 2 • enroulement d'induit triphase ; 3 - armature magnetique de l'inducteur ; 4 -enroulement d'excitation; 5 - dispositifbagues-balais pour prise de courant).

5.2.1. Construction

On appele machine synchrone une machine dont 1a vitesse de rotation n (exprimee entours par minute) est lice a la frequence du reseauj par la relation:

60f ..n=- , trlmD , (5.2.1)p

ou p est le nombre de paires de poles. Cette vitesse est appelee vitesse de synchronisme.Une machine synchrone est excitee par le courant continu alimentant son enroulement

d'excitation et provenant d'un reseau it courant continu ou: d'une machine a courant continuspeciale, Dans les micromachines synchrones, le champ d'excitation est souvent obtenu al'aide d'aimants permanents.

5.2. Machine synchrene triphase

(5.1.7)

• La transformation de l'energie electrique (puissance Pel) en energie mecanique(puissance Pm,it:) ou la transformation inverse ne peut s'effectuer dans les machines electriquestournantes que si les conditions suivantes sont remplies :

_ une rotation continue du rotor de la machine par l'arbre Ii travers Jequel I'energiemecanique est transmise ;

- la circulation dans les enroulements de la machine des courants dont les pulsationssont bees d'une facon bien determinee entre el1es et ala vitesse angulaire du rotor;

• une variation periodique des flux. magnetiques embrasses par des enroulementsassurant la transformation de l'energie.

Par consequent, une fraction de l'energie sera dissipee dans la machine SOliS la formedes pertes d'energie : pertes mecaniques (par frottement des parties toumantes, ventilationetc.), pertes electriques dans les enroulements (effet Joule) et pertes magnetiques dans lesarmatures magnetiques (par hysteresis, courants de Foucault). Il convient de caracterisertoutes les formes de pertes d'energie par la puissance de pertes (d'energie) fo.P ; La puissanceutile transformee dans la machine sera don.c inferieure Ii la puissance foumie a la machinepour la transformation, la difference etant egale aux pertes de puissance (Fig. 5.1.1).

On definit 10 rendement 11 d'une machine par le rapport de la puissance utiletransformee dans Ia machine a la puissance absorbee par Lamachine :

,,= Pel =1 t;.p ,., generateurP,nec Pel + /'1.P

11- Pmec - 1 M - moteur- Pel -.l Pm•c +8P

Le rendement est toujours inferieur a l'unite (11< 1).

Page 30: Manual IAE

5.9

On rencontre le plus souvent 1es machines asynchrones comportant sur le stator unenroulement triphase symetrique heteropolaire alirnente depuis un reseau it courant alternarifet sur le rotor, un enroulement triphase ou polyphase symetrique heteropolaire,

Le stator du moteur comprend l'armature magnetique, l'enroulement heteropolaire,dont les extremites sont reliees au reseau a courant alternatif par l'intermediaire d'une boite abomes et la carcasse. Le rotor de la machine comprend les elements actifs qui concourent a latransformation de l'energie (l'armaiure magnetique dont les encoches renfermentYenroulement polyphase) et des pieces rernplissant de fonctions uniquement constructives(l'arbre qui transmet la puissance mecanique a l'organe entraine et un ventilateury L'arbre durotor toume dans les paliers a roulemeni qui sont rendus solidaire de Lacarcasse a l'aide deflasques et des chapeaux.

Les armatures sont constituees par un empilage des toles d'acier magnetique de formecirculaire (Fig. 5.1.2) avec per<;;agedes encoches sur la surface interieure (stator) ou inferieure(rotor). Les bobines des enroulements statoriques s.ont realisees en fil isole de section ronde et'encastrees dans les encoches.

L'enroulement rotorique peut etre soit du type en court-circuit, soit bobine (relie a desbagues de pl1se de courant).

Le moteur a rotor en court-circuit (a cage d'ecureuil) est Ie plus employe.L'enroulement en court-circuit est constitue de barres coulees en aluminium, logees dans destrollS ou dans des encoches disposees ver I'exterieur au cylindre, non isoles de l'armature.Deux couronnes qui reunissent entre eUes, a chaque extremite riu rotor, toutes les barres sontcoulees en une seule piece avec les barres (Fig. 5.3.1 a).

Dans les encoches rotoriques du moteur a rotor bobine ou ii bagues sont logees troisphases de l'enroulement, isolees par rapport a la masse et couplees generaiement en etoile. Laliaison electrique entre l'enroulement tournant du rotor et les circuits electriques exterieurs(fixes) est H!alisee a l'aide des bagues collectrices auxquelles aboutissent les extremites libres

5.3.1. Construction

On appelle machine asynchrone une machine electrique Ii courant alternatif a deuxenroulements dont un seul (primaire) est alimente par un reseau electrique de pulsationconstante COb alors que le deuxieme (secondaire) est ferme sur lui-meme ou sur desresistances electriques,

La vitesse de rotation n (tr/s) pour la frequence donnee f depend de la charge et a ladifference de la machine synchrone (voir 5.2.1) :

f ¢ pn . (5.3.1)Dans une machine asynchrone le champ magnetique est engendre par Ie courant

alternatif provenant d'une source de courant altematif.Les machines asynchrones sont utiiisees essentiellement comme moteurs. Le moteur

asynchrone est Ie type le plus repandu de moteur it courant alternatif

5.3.Moteur asynchrone triphase

En fonction de la valeur du courant d'excitation un moteur se comporte par rapport aureseau auquel ilest branche comme une inductance (Iorsqu'il est sons-excite) ou comme unecapacite (Iorsqu'il est surexcite), Le moteur peut etre considere comme un generateur decourant reactif qui est inductif par rapport it la tension pour un moteur sous-excite et capacitifpour un moteur surexcite, Cette derniere propriete permet l'utiJisation des moteurs synchronessurexcites pour compenser l'energie reactive consommee par autres recepteurs (en particulierles moteurs asynchrones) et decharger le reseau des courants reactifs (COS(!l ~ 1).

5.8

Les machines synchrones sont egalement utilisees comme moteurs surtout dans desgrosses installations (entrainement de compresseurs a piston, de souffleries, de pompeshydrauliques). Elles peuvent entrainer une charge a une vitesse angulaire Q imposee par lafrequencej' des courants sinusoidaux qui alimentent le stator:

.Q=~= 2rr.f . (5.2.2)p p

ce qui revient Ii.n = 3000 ; 1500 ; 1000 ; 750 tr/mn, en fonction du nombre de poles.De tres petits moteurs synchrones sont utilises dans les servomecanismes,On peut montrer que sous l'action du couple exerce sur le rotor a l'arret, un moteur

synchrone aux deux enroulements ne demarre pas apres le branchement au reseau. Lebranchement sera effectue seulement apres. avoir realise l'entrainement du rotor it une vitessevoisine du synchronisme. Les principaux procedes de mis en vitesse ("lancement") sont :

- de;marrage a vide des gros moteurs par un moteur auxiliaire, generalement un moteurasynchrone beaucoup moins gros que Ie moteur synchrone, ou par I'excitatrice eUe-memefonctionnant en moteur (si on dispose d'un reseau a. courant continu) ;

- demarrage direct en moteur asynchrone, le plus frequemment adopte dans les cas despuissances faibles ou moyennes.

Le demarrage direct d'un moteur synchrone en moteur asynchrone (voir .§ 5.3) estrealise Ii J'aide d'un enroulement en court-circuit (enroulement de demarrage) loge dans lesencoches sur les evanouissements polaires. Dans les rnoteurs a pOles lisses a rotor massif etdans les moteurs a pOles saillants massifs, le demarrage en asynchrone s'obtient grace al'interaction entre les courants de Foucault induits dans les pieces massives et Ie champmagnetique tournant.

5.2.3. Moteur synehrone

Les altemateurs sont toujours couples en parallele avec plusieurs autres et avec lereseau a courant altematif. La courbe des f.e.m. de l'alternateur a coupler doit se superposeraux courbes des tensions entre les barres auxqueUes les autres sont deja connectes. Lesconditions electriques de couplage sont : .

- l'egalite de leurs valeurs maximales, done de leurs valeurs efficaces ;-J'egalite de leur frequence ; .-I'identite de leurs phases et de l'ordre des phases (en triphase),Le couplage est assez complique, necessitant l'utilisation d'un certain schema, des

appareils de mesure er des manceuvres specifiques,Les manceuvres de couplage d'apres la methode dite d'autosynchronisation sont les

suivantes:- on met en marche la machine a coupler au moyen de la machine motrice ou du

moteur auxiliaire et entrainer son rotor a une vitesse voisine de la vitesse de synchronisme ;ou cours de cette mise en vitesse l'enroulement d'excitation de la machine est debranche del'excitatrice et l'enroulement d'induit est debranche du reseau ;

- lorsque la vitesse devient voisine de la vitesse de synchronisme, on etablit aux balaisde l'induit de l'excitatrice une tension suffisante pour obtenir dans l'enroulement d'excitationde l'altemateur (apres l'alimentation de celui-ci) un courant correspondant il la f.e.m,d'excitation ;

- on relie l'enroulement d'excitation de lamachine a l'excitatrice excitee auparavant ;tout de suite apres, on branche l'enroulement de I'induit sur le reseau ;

- le phenomene transitoire complexe qui se deroule se termine par la mise ensynchronisme.

Page 31: Manual IAE

5.115.10

stesque peller:.~t& bout t:fBrbn~

(5.3.2)n -n

g = .:«:-·100ns

Le glissement en regime etabli est variable suivant la charge mecanique du moteur. Enregime nominal g = 1 ... 6%

Le courant statorique I vane proportionnellement a la tension d'alimentation, Lecouple electromagnetique developpe a l'arbre dn rotor C = P,,(l-g)O] (01 - la vitesseangulaire du champ toumant) varie proportionnellernent au carre de la tension d'alimentation.

Fig. 53.2

Des conducteurs fermes (spires) places dans ce champ sont le siege de courants induitspar le balayage du champ. C'est le cas des conducteurs de l'enroulement rotorique. Lescourants circulant dans l'enroulement rotorique resultent done de l'inductionelectromagnetique,Leur pulsation 002 est fonction de la vitesse angulaire mecanique du rotor,qui depend a son tour du couple applique a l'arbre de la machine. L'interaction de ces courantset du champ, cree un couple electromagnetique qui tend Ii mettre en mouvement lesconducteurs, done le rotor, dans le sens de rotation du champ.

Le couple rnoteur ne peut exister que s'il y a un mouvement relatif entre lesconducteurs actifs et le champ toumant, Le rotor tourne done obligatoirement a une vitesseinferieure a la vitesse de synchronisme. C'est la raison pour laquelle un moteur electriquefonctionnant sur le principe decrit au-dessus est appele "moteur asynchrone". La differenceentre la vitesse de synchronisme n, et celle du rotor n, rapportee a la vitesse syncbrone estappeleegiissement (designee par g ou s) et s'exprime en % :

acme-

Fig. 5.3.3

de l'enroulement et des balais frottant sur les bagues (Fig. 5.3.1, b). Ce systeme permet lavariation de l'impedance du circuit rotorique a l'aide d'un rheostat ce qui est important pour ledemarrage du moteur, .

La constitution d'un moteur a rotor en court-circuit (a cage) est representee sur lafigure 5.3.2.

Fig. 53.1b)a)

Le principe de fonctionnernent d'un moteur asynchrone repose sur la creation decourant induit dans un conducteur lorsque celui-ci coupe les lignes de force d'un champrnagnetique, d'ou le nom de "moteur a. induction",

On sait que par une disposition judicieuse des enroulements alimentes par des tensionspolyphasees,on cree un champ de valeur constante tournant.

Dans le cas du moteur d'induction, l'induit de la machine est place sur le stator etcomporte trois enroulements geometriquement decales de 120°, alimentes par un reseaurriphase alternatif (voir § 5.1.1, Fig. 5.1.4)

La vitesse de synchronisme du champ tournant, en fonction du nombre de poles, peuteire 750, 1000, 1500, 3000 tours par minute. .

La figure 5.33 permet d'expliquer le principe de fonctionnement d'un moteurasynchrone polyphase Ii2 poles,

5.3.2. Principe du moteur asynchrone (d'Induetion)

§uw.·.· v w ·•·•.e.,'", .

Page 32: Manual IAE

5.13

Le courant de demarrage depend du type de moteur (a rotor en court-circuit ou a rotorbobine) et du schema de branchement

kW).

U; etant la tension de ligneOn peut considerer approximativement In ,.;(2 ... 2,2) P« ( 1 etant exprime en A et P en

(5.3.4)

A la puissance active P s'ajoute la puissance reactive Q necessaire a la creation duchamp dans l'entrefer du circuit magnetique et a la compensation des champs de fuite, Cettepuissance est independante de la charge du moteur,, Le facteur de puissance est defini comme le cosinus de l'angle (j) que fait la puissance

apparente avec la puissance active comme dans le triangle des puissances (Ie dephasage entrele courant et la tension dans chaque phase du reseau), Les valeurs varient entre 0,7 et 0,9.

La puissance reactive est composee de la puissance a vide (independante de la chargedu moteur) et la puissance en charge (qui depend de la charge du moteur). La puissance a videest beaucoup plus importante (80% ... 85%).

Le courant nominal sera:1 =_S_" -Iiu;

(5.3.3)

Puissance nominale est lapuissance mecanique a l'arbre de 1amachine.Lapuissance active absorbee par le moteur est egale a :

•. D P;P=Pn+I:lJ.-=- .TJ

5.3.4. Grandeurs caraeteristiques du moteur asyncbrone

Fig. 5.3.5

1~ triangle; 2 - etoile; 3 - couple resistant

vlte8l$e(),26 eso 0,75 1

o.sv~e$!M!

0.25 0,50 0,75 1o

-~.~.;!Jr -,,~ tv_.

............. '-__ ...~I

o

'*

CD" \•.~~--.. \;)~ ,71'.

--; ....-_.- '@-..._

2

1,5

couple2,5

courant7()

54

32

En effet, un moteur 380 VI 660 V couple en etoile sous sa tension nominale 660 Vabsorbe un courant --J3 fois plus faible qu'en couplage triangle SOllS 380 V. Le couplage etoileetant effectue sous 380V, le courant est divise une nouvelle fois par --J3 done au total par 3.

La vitesse du moteur se stabilise quand les couples moteur et resistant s'equilibrent,geoeralement entre 75 et 85% de la vitesse nominale. Les enroulements sont alors couples entriangle et le moteur rejoint ses caracteristiques naturelles (fig. 5.3.5). Le passage d'etoile entriangle peut se faire soit manuellernent, it l'aide d'un comet, soit automatiquement a I'aided'un contacteur commande par un temporisateur.

5.12

Fig. 5.3.4

II~ ~\--~]1 ~~1i ~'t-II

I iW2 U2 '12,U2 V2 IL . ~ L.

Tous les moteurs asyncbrones doivent demarrer tout seuls, c'est-a-dire se mettre envitesse a partir de l'arret jusqu'a la vitesse angulai.revoisine de la vitesse de syncbronismeensurmontant le couple resistant de charge.

Les elements principaux du demarrage sont le couple de demarrage et le courant dedemarrage. Pour que le rotor du moteur au demarrage puisse se mettre en mouvement, lecouple de demarrage developpe doit etre superieur au couple resistant sur l'arbre cree par lemecanisme entraine. D'autre part, le courant de demurrage ne doit pas depasser certaineslimites qui dependent de Ia puissance du reseau.

Le demarrage direct est le mode de demurrage le plus simple dans lequelle stator estdirectement couple sur Ie reseau,

Au moment de la mise sous tension, vu qu'au premier instant la vitesse de rotation estnulle, le moteur se comporte comme lID transformateur dont le secondaire, constitue.par lacage du rotor tres peu resistante, est en court-circuit. Le courant induit dans le rotor estimportant Les courants statorique et rotorique etant sensiblement proportionnels,il en resulteune pointe de courant importante sur le reseau 1d = (5 ... 8) In et un couple de dernarrageCd = (0,5 ... 1,5) en. L'appel important de courant sur le reseau, surtout si la puissance dureseau est faible et la section de la ligne d'alimentation est insuffisante, provoque descontraintes thermiques importantes des conducteurs du reseau et une chute de tensionsusceptible d'affecter le fonctionnement d'autres recepteurs branches sur la meme ligne.

Malgre les avantages qu'il presente (simplicite de l'appareillage, couple de demarrageeleve, demarrage rapide, prix faible) le demarrage direct ne peut convenir que dans certaincas. (surtout pour des puissances des moteurs faibles par rapport a la puissance du reseau), Ildevient done necessaire d'utiliser un artifice pour diminuer rappel de courant ou le couple dedemarrage, Lemoyen couramment utilise consiste a demarrer le moteur sous tension reduite.

Le demarrage etOile-triangle consiste it demarrer Ie moteur en couplant lesenroulements en etoile sous la tension du reseau, ce qui revient a diviser la tension nominaledu rnoteur par --J3. La pointe de courant de demarrage et le couple de demarrage seront divisespar 3. Apres un temps determine on passe a la connexiontriangle.

Ce mode de demarrage ne peut etre utilise qu'avec un moteur dont le bobinage estrealise de telle sorte que Ie couplage triangle corresponde a la tension de Jignedu reseau (pourun reseau triphase 380 V, il faut un moteur bobine en 380 V triangle). De plus, les deuxextremites de chacun des trois enroulements statoriques devront etre accessibles.

Usuellement les six extremites des enrouJements statoriques sont ramenees sur laplaque a bomes (Fig, 5.3.4) de telle sorte qu'on puisse realiser facilement la modification desconnexions des enroulements (etoile ou triangle).

5.3.3. Demarrage du moteur asynchrone a cage

Page 33: Manual IAE

6.15.14

L'avancement des travaux d'harmonisation europeenne des normes a conduit a.l'adoption par. C.l~N_ELEC(Comite Europeen de Normalisation Electrotechnique) d'un codemtemational ae designation au sem du Marche Cornrnun qui fait apparaltre dans l'ordre :

. .' une lettre : type de cable : H - modele harmonise ; A - modele non harmonise,vanante nanonale reconnue par le CENELEC ; N - modele non harmonise, variante uationalenon reconnue ;

Fig. 6.1.1FiQ.S.4.1Dans les petits moteurs (comme sont ceux des pompes de machines a laver, des

ventilateurs d'ordinateurs), chaque pole est muni d'une spire en cuivre fermee sur elle-meme(spire de Frager). Le courant induit dans cette spire ajoute son action magnetisante a celle ducourant parcourant le circuit principal. Le dephasage qui en resulte suffit a privilegier un sensde rotation.

Conduc!eur

Gaine -:-_-L _extsrteure deprotection

Cable

Envelop,,"iSOian1e

CcodcnserearEerculement principal

/

knecondUCll1ctl

L'enroulement primaire d'un tel moteur, loge dans les encoches du stator, estmonophase. D'apres la constitution du rotor, le moteur monophase ne differe nullement dumoteur asynchrone triphase a emoulement secondaire du type cage d'ecureuil,

On sait (§ 5.1) qu'un enroulement alimente par un courant sinusordal (systememonophase) produit un champ magnetique equivalent a deux champs aux meme amplitudestournant en sens inverse. Le couple moteur est la somrne des couples moteurs qu'exercent lescomposantes directe et inverse du champ. Le rotor a l'arret, les couples moteurs produits sontegaux mais de sens contraires. Le couple de demarrage d'un moteur asynchrone monophaseest done identiquement nul et la mise en rnarche d'un tel moteur ne peut pas etre effectue sansun dispositif de dernarrage special; le moteur doit etre done "lance" au dernarrage. Lorsque lerotor tourne deja (dans Je sens de lancement), il se produit un champ tournant qui privilegie lacomposante qui tourne dans le meme sens que lui et affaiblit l'autre, si bien que le coupleresultant differe de zero et le moteur pourra fonctionner en charge.

Pour rendre Ie dernarrage automatique, le moteur asynchrone mono phase est souventpourvu d'un enroulem.ent auxiliaire mise en serie avec un condensateur (Fig. 5.4.1) etparcouru done par un courant dephase par rapport a celui qui parcourt l'enroulement principal; cela suffit pour creer un couple de demarrage. Apres Ie demarrage, un interrupteur centrifugepermet parfois d'eliminer ce deuxieme circuit.

~'ele~ent essentiel d'une voie de courant est Ie conducteur (arne) metallique en cuivreou en aiurmmum. La section. transversale du conducteur peut etre d'une forme quelcon ue(cercle, secteur d'un cercle, ellipse etc.), unifilaire ou multifilaire. q

On utilis; le plus :ouvent pour des valeurs du courant jusqu'a 300 ... 400 A desconducteurs 1501...5 ou des cables (fig. 6.1.1). Les barres nues couvrent Ie domaine de courantsplus forts.

Un conducteur isole (en abrege : conducteur) qui se presenre generalement sous laforme cylindrique est constitue :

• d'une arne conductrice .,. " d'une enveloppe isolante en materiau polymerique (polyethylene, polyethylene

reticule, caoutchouc, polychlorure de vinyle)..Pour realiser un circuit a partir des conducteurs isoles individuels on utilise de

conduits.

Un cable. est un conducteur ou un ensemble specialement concu de conducteurs isolessous une ou plusieurs enveloppes destinees it proteger et a solidariser les conducteurs .

• ecrans rnetalliques ; .- gaines, au moins une game de protection externe ;. armure de protection, en acier.Les cables BT sont generalement a plusieurs conducteurs. La gaine de protection

exteme est en materiau polymerique.

5.4. Moteurs asynchrones monophases

6.1.Conducteurs usuelsLe reglage de vitesse est possible seulement par Ie changement du nombre de paire de

poles (pour certaines constructions specialement concues) ou par la modification de lafrequence du reseau d'alimentation.

Le changement du sens de rotation peut etre realise en inversant deux phases dureseau,

6. COl\1J)llCTEURS .ET CABLES5.3.5. Reglage de vitesse et changement du seas de rotation

Le rendement du moteur est presque independant de la charge et de la vitesse dumoteur (75% ... 91%).

Page 34: Manual IAE

6.36.2

Lorsque les conditions de fonctionnement different des conditions de reference onapplique des facteurs de correction Ki,K2, ." (tableaux 6.3.2, 6.33) aux valeurs trouvees dansles tableaux pour conditions de reference.

Differents modes de pose peuvent etre utilises pour La mise en place des conducteurset des cables par exemple (fig.6.2.1) : conduits en montage apparent (a) ou en montageencastre (b) ; fixation directe aux parois (c)ou aux. plafonds (par colliers, attaches) (d) ; posesur chemins de cables (e), tablettes ou corbeau (f) ; enterre etc.

Plusieurs cables peuvent avoir le meme trace, etant places run pres de l'autre.Le choix des modes de pose depend des influences extemes (environnements,

construction des batiments, categories d'utilisateurs), de l'aspect esthetique, des facilitesd'installation, d'intervention etc.

s, mm2 1,5 2,5 4 6 JO J6 25 35 50 70 95 120 150 185 240 300

In leu 18,5 25 34 43 60 80 101 126 153 196 238 276 319 364 430 497A Al - 19,5 26 33 45 61 78 96 117 150 182 212 245 285 330 381

6.2. Modes de pose

1,525461016 1616253550 70 70 95 120150 )85N PE PENTab1eau6_3.1

Courants admissibles pour cables individuels, isoles au PVC, dans l'air (30°C),3 conducteurs charges1,5 2,5 4 6 10 16 Z5 35 50 70 95 120 150 185 240 300 400Ll, L2, L3

Les sections transversales des conducteurs sont normalisees (tableau 6.1.1). La sectiondu conducteur neutre N, de protection PE ou neutre et de protection PEN contenu dans uncable sera:

- egale a la section des conducteurs de ligne, pour des sections jusqu'a 16 mm2 ;

- reduite (la valeur normalisee la plus proche de lamoitie de la section des conducteursde ligne) pour des sections a partir de 25 mm2.

. Le courant transporte par tout conducteur pendant des periodes prolongees enfonctionnement normal est tel que la temperature limite pouvant etre supportee par l'isolation.compte tenu d'une duree de vie sarisfaisante, De sera pas depassee, .

Le courant admissible (voir § 3.5.1) est done le plus grand courant susceptible deparcourir une canalisation, a regime constant, sans que sa temperature depasse la valeurspecifiee dependant de la nature de l'isolation (70°C pour polychlorure de vinyle PVC, 90°Cpour polyethylene reticule PRC et ethylene-propilene EPR).

De la relation 3.5.14 on deduit que le courant admissible depend:- du materiau et section du conducteur ;- du mode de pose, nombre de conducteurs places dans la meme enceinte et nombre de

cables sur le meme chemin ;. . - du nombre de conducteurs charges (effectivement parcourus par le courant)clans un

circuit ;- des caracteristiques de l'environnement.Dans certaines conditions de reference surtout pour des circuits individuels, les valeurs

de courant admissible fa sent donnees sous forme de tableaux en fonction de la section duconducteur (arne) en cuivre et en aluminium (par exemple, tableau 6.3.1).Tableau 6.1.1 Section des conducteurs (mm')

6.3. Courant admissible

Fig. 6.2.1

fb

e

I~~c

~~~ ~~ ~

d

a

- un ou deux chiffres : tension de service (phase-phase), par exemple : 05 - 500 V ;1-1 kV ~

- une lettre : materiau d'isolation et de gainage, par exemple : E - polyethylene (PE) ;R - caoutchouc naturel (NR) ; V - polychlorure de vinyle 70°C (PCV) ;

- une lettre (eventuelle) ; construction speciale : H - cable meplat divisible; H2 -cable meplat non divisible; absence - cable rond ou meplat ;

- une lettre : type et forme des ames conductrices, par exemple : F, H, K - conducteursouple ; R - conducteur rigide, rond, cable ; S - conducteur rigide, sectoral, cable ;U- conducteur rigide, rond, massif;

- une lettre (eventuelle) : nature de l'arne : A - aluminium; absence - cuivre.Ce code est complete par une deuxieme partie numerique : Ie nombre de conducteurs

suivi du signe de multiplication et de la section transversale de chaque conducteur (mnr'),Les normes roumaines recommandent :- la lettre initiale ou le groupe de deux premieres lettres indique, par exemple :

F - conducteur i501e, rigide, pour installation fixes ; C - cable d'energie ; CC - cable decommande ; CS - cable de signalisation ;

- lorsqu'une arne en aluminium est utilisee, la premiere lettre est A suivi de la lettre oudes lettres specifiees ci-dessus ;

- les lettres suivantes specifient les enveloppes ou gaines dans l'ordre de l'interieur(a partir de l'enveloppe isolante du conducteur) vers l'exterieur, par exemple : Y - isolation enPCV ; A - armure metallique en acier.

Exemples:H 05 VVU(R) 3}12,5mm' - cable BT (500 V), rigide, arne massive (ou cablee)

en cuivre, isolant PVC, trois conducteurs de 2,5 mm2 ;CYY 3x.25+1x16 rom" / ACYY 3x25+lxI6 mm2 - cable d'energie, conducteurs

en cuivre/aJuminium, isolation PVC, trois conducteurs de 25 mm2 et un conducteur de 16rom2•

Page 35: Manual IAE

6.5

Selon le

(6.4.3)fd <i' _ .->!_q_- ad~"- .S Jad

Il faut toujours verifier que la section choisie satisfait les deux conditions.cas, on ado pte la section la plus elevee.

que la temperature du conducteur ne depasse pas une valeur admissible de courte duree(environ 160°C) it suffit que la densite du courant de point ne depasse pas une valeur limite.On pent considerer que la densite de courant de pointe admissible est d'environ 20 A/mm"pour l'aluminium et 35 Afmm2 pour le cuivre.

On a donc Ia condition: .

6.4

b. Charge avec pointe de courant Ip (courant transitoire de connexion a courteduree)

A titre d'exemple peut servir le demarrage d'un moteur (voir fig. 3.5.3). Le courant dedemarrage Id est un multiple du courant nominal Z,

Id=Kdfn (6.4.2)le facteur Kd dependant du type de moteur et des conditions de demarrage (Kd '" 6 pour desmoteurs asynchrones lit cage). On considere ce courant comme constant pendant la duree dudemarrage (secondes ou dizaines de secondes). 11en resulte un echauffement supplementairedu conducteur en regime adiabatique (sans transfert de chaleur vers l'environnement). Pour

(6.4.1)

a. Charge du circuit sans pointe de courantLa condition pour choisir la section du conducteur s'exprime par;

" Ie tableau I(:;)fa?lcc::::::>K·la?Tcc::::::>fa> K S

Dans les installations BT On convient que la section soit determinee a partir descontraintes thermiques (voir § 3.5). La verification de la chute de tension et de l'efficacite dela protection sera faite apres avoir fini les calculs pour toutes les branches du reseau (voirCh.9 et 10).

Connaissant le courant d'ernploi d'une canalisation 1"(§ 3.3.3), le calcul de la sectionoptimale des conducteurs necessite :

- la verification, pour conditions determinees, du fait que la section consideree satisfaitles conditions d'echauffement (voir § 3.5.1) en service penn anent (courant constant) et enregime de courte duree (surintensite transitoire) ;

- la verification du fait que la chute de tension dans le reseau, jusqu'aux bornes det'element alimente par la canalisation reste bien dans les limites admises ;

- la verification qu'un courant de defaut etabli dans le circuit prend une valeur qui peutprovoquer le fonctionnement des appareils de protection inseres dans ce circuit.

Sinon, il y aurait lieu de choisir une section superieure.

6.4. Choir de la section des conducteurs

(6.3.1)fa = K faK=KJ ·K2 .

Le courant admissible correspondant a une section donnee sera, en conditions reelles :

Nombre de I I 2 3 I 4 I 5 6 I 10cables groupesFacteur de

1,00 I 0,85 0,80 I 0,751 0,70 0,70 I 0,70correction K2

Tableau 6.3.3

Temperature I I I

30 1~40 I 45I

ambiante, °c 1O J5 20 I 25 50 S5 I 60

Facteur de1,1711,121 1,00 I 0,941 0,871 0,79 0,71 0,61 I 0,50correction KJ 1,22 1,06

Tableau 6.3.2

Page 36: Manual IAE

7.1

Appareillage est un terme general applicable aux appareils de connexion et a leurcombinaison avec des appareils de commande, de mesure, de protection et de reglage qui leursont associes, ainsi qu'aux ensembles de tels appareils avec les connexions, les accessoires, lesenveloppes et les supports correspondants.

L'appareillage electrique constitue un ensemble de produits tres varies, dont Ie role estd'assurer le service que ron exige des installations electriques, de proteger celles-ci contre lesdefauts accidentels et de garantir un foncti.onnement correct des charges utilisatrices. Cesproduits sont appeles constituants d'appareillage et remplissent des fonctions elementaires,qu'il faut associer entre elles pour realiser des fonctions plus complexes. Les constituants sontalers regroupes dans des ensembles d'appareillage destines a des applications specifiques.

Le rMe fondamental de I'appareillage est la commutation dans les circuits electriques,ce qui a donne lieu a l'appellation generale d'appareillagede commutation (ou de connexion).Par commutation on pent entendre:

- le changement de la configuration du circuit;- le changement de la continuite du circuit:

- mecaniquement : fermeture ou ouverture ;- electriquement : etablissement ou interruption (coupure) du courant.

Ilfaut distinguer entre:- appareils de coupure qui assurent la connexion des circuits de puissance et pour

lesquels la coupure du circuit represente la tache essentielle ;- appareils d'automatisme qui operent dans les circuits de faible puissance, ou

circulent des signaux de commande, de detection et de traitement logique.Du point de vue de leur role specifique dans le reseau electrique d'energie les

constituants peuvent etre classes en deux categories :

7.2. Appareillage

Une installation electrique est une combinaison de circuits remplissant une fonctioodeterminee, Chaque circuit comprend le materiel et l'appareillage associes aux differentsconducteurs actifs, et lis ont, eo commun, le meme dispositif de protection.

L'exploitation d'un reseau electrique ou d'une partie de reseau est souvent confiee Iil'automatisme,

Les automatismes sont realises en vue d'apporter des solutions a des problemes denature technique, economique et humaine : executer par Ia machine les taches humainescomplexes ou indesirables ; ameliorer la productivite ; piloter une production variable ;renforcer la securite, en surveillant et controlant les installations et machines.

On distingue, dans tout systeme automatise : la distribution, ]a machine ou installation,et la partie commande constituee par l'appareillage d'automatisme.

La partie commande est assuree par des produits repondant schematiquement a quatrefonctions de base : l'acquisition des donnees, le traitement des donnees, la commande depuissance, Ie dialogue homme-machine.

7,1. Structure d'un systemed'automatlsme

On rappelle quelques definitions et princip es utiles pour pouvoir choisir les appareilsintervenant dans une installation et comprendre leur fonctionnement.

7. APPAREILLAGE. ASPECTS GENERAUX

Page 37: Manual IAE

7.3

Les sectionneurs, interrupteurs, interrupteurs-sectionneurs, disjoncteurs, contacteurssont utilises pour assurer la fonction de commutation dans les circuits electriques de puissancedans lesquels ils sont places en sene. .. , .,,'

Le sectionneur satisfait, en position d'ouverture, aux prescnpnons specinees pour l.afonction de sectionnement - fonction destinee a assurer la mise hors tension de tout ou partied'une installation en separant l'installation ou une partie de l'installation de toute. sourced'energie electrique, pour des raisons de securite, Un sectio~eur est capable d'ouvrir et defermer un circuit lorsqu'un courant d'intensite negligeable est mterrompu ou etabli amsi quede supporter des courants clans des conditions normales du circuit (y compris des comants desurcharge) et de supporter des courants pendant une duree specifiee dans des condi.tionsauormales telles que celles du court-circuit. La fonction de sectlonnement eXlge parfOls desdistances d'ouverture des contacts satisfaisant a des conditions determinees.

L'interrnpteur (appele parfois aussi commutateur) est capable d'etablir, de supporteret d'interrompre des courants dans les conditions nonnales du circuit. (charges normalementprevues en service) et peut faire J'office d'alTet d'urgence. Son pouvorr de coupure est celwcorrespondant it son intensite nominale (il n'est pas capable de couper des c~~ts d~ court­circuit). Cependant l'appareil peut supporter des courants pendant une duree spectfiee dansdes conditions anormaies telles que celles du court-circuit. L'appareil a une fonctIon sImple:ouverture et fermeture d'un circuit.

L'interrupteul"-sectionnenr satisfait, dans sa position d'ouverture, aux conditionsd'isolement specifiees pour un sectionneur.

Le contacteu!" est un appareil ayant une seuie position de repos, co~and6 autrementqu'a ia main (d'habitude par un e1ectro-aimant - contacteur ~lectromagnetlque), .capabled'etablir, de supporter et d'interrompre des courants dans les ,conditIOns n?rmaJes d~ crr~wt (ycompris des courarrts de surcharge). Un contacteur est generalement prevu pour foncnonnerfr6quemment.

7.5. Apparedtage meeanique de coupure

Les appareils (mecaniques) de connexion sont destines a etablir au a interrompre Iecourant au moyen de contacts separables. Les appareils de connexion qui agissent par Iacommande d'un semi-conducteur sont appeles appareils a semi-conducteur.

Les appareils mecaniques de counexion qui realisent en principe la fonction decommutation "tout ou rien" peuvent avoir aussi un role de protection lorsqu'ils son.taccompagnes des relais ou declencheurs appropries, . . .

Un coupe-circuit a fusibles (fusible} a pour fonction d'ouvrir, par 1a fusion dm: ouplusieurs de ses elements concus et calibres a cet effet, le circuit dans lequel 11est lI1~ereencoupant Ie courant lorsque celui-ci depasse pendant un temps suffisant une vaJe.ur donnee '.Lesfusibles sont cons ide res comme appareillage de connexion, assurant dans certaines conditionsla fonction de commutation (ouverture du circuit seulement), mais ils realisent une importantefonction de protection.

Le pole d'un appareil de connexion est l'element constituant de l'~ppareiJ associeexclusivement a un chemin conducteur electriquement separe a son circuit principal, Unappareil peut etre unipolaire (un seul pole) ou multipolaire (par exemple, tripolaire) dont lespoles sont lies entre eux de facon qu'ils fonctionnent ensemble.

Certaines de ces fonctions peuvent etre accomplies par des appareils specifiques achaque fonction (appareils unifonction - a fonction unique). D'autres fonctions peuvent etrecombin6es dans un seul appareil repondant aux exigences formulees pour chacune d'elles(appareiJ a fonctions multiples).

7.4.Prlnclpaux censtituants d'appareillage

7.2

Un circuit (une ligne) regroupe l'ensemble du materiel electrique necessaire a lacommande et a 1aprotection de l'element alimente par la ligne (du recepteur).

L'appareillage insere dans la ligne doit remplir trois fonctions de base : lacommutation de puissance, 1a protection electrique et le sectionnement,

• La commutation (commande) de puissance "tout-ou-rien" consiste it etablir etinterrompre ]'alirnentation des recepteurs, en service normal, suivant les ordres emis soit parl'operateur soit par l'unite de traitement des donnees, a partir des informations provenant descapteurs (fonction d'acquisition des donnees) et des organes de commande (fonction dedialogue homme-machine). Un appareil pent effectuer l'une de ces maneeuvres ou les deux.Une commande de puissance pent aussi assurer le reglage de Ja valeur du courant absorbe parun recepteur,

" La protection electrique consiste it mettre automatiquement hors circuit la partie del'installation (le circuit) OU un defaut vient d'apparaitre afin d'eviter les deteriorations descanalisations et des recepteuTS causes par les surintensites (surcharges et courts-circuits), enassurant J'ouverture du circuit aussi vite que possible. D'autres types de protection existent,exigeant l'emploi de detecteurs adequats.

• Le but dll seclionnement Oa fonction de separation) est de separer et d'isoler uncircuit (de puissance ou de commande) <iu reste de l'installation el.ectrique (par rapport 11.l'alimentation generale) afm de garantir la securite des personnes ayant a intervenir surl'installation electrique pour entretien ou reparation.

Les fonctions d'automatisme resident en :- commande de puissance : les appareils de commande de puissance, alimentes

directement ou par des relais amplificateurs, fournissent l'energie aux actionneurs du sysremecommande;

- acquisition des donnees (detection) : les detecteurs prell':vent l'information sur l'etatdes grandeurs caracteristiques du processus et les transmettent au systeme de traitement ; cesont en majorite des detecteurs it seuiI, mais ilexiste aussi des capteurs a reponse continue ;

- traitement des donnees : les sysremes de traitement, exploitant Jes donneespn:cedentes, engendrent les ordres destines aux appareils de commande ainsi quel'information necessaire aux operateurs.

7.3. Les fOD.ctlons de base de l'appareillage electrique

- appareils de distribution, dont le role est d'assurer la gestion correcte du reseau, parla mise en ou hors service de ses differentes branches, la protection des circuits en cas dedefaut accidentel et la separation electrique des circuits defaillants, avec la securite requisepour le personnel;

- appareils de commande, dont Ie role est d'assurer la commande et la protection desappareils utilisateurs et des appareils de connexion de puissance afin que ceux-ciaccomplissent les taches auxquelJes ils sont destines ; ils realisent un controle plus ou moinsfin de Ia puissance transmise ainsi que la sequence desiree des manreuvres dans les circuitsd'utilisation,

Par commande d'un appareil, on entend l'ordre transmis it I'appareil d'effectuer unecerraine operation (par exemple manreuvre de fermeture ou d'ouverture, reglage, etc.).

On rencontre differentes sortes de commandes :- manuelle - effectuee par intervention humaine ;• automatique - effectuee sans intervention humaine lorsque des conditions

predeterminees apparaissent ;- directe - it partir d'un point situe sur l'appareil commande ou dans le voisinage

immediat de celui-ci ;- a distance (telecommande) - a partir d'un point eloigne de l'appareil commande.

Page 38: Manual IAE

7.5

Par contacts dun appareil de connexion on entend l'ensemble des pieces conductricesdestinees a etablir 1a continuite d'un circuit lorsqu'elles se touchent. On peut les classer endeux grandes categories ; contacts non separables et contacts separables,

La fonction des contacts non separables (contactsentrepieces fixes), ne demande pasde sectionnement en service. La pression sur le contact est assuree par serrement, a l'aide desvis (boulons).

Dans le cas des contacts separables (contacts entre pieces mobiles) en service, unepiece de contact est fixe et l'autre piece effectue, sous l'actioD. de 1'0rgarIe moteur de I'appareil,un mouvement de translation ou de rotation pour etabEr le contact avec Ia partie fixe. La

7.9. Contacts des appareils

Les appareils a fonctions multiples regroupent en un meme produit la totalite ou unepartie des quatre fonctions de base. Les appareils a fonctions multiples regroupant au moinsdeux fonctions sent les suivants ;

-I'interrupteur-sectionneur ;- le sectionneur-fusibles ;-le contacteur-disjoncteur integral;- le disjoncteur magnetique ;- Ie disjoncteur-moteur (le disjoneteur magneto-thermique).Le disjonetear magnetique (la fonction commutation) est mum de declencheurs

electromagnetiques (fonction protection), assurant la protection contre les courts-circuits.Le disjonctenr magneto-therenque est un disjoncteur (appareil de commutation)

mum de declencheurs thermiques et electromagnetiques (fonction protection), assurant aussila protection contre les surcharges et contre les courts-circuits, dans la limite de son pouvoirde coupure.

Le centacteur-disjeneteur integral reuni dans un meme produit les caracteristiquesdu contacteur et du disjoncteur, c'est-a-dire la frequence elevee de cycles de manceuvres ducontacteur et Ie pouvoir de coupure du disjoncteur,

Les disjoncteurs et contacteurs modemes realisent aussi la fonction de sectionnement.Le besoin de satisfaire en meme temps toutes les fonctions desirees dans un circuit et

de beneficier de tous les avantages des differents appareils conduit a la necessite d'utiliser uneassociation d'appareils urn - et multifonctions.

Le olus souvent utilisee sont les associations:- se~tionneur-fusibl.es + contacteur + relais thermique ;- coupe-circuit + contacteur + relais thermique ;- disjoncteur magneto-thermique + contacteur ;- sectionneur-disjoncteur + contaeteur + relais thermique ;- disjoncteur magnetique + contacteur + relais thermique.Un demaereur' consiste a une combinaison de tous les moyens de mise sous et hors

tension necessaires pour provoquer le demarrage et l'arret d'un moteur tout en assurant uneprotection appropriee contre Jes surcharges (voir Annexe 2).

7.S. Appareils IIfonctions multiples et associations d'appareils

Le sectionnement peut etre assure habituellement par :- des sectionneurs, dont c'est la seule fonction et qui ne doivent pas etre maneeuvres en

charge;- des appareiJs debrochables, en position debrochee verrouillee ;- des coupe-circuit, dont les IX;,l1e-fusibles ont ete enleves, . .La plupart des interrupteurs et disjoncteurs actuels sont conyu~, a assurer, en position

"ouvert", la fonction de sectionnement,

7.4

Pour qu'un appareil remplisse la fonction de sectionnement :- la coupure doit etre omnipolaire ;- il doit etre verrouillable ou cadenassable en position "ouvert" ;- il doit garantir son aptitude de sectionnement, par exemple par la verification de

J'ouverture des contacts soit visuelle, soit mecanlque.

7.7. Apparelllage de sectionnement

La protection electrique est assuree par deux fonctions :- la detection, faite de materiels tels que les relais les declencheurs ou de coupe-circuit

a fusibles (ces dernieres assurant egalement la coupure) ;- la coupure, effectuee, a la suite d'une detection quelconque, soit par des fusibJes, soit

par des contacteurs ou disjoncteurs.Le relais electrique est un appareil destine a produire des modifications

predeterminees dans un ou plusieurs circuits electriques de sortie, lorsque certaines conditionssont remplies dans les circuits electriques d'entree dont il subit I'action.

On fait souvent la distinction entre relais de surveillance et relais de protectionLe plus souvent les relais ouvrent ou ferment certains circuits par l'intermediaire de

leurs contacts inseres dans ces circuits. Ils sont produits comrne appareils independents. Lesrelais de protection pcuvent eire associes avec des appareils mecaniques de commutation dansles circuits de puissance. Dans les schemas de commande, les relais realisent la commutation"tout ou rien" dans les circuits d'autres appareils.

Un declencheur (d'un appareil mecanique de connexion) est un dispositif raccordemecaniquement a I'appareil dont il libere les organes de retenue et qui permet l'ouverture ou Infermeture de I'appareil. Usuellement, les declencheurs sont incorpores dans des disjoncteurs.

Un contacteur a courant relativement faibJe est souvent utilise comme appareil decommande (connu sous l'appellation auxiliaire de commande ou contacteur auxiliaire)

7.6. Appareillage de commande et de protection

Un contacteur presente un grand nombre d'avantages. Il est capa~le de reali:er ungrand nombre de cycles de manoeuvre (fermeture-ouverture) a une cadence elevee, de realiserI'ouverture du circuit en cas de chutes de tension irnportantes ou manque de tension (en jouantIe role d'un relais de tension minimale). n permet d'effectuer une commande manuelJe ouautomatique a distance, de multiplier les postes de commande et de les placer a proximite del'operateur. D'autre part, son pouvoir de coupure limite ne lui permet pas d'interrompre uncourant de court-circuit, mais it doit supporter ce courant un temps specific. .

Le disjoncteur est un appareil a deux positions de repos, capable d'etablir, desupporter et d'interrompre des courants dans les conditions normales du circuit (y compris descourants de surcharge) ainsi que d'etablir et d'interrompre des courants de court-circutt. Undisjoncteur est capable de couper un courant de court-circuit eleve, mais il est limite ennombre et en frequence de cycles de maneeuvres.

Un circuit d'un appareil mecanique de connexion comprend I'ensemble des piecesconductrices (en particulier les contacts) ayant pour fonction ;

- soit de fermer et ouvrir le circuit dans lequel l'appareil est insere (circuitprincipal,circuit depuissance. mum de contactsprincipauxy ;

- soit de commander les maneeuvres de fermeture etJou d'ouverture de I'appareil(circuit de commande,mum de contacts de commande) ; .

- soit d'etre inserees dans un circuit autre que les circuits principaux et de commandede l'appareil, pouvant faire partie d'un circuit d'un autre appareil et remplissant des fonctionscornme commande, signalisation, verrouiUage etc. (circuit auxiliaire, muni de contactsauxiliaires).

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7.7

L'arc electrique est une des formes de decharge dans les gaz ou dans Ie vide. C'est unplasma constitue d'electrons libres et d'ions arraches aux electrodes par effet thermique etcirculant dans le milieu gazeux sous I'action du champ electrique qui regne entre deux

7.10.1. Arc electrique

Les constituants de l'appareillage ont essentiellement Ie role d'etablir ou de couper decircuits, et il en resulte des phenomenes electriques qu'il faut maitriser.

La fermeture sur charge peut comporter des surintensites transitoires, aussi bien surcircuit passif, tel que celui de resistances a froid, que sur circuit actif, tel que celuid'electroaimants ou des moteurs. Les consequences sont surtout thermiques.

L'ouverture d'un appareil de connexion a generalernent pour but d'interrompre Iecourant electrique qui, au prealable, traversait le recepteur. Ce dernier est souvent inductif et,saul" exception (ouverture au moment precis du passage par zero d'un courant alternatif),l'interruption du courant n'est pas instantanee, Lors J'ouverture de I'appareil, un arc electriques'etablit entre les contacts au moment de leur separation.

Les arcs de coupure se forment quasi instantanement (fraction de ruicroseconde) il'interieur des appareils, aux points ou les contacts se separent, Les surfaces reelles de contactse reduisent lors de l'ouverture, ce qui provoque localement la fusion, puis la vaporisation dumetal. L'arc apparait alors sans qu'une surtension soit necessaire.

A I'ouverture, la coupure du courant se realise Jorsque Ie courant passe par Ia valeurnulle. En courant alternatif (50 Hz), Ie courant s'annule naturellement 100 fois par seconde etI'arc s'eteint a chacune de ces annulations. Sous faible tension d'arc, la coupure se faitpratiquement au zero naturel. Une forte tension d'arc provoque une coupure forcee avec uneannulation anticipee du courant.. L'ouverture provoque done un arc electrique qui s'acheve par une tension de

retablissernent que l'appareil comme le circuit doivent supporter.II faut rappeler qu'aucun appareil ne peut eliminer instantanement Ie courant d'un

circuit inductif sans provoquer des surtensions que l'installation ne supporterait pas. L'arc estdone un element de transition indispensable (un "mal necessaire"), permettant d'attendre lepassage du courant par la valeur nulle.

L'etude des phenomenes qui se produisent au voisinage de ces "zeros" de courantnecessite une connaissance de tout ce qui a precede ces zeros; c'est-a-dire de l'arc et de ceseffets.

7.10.Phenomenes eleetriques it la fermeture et Ii l'onverture

- contacts instantanes a fermeture ("P" ou "NO") qui sont normalement (au repos, enl'absence d'une commande) ouverts (nonpassants) et fermes (passants) lorsque la commandeest maintenue ;

- contacts instantanes a ouverture ("0" ou "NC") qui sont normalement (au repos, en['absence d'une commande) fermes (passants) et ouverts (non passants) lorsque la commandeest maintenue ;

- contacts instantanes doubles ("OIF" ou "NOINC"), avec un point cornmun (troisbornes de raccordement), le contact NO etant non passant et Ie contact NC passant au repos,les etats s'inversant lorsque les contacts sont commandes ;

- contacts instantanes "0" ou "P" groupes en nombre variable dans des appareils oublocs addirifs (exemple "O+F", "F+F"), avec leurs propres points mobiles (des entrees et desorties separees) ;

- contacts temporises "F" ("NO") ou "0" ("NF") (notes parfois "O+F" etrespectivement "F+O") qui s'etablissent ou se separent apres un temps determine par rapportau moment de l'application de la commande.

r

7.6

Les contacts principaux des appareils de distribution assurent l'etablissement et lacoupure des courants principaux, dans les circuits de puissance (a I'exception des sectionneursqui sont manceuvres hors charge). Us sont dimensionnes pour le passage du courant nominalde I'appareil en service permanent sans echauffement anormal. Ils comportent une partie fixe(equipee de contacts fixes) et une partie mobile (equipee de contacts mobiles), cette dernieremume de ressorts qui transmettent une pression convenable sur les contacts. lis sont Ie plussouvent completes par des dispositifs d'extinction de l'arc electrique de coupure qui prendnaissance entre 1a partie fixe et Ja partie mobile, lorsque l'appareil "coupe en charge" (voir§ 7.10.1, 7.10,3 a).

Les Contacts de commande et auxiliaires des appareils de distribution et les contactsdes appareils de commande peuvent etre classifies en :

- contacts instantanes dont Ie fonctionnement (fermeture ou ouverture) a lieu pendantle mouvement des contacts principaux ou immediatement d'une commande sur l'organemoteur de l'appareil ;

- contacts temporises qui fonctionnent apres le fonctionnement des contactsprincipaux ou retardes par rapport a la commande sur l'organe moteur de l'appareil, grace ades dispositifs temporisateurs.

On peut distinguer aussi, par exemple :

7.9.2. Fonctions des contacts

kRc =- (7.9.1.)

Fmou k est une constante de materiau et m - un exposant. Cette resistance peut etre determineeexperimentalement en mesurant le courant dans le circuit et la chute de tension sur Ie contact.

Cette resistance est relativement elevee par rapport a la resistance propre desconducteurs du circuit tout en restant faible par comparaison it l'impedance du recepteur (lavaleur du courant dans le circuit n'est pas pratiquement rnodifiee).

n en resulte une chute de tension supplementaire (,1Uc ~ Ref) dans le circuit (latension de contact, relativement plus faible que la tension d'emploi), mais le plus importanteffet est l'echauffement supplementaire des pieces de contact ([) oc Rtf) qui contribue al'echauffement des appareils.

En partant de la relation (7.9.1) donnant la resistance de contact, on deduit quel'echauffement peut etre dirninue par l'augmentation de la pression sur les contacts desappareils en position "ferme". Dans ce but, les contacts mobiles sont mums de ressorts qui secompriment lors de l'etablissement du contact.

Dans les contacts electriques, la surface reelle de contact est toujours inferieure a lasurface apparente due aux irregularites (asperites) de la surface materielle et it la deformationelastique et plastique du mat6riau. n y a done une ires forte concentration des Jignes decourant a travers ces surfaces relativement faibles, que l'on appelle strictions de contact.D'autre part, des films isolants peuvent se former a la surface des contacts a l'etat ouvert(depots de poussiere, couches de corrosion, etc.), a l'etat ferme (corrosion acceleree parl'echauffement ou due aux deplacements) ou a l'ouverture avec arc (reaction chimique a hautetemperature). Ceux-ci, sous faible tension d'emploi, peuvent empecher la conduction.

Cela se traduit par une resistance de contact qui depend en principal de la pression decontact (la force sur les pieces de contact F), du materiau des contacts et de l'etat des surfacesen contact, selon une relation de la forme

7.9.1. Resistance de contact

fermeture et l'ouverture peuvent avoir lieu hors courant or sous courant. La pression decontact est realisee par des ressorts de contact specialement prevus et dimensionnes.

Page 40: Manual IAE

7.9

Le probleme critique de la coupure est la tenue a la tension qui reapparait aux bomesdes contacts quand le courant s'annule. Cette tension est appelee tension de relablissement(TR) et fini par rejoindre la tension a vide de la source, Elle comporte en realite deuxcomposants transitoires : J'unea la frequence de service (50 Hz), J'autre a haute frequence.

La tension transitoire de retablissement de frequence elevee devant la frequence deservice (TTR) presente une evolution rapide. Selon les caracteristiques du circ·uit et del'appOareil de coupure, cette composante a souvent la forme d'une oscillation sinusoidale

7.10.2, Tension de retsblissement

7.8

Fig. 7.10.3

Si I'on etudie la repartition de la tension dans l'arc, on est conduit a y distinguer troisparties bien distinctes (fig.7.10.1, en courant continu). Au voisinage immediat de l'anode etdela cathode se trouvent deux zones de fortes chutes de tension, anodiqueu, et cathodique 11c. Lasomme des chutes de tension brutales qui se produisent au voisinage des electrodes estsensiblement constante, de I'ordre d'une quinzaine de volts. Dans Ie reste de l'arc, la chute detension u/ est sensiblement proportionnelle a sa longueur. La tension d'arc totale Ua est lasOmmedes chutes de tension anodique, cathodique et Ie long de la colonnepositive.

Fig. 7.10.2

I~ __ ..__....._...,...".,._W_"_ \.

On appelle caracteristique d'arc la courbe qui represente la relation entre la tensionaux bomes dun arc UA et le courant qUJ le traverse i.

La caracteristique statique indique pour des electrodes et une longue d' d 'I

. ,. . I ' . ur arc onnes,a tension necessaire pou entretemr Iarc en fonction du courant (fig 7 102) T .,. •

d b.. . . . Les myers pomts

e cette cour e correspondent a un fonctionnement a courant constant ou d tre I. ti 0 . I ., lees ente~anla dOft;. n y vd01tlque a tension darc est d autant plus faible que Ie courant est plus intensea a I terence e a tension aux bomes d'un resistor dont la variation corr d ' I'droi IPll1 ,. ., esponaaroite . us a ongueur d arc est importante, plus grande est la tension d'arc nece . Lteri d' . di ssaire. escarac ensnques ar~ 10. quent que rare ne peut exister que pour une relation bien definieentre UA, I et l.Au decroissement du courant, les points de fonctionnement sont places sur unebranche au-dessous de la branche qui correspond a J'accroissement du courant d'auta t Jbasse oue la de d ' n pus,asse .que a ecroissance u courant est plus rapide. Le pnenomene a pour cause essentielleI inerne thermique de ,Farc :. J,esparametres de l'arc ne s'adaptent pas instantanemeni auxnouvelJe~valeurs de Imtensrte et mamnennent par consequent une plus faible valeur de latension d arc (comportement dynamique de l'arc).

Par rapport aux autres sortes de decharges, l'arc electrique est done un canal ionise atres haute temperature. Les temperatures aux electrodes sont de l'ordre 2000 - 3000 K. Latemperature est m~lmale dans la region centrale et depasse 5000 K suivant l'intensite ducou:~nt. La densite de courant a la cathode est de plusieurs milliers d'Azcm". Dans Ia colonnepositive, dont la section est sensiblement proportionnelle au courant (en premiereapproxm:;.atlOn),1a densite de courant est constante et inferieure a 100 PJcm2 L'arc estcaractOOensepa: un spot cathodique a forte emission thermoelectrique (decharge a cathodechaude), par emission thermique et lummeuse unportante et par une caracteristique statiquetension-courant decroissante. La tension aux bornes de l'arc est en outre une fonctioncroissante de. la longueur de I'arc. Enfin, cette tension d'arc est fonction des conditionsthermodyn~lques : un refroidissement intense accroit 1a tension d'arc ; l'arc possede uneinertie thermique, ce que lui confere une caracteristique dynamique (c'est-a-dire a courantvanable) differente de la caracteristique statique.

Un arc pareouru par un courant altematif sinusoidal peut etre caracterise par(fig. 7.10.3) :

- Lapointe (la tension) de reallumage de l'arc : si la tension disponible sur le circuitd'alimentation de l'arc est inferieure it cette pointe de reallumage, l'arc ne pent se retablir apresle passage a zero du courant;

- la tension permanente de I'arc, qui conditionne I'energie developpee dans rare, desorte que dans les calculs sommaires on peut admettre que la tension reste eonstante pendantla demi-periode, ce qui revient a assimiler la tension d'arc a un signal rectangulairealternativement egal a +UAet-UA ;, . - la pointe (la tension) d'extinction de I'arc, beaucoup plus faible que la pointe de

reallumage, parce qu'elle succede a une periode de dissipation d'energie dans l'arc, alors quela pointe d'allurnagesuccede a une periode de refroidissement.

L'arc peut etre considere comme un element resistif Par consequent, l'energie dissipeepar effet Joule dans le plasma sera WA = UA·1 fA OUtA est la duree de I'arc.

Fig. 7.10.1

I

her>$iDnd;m;itotme~i

electrodes grace a une tension appliquee entre Ies electrodes. En ce sens, il est assimilable aun conducteur mobile de forme variable et peut ainsi mis en mouvement par applicationd'unchamp magnetique ou par la presence des pieces ferromagnetiques dans sonvoisinage.

L'arc apparait comme une colonne gazeuse incandescente suivant un trace a peu presrectiligne entre les electrodes. Les surfaces de contact de l'arc et des electrodes sont egalernentincandescentes. On appelle tache cathodique la surface de contact avec la cathode. Grace a satemperature elevee, la tache cathodique (Ie "pied" de I'arc) est Ia source d'ernissionthermoelectronique, Les electrons ainsi produits developpent l'ionisation en avalanche, parchoc, dans l'atmosphere de I'arc ; les electrons et des ions positifs engendres se deplacent versles electrodes avec des vitesses tres differentes puisqu'elles sont en raison inverse de la racinede la masse. 11en resulte que le courant de conduction dans l'arc au voisinage des electrodesest surtout assure par le deplacement des electrons, et que ron approche ainsi de laconductibilite metallique. Par contre, la plupart de l'espace compris entre les electrodescontient davantage d'ions positifs, d'ou son nom de colonne positive. Ces ions positifsneutralisent la charge d'espace creee par les electrons (recombinaisons) et rendent ainsipossible le passage de courants intenses sous de faibles chutes de tension. Les electrons et lesions se dirigeant vers Ies electrodes de signe contraire, s'accumulent dans les zonesimmediates voisines et ces charges spatiales donnant lieu aux chutes de potentiel importantes.

Page 41: Manual IAE

7.11

La tension (assigne) d'emploi s'exprime par la valeur de la tension d'utilisation ittravers Ie pole (pour un materiel unipolaire) ou entre phases (pour un materiel multipolaire).

7.11.1.Caracteristiques generales

7.11. Donnees earacteristiques des appareils de distribution

Fig. 7.10.5

L'interruption reelle d'un circuit par un appareil mecanique de connexion a lieu apresl'extinction de l'arc electrique amerce au moment de separation des contacts (au passage azero du courant). Vu que la vitesse de separation des contacts des appareils est relativementfaible, l'arc peut se rearnorcer apres chaque passage du courant par zero jusque Ja distanced'ouverture et 1a deionisation de la zone d'arc soit suffisantes pour empecher le reamorcage.La duree de coupure est done comprise entre une demi-periode et plusieurs periodes. Pendantla coupure Ie courant peut atteindre done au moins une fois sa valeur de crete et les contraintsthermiques et mecaniques des elements du circuit seront irnportantes.

Par leur construction et principe de fonctionnement, certains appareils assurentl'extinction de l'arc electrique de coupure dans la premiere demi-periode et la limitation ducourant a une valeur inferieure a la valeur de crete. C'est le cas des disjoncteurs appeleslimiteurs (§ 8.4.1) et des coupe-circuit it fusibles (§ 8.5.2).

L'evolution du courant pendant I'interruption du circuit est donnee sur la figure 7.10.5(I, ~ valeur de crete, ID ~ valeur coupee)

b. Limitation du courant

Afin d'assurer l'extinction de l'arc electrique, les appareils mecaniques de coupure sonmunis de .dispositifs speciaux appeles chambres de coupure (d'extinction) ayant pour roled'attirer l'arc dans une bonne direction (soufflage magnetique, sous l'action du champ propreet, par exemple, en utilisant des pieces ferromagnetiques) et de refroidir rapidernent le milieupost-arc, accelerant les phenomenes de deionisation et reduisant ainsi les risques dereamorcage. Le refroidissement de l'arc dans les coupe-circuit a fusibles est assure par lemilieu de remplissage du corps dans lequel est place l'element fusible.

1i

7.10

Si on admet que, apres le passage par zero (au moment ou la tension du reseau a lavaleur Uo), le courant reste nul, il va s'etablir ~ux bornes de l'arc (entre,les contacts del'appareil qui coupe) une certaine tension de retablissement suivant une 10ltres van able ~elonles parametres du circuit. Ceci revient it admettre que, a la place du trajet de l'arc s:est etabliun milieu non-conducteur presentant une certaine rigidite dielectrique vanant suivant unecourbe croissante (consequence a la deionizationde l'espace). La vitesse de,retablissement dela rigidite dielectrique est une caracteristique de l'appareil utilise (conditions derefroidissement de l'arc de deionization de la zone d'arc, distance entre contacts, etc.) et unefonction du courant qui a existe dans les instants precedents. Si la tension de retabhssemen~(caracterisee par sa pente ou vitesse de retablissement) atteint la valeur de la rigiditedielectrique (courbe A), il y a un claquage et reallumage de l'arc. ,

Le probleme d'empecher le reallumage se ramene done a une sorte de course devitesse entre la rigidite dielectrique et la tension de retablissement : .SI la tension deretablissement ne rattrape pas la rigidite dielectrique, la coupure est achevee (courbe B) ; SI

elle la rattrape, il y a reamorcage et on doit attendre le prochain passage a zero.

Fig. 7.10.4

"I••?

r ~2

-- ~-----I' I-k

La temperature de l'arc a des valeurs bien superieures it celles que peuvent supporterJesmetaux et les isolants utilises dans la constructiondes appareils. La duree de I'arcdoit etredone breve : pas trop longue pour eviter la destruction des materiaux voisins, pas trop courtepOour limiter les surtensions dues a des variations trop rapides du courant dans le circuit decharge. .' . ".

Les appareils de coupure doivent assurer l'extinction rapide de 1arc electrique ?ecoupure et empecher le reamorcage de l'arc apres la separation des contacts. des.appareilsmecaniques de connexion ou apres la coupure de l'element fusible lors de Ja fusion de.celui-ci(dans les coupe-circuit a fusibles). Dans ce but, il faut diminuer l'energie necessaire pourl'entretien de l'arc.

La figure 7.10.4 mette en evidence les diverses grandeurs lOTSde l'interruption ducircuit : la tension du reseau (courbe 1), la tension d'arc uo, la tension transrtoire deretablissement (courbe 2), la rigidite dielectrique entre les contacts de l'appareil (courbesA etB).

a. Extinction de l'arc electrique

7.H1.3.Comportement des appareils pendant l'interruption du circuit

amOortie, a une pulsation tres superieure it la pulsation de service (fig. 7.10.4, courbe 2). Elledonne alors lieu it une surtension.

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7.137.12

Le courant nominal d'emploi (courant assigne d'emploi) I, est Ie courant nominalmaximal du recepteur (valeur efficace), precise par le constructeur, que l'appareil peut etablir,supporter et interrompre dans des conditions d'utilisation bien definies, sans echauffementexcessif ni usure exageree des contacts. II est defini suivant la tension nominaJe d'emploi, lacategorie d'ernploi et la temperature de l'air au voisinage de l'appareil. Si Je recepteur est unmoteur, I'indication de I. est le plus souvent remplacee par Ia puissance assignee d'emploi(puissance nominale du moteur).

Le pouvoir (assigne) de fermeture est la valeur efficace du courant que l'appareil peutetablir d'une maniere satisfaisante dans des conditions specifiees (sans usure exageree nisoudure des contacts). Elle constitue Ja base de choix d'un appareil pour les applications tellesque la commande des circuits d'eclairage, des primaires de transforrnateurs, descondensateurs, etc. dans lesquels les courants transitoires it la mise sous tension represententune contrainte importante par rapport aux courants en regime etabli,

Le pouvoir (assigne) de coupure est la valeur efficace du courant que l'appareil peutcouper d'une maniere satisfaisante dans des conditions specifiees (sans usure exageree descontacts, sans arc permanent, sans amorcage entre phases ou entre phase et masse, sansemission excessive de flarnmes vers l'exterieur des boitiers d'arc).

Le pouvoir de coupure depend du type et de la taille de l'appareil.La durabilite mecanique (l'usure mecanique, l'endurance mecanique) est caracterisee

par le nombre de cycles de manceuvres (fermeture suivie d'ouverture) it vide que l'appareil estsusceptible d'effectuer sans defaillance mecanique (sans reparation ni remplacement depieces).

La durabilite electrique (l'usure electrique, l'endurance electrique) est caracterisee parle nombre moyen de cycles de maneeuvres (ferrneture suivie d'ouverture) en charge, dans lesconditions de service indiquees, que I'appareil est susceptible d'effectuer sans entretien(reparation, remplacement de pieces). Elle depend de la categoric d'emploi, du courantnominal d'emploi et de la tension nominale d'emploi.

Le courant temporaire admissible est le courant que l'appareil en position fermee peutsupporter pendant un temps court (specific) consecutif a un temps de repos (specifie : 15 min,1 h) sans atteindre un echauffement dangereux. II est toujours superieur au courant thermiquepermanent et inferieur au courant assigne de fermeture de l'apparei.l. Ce courant est importantdans le cas par exemple de la commande d'un moteur it demarrage long en raison de la dureede la pointe de demarrage.

Courant nominal thermique (courant permanent maximal) I/}, est le courant qu'unappareiJ en position ferme peut supporter indefiniment.

Du point de vue coupure, un fusible est defini (voir § 8.5.2) par: ._ son courant nominal 1" : l'intensite qu'il peut supporter de facon continue ; ._ son courant conventionnel de non-fusion Inl: l'intensite qui ne provoque pas la fusion

avant un temps conventionnel ; .'_ son courant conventionnel de jus ion 11: l'intensite qui provoque la fusion dans le

temps conventionnel au plus;- son pouvoir de coupure.7.11.2. Donnees earacteristiques des appareils mecaniques de connexions

7.11.3. Donnees caracteristiques des fusibles

Les categories d'emploi definissent pour l'utilisation normale des appareils, lesconditions d'etablissement et de coupure du courant en fonction du courant assigne d'emploiet de la tension assignee d'emploi. Elles resument les principaux domaines d'application desappareils (voir, par exemple § 8.3.4 et § 8.4.2). Si necessaire, on fait la distinction entre lefonctionnement en courant alternatif (Ae) et en courant contmu (DC).

Le courant presume d'un circuit est le courant qui circulerait dans Ie circuit si chaquepole de l'appareiJ etait remplace par un conducteur d'impedance negligeable.

On distingue le courant etabli presume et Ie courant coupe presume ainsi que lavaleur efficace et la valeur de crete du courant.

Le courant coupe limite est la valeur instantanee maximale du courant atteinte aucours de la coupure lorsque la valeur de crete du courant presume du circuit n'est pas atteinte.C'est Ie cas des soi-disant appareils a limitation de courant (fusibles et certains disjoncteurs).

La caracteristique temps-courant est la courbe donnant la duree de coupure enfonction du courant presume dans des conditions determinees de fonctionnement. Elle estdeterminee par Ie relais ou declencheur qui commande la coupure.

L'integrale de Joule est l'integrale du courant pour un intervalle de temps donne:

J=J2t=fl'i2dt .JIO

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8.1

(8.1.3)~2 B2S

F=--=-2J.toS 2j..lo

N etant Ie nombre de spires de la bobine ;- la force (electromagnetique) d'attraction est proportionnelle au carre du flux

(d'induction) :

et se reduit dans la plupart des cas a celie de l'entrefer cars la permeabilite des merauxmagnetiques est beaucoup plus grande que celle de l'air ;

- ie flux magnetique est proportionnel aux amperes-tours de la bobine (Nh) e,tinversement proportionnel a la reluctance du circuit magnetiqueR,., :

"'= NIb'f R~ , (8.1.2)

(8.1.1)[

Rf.l=-~

Un elearoaimant est un magnet temporaire dont l'action d'attraction ou de liberationd'une armature ferromagnetique est determinee de la presence d'un courant electrique dans uncircuit d'excitation,

Les electroaimants peuvent etre utilises dans des servomecanismes (elevement,transport, coupJes electromagnetiques). Dans la construction d'appareils mecaniques deconnexion, ces dispositifs fournissent le travail necessaire a l'actionnement des contactselectriques (de controle comme de puissance) des contacteurs et des relais, ainsi qu'audeverrouillage des serrures.

Les electroaimants classiques ont une position de repos (hors alimentation) et uneposition de travail (alimentation par une source de tension ou de courant).

Les electroaimants peuvent etre alimentes en courant continu OU en courant alternatif.Un electro-aimant comprend essentiellement un circuit magnetique comportant une

partie (armature) fixe et une partie (armature) mobile, separees par un entrefer variable Jors dufonctionnement, et une bobine, montee sur une branche du circuit magnetique (l'annaturefixe), qui produit le flux magnetique necessaire a I'attraction de l'armature mobile.

On distingue des circuits magnetiques it rotation et circuits magnetiques a translation:l'armaturemobile peut effectuer un mouvement de rotation ou un mouvement de translation.

La figure 8.1.1 represente schematiquement les electroaimants Ie plus utilises dansl'appareillage (b - bague de dephasage, e - position de l'entrefer residuel d'antiremanence,x -deplacement de l'armaturemobile).

Lorsque la bobine n'est pas alimentee (position "repos"), un ressort antagoniste(ressort de rappef)maintient l'armature mobile a une certaine distance (entrefer) par rapport al'armature fixe. En position "fermeture" Ciabobine alimentee) l'entrefer est reduit au minimumpossible grace au traitement mecanique des surfaces des armatures.

On rappel quelques notions sur Jecomportement d'un electro-aimant :- la reluctance d'un circuit magnetique homogene de longueur 1,de section constante S

et de permeabilite j..lest

8.1. Eleetroaimants

8. APPAREILLAGE. CONSTRUCTION. FONCTIONNEMENT. CROIX

T

Page 44: Manual IAE

8.3

En courant continu, un circuit magnetique feuillete peut etre utilise sansinconvenients a cote des noyaux massifs.

Fig. 8.1.3

Cette spire conductrice qui entoure environ les deux tiers d'une des pieces polaires del'electro-aimant (fig. 8.1,3) engendre un flux $s, soustractif SOllS la bague et additif en dehors.Elle substitue a un flux unique pulsateur 4> deux flux 4>1 et <1>2 .dephases l'un par rapport IIl'autre, de sorte que les deux forces de maintien ne s'annulent pas simultanement et que laforce totale resultante, possedant une compos ante continue, n'estjamais nulle.

Fig. 8.1.2

!.Bt,

Le flux cree par la bobine sous tension con stante reste constant -(u "" e =-N dijJ i dt ),l'impedance de la bobine est en premiere approximation inversement proportionnelle II lan!iuctance du, circ:ut magnetique a; = N 2/R"..1 ;.)e cour~t .magnetisant h est donepr~portlOnnel a la reluctance. _ ' .' '.",. En position dite "d'appel'' (position "ouvert"), du fait de la presence d'un. grandentrefer, la reluctance totale du circuit magnetique est importante et l'impedance de la bobinepeu elevee, 11faut done un courant d'appel important pour creer un effort eleetromagnetiquesuperieur Ii celui du ressort de rappel et permettre l'attraction de l'armature. II est limitepresque uniquement par la resistance de labobine.

Lorsque l'electroaimant est en position "fennel! (position "travail"), l'entrefer et donela reluctance sont tres faibles, l'impedance de la bobine est elevee et par consequent Ie courantde maintien est tres inferieur (par exemple 6 II 10 fois) au courant d'appel. Ce courant suffit amaintenir l'electroaimant ferme.

Vu que le flux magnetique est altematif $ = ~toax sinet, <1>2 = $111,,/(1- c6£2eot)/2, laforce d'attraction entre les armatures, varie en sinzrot, par consequent avec la pulsation 2eo, enpassant par zero deux fois pendant une peri ode (fig.8.1.2). En fenneture, l'armature mobilepeut vibrer par decollement pendant les periodes oil la force de rappel est preponderante. Poureviter celles-ci, on a recours a une spire de maintien (bague de dephasage, spire de Frager).

(8.1.5)la resistance est

(8.1.4)

8.2

J 2 r 2 'R 2 (L)2Zb=Rb +Xh ="\1 b +(l)bOU Rb est la resistance et Lb est l'inductance de la bobine. En general,negligeable devant la reactance (Xh »Rh , Zb :,:Xb).

magnetique d'un electroaimant est un circuit feuillete ~en ~tilisant des toles d'acier aus.ilicium) afin de reduire les courants de Foucault. La rectification precise des parties fixe etmobile assure un fonctiormement silencieux.

Dans Ie cas d'alimentation de la bobine a une tension con stante Us, le courant dans Iecircuit de la bobine Ib est limite par l'impedance Zb de celle-ci

VbIb=-Zb

Fig. 8.1.1

nU""'" nOVIRJ Il!lJf Mit.)UfilIHI.f. 6It COU'tr<l altf'fn.&CII~

Clapet

lio I'IPJla.i Cl:I'cufM"lCIJI,ll'a.rtl(.(I1'ITtl"loJl

~f1O'!'1Ili'Il!et~,fIkll~&fRoI!llom1!lt'llATmatu:rt!s en 'r1>tation

I~II[~;'!-+----'--. -_ ..---i

C~c : )-.!

Principaux types d'electroaimants

(3 - l'aire de la surface de la piece polaire de l'eleotroaimant, par laqueUe se renferment leslignes du champ magnetique entre les deux armatures) ; . . .

_ l'attraction de l'armature mobile par l'armature fixe et Ie mamnen de celle-ci danseene.position are lieu 11 la condition que la force d'attraction depasse la valeur de la force duressort antagoniste.

En courant alteruatif (de frequence f et pulsation (l) = 21tf), Ie circuit

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8.58.4

Le fonctionnement correct d'un reseau electrique exige :- la commutation de puissance, dans les circuits d'alimentation des recepteurs ;- la commutation logique, assurant Ie fonctionnement sequentiel d'un schema;- la protection de l'installation, des personnes et de biens contre les situations

dangereuses ;• la surveillance du fonctionnement du reseau et la signalisation des etats normaux et

d'avarie.Ces fonctions imposent la presence d'un ensemble des appareils specialises individuels

ou groupes dans un appareil unique.Par exemple, les appareils d'interruption. ne sont que des organes executant les ordres

emis soit par l'homme, soit par un automatisme. lis exigent l'emploi d'un systeme deprotection comportant des organes detectant l'existence d'une situation dangereuse et decidantl'ouverture de l'appareillorsqu'i] y a lieu.

Dans ce but, on fait appel aux relais et declencheurs,Les relais/declencheurs electriques comprennem une partie (circuit) d'entree, ayant un

role de detection d'une situation donnee dans le circuit dont ils sont affilies, et une partie desortie (d'execution) qui emet un ordre vers I'exterieur.

Selon leur definition (§ 7.6), les relais subissent, dans leur circuit d'entree, l'actiond'une grandeur electrique determinee et agissent, it la sortie, sur un ou plusieurs circuitselectriques, dans des conditions specifiees. Cette action correspond a la fenneture ou al'ouverture des contacts logiques d'autorisation et de verrouillage ou de signalisation. Lesrelais sont donc des appareils sensibles a une grandeur electrique et provoquent une action

8.2.1. GeneraHtes

S.2. Relais et decleneheurs

_'': .

electrique telle que coupure d'un circuit d'alimentation ou mise sous ou hors tension d'uncircuit electrique.

Les declencheurs (§ 7.6) sont des appareils sensibles Ii une grandeur electrique etprovoquent une action mecanique, telle que liberation de la serrure d'un disjoncteur, sansmtermediaire electrique, lls sont en particuliere des composants de mesure (§ 8.2.3).

Les grandeurs les plus frequemment controlees sont le courant et la tension. Dans cequi suit, on se rapportera particulierement au relais et declencheurs sensibles au courant.

Un relais/declencheur possede, en general, deux etats : initiale et finale.De facon generale :- l'action du relais se produit sous I'influence de la grandeur d'alimentation qui permet

au relais d'operer ; c'est-a-dire, apres une phase de demarrage, d'atteindre un etat defonctionnement determine des contacts dans le circuit de sortie;

-J'evolution inverse ou relachement pennet au relais de retonrner, en passant par unephase de degagemeni, pour revenir a l'etat initial.

Quand un relais change d'etat, on dit qu'il vire, et s'il effectue un cycle complet, qu'ilmanreuvre.

Le temps de fonctionnement est l'intervalle de temps de passage de l'etat initial a l'etatfinal. La caracteristique temps-courant (appelee aussi caracteristique de fonctionnement,caracteristique de declenchement) d'un relais ou declencheur peut etre une caracteristiqueind6pendante ou dependante de la valeur de la grandeur d'entree,

On distingue :- des appareils instantanes (sans retard intentionnel) ce qui ne signifie pas que leur

temps de fonetionnement sera nul, mais seulement qu'aucun artifice n'est pas utilise pouraccroitre ce temps; au contraire, en general on recherche a le reduire a la plus faible valeurpossible (allegement des pieces mobiles, par exemple) ;

- des appareils a temps specific (temporisesy, prevus pour avoir un temps defonctionnement aecru soit constant, soit fonction de la grandeur d'entree.

Les relais au declencheurs temporise, a temps constant sont intentionnellementretardes par rapport au moment ou les conditions pour operer ou pour retourner sontremplies ; ces temporisations peuvent etre prevues soit a l'actionnement, soit au relachementet parfois dans les deux operations.

On peut utiliser comme organe de temporisation (un retard entre l'organe moteur etl'action attendue : maneeuvre de contacts dans Ie cas de relais, deverrouillage d'une serruredans le cas de declencheurs) :

- un ralentisseur pneumatique, pour les temps courts, de la fraction de seconde aquelques minutes;

. - un micromoteur synchrone, pour de plus longues durees, de quelques secondes Itquelques dizaines d'heures ;

- un retard electronique realise soit par circuit analogique RC (utilisabJe de quelquescentiemes de secondes it quelques minutes), soit par circuit numerique (utilisable de 0,01 ~jusqu'a des centaines d'heures).

- les mouvements d'horlogerie ;- les freins magnetiques (a courants de Foucault, comme dans les disques des

compteurs) ;-les freinages aerodynamiques (palette toumant dans l'air, entrainee a vitesse elevee).Les diverses solutions evoquees plus haut sont utili sees dans :- les declencheurs ;- les contacts auxiliaires de contacteurs utilises dans des automatismes (par exemple,

d..6marrage en plusieurs temps, en particuliere etoile-triangle) ;- les relais de temps, participant it des automatismes varies.

(8.1.6)I _ Ubb -

Rbet reste donc constant independamment de l'entrefer,

En utilisant le meme electroaimant qu'en courant alternatif, a l'appel lescaracteristiques de la bobine sont telles que sa resistance determine un courant suffisant a lafermeture, Lorsque l'electroaimant est ferme, la valeur de la resistance restant toujours lememe, Ie courant reste egal au courant d'appel alors qu'un courant tres inferieur suffirait aumaintien du circuit magnetique en position de fermeture. Sauf conception particuliere del'electroaimant, la puissance qui resulte du passage en permanence du courant d'appel ne peutetre longtemps absorbee par la bobine, sans une elevation exageree de sa temperature. Lareduction de consommation qui en courant alternatif est obtenu automatiquement par lavariation de l'impedance de la bobine, impose I'utilisation d'une resistance additionnelle d.evaleur appropriee inseree en serie avec la bobine it l'aide d'un contact auxiliaire a ouverturequi s'ouvre en fin de fermeture de l'electroaimant.

Dans Ie cas d'un electroaimant specialement concu pour le fonctionnement en courantcontinu, le systeme de reduction de consommation n'est plus necessaire, mais la bobineemployee differe de la bobine normalement prevue pour la meme valeur d'une tensionalternative d'alimentation de la bobine. L'electroaimant est plus largement dimensionne qu'encourant alternatif (volume d'acier et de cuivre plus eleve), A calibre egal, l'electroaimant estplus encombrant qu'un electroaimant a circuit magnetique altematif alimente en courantcontinuo

A l'alimentation en courant continu (tension Us), la valeur du courant n'est fixee quepar la resistance de la bobine

T

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8.7

- un circuit magnetique compose d'une partie fixe, d'une armature mobile (souvent itmouvement de rotation) et d'une bobine ; . ..

- un mecanisme de declenchement actionne par l'armature mobile et qUI agtt sur lemecanisme de verrouillage d'un disjoncteur. .

La bobine branchee en serie dans l'une des phases du recepteur, est parcourue par lecourant a controler. Si ce courant depasse la valeur de reglage, le champ magnetique produitpar la bobine devient suffisant pour provoquer l'attraction de l'armature mobile et l'ouverturede l'appareil commande. Le reglage s'effectue en reduisant ou en augmentant !'entrefer, ce quimodifie le nombre d'amperes-tours necessaires a la fenneture du circuit rnagnettque., .

Le temps de declenchement est presque independant de la valeur du courant,. a partirdu courant de reglage (caracteristique temps-courant independante), La temponsation peutetre realisee en utilisant les principes ci -dessus.

Fig. 8.2.1

»j••r~o. 101... d. ,~/ai•• t d. d~e/.fteh.ur.0) i no,~~~ol/~II;l ·p..~"'t.t.. _bli ..f!) • PIt.J.t,'ttt mo:bJ l,rt• .nottte .~I.I'" blll'r'e,.•

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c(Rogu.go at rOJ:lpetne sont palO rlpr~"n. j

b

mobile (souvent sous la forme d'une palette) se deplace au-del a d'un seuil regie par un ressort.Le reglage du relais/declencheur depend done de la tension du ressort et de l'entrefer. Des queIe courant depasse la valeur de reglage, l'armature mobile est appelee avec un effort croissant,superieur a l'effort d'appel au seuil. Les reglages peuvent etre : non retardes (instantanes) ou aretard intentionnel de courte ou de longue duree, Le retard pent we dependant du courant(normalement a temps inverse) ou independant du courant, obtenu par un moyenpneumatique, hydraulique, mecanique, electrique ou electronique.

Un declencheur electromagnetique a maximum de courant comprend en principe(fig. 8.2.1) :

TI

8.6

lis sont fondes sur l'utilisation d'un effet magnetique, dans un electroaimant excite parle courant du circuit dans lequel ils sont inseres (ou proportionnel a celui-ci) et dont l'arrnature

8.2.4. Relais et·deelencheurs electromagnetiques de surintensites

L'action des relais/declencheurs de mesure sur les sorties (par exemple, les circuitselectriques de sortie), lorsqu'ils son soumis, it l'entree, a une grandeur electrique, estconsecutive non a la presence ou l'absence de la grandeur, cornme pour les relais de "tout ourien", mais au franchissement d'un seuil, en general reglable, par la grandeur d'alimentation,

La grandeur d'alimentation est situee dans un domaine admissible et caracterisee parune valeur nominale. Le fonctionnement se decrit de la meme facon que pourles relais de"tout ou rien", mais c'est ici l'evolution de la grandeur d'alimentation qui permet au relaisd'operer ou de retourner.

La plupart des relais/declencheurs sont des relais/declencheurs d'amplitude ; ilsagissent au franchissement d'un seuil soit par valeurs croissantes (relais/declencheurs amaximum), soit par valeurs decroissantes (reiais/declencheurs a minimum). Les grandeurs asurveiller peuvent stre Ja tension, le courant, la frequence, etc.

8.2.3. Relais et declencheurs de mesure

La grandeur d'alimentation peut etre soit constante ou lentement variable, dans deslimites specifiees, soit nulle .

. Le relais/declencheur est appele monostable quand, cbangeant d'etat sous l'influencede la grandeur d'alimentation, il retourne a l'etat precedent par suppression de cette grandeur.Un relais/declencheur monostable agit quand iJ passe du repos (non alimente) au travail etrelsehe dans Ie cas contraire. Les contacts des relais sont appeles R quand ils sont formesdans la position du repos et T quand ils le sont dans la position du travail; .

.Les relais electromecaniques, dont la construction est basee sur un electroaimant, sontplutot destines aux automatismes industrieis.

Les contacteurs auxiliaires (appeles aussi relais) sont utilises pour la realisation desystemes automatiques. Leur construction est similaire celui des contacteurs de puissance (§8.3). Il existe aussi des variantes d'alimentation en courant continuo

8.2.2. Relais et declencb~nrs de "tout ou rien"

Les relais et declencheurs a maximum de courant temporises, a temps dependant ducourant, utilises pur la protection des circuits contre les surcharges (voir § 8.2.5), sontcaracterises par une courbe de declenchement (caracteristique temps-courant) decroissante(a temps inverse) : plus le courant est grand, plus le..temps de fonctionnement est court ..

La valeur de fonctionnement du relais/declencheur est ajustable dans un domaine demesure dont l'etendue est donnee par le rapport d'ajustement, ega! au rapport de la valeurmaximale a la valeur minimale de fonctionnement.

Afin de couvrir toutes les valeurs de la grandeur a surveiller dans des circuits, unrelais/declencheur peut etre regie.

Le courant de reglage I; est la valeur de courant du circuit dans lequel lerelais/declencheur est insere a laquelle se rapportent les caracteristiques de fonctionnement del'appareil et pour laquelle l'appareil est regie.

Deux grandes categories de relais et declencheurs sont normalisees lesrelais/declencheurs de "tout ou rien" et les relais/declencheurs de mesure.

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8.9

Le relais est en regie generale compense, c'est-a-dire insensible aux variations de latemperature ambiante ; une bilame de compensation, influences uniquement par les variationsde temperature de l'air ambiant, est montee en opposition avec les bilames principales.

Le relais est generalement muni d'un dispositif qui provoque Ie declenchement durelais en cas d'absence de courant dans une phase (perte de phase, marche en monophase),

Un rearmement manuel ou automatique apres le declenchement est egalement prevu.Le rearmement fie peut s'effectuer que lorsque les bilames sont suffisamment refroidies.

Fig. 8.2.5

En courant altemarif, les relais thermiques sont generalement tripolaires. Un relaisthennique tripolaire comporte trois bilames (chacune avec son enroulement chauffant) dansun boitier commun.

Les bilames agissent en generale simultanement sur deux contacts : un contact aouverture et un contact a fermeture (fig. 8.2.5). Le contact a ouverture commandel'interruption du circuit de la bobine du contacteur. Le contact a fermeture peut commander unvoyant de signalisation.

Fig. 8.2.4

(J

d'accrochage d'un disjoncteur tdeclencheur thermiquei, suivie de la coupure du courant ducircuit.

Les relais thermiques sont des appareils independants qui peuvent etre associes avecdes contacteurs (voir fig. 8.3.3, annexe 2).

Le principe de fonctionnement est donne par la figure 8.2.4 (a -non-actionne ; b -actionne) au : 1 - bilame ; 2 - piece de fixation; 3 - tige ; 4 - contact fixe ; 5 - contactmobile; 6, 7 - ressorts ; 8 - guidages.

rI

8.8

- direct (a), en serie avec le circuit du recepteur ;- indirect (c), par chaufferette separee, soit en til bobine auteur des bilames, soit en

bandes plaquees contre elles ; .- semi-direct (b), soit en serie, soit en parallele ;- direct, au secondaire d'un transformateur de courant, dont la saturation peut etre fixee

a un multiple plus ou moins proche du courant nominal.Dans les cas b) et c), un enroulement chauffant est bobine autour de la bilame et

raccorde en serie avec une phase du circuit (directernent au par un transfonnateur de courant,pour des forts courants). .

.L'echauffernent dli au courant du circuit provoque une deformation de la bilame, plusou morns importante, suivant la valeur de ce courant. En se deferment, la bilame oommandele deplacement (translation ou rotation) d'une piece qui commande l'organe d'execution,

Si Ie courant absorbe par Ie recepteur devient superieur a 1avaleur de reglage du relais,la deformation de la bilame est suffisante pour provoquer l'ouverture brusque d'un contactinsere dans Ie circuit commande (relais thermiquey ou la liberation du mecanisme

Fig. 8.2.3

b} c)a)

Le chauffage de la bilame par un courant electrique peut etre realise(fig. 8.2.3) :

Fig. 8.2.2

Les relais/declencheurs a...lames ..bimetaUiques.exploitent..1a4ilatatioll-differentielle-$.deux bandes metalliques colaminees.

Les relais et les declencheurs thermiques a bilames (lames bimetalliques) sont lesappareils le plus couramment employes pour la protection des circuits contre les surchargesfaibles et prolongees, lis sont utilisables en courant alternatif et continuo

Un relais/declencheur thermique unipolaire comporte une bilame (fig. 8.2.2)constituee de deux meraux assembles par laminage et dont les coefficients de dilatation sonttres differents,

B. Construction et principe de fonctionnement des relais et des declenehenrsthermiques a bilames

lis sont fondes sur les effets thermiques du courant et servent surtout it la protectionthermique des recepteurs et des canalisations.

8.2.5. Relais et declenchears thermiques de surintensite

Page 48: Manual IAE

8.11

Un declencheur doit provoquer l'interruption du circuit dans Ie temps oul'echauffement des composants du reseau ne depasse pas les valeurs admissibles.

d. Chon d'un deelencheur electremagnetique

On adopte le courant de reglage egal au courant nominal du circui.t. Il en resulte lecourant nominal de la bilame au relais/declencheur. Le courant nominal du bortier d'un relaisest choisi selon le tableau de correspondance (tab. 8.2.1).

c. Choix d'UD relais OUd'un declencheur tbermique

Fig. 8.2.7

8.10

Fig. 8.2.6

Le reglage du relais/declencheur (§ 8.2.1) s'effectue en modifia~t ~ l'aide d'un ~~ lacourse que doit parcourir l'extremite de la bilame ou la piece de tran,smtSSlOnpour s~ libererdu dispositif d'accrochage qui maintien le relais/declencheur, arme. Le ~ourant limite dedeclenchement est compris entre 1,05 et 1,2 fois la valeur affichee. Le domaine du courant dereglage d'un relais thermique, limite par l~ valeurs mini~les et maximales entre lesquelleson peut choisir la valeur du courant de reglage, est CbOlSI de telle facon que les domainesvoisins soient partieUement superposes, par exemple :

1r",(0,7 ... I)1. ou 1r",,(0,8 ... I)/ n-

(!) Fooctionnement equlnbrll. 3 phases, ",,8 passage pr8alablS du courant (t froid)® Fooctlonnement sur 1$$ :< phUaa, sana passage pr8alable ckI courant (a froid)cD Fonctlonnement tlqullibr6 3 phuea, Blris ~e proIongO au courant de r6glage (t chlWd)

2h10.4.h

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Bilame (In) 1°,4 0,55 0,75 1,0 1,3 1,8 3,3 4,5 6 8 II 16 20 25 32 40 63

i 10 1 --I,A

Boitier (Ib) I 32 1

1 - i 63

La garnme des courants nominaux I" des bilames comprend un nombre de valeurs, Ces valeurs peuvent differer pour relais et pour declencheurs. La gamme de

normees. . . b'l t ""- ontes danscourants des boitiers des relais est plus restremte ; plusieurs 1 ames peuven vue m ,le meme boitier. Le tableau 8.2.1 donne un apercu sur les valeurs le plus repandus,

Tableau 8.2. J Courants des relais thenniques

La caracteristique temps-courant d'un relais/declencheur therrnique donne la duree defonctionnement (temps de declenchement) en fonction du courant presume du circuit, exprimeen multiples du courant de reglage (fig. 8.2.6).

Les relais/declencheurs de protection thermique prennent en compte les surintensites apartir dun seuil compris entre 105 et 120% du courant de reglage, Le declenchemenrn'intervient qu'au bout d'un certain temps, d'autant plus court que la surintensite est importante(caracteristiquea temps inverse).

Les relais therruiques sont souvent destines a proteger les moteurs contre lessurcharges. Mais ils doivent laisser passer la surcharge temporaire due Ii la pointe de courantau demarrage. C'est la raison pour laquelle des classes de declenchement ont ete etablies afinde permettre d'adapter les relais aux caracteristiques des moteurs. Ces classes permettentegalement de disposer de relais adaptes aux durees de demarrage des machines (par exemple,demarrage Ii vide, demarrage long des machines a forte inertie, etc.). La caracteristique atemps inverse autorise le passage, sans declenchement, de la surintensite normale audemarrage du moteur. Les protections thermiques de classe 10 conviennent aux utilisations lesplus courantes (duree de demarrage inferieure Ii 10 secondes), Les protections thermiques declasses 20 et 30 sont indispensables pour les demarrages longs et penibles. Voir figure 8.2.7.

_",:--

Les declencheurs thermiques sont des appareils unipolaires. lis son~ inc~rpores dansdisjoncteurs (un dans un disjoncteur unipolaire et trois dans un drsjoncteur tripolaire),

b. Caracteristiques de fonetionnement,

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8.13

Le contacteur electromagnetique est un appareil mecanique de jonction qui fonctionneen "tout ou rien".

Lorsque La bobine de l'electro-aimant est alimentee, le contacteur se ferme etablissant,par l'intermediaire de poles principaux, le circuit entre le reseau d'alimentation et Ie recepteur.Le contacteur reste ferme tant que Ie circuit d'alimentation de la bobine est maintenu ferme.

Fig. 8.3.2

8.3.2. Principe de fonctionnement

Constituants electriqll8S d'un contacteur

unifilaire

Circu~prinelpa!Contacts/pmospnncipaux

muttifii.aire

Circults/contactsJpOlesauxi~Bires

Bobine

La constitution usuelle (fig. 8.3.2) est tripolaire (circuit principal/circuit de puissance)avec plusieurs contacts auxiliaires (au moins un contact it fermeture),

Fig. 8.3.1

q 8Qcle i$olant

3 aeS5~rt,B8surant lu pression de.e on te.c.t,'

4. L1al.6on meClJ.-nique en nr-e plI.rt:iemobi J-e. du c j rcu! t magn€.>tique e tcontact mobile

{) Pa.rtie- mobLLe f'lott,e:nte du ct e-cct e.lJ'j6..gh(;'t.~.qU~.

6 Ilqvt"" d'"t,tr .ae t.fcn.

7 Pa:rti.e rt-ae du ct r-cu f t mag,,,\tiq,,"

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C.ont.:-a,C~s fixes

2 Conta:c ts mob!les

Coup·e AS

.Ct._._.,~

coupe CD

8.12

Les elements constituants d'un contacteur sont : les poles (voir § 7.4) principaux etauxiliaires, J'organe moteur et le bati d'assemblage.

Les poles princlpaux assurent la commutation des circuits de puissance ayant pourrole d'etablir et d'interrompre l'alimentation des recepteurs. TIssont mums de contacts (piecesde contact) de puissance fixes, de bornes de raccordement au circuit et de contacts (pieces decontact) mobiles entraines par l'organe moteur. Les contacts mobiles sont mums de ressortsqui assurent la pression convenable sur les contacts dans la position "ferme". Les poles sontrealises sous deux formes principales : poles a simple coupure (comportant un mouvement derotation) et poles a double coupure (comportant un mouvement de translation) qui sontpratiquement generalises pour les contacteurs dans l'air,

Leg poles anxiliaires sont munis de contacts auxiliaires qui, inseres dans des circuitsde commande et auxiliaires, assurent les auto-alimentations (I'auto-maintien du contacteur enposition "ferme"), Ies asservissements, les verrouillages des contacteurs ainsi que lasignalisation (pour signaler a distance la position du contacteur, et surtout pour informer decette position les dispositifs d'automatisme dans lesquels intervient le contacteur).

L'organe moteur, agissant par des organes de liaison sur les contacts mobiles, peut etreun piston dans un cylindre alimente en air comprime (contacteur pneumatiquei. Le plussouvent il est un electro-eimant (contacteur electromagnetiquev:

Afin d'eviter les vibrations bruyantes dans la position "ferme" (electroaimant al'entrefer minime) on utilise une ou deux bagues de dephasage (spires de Frager) dans unepartie du circuit magnetique qui empechent l'annulation periodique du flux total, done de laforce d'attraction (§ 8.1). .

Les electroaimants de contacteurs, produits en tres grande serie, ont une branchecentrale, dont l'entrefer plonge plus ou moins a l'interieur de la bobine, et deux brancheslaterales, portant chacune une bague de dephasage.

La course d'appel est Ia distance qui separe les contacts fixe et mobile lorsque Iecontacteur est au repos. La course d'ecrasement est la distance parcourue par les contacts dumoment de leur attouchement jusqu'a la fin de la course.

Le contacteur est maintenu en position "ouvert'' par des ressorts de rappel qui assurentaussi l'ouverture de l'appareil (retour a la position de repos), Les ressorts de contact secompriment au cours et jusqu'a la fin de la course d'ecrasement.

Les constituants d'un contacteur electromagnetique a courant alternatif a mouvementde translation de l'armature mobile sont representes schematiquement sur la figure 8.3.1.

8.3.1. Elements consntoants

Un contacteur (voir § 7.5) est un appareil destine a assurer, en general un grandnornbre de fois, les manreuvres en charge normale. En l'absence de l'alirnentation de sonorgane moteur, il est ouvert et l'alimentation du dispositif moteur assure la fermeture et lemaintien en position "ferme''. Par association avec des appareils specifiques, le contacteurpeut accompli la fonction de protection centre les surcharges.

8.3. Contacteurs

Cette condition s'exprime par la relation entre le courant de reglage et le courantadmissible de la canalisation :

1re ~ 4,51a (8.2.1)Le declencheur ne devra pas ~tre actionne par le courant de pointe du circuit Ip :

1re:2 1,21p (8.2.2)

Page 50: Manual IAE

8.15

I

I"

Les divers types de contacteurs sont utilises:- pour la comrnande des circuits de distribution et des circuits terminaux (moteurs -

voir Annexe 2 -, eclairage, chauffage, etc.) ;- comrne auxiliaires de commande (mini-contacteurs auxiliaires) dans differents

schemes de commande sequentielle.Seion les particularites du circuit dans lequel ils sont inseres, les contacteurs peuvent

etre associes ou non avec des relais thermiques de protection contre les surcharges.

8.3.4. Choix d'un eontacteur

Le contacteur :- permet un.echarge norrnale qui n'est pas seulement le courant de regime permanent,

mais aussi rappel de courant au dernarrage d'un moteur qu'il faut etablir, et dans certains cascouper;

- assure aussi bien un fonctionnement intermittent qu'un service continu ;- permet ·1a commande iocale ou a distance (outre· la securite qu'elle procure au

personnel laisse toute liberte pour l'implantation des contacteurs dans l'installation) et lamultiplication des postes de commande (en les placant 11proxirnite de l'operateur) ;

- assure, en association avec des relais appropries, la protection des circuits contre lessurcharges; _.

- est robuste et fiable, car il ne renferme aucun mecanisme delicat ; il permet un grandnombre demanceuvres, depuis quelquesmaneeuvres par jour jusqu'a plusieurs maneeuvres it laminute (et parfois plus) ;

- s'adapte facilement a la tension d'alimentation du circuit de commande (reseau ousource separee) ; .

- assure lors d'une interruptionmomentanee du courant, la securite du personnel contreles demarrages intempestifs (au moyen d'une commande par boutons-poussoirs a impulsion) ;

- protege Ie recepteur contre la disparition de l'alimentation ou centre les baisses(chutes) de tension importantes (ouverture instantanee en dessous d'une tension minirnale) ;

- se pret Ii la conception d'equipements d'automatismes simples ou complexes ; ilpermet: l'execution d'ordres elabores soit par des dispositifs a programme, soit par desdispositifs d'asservissement varies (automates de pression - mono-contacts-, de position - finde course-, de niveau, de temperature) ainsi que par de chaines des sequences ou desasservissementspar des contacts electriques ou des circuits logiques.

8.3.3. Caracteristiques de fonctionnement

Lorsqu'un contacteur et un relais de protection sonr associes pour assurer la protectioncontre les surcharges, ie contact it ouverture du relais est branche en serie dans Je circuit decommande du contacteur. L'ouverture du contacteur en cas de defaut (surcharge) se produitainsi automatiquementcommandee par le relais.

La figure 8.3.3 donne un exemple de schema d'une association contacreur-relaisthermique dans un circuit (representation assemblee).

Fonctionnement du schema:- fermeture du contacteur Ql par impulsion sur le bouton-poussoir SI ;- auto-alimentation par fermeture du contact (13-14) du contacteur ;- arret it volonte par impulsion sur le bouton-poussoir S2 ;- arret en cas de surcharge dans le circuit, par Ie contact (95-96) de Kl.Des schemas de dernarreurs (voir §7.8) sont presentes dans Annexe 2.

lI

8.14

Fig. 8.3.3

Asscx;iation contacteur-re!a1s thermlque-commande

vers recepteur

..,j

-Ql -_._.- ._._._._._...._..._._._..._._..._.._._._._._.... _._._.... _...__.__.•,

. ~ ~ ~ !!~S1

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-52

ve,. reseau

Des que la bobine est privee de tension, le circuit magnetique se demagnetise et Ie contacteurs'ouvre sous l'effet des ressorts de pression des poles et du ressort de rappel de I'armaturemobile.

Lorsque Ie contacteur est au repos (contacts ouverts), en position dite"d'·appel",J'electroaimant necessite un courant d'appel important pour creer un effort d'attractionsuperieur a celui du ressort de rappel et permettre l'enc1enchemerit(§ 8.1). Lorsque lecontacteur est en position "travail" (contacts fermes), Ie courant est tres inferieur (par exemple6 a 10 fois) au courant d'appel.

L'alimentation du circuit de commande (circuit de la bobine) peut se faire sous unetension identique ou differente du circuit de puissance, a partir du circuit de puissance (encourant altematif entre deux phases ou entre une phase et Ie neutre, soit directement, soit partransformateur) ou Iipartir d'un circuit separe.

L'ordre de commande peut etre donne par un bouton-poussoir a position maintenue.Pour eviter toute refermeture inopinee apres une disparitionaccidentellede la tension ou touteautre .raison d'automatisme, on utilise souvent des boutons-poussoirs a impulsion (a rappelautomatique) offrant la possibilite de commande (fermeture/ouverture)locale ou a distance apartir d'un ou de plusieurs postes de commande.

Le schema le plus repandu comprend deux boutons a impulsion,a rappel automatique,en sene dans Ie circuit de Ia bobine : un bouton de marche, possedant un contact a fermetureet un bouton d'arret muni d'un contact a ouverture. Afin que le circuit de commande resteferme des que cesse l'impulsion, on utilise un contact auxiliaire a fermeture, appele contactd'auto-alimentation (auto-maintien), actionne par le coutacteur lui-meme et branche enparallele sur le bouton de marohe. Les deux boutons de commande peuvent roe fixes sur lecoffret contenant Ie contacteur (commandemanuelle locale symbolisee :1-marche, a -arret)ou places it volonte dans l'instaUation(commande it distance). Il est possible d'ajouter un ouplusieurs postes de commande a distance (boutons de marche, en parallele et boutons d'arret,en serie).

Page 51: Manual IAE

8.17

Lampes a decharge (vapeur de mercure ou de sodium) a haute pression, Ellesfoncti.onnent avec un ballast <Pt.'" 0,1 Pj), un amorceur et uncondensateur de compensation00...120 J..Lf, en fonction de la puissance de la lampe).

Le contacteur est choisi de telle sorte que :

ou Pb - puissance du ballast.

(8.3.2)I == nCPf +.P")

C Uph cose

Tubes fluorescents. Les tubes fluorescents fonctionnent avec une impedance(dominante inductive) branchee en serie (ballast) qui absorbe une puissance activesupplementaire d'environ 10 W (pour lampes de puissance 20 ... 65 W). Le facteur depuissance est voisin de 0,4 {sans compensation de 11.'1puissance reactive) ou 0,9 (aveccompensation), En premiere approximation on peut admettre que le condensateur decompensation (branche aux bomes du circuit lampe-ballast) etant generalement faible«·10 J,!F)n'intervient pas dans le choix du contacteur.

Le contacteur est choisi de telle sorte que:

I >~AC-l - 0,8

990800640

IPendant Is

I Pendant 5 sPendant 10 s

I Type de contacteur I LCIi D09 D12 D18 025 I D32 I D40 D50 D65 i D80 i D95r Courant thermique 25 I 25 32 40 50 60 80 80 T 125 125assizne IJh• AI Courant assigne d'emploi 1.,A (en= 40cC)AC-l I 25 I 25 I 32 I 40 50 I 60 I 80 I 80 I 125 I 125II AC-3 9 ,12 18 25 32 I 40 I 50 65 , 80 95

i Puissance nominale I I II I I II d'emploi (puissance II

,I normalisee du moteur, 4

I5,5 7,5 11 15 18,5 22 30

I37

I45I triphase 400 V, AC-3), I

IkW IIPuissance reactive II

d'emploi (triphase, 11 11 lS 20 ·25 30 40 40 I 60 60i 400 \1), kvar I ir Pouvoir assigne de I

250 300 450 1000 r 1100 1100 II ~ermetureJcoupure, If I 250 550 800 900- I

Courant temporaire admissible, IrD A l

Tableau 8.3,l. Contacteurs Telemecanique

(8.3.1). I:,

8.16

Lampes a filament. Le facteur de puissance COS<j) est voisin de 1. Une pointe decourant Ip = (15 ... 20) In (valeur de crete) se produit it la mise sous tension (filaments froids,done peu resistants). La categorie d'emploi est AC-1. Il faut s'assurer que le contacteur estcapable:

- de supporter le courant nominal du circuit Ie (son courant assigne d'emploi JAc.! doitetre superieur au courant nominal) ;

- d'etablir le courant de pointe (son pouvoir de fermeture If doit etre superieur Ii lavaleurefficace du courant de pointe lp) :

Outre le facteur de puissance du circuit (coso) et le courant absorbe en service normal,(Ie) c'est le courant transitoire it la mise sous tension de certaines lampes qui conditionne Iechoix des contacteurs, Les lampes (puissance unitaire PI) sont branchees habituellement entrephase et neutre (n lampes par phase).

a. Circuit d'eclatrage

Exemples d 'utilisation

Fig. 8.3.4

A. titre d'exernple, on donne dans le tableau 8.3.1 quelques caracteristiques descontacteurs utilises dans des circuits de distribution (220 .., 440 V) a la temperatureambiante .$ 40°C.

Categoriesoempk» en courant ettemeti!

:..--J tempsduree de

demarrage'

..

couranltcourant

I ""~l11~Bl

AC·3 AC·21 AC·4AC·1

Le choix d'un contacteur est fonction de la nature et de la tension du reseau, de lapuissance installee, des caracteristiques de la charge, des exigences du service desire. Lesperformances des contacteurs sont precisees par Ie constructeur dans des cataloguesspecifiques Les catalogues contiennent souvent indications directes concernant les puissancesetlou le nornbre des differents types de recepteurs commandes,

cage.

Les categories d'emploi. des contacteurs dependent de la nature du recepteurcommande (resistance, moteur, etc.) et des conditions dans lesqueUes s'effectuent lesfermetures et les coupures (moteur lance, inversion du sens de marche, etc.).

'Les principales categories d'emploi en courant altematifsont (fig, 8.3.4) :- AC-l : s'applique Iitous les recepteurs qui ont un coso Z 0,95 ;- AC-3 : demarrage des moteurs Iicage, avec coupure moteur lance;- AC-4 : demarrage, freinage en centre-courant et marche par a coups des moteurs Ii

Page 52: Manual IAE

8.19

Les plus repandues realisations techniques sont : disjoncteurs ouverts et disjoncteursen boitiers moules.

Les disjoncteurs ouverts (des appareils a usage industriel) comprennent une structurecomposite d'eIeme~ts mec~que et electrique assembles sur un chassis metallique. Lesmon~ges fix~s existent mars on emploi aussi des appareils debrochables. Ces derniersfacilitent l'acces p,o~r l'entretien et ameliorent la securite, La coupure s'y effectue dans l'air, Iipression atmosphenque.

Dans les dis~~ncteurs en boitiers '!'ouIes, des b~itiers compacts et robustes (enphenoplastes) servent a la fois de support a 1ensemble des pieces mecaniques et electriuues etd'enveloppe isolante protegeant les operateurs pendant les manoeuvres. .

Les poles sont en. regie generale a mouvement de rotation. Chaque pOle possede descontacts permanents et des contacts d'arc. L'ouverture des contacts d'arc a lieu apresl'ouverture des contacts permanents. Les poles sont munis des chambres de coupure qui~ssurent l'extinc~on ~e l'~rc electrique. Dans tous les cas, ]a coupure est assuree par1allongement de larc electnque et son refroidissement par contact avec des solides (isolantsou metalliques) ; c'est done une coupure Ii tension d'arc elevee.

Des contacts auxiliaires sont egalement prevus.Les organes moteurs doivent assurer dans des bormes conditions la fermeture aussi

bien que l'ouverture de l'appareil.La fermeture (l'enclenchement) peut etre realisee manuellement ou so us l'action d'un

moteur, solenoide, etc. '. On distingue habituellement :- des appareils a commande mecaaique manuelle, generalement par levier mais aussi

par bouton (pour Jes appareils d'installation de petit calibre) ; la vitesse de fermeture peut etredependante de l'operateur ou independante de l'operateur (en faisant appel Ii une accumulationprealable d'energie) ;

.- ~es appareils a commande eJectrique : par solenolde (electroaimant), par moteur et~emul1J.phcation ou it accumulation d'energie par ressorts tendus par un petit moteurelectnque.

Dans leur majorite, les disjoncteurs sont des appareils a serrure mecanique dans 1aposition "ferme".

L 'organe moteur de declenchement est toujours un ressort, qui est bande lors de lafermeture, et est ainsi ~oujours pret Ii executer l'ouverture. L'ouverture se produit par suite Iiune commru;de m~qu~ sur Ie meca~sme de verrouillage soit Ii volonte, par l'operateur(dtrect sur 1 appareil Oll a distance), SOlt (en cas de defaut) sous l'action des declencheursmcorpores dans Ie disjoncteur.

Les. disjoncteurs terminaux sont places en tete des circuits alimentant directement lac~arge .utJllsatnce. En cas de court.-circuit, ils protegem la ligne et limitent l'extension des~egau: internes de la charge, en .temr compte des particularites de la charge. On trouve ainsia~s disjoncteurs de mo~~urs qUI doivent supporter des surcharges de demarrage. Dans cescircuits on .tr?~ve des disjoncteurs non intentionnellement retardes, evenruellement limiteursdont la ra~ld1tede coupure facilite la coordination avec les autres elements du circuit ainsi quela selectivite avec les disjoneteurs en amont,

. Les disjoncteurs d'installation sont prevus principalement pour des circuits destinesaux installations dans le domaine tertiaire et dans I'habitat (eclairage, chauffage).

. L~s dl5J,oncteursindustriel~sont uni~e:senement realises sous forme bloc, en boitiersmultipolaires, 1ac1J.onnement se faisant en general par levier frontal, du type tumbler.

8.4.1. Parttcelarttes de construction

8.18

Le disjoncteur est l'appareil destine a etablir et a couper non seulement Ies courants decharge normale, mais aussi les courants de surcharge et de court-circuit. En regie, il comportedes organes detecteurs (declencheurs) provoquant son fonctionnement en cas de surchargeet/ou de court-circuit. Dans cette famille des appareils entrent des appareils divers tels que:

- les "coupe-circuit automatiques" (qui sont des veritables petits disjoncteurs avecdeclencheurs et pouvoir de coupure), utilises sur les installations ou les puissances sontfaibles;

- disjoncteurs des branchements d'abonnes domestiques ou artisans ou petite forcemotrice ;

- disjoncteurs industriels.Pour les reseaux industriels on est amene a utiliser :- des disjoncteurs classiques - ayant des declencheurs tels que les courants de court­

circuit ne durent que de un au quelques centiemes de seconde ;- des disjoncteurs limiteurs - conQus pour intervenir tres vite, en quelques

miUisecondes, et limiter par leur tension d'arc la valeur de crete du courant de court-circuit;- des disjoncteurs selectifs ou temporises qui, pour laisser a d'autres protections Ie

temps de fonctionnement, doivent supporter sans decleneher, plusieurs dixiemes de seconde,Ie courant de court-circuit.

Les disjoncteurs de distribution sont places en rete des lignes partant des tableauxprincipaux ou des tableaux intermediaires. lis protegent essentiellement les lignes, barres,cables et canalisations prefubriquees contre les echauffements prolonges qui roouisent Iaduree de vie des isolants. TIs proregent, en cas de court-circuit, contre les echauffementsbrusques et les effets mecaniques dangereux.

8.4.Disjoncteurs

C'est l'application la plus frequente.Le fonctiormement correspond Ii la categorie d'emploi AC·3. Pour choisir Ie contacteur

il suffit que la puissance du moteur alimente soit inferieure a la puissance nominale d'emploidu contacteur indiquee par Ie constructeur (tab. 8.3.1), car la pointe de courant au moment dudemarrage (au maximum 6... 7 In) est toujours inferieure au pouvoir assigne de fermeture ducontacteur,

c. Circuit d'un moteur. asynchrone a cage

(8.3.4)

Le facteur de puissance est voisin de L La variation de resistance entre les etats chaudet froid entraine une pointe de courant relativement faible (au maximum 2... 3 III)' L'utilisationrepond a la categoric d'emploi AC-l et seul Ie courant assigne d'emploi doit etre considere :

b. Circuit de cbauffage (resistif}

J '" n(~ +p.)c U ph COS<p

De plus il faut tenir compte de la valeur du condensateur (la puissance reactive doitetre compatible avec le contacteur).

(8.3.3)

1 >.!..o_AC-l - 0,6

Page 53: Manual IAE

8,21

La construction usuelle des disjoncteurs est tripolaire (fig. 8.4,4), Chaque polecontient un declencheur thermique et un declencheur electromagnetique en serie avec lescontacts principaux, Les deux declencheurs actionnent directement sur le mecanisme de

Fig, 8.4.4

Mecanisme de

r------: VM:~u.ge! ~I -1 ~1 ~1M f----~----I---l-------- ---~----@---, :: I

! h 'Arbre de :

dec!enChem.n~'-_l l£ --1- r-'-I>-r-r.J..>-r-r.l->",",

Declencneur : ":J" (t'J

telecommanee ou a : .;: ~minimum/manque " ~.----- -~- C; c: c:

oe tenescn ~ ~I

Dans les disjoncteurs industriels de puissance, te mecanisme peut etre plus complexe.La figure 8.4.3 presente un coup d'un disjoncteur BT industriel.

Fig, 8.4.3

~.i)j!'Ia~.~.~.,'.temiIJ:·-F~QU\Ie11_oh& -{5/0-'

""V!Iirf -0-~fl!_;R-

pJilg.e ~.i'~ment_l·~d'~~{liIt·grjlIo<l'~iM\>tgtUle 1S:lIan.

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Fig,8.4.2

A~cf"~tI> ~.dor_

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D.®._....._c·~""""~;o ~~.d& eat.n-esJCII.Dt

Pour les appareils industriels, une maneeuvre independante de l'operateur estindispensable, Dans l'exemple donne sur la figure 8.4.2, la commande est it levier frontal, detype tumbler, mais des commandes rotatives existent. Le ressort a. deplacement de point mortest attache au point milieu d'une genouillere.Quand Ie declencheur agit, il brise lagenouillereet le levier de commandeprennent une position mediane (c), Pour rearmer, un retour prealableen position declenchee est necessaire,

Fig, 8,4.1

• liV~~f.out.'OO~• Oi1m.wvenDU~Note.; lIt1I: l"e::UO(ta-f~UtH eem dI.t-',~ .. da ~~I

f. fJI,C~fftt&btionr;: nM1Ol~.0 pi"-DUfiQ"• J,lIvotl:t~5

~>18) ~.~ !

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A~(f3(;~B _·do....,_,.,olc·~~~fio-{.~llio1> __ ou_

.0

I

Pour les appareils d'installation, de faible calibre, le principe du mecanisme est donnepar la figure 8.4.1. L'equipage porte-contacts est directement lie it un levier (bouton)d'actionnement. En position enclenchee, cet equipage est rappele-vers l'ouverture autour d'unpivot (non fixe), mais Iemouvement est empechepar un cliquet qui escamote en cas de court­circuit,

Page 54: Manual IAE

8.23

!Ir.

L'ensemble du coupe-circuit comprend normalement :- une partie mobile - l'element de remplacement (cartouche), comprenant l'element

fusible, dent il y a lieu d'effectuer Ie remplacement par un nouvel element de remplacemenrapres fonctionnement du coupe-circuit et avant que celui-ci soit remis en service;

- une partie fixe - le socle, porteur des bornes de raccordemerrt au circuit et assurantl'isolement electrique, qui revolt l'element de remplacement.

L'tilement fusible est la partie d'un coupe-circuit destinee a fondre lors dufonctionnement de ce dernier, en jouant son role d'elimination de la surintensite,

L 'element de remplacement est en general de type soit cylindrique, soit de sectionrectangulaire. Dans Ie premier cas, l'assemblage avec le socle se fait d'habitude par des pieces •de contact a vis. Il y a aussi des elements de remplacemenr a capsules cylindriques. Dans Iedeuxieme cas, l'element est muni des pieces de contact de type couteau (fusibles a couteaux).La composition d'un element de remplacement est: elemenus) fusible(s), corps isolant, piecesde raccordement, milieu de remplissage.

Les elements fusibles (un ou plusieurs en parallele) en cuivre, de preference argentes,peuvent etre des fils (pour les petits calibres) et des lames (au-dessus). Les lames sont prevuesd'un jeu de strictions realisees par perforations de la lame. On utilise quelques zones destrictions en sene, Elles permettent de doser la capacire de surcharge aux valeurs moyennes.

Le corps isolant est en regie generale en ceramique.

8.5.1. Elements eonstitutifs

Les coupe-circuit a fusibles (par abreviation : coupe-circuit ou, plus simplement,fusiblesi sont les dispositifs de protection contre les courts-circuits les plus anciens deconstruction relativement simple et par-hi plus economique que les disjoncteurs.

Les coupe-circuit Ii fusibles sont particulierement des appareils de protection adaptes al'elimination des courts-circuits de haute intensite par fusion d'un element specialement concu,ce qu'ils realisent avec un effet de limitation qui reduit considerablement l'amplitude ducourant presume.

8.5. Coupe-circuit a fusibles

La chois d'un disjoncteur se fait suivant les indications du constructeur (catalogues).Le disjoncteur doit supporter indefiniment les courants de calcul du circuit dans lequel

il est insere (1" ~ Ie) et doit presenter les pouvoirs de fermeture et de coupure specifiques aucircuit selon la valeur du courant de court-circuit du reseau dans le point considere.

Les declencheurs doivent satisfaire les conditions imposees pour declencheurs desurcharge et de court-circuit. (§ 8.2.5 c.d).

Lorsque, dans une installation arborescente, le disjoncteur en aval n'est pas limiteur, laselectivite exige sur la partie amant des disjoncteurs concus pour une haute tenue aux courts­circuits, en positionl/ferme/~

8.4.3. ChoU: d'un disjoncteur

se caracterise par un courant assigne de courte duree admissible, pendant une duree prescrite,par exemple 121n , 0,05 s).

On entend par selectivite qu'un appareil d'un etage superieur dans l'installation ne doitpas s'ouvrir simultanement, en cascade, avec un dispositif place en aval et egalernent coileem6par le court-circuit. La selectivite des declenchements est extremement utile pour ne pasetendre 1amise hors circuit a des parties saines de l'installation.

8.22

La categoric d'emploi d'un disjoncteur est fixee en fonction du fait qu'il est ou nonspecifiquement prevu pour la selectivite aux disjoncteurs montes en sene cotee aval dans desconditions de court-circuit. On distingue deux categories d'emploi :

- A : disjoncteurs dont le declenchement n'est pas intentionnellement retarde, qui n'ontpas a supporter les courants de court-circuit en position fermee ;

- B : disjoncteurs dont le declenchement est intentionnellement retarde, normalementprevus pour un fonctionnement selectif ; ils doivent supporter, en position fermee, lescourants de court-circuit pendant leur elimination par les appareils montes en aval (cette tenue

Fig. 8.4.5

1.l1l5I2$ 45SI!10 100x I<1.6

Ull80

I~2,

J 1..i~= 10i II

2

II·

'" .....,

\..-1

Les principales caracteristiques electriques d'un disjoncteur sont :- le courant thermique conveniionnel assigne ;- le courant iniruerrompu assigne ;- les pouvoirs defermeture (Pdf) et de coupure (PdC).La caracteristique temps-courant est composee des caracteristiques des deux

declencheurs (fig. 8.4.5). La caracteristique du declencheur thermique, a courant inverse estsimilaire celui du contacteur (Courant de reglage Irt). La caractenstique du declencheurmagnetique, independante de la surintensite a comme reference le courant de reglagemagnetique 1m" choisi fonction des departs correspondants. Par exemple, dans les circuits desmoteurs Int, doit etre superieure au courant de demarrage (d'environ 6 fois le courant nominal- moteurs asynchrones a cage, demarrage direct). Les caracteristiques sont portees avec IIIrtsur l'abscisse.

8.4.2. Caracterlstiques de fonctionnement

verrouillage du disjoncteur et provoquent l'ouverture de celui-ci en cas de surcharge ou decourt-circuit. Le declenchement se produit aussi sous l'action d'une bobine commandee Iidistance ou prevue Iititre de declencheur.a minimum (ou Iimanque) de tension.

Du point de vue de la coupure, il existe deux classes de disjoncteurs (fig. 7.10.5) :- disjoncteurs "classiques" ou l'interruption effective du circuit se produit au passage

naturel a zero du courant, a la fin de la deuxieme demi-periode ;- disjoncteurs limiteurs qui, pendant l'ouverture, limitent le courant de court circuit

dans son amplitude (inferieure Ii la valeur de crete) et dans sa duree (inferieure Ii une demi­periode, voir § 7.10.3, b).

Page 55: Manual IAE

I"1-,:t'o'I,'j

8.25

I,,II·

I

On aura done plusieurs types de comportement 'de l'element de remplacement selonl'intensite du courant traversant.

Le courant assigne I" est Ie courant que l'element de remplacement est capable desupporter de facon continue, sans deteriorations. On definit egalement un courantconventionnel de non-fusion 1'!f= (1,2 o •• 1,3) In que l'element peut supporter pendant un tempsconventionnel sans fondre et un courant converuionnel de fusion If'" 1,6 In que fait fondrel'element avant le temps conventionnel ; ee temps est fixe a une valeur tres proche de la dureede stabilisation thermique des elements (par exemple, 1h, 4h).

Du a la transmission de la chaleur par conduction le long du circuit, esxfonctionnementassigne (normal) des elements fusibles les differences de temperature sont assez faibles, Onpeut considerer une temperature moyenne (d'environ 100°C) qui depend essentiellement descaracteristiques recherchees et des dispositions constructives adoptees. Elle est inferieure a latemperature de fusion du materiau (regime de non-fusion).

Fig. 8.5.4

Les fusibles sont fondes sur un principe thermique et sont, a ce titre, tres sensibles auxsurcharges momentanees et aux echanges thermiques avec l'exterieur,

Par construction, les elements fusibles sont des parties affaiblis du circuit et, parconsequent, leur temperature est plus elevee que celle des autres parties du circuit L'energieest transmise vers le milieu ambiant par convection et le long du circuit par conduction. Ladistribution de la temperature le long de l'element fusible est en general non-uniforme(fig.8.5A). De rneme, la lame fusible est munie de plusieurs zones transversales de strictions,qui s'echauffent plus rapidement que les parties adjacentes de Ja lame.

8.5.2. Principe et caracteristiques de fnnctionnemeat

Fig. 8.5.3

8.24

La construction d'un element de remplacement a lames et couteaux est presentee sur lafigure 8.5.3.

Fig. 8.5.2

Contact du socleSocle

Contact del'element deremplacement(couteau)

Milieu de rempiissageElement deremnlacernent

Element fusible

Fig. 8.5.1Coupe-circuit a vis. 1 - Porte-fusible; 2 - Element fusible; 3 - Elementde remplacement; 4 - Anneau isolant de protection; 5 - Element decalibrage assurant non-irrterchangeabilite des elements deremplacement; 6 • Socle

Les pieces de raccordement au circuit ont une forme soit d'embout (capsule), engeneral serti sur Ie corps isolant, soit de couteaux, . . .

Le milieu de remplissage, generalement constitue de poudre de silice de granulationconvenable, sert au refroidissement de l'element fusible' et a l'extinctiondel'arc electriquedecoupure. . ., ., .

La construction est illustree par les figures 8.5.1 (coupe-circurt a porte-fusible a ViS) et8.5.2 (coupe-circuit a couteaux).

Page 56: Manual IAE

8.27

(8.5.3)

(8.5.2)In S3I~ ,en presence des dispositifs specialises de protection centre Ies surcherges OU

In '5,J~

I ~1 (8.5.i)" c

b. couper le circuit avant que la temperature des conducteurs depasse la valeur decourte duree admissible, ce qui s'exprime par la relation:

donc:

Un fusible (element de remplacement) dont le courant assigne (nominal) est In doit .satisfaire les conditions suivantes :

a. supporter pendant une duree indeterminee le courant d'utilisation du circuit Ie ; on a

8.5.3. Cboix d'un fusible

Les fusibles soul des appareils limiteurs. IIs coupent le courant de court-circuit dans lapremiere demi-periode, avant que ce dernier ait atteint sa valeur de crete (fig.7.1O.S). Leurpouvoir de coupure est grand (au moins 50 kA).

Fig. 8.5.7

I

courant signifiantes (par exemple, circuits resistifs, circuits d'alimentation des tableaux dedistnbution). Pour In ~ 16 A: I'if= 1,25 L; IJ= 1,6In.

- Type aM (elements d'accompagnement de moteur, specialement concus pour laprotection des circuits terminaux OU ils doivent supporter les pointes de demarrage) ; ils sontdestines Ii l'elimination des courants de court-circuit, leurs caracteristiques de fusion lesrendant totalement inaptes a la protection contre les surcharges (cette derniere protectiondevant etre faite par un autre dispositif par exemple relais/declencheur thermique), On a, parexemple, kJ = 4, k2 = 6,3.

Actuellement, on utilise souvent des elements de remplacement gG pour la protectiondes circuits de moteurs des que les caracteristiques de ceux-ci tiennent compte du courant dedemarrage du moteur.

Les caracteristiques temps-courant type gG ont l'aspect illustre sur la figure 8.5.7. Onvoit que pour la meme valeur de courant du circuit, le temps de fusion augmente au fur et amesurc que le courant nominal du fusible augmente.

8.26

- Type gG (fusibles pour usage general, fusibles "distribution") ; ils protegent ~ la foiscontre les courts-circuits et contre les surcharges les circuits ne presentant pas de pointes de

Fig. 8.5.5 Fig. 8.5.6

10' A 10'; 1---+

'10'

l~ll.,0"

Lorsqu'une surintensite superieure au courant de fusion traverse I'element fusiblependant une duree suffisante, l'element et les strictions sont portes a une temperature au-delade la valeur de fusion (regime de fusion). ..

Aux surcharges moderees, les strictions dissipent l'energie thermique dans les zonesadjacentes, ce qui allonge le temps de fusion. Aux surinte~it~s elevees, on a l'ech~uffementadiabatique des strictions elles-memes ce qui provo que la rusion d'autant plus rapide que lavaleur du Courant est plus elevee, ... .

La caracteristique temps-courant d'un fusible est une caracteristique a temps inverse :plus le courant est grand, plus Ie temps de fonctionnement est re~Ult (fig. 8.5.5 : a -caracteristique de prearc, b - caracteristique de fonctionnement, c - integrale de Joule dufusible). . ,

Les divers types de fusibles (des elements de remplacement) sont designee par ungroup de deux lettres. . ,

La premiere lettre indique la zone de coupure (la totahte de la zone de surcharge ouune partie de cette zone) : . . ,

• g : elements pouvant couper tous les courants qui en provoquent la fusion, jusqtraupouvoir de coupure assigne Ie (If < I < Ie) ; . , ..

- a : elements capables d'interrompre que les courants situes entre un certain multipledu courant nominal et le pouvoir de coupure assigne (k:Jn_< 1 < Ie)., . , ,.,

Pour les fusibles de type a, Ie courant de non-fusion est precise par la designation klr.et la notion correspondant au courant de fusion est repportee a Ia valeur designee par k2In.

La deuxieme lettre indique la categoric d'utilisation et definit avec precision lescaracterisiiques temps-courant: . .

- G : elements d'usage general, destines aux circuits oil les surcharges transrtoires nesont pas elevees ; . .. ,

- M : elements plus specialement destines a la protectton des circuits de moteurs, oupeuvent exister des surcharges de longue duree. .'

Deux types de fusibles sont utilises dans les installations BT (fig. 8.5.6) :

Page 57: Manual IAE

8.29

Les boutons-poussoirs ont ete la base elementaire de la communication entre lesoperateurs et les systemes automatises.

Les boutons a impulsion sont les plus utilises. On trouve, par exemple :

8.6.2. Boutons-pousseirs

Les organes alimentes par les aux.iliaires de commande sont frequemment deselectroaimants, par exemple de comacteur, et le fonctionnement se produit en regime normalsoit a courant nul (electroaimant ouvert), soit Iicourant nominal (electroaimant ferme).

L'usage est defini par une frequence de cycle (classes allant de 12 FOIh a 1200()'FOIh), une endurance mecanique (jusqu'a 30 millions de maneeuvres) et une enduranceelectrique, qui depend du courant d'emploi 1. et de la tension d'emploi V" dans un servicenormalise.

etc.- les appareils automatiques : interrupteurs de position, de pression, de temperature,

etc.

Ces constituants sont des appareils mecaniques de connexion, installes dans lescircuits de commande au dans les circuits auxiliaires de l'appareillage de puissance. Ils sontutilises pour des operations elernentaires de commande, de signalisation, de verrouillage, dansle domaine habituel de l'appareillage, jusqu'a 1000V en courant alternatif et 1500 V encourant connnu, Us comprennent :

- les appareils manuels : boutons-poussoirs, commutateurs, interrupteurs a pedale,

8.6.1. Appareils de connexion pour circuits de commande

Les constituants de detection delivrent un signal soit lors d'un changement d'etat(detecteurs de "tout ou rien''), soit lors du franchissement d'un seuil determine, haut ou bas(detecteurs de mesure). Leur role est ainsi analogue Iicelui des relais electriques mais se situea l'interface entre une grandeur physique, non electrique, et une grandeur electrique.

Traditionnellement, les auxiliaires de commande comprennent aussi les appareils dontle role est de permettre la communication entre les operateurs et le systeme automatique.

·F1

~ 1.

~·F2

Fig. 8.5.8

automatismes, ils peuvent etre classes, les uns dans les appareils de detection (etat de lamachine ou du processus) et les autres dans les appareils de commande, au niveau du controleet non de la puissance (emission ou reception d'ordres, d'alarme ou simple signalisation).

8.28

Ces appellations concernent les appareils qui foumissent un signal elementaire,binaire, Ii un systeme automatique ou a. des operateurs. Dans le schema fonctionnel des

8.6. Appareils auxiliaires de commande, Acquisition de donnees etdialogue hemme-maehine

On rappele que par selectivite on entend la coordination des dispositifs de coupureautomatique pour qu'un defaut survenant en un point quelconque du reseau soit elimine parl'appareil place immediatement en amont du defaut, et par lui seul. Le but de la selectivite estd'assurer la continuite de service dans une installation. Seule la ligne endommagee doit etredebranchee.

Selon la figure 8.5.7, dans le cas des coupe-circuit dans un reseau arborescent (fig.8.5.8), la selectivite (sous l'action du courant de defaut Id) est assuree si le calibre de l'appareilplace en amont (F i) est superieur ou egal a 1,6 fois le calibre de l'appareil equipant le departle plus puissant (F2), Cela revient a choisir un calibre de l'appareil amont qui differe au moinspar deux valeurs de l'echelle des courants nominaux (par exemple : 1,,2 = 50 A, 1,,1;::: 80 A).

8.5.4. Selectivite des protectiens amont/aval dans un reseau arborescent

fFusible 24610 16202532506380 100 125 160200250315400500 630

A vis 25 163 1100 I .In, A 160 I .

A - I 250 I .Socle couteaux i 400 I. -. I 630

Tableau 8.5.1

au contraire, la' etant le courant admissible dans le conducteur, en fonction de sa sectiontransversale, sous des conditions d'utilisation ;

c. de plus, dans les circuits avec pointe de courant, supporter sans deterioration et sansfondre Ies courants de pointe (les courantts de demarrage, dans les circuits des moteurs).

Au point de vue pratique, pour les circuits des moteurs la condition c) peut etresatisfaite :

- soit suivant les recommendations du constructeur, pour un certain type de fusible, enfonction du courant nominal du moteur ;

- soit utilisant une relation approximative, par exemple~ (I.;:::- • 8.5.3)Cd

au Id est le courant de demarrage da moteur et Cd - facteur dependant des conditions dedemarrage ; pour les moteurs asynchrones Iicage, demarrage direct, on peut utiliser la valeurCd=2,5.

Les coupe-circuit a. fusibles (fusibles), convenablement choisis peuvent egalementassurer la protection contre les surcbarges dans des circuits sans pointe de courant. Unecanalisation peur supporte, pendant un temps specific, une surcharge inferieure au courant defusion du fusible. La condition Iiremplir dans ce cas est:

0,61~ ~ In S0,81~ (8.5.4)Le calibre du fusible sera choisi parmi les valeurs de la serie normalisee (voir le

tableau 8.5.1).

Page 58: Manual IAE

8.31

=.interrupteurs (pre~so~tats .et vacuostats) jouent le role dun relais electrique demesure, agissant sur un circuit electnque lorsqu'une valeur d'actionnemem est depassee etagissant en sens inverse lorsqu'une valeur de relachement est atteinte, La sortie, en general detype electromecanique, est realisee par un micro-interrupteur sensible, a rupture brusque.

Pour les faibles press ions (pressostats) ou depressions (vacuostats) autour de lapression atmospherique, on utilise des membranes de grand diametre. Lorsque la pression estelevee, on a recours it une technologie it piston,

Les fluides sont surtout l'huile et l'eau,

Le principe des detecteurs capacitifs est de perturber le fonctionnement d'un ci it·11 L' bi 'd' . rrcui

~SCI ant. 0 ~~t~ etecter agrt sur 1.7 condensateur, Les detecteurs capacitifs sont sensibles a1approche aUSSlbien conducteurs qu'isolants.

Les, detee~eu~sde passage photoele~lr~qu~sagissent lorsqu'un faisceau lumineux estcoupe par 1objet a detecter, Il suffit que celui-ci sort opaque ou semi-transparent.

8.6.5. Interrupteurs de pression

8.30

Ces appareils detectent non un contact direct, mais la presence d'une piece Iiproximited'une face sensible. Leur fonctionnement est purement statique avec traitement electronique I.du signal et commande d'une sortie a semi-conducteur.

Les detecteurs inductifs pennettent de detecter l'approche d'un objet metallique pareffet d'induction magnetique.

8.6.4. Detecteurs de proximite

Ce sont des constituants i\ contacts electriques, dont l'actionnernent se fait par contactmecanique entre l'organe de commande de l'appareil et l'objet dont on surveille la position.(par exemple, des elements de machine, des niveaux de liquides).

Les variantes usuelles des organes de commande sont :- a course rectiligne : poussoirs arrondis (attaque en bout), poussoirs Ii galet (attaque

laterale);- a course angulaire : levier a galet, tige rigide, tige elastique, lyre.

8.6.3. Jnterrupteurs mecAniques de position

Fig. 8.6.1

-­_._.,..-0...- ..._,_ .....,,11"_

I_ n_ m __rv ..... ""_ ,,"""" ...- YI tIaIP-.pong-_. ~- ........bw............

~b ~~ ~bvn ._ vm .... nno IX_."",,_

-les poussoirs, a contacts a impulsion ou a contacts maintenus (par exemple, coup depoing);

- les commutateurs, soit a levier basculant (type tumbler), soit rotatifs (a manette, Iicrosse), munis ou non de serrures a clefs;

-Jes manipulateurs, a tiges rigides multidirections;- les poussoirs lumineux, avec lesquels on peut regrouper les voyants lumineux

simples; ils sont equipes de lampes qui fonctionnent soit sous pleine tension (directementon - -. ,avec une resistance en sene), soit sur transformateur incorpore dont le circuit secondaire est Ide tres basse tension; l'usage de voyants a diodes electroluminescentes s'est egalernentrepandu.

Quelques croquis de differents types d'organe de commande sont presentes sur lafigure 8.6. L Des symboles de boutons-poussoirs peuvent etre trouves sur Lafigure 8.3.3 etdans les annexes 1 et 2.

Page 59: Manual IAE

9.!

En partant des elements it l'arrivee (rJph2, J et Q> = arctg(Xch,Rch), le digramme seconstruit ell portant successivement la tension Uph2 (OA), la chute ohmique RI (AB) en retardde (jl sur Up!!] et la chute inductive XI (AC) en avance de 7tl2 sur RI. On obtient finalementUp/I!CAC) et 8 angle de Uphl et Uph2. Le segment AC (ZI) est la chute de tension vectorielleLil/ph.

La chute de tension efficace (la seule qui interesse) est la difference algebriqueI1Uph= Uphl - Uph2.

Fig. 9.1.2

(9.1.1)/j_phl = /j_ph2 + Rl + ;XL= /j_ph2 + Zlest represente par la figure 9.1.2.

DC!a l'impedance de la ligne, la tension au depart Uph1 decroit le long de la ligne versla tension it l'arrivee (aux bornes du recepteur) Uph2, tandis que l'intensite de courant reste lememe au depart et a l'arrivee (pour un circuit sans defauts d'isolernent notables). Le produitentre la resistance/la reactance/l'impedance et l'intensite du courant est appele chute detension.

La relation vectorielle entre ces elements

Fig. 9.1.1

I !-_--Jf"YY"ti'""L_ _ _.,._.o-. - - - - iUph1 I uph2 j r -1 Charge

I ' ,'T''~ ~ J

xR

Considerons pour l'instant un circuit monophase. Une ligne de longueur I et de sectionconstante du conducteur s alimente un recepteur dont l'impedance (dite l'impedance decharge) est Zch = ReI! -i- jXch. La ligne peut etre representeafig. 3.2.1,9. L 1) par un quadripOlepassif comportant les parametres concentres R et X c'est-a-dire la resistance et la reactanceinductive (la capacite des lignes courtes en BT est negligeable).

9.1. Circuit d'un recepteur

9. CHUTE DE TENSION DANS LES RESEAUX

Page 60: Manual IAE

9.3

La chute de tension peut determiner la diminution des performances du recepteur oumeme l'impossibilite de son fonctionnement. Chaque type de recepteur est caracterise par unevaleur admissible de la chute de tension. Si la chute de tension depasse la valeur permise, ilfaudra choisir entre les solutions suivantes :

- accroissement de la section du conducteur ;- remplacement du conducteur en aluminium par un conducteur en cuivre ;- diminution de la longueur du circuit, par changement de I'emplacement du recepteur

(si possible) ;- compensation de l'energie reactive, par l'utilisation des condensateurs branches ell

parallele (amelioration du facteur de puissance).

9.3. Effets et compensation des diets de Ia chute de tension

(9.2.4)n

LlU% '" L1U %+" LllJ %T ,t_, ;;...1

La chute de tension sur Je reseau sera done:

(9.2.3)

(9.2.2)sir,% = PdtR, +~~iXt .102 = (Pd,rOi + ~d,XOI )1. 1.02 .UII U"

Pour le transformateur, la chute de tension est determinee en fonction des puissancesdemandees (actives PdTet reactives QdT) des tous les recepteurs alimentes (recepteurs aval) etde l'impedance du transformateur (RretXr, voir § 3.2.2,4.2.4,4.4) :

AUr%= Par_,(R1.+XrtgqJaT).102U,,-

ou

(9.2.1)

La chute de tension dans le reseau entier, entre la source (transformateur) et les bornesd'un recepteur quelconque est la somme des chutes de tension sur toutes les branches dureseau et la chute de tension aux bornes du transformateur.

Pour chaque ligne i a section du conducteur constante Si et longueur donnee Ii la chutede tension s'exprime par les relations ci-dessus dans lesquelles interviennent les puissancesdemandees actives Pdi et reactives Qdi (voir Ch.3), en tenant compte des facteurs desimultaneite et d'utilisation (de facteur de demande) et le facteur de puissance correspondant :

Pd II ( ) 2 P.1. (x J 2LlU.%=-'- r .+X is»: ·10 =_d._'_'_ 1+__Q_tg(/). ·10I U 2 0, 0 dt (J'S U 2 r . di

n I n 0,

tg(/Jdl = tg(arCCOSffJa)= ;dial

9.2. Reseau de distribution radial (arborescente)

(9.1.10)

9.2

OU:

(9.1.9)/::;U=.J3 su ; = (J31 COS<jl' R +.J31 sine X)~"

"AU = PR+QX nU% = PR+QX .102

u, U"2

(9.1.8)

(9.1.7)PI 2t!..U%",---·IOcrsUn 2

Dans un circuit monophase Je conducteur neutre et 1e conducteur de ligne sontidentiques et sont parcourus par Ie meme courant. La charge etant moderee, la section desconducteurs est relativement faible. On peut done utiliser une relation similaire a (9.1.7). Dansle calcul de la chute de tension il faut cependant considerer une longueur double duconducteur (par rapport a la longueur de la ligne) :

2P IMJ %'" ph .102ph 0 2crsUplm

La chute de tension peut etre exprimee aussi en fonction des puissances active 'etreactive:

AU% =~(l + Xo tg<p].102crsUn 2 "0

Lorsque Xo tg<p« ro (pour des faibles sections des conducteurs) on a la relationapproximative :

(9.1.6)

ligne (tensionLa chute decomposee) sera:

AU J3AUph PI 2M!% = - .100 = ·100 =--2 (ro + xotgq».1 0

Un Un UIZ .

(9.1.5)

(9.1.4)P

Dans le cas d'un circuit triphase Q charge equilibree, seul le conducteur de ligne restea considerer, car le conducteur neutre n'est pas charge.

En substituant l'expression de l'intensite de courant en fonction de Ja puissance durecepteur P et de la tension nominale Us,r;

f =----'---Uphn COS(/) J3un COS(/)

la derniere relation donne la valeur de la chute de tension exprimee en volts:

Pphl ( ) Pi· )t!..Uph = -- ro + xotg<jl =~(,.o + xolg<jJ ,V .Uphn ,,3u;

tension relative, rapportee a la tension nominale de

En tracant un arc de cercle de rayon OC, on trouve. que la valeur efficace de la chutede tension sera representee par le segment AD.

Pour un dephasage 8 modere, ce qui est le cas le plus general, on peut remplacer Uph]par sa projection OC' sur Uph2 et la chute de tension approchee sera alors representee par lalongueur AC'.

On peut alors ecrire, pour la chute de tension:L1U = U - U "" Rl COS(/)+ Xl sin e (9.1.2)

ph pill ph2

Vu que R = ro I etX = Xo I (voir § 3.2.1), la relation precedente devient :L1U = II(r COS(/)+ Xo sin (/) (9.1.3)ph 0

Page 61: Manual IAE

10.1

Fig. 10.1.1

L'impedance interne (principalement resistive), offerte par les elements conducteurspresents dans l'organisme, est d'une valeur relativement faible (200 ... 500 Q) et dependprincipalement du trajet du courant.

La partie la plus importante de l'impedance du circuit forme par le corps consiste dansles impedances de la peau, c'est-a-dire les impedances de contact, tant it l'entree qu'a la sortiedu courant. La valeur d'impedance de la peau depend de la tension, de la frequence, de laduree de passage du courant, de In surface de contact, de la pression de contact, de l'etatd'humidite de la peau et de temperature; elle peut varier depuis plus de 100 000 n (maincalleuse, avec surface de contact inferieure a 1 cm2) jusqu'a quelques centaines d'ohms pourdes contacts de plus grande surface, avec les mains lisses et humides.

Dans les calculs de protection contre les effets du courant electrique, on adoptesouvent un modele simplifie residant en une resistance dont la valeur petit etre consideree1000Q.

Impedances du corps hum~,

= imp{:dal\~ unete

2,

Le corps humain est un conducteur particulier ~ conducteur electrobiologique. Lesdifferentes parties du corps humain ~ telies que la peau, le sang, les muscles, d'autres tissus etarticulations ~ presentem pour le courant electrique une certaine impedance composeed'elements resistifs et capacitifs. La figure 10.1.J represente les impedances du corps humain :Zp ~ impedance de la peau, Zi - impedance interne du corps, ZT - impedance totale. On noteque l'impedance du corps n'est pas constante ; elle depend de plusieurs facteurs : parametresdu circuit, l'etar de l'organisme, conditions de contact.

10.1.1. Impedance electrique au corps humain

10.1. Passage du courant par Ie corps bumain

10. PROTECTION DES PERSONNES CONTRE VACTIONDU COURANTELECTRIQUE

------~-------------------------------------------------------------------------------------------

Page 62: Manual IAE

10.3

En effet, la terre (le sol) est un conducteur vaste qui presente la particuiarite que,malgre sa resistivite reJ:ativement elevee (environ 100 Qrn, beaucoup plus grande que laresistivite des metaux - d'ordre 10-8Qm - et proche de la resistivite des isolants), la resistancedu circuit etabli par Ie So.l reste assez faible, comparable Ii celie des conducteurs metalliquesmassifs, meme pour des grandes longueurs du circuit, grace 11l'immense section par laquellese renferment les lignes de courant. Le potentiel du sel est choisi comme reference (zero)_

La conductibilite du sol est surtout de nature electrolytique : les sols les plusconducteurs sont ceux qui contiennent la plus grande quantite d'eiect:r9iJ:tes, dissous, c'est-a"

Fig_ 10.2.1

x

Lorsqu'une tension U est appliquee entre deux electrodes metalliques enterrees(fig. 10,2.1), on constate qu'un courant J passera dans le circuit. Le sol se presente donccomme un conducteur et la resistance du circuit est R = U/1. Strictement, cette resistance secomposera de la resistance des electrodes, la resistance de contact entre chacune deselectrodes et Ie sol et la resistance du sol entre les deux electrodes, Experimentalement, onconstate que la resistance des electrodes et Ia resistance de contact (ou de passage) sontpresque negligeable Ii cote de la resistance du sol proprement dit. Lorsqu'on augmente ladistance entre les electrodes, on trouve que, a partir d'une certaine valeur de celle-ci(> 40 m), la resistance reste pratiquement constante_

~r----~\v/A-y,'l~

, >.;;-~~=-~~=-=-=-=-=-=-~-=-=-=~-=;-~=-=-:-=-=::-:)';

10.2.1. Coaductibilite du sol

10.2.Passage du courant par la terre (le SQI)

Tableau 10.L 1

ou de contact: 25 V pour les locaux mouilles, par exemple pour les chantiers en exterieur. Lasecurite des personnes exige que cette tension de contact ne puisse se maintenirdans aucunepartie de l'installation, Le tableau 10,1.1 indique Ie temps maximal pendantlequel la ~rsg_l;llJeen contact peut supporter une tension de contact presumee.

~..'f

10.2

10.1.2. Effets du courant eleemque passant par le corps humain

On a en vue seulement des effets sur les individus qui se trouvent accidentellementexpose au courant et non l'emploi des courants electriques dans la therapeutique medi~ale, ,

Les contacts accidentels des personnes avec l'installation electrique peuvent etre (voir

Ch.2): ' "• contacts directs, avec les parties actives (sous tension en service) ;_ contacts indirects, avec les masses (mises accidentellement sous tension).La tension de contact est la tension existant (ou apparaissant, lors d'un defaut

d'isolement) entre les parties simultanement accessibles dans l'installation electrique (partiesactives masses elements conducteurs etrangers a l'installation).

.L'effet ;rincipal du courant sur l'organisme humain est Ie choc ilectrique -Texcitationdes tissus ayant pour consequence des troubles fonctionnelles. Les troubles. prOV?ques parl'accident electrique (appele electroctaions sont cardiaques, nerveux o~ sensoriels, L'action ducourant electrique sur le corps hurnain peut se traduire par les effets SUlvants :

_des contractions musculaires echappant a la volonte ;- une paralysie respiratoire ;_des accidents cardiaques (fibrillation ventriculaire) ;- des brUlures ;- autres effets secondaires.Les effets physiologiques des courants, particulierement des courants alternatifs

industriels (50 Hz), sont determines par l'intensite du courant qui traverse l'individu 'l'intensite du courant parcourant les conducteurs de l'installation ne presente aucuneimportance. Ces effets et leurs consequences dependent essenti,ellement de la relation temps­courant qui traverse l'individu, et, d'autre part, du chemin SUlVl par ce courant ~ le corps.Ce n'est done p-as la tension qui joue le role fondamental et le danger ne depend pasparticulierement de cette tension, par suite de ce fait que l'impedance offerte par Ie corpshumain, qui determine la valeur de I'intensite pour une tension donnee, varie dans desproportions considerables. _

Pour le meme trajet du courant a travers le c-orps humain, plus le courant et le tempssont eleves, plus les consequences sont graves. Des nombreuses etudes (bases ~.W:desexperiences sur des animaux ainsi que sur les informations resultant d'observations cnmquesou d'analyses post-accident et meme de l'experience de l'electrocution penale americaine) ontetabli des valeurs dangereuses et des valeurs admissibles du courant. ,Les valeurs fournis sepJacent dans certains limites, selon les conditions d'experimentation. A titre d'exemple, on, atrouve que les valeurs suivantes des courants peuvent entramer le mort selon leur dureed'application : 500 rnA pendant 0,1 s, 350 rnA pendant 0,2 s, 150 rnA pendant 1 s, 50 rnApendant 3 s, 10 ms, pendant plus de 30 s. . , '

Toutefois, ces valeurs ne sont pas, dans beaucoup de cas, directernent applicable enpratique pour concevoir la protection centre les chocs electrique, v~_que, dans l~ plup~ descas, c'est la tension appliquee au corps qui est fixee par la nature de l'installauon, te cntere estla limite admissible de la tension de contact (c'est-a-dire le produit du courant passant par lecorps et de son impedance). La relation entre le courant et la tension n'est pas lineaire du faitque l'impedance du corps vane avec la tension de contact. n importe done de disposer dedonnees quant a cette relation_ .' ,

Le danger des chocs electriques apparait lorsque la tension de contact est,superieure aia tension limite de securite (tension au-dessous de laquelle il n'y a pas de risque pourl'homme). Selon les conditions d'environnement, particulierement en presence ou non d'eau,cette tension (valeur efficace) est, en alternatif, dans la generalite des cas, de 50 V (lo~u~secs ou humides), Des vaieurs plus faibles sont imposees dans certames condltlons d'humldite

Page 63: Manual IAE

10.51.0.4

Pour un courant par la terre l;, sur la sphere de rayon x, la densite de courant sera :. Itit = -- (10.2.2)

2r.x2Le potentiel a la distance x du centre de l'electrode devient :

Fig. 10.2.2

~VVI

Dans le cas d'electrode hemispherique consideree,1

R, =Pl- (10.2.5)2rc1'

d'ou lion peut deduire que la resistance est determinee, d'un part, par les caracteristiqnes du sol(la resistivite) et, d'autre part, par les caracteristiques geometriques de In prise (la forme et lesdimensions de l'electrode),

Pour une electrode quelconque, on peut ecrireR, =PtKg (10.2.6)

ou Kg est un facteur dont l'expression est determinee par la geometrie de l'electrode,n en resulte que le conducteur de liaison avec la terre se trouve porte a une difference

de potentielU,=R/, (10.2.7)

par rapport aux points du sol ou la densite de courant est devenue negligeable. Cette tension,appelee tension de laprise de terre, s'exerce entre le conducteur et Ia surface du sol.

Ces tensions sont surtout interessantes de considerer en ce qui concerne les points dela surface du sol, car une personne ou en animal dont les pieds touchent Ie sol en deux pointsecartes d'une certaine distance se trouve parcouru par un courant proportionnel a la d.d.p.entre ces deux points. On defiuit la tension par pas entre deux points du sol distants du pasd'un homme (0,8 m). La tension par pas est maximum au voisinage de l'electrode et elledecroit en rapport inverse du carre de la distance au centre.

Une pareille prise de terre ou un defaut a la terre peuvent etre done tres dangereuxpour les gens et animaux qui viendraient Ii s'en approcher, surtout pour Jes animaux tressensibles, tels que Ie cheval, que ses fers mettent d'ailleurs en bon contact avec Ie sol et lalongueur du "pas" est importante.

A titre d'information, la resistance de terre d'un tube de 5 em de diametre et de 2 m deprofondeur varie de 2 a 40 n d'apres la resistivite du terrain.

x

UtRI =-- (10.2.4)

Itrepresentant Ja resistance de dispersion du sol autour de l'electroders), Eile differe d'uneresistance d'un conducteur homogene er depend de la configuration du champ electrique dansle sol.

On definit la tension d'une prise de terre Ui: Iorsqu'un courant It s'ecoule a travers laprise, comme la difference de potentiel entre l'eleotrode et la zone de potentiel nul. II en resultela resistance de laprise

10.2.3. Tension et resistance d'une prise de terreEntre les differents points du terrain parcourus par les filets de courant qui vont del'electrode de terre a l'electrode de retour, s'iJ y en a une, ou se perdent tout autour de cetteelectrode, se developpent des differences de potentiel (d.d.p.) proportionnelles a la den site decourant par le sol (jt), a la distance des deux points et a la resistivite du sol (PI). Selon la loi dela conduction electrique et la definition de l'intensite du champ electrique (E,) :

E, =p,j, = - ~ (10.2.1)

Pour simplifier, on peut considerer une prise de terre constituee par une electrodehernispherique de rayon r (fig. 10.2.2) ayant son centre a la surface du sol, avec une electrodede retour egalement hemispherique de dimensions infinies. Les lignes de courant par Ie solseront des lignes radiales et les surfaces equipotentielles seront des demi spheres. Les !ignesequipotentielles sur la surface du sol seront donc des cercles concentriques.

V ""f . dx It I/ r V rx = PIlt =PI-,)-=Pt-')-'-= e-' (10.2.3)x _1t.'l' ~7t r.'I: X

Ve etant le potentiel sur l'electrode.Remarquons que le potentiel en un point exterieur a l'electrode est en rapport inverse

de la distance x, sa valeur etant independante du rayon de cette electrode, pour un memecourant, tandis que le gradient de potentiel est aussi independant du rayon de l'electrode, maisit varie en rapport inverse du carre de la distance, etanr maximum au voisinage de l'electrode,Le potentiel du sol dirninue done assez rapidement a mesure que la distance augmente et peutetre considere nul a partir dune certaine distance (environ 20 m) qui definit la soi-disant zonede potentiel nul de la prise de terre, OU la densite de courant est devenue negligeable.

dire le terrain arable ou argiieux ou humus suffisarrunent humide. Le sable, les cailloux, lesrochers sont tres isolants.

La liaison de l'installation avec la terre peut etre soit accidentelle, par contactd'impedance non negligeable d'une partie active de l'installation (de/iiuf it la terrey, soit avolonte, par des electrodes specialement prevues (mise a la terre d'alIrnenta1;illn ou deprotection; voir § 3.2.2). La mise a la terre d'une partie d'~e .installerion consiste dans laliaison efficace de cette partie, au moyen d'un conducteur metalhque, avec une p;lse ..de terre(ou, abreviativement une terre), constituee par une ou plusie~s electr?des metalliques deformes diverses (plaque, tube, barre, etc.) enfoncees dans Ie sol a une profondeur convenable.

10.2.2. Repartition des potentieis au voisinage d'une prise de terre

Page 64: Manual IAE

10.710.6

La protection consiste Ii couper automatiquement l'alimentation d'une partie. deI'installation, afin que, a la suite d'UDdefaut dans cette partie, une tension de contact ne pwssese maintenir a une valeur efficace superieure a 50 V. Le temps de foncoonnement maxunalest donne par le tableau 10.1.1 en fonction de la tension de contact presumee.

On remarque parmi les moyennes les plus utilises : Iamise it la terre, la mise au neutreet les dispositifs differentiels residuels,

10.8. Protection par coupure de l'alimeotation

Des principes enonces plus haut il resulte en premier lieu que l'emploi d'une tensioninferieure it 50 V peut assurer la securite si certaines conditions sont respectees :

- les circuits sont alimentes par une source dite source de securite :_un transformateur de securite, specialement concu, abaissant la basse tension

ordinaire a tres basse tension (TBT) et de rigidite electrique particulierement elevee entre lescircuits primaire et secondaire;

- une batterie de piles ou accumulateurs ;- un groupe moteur-generateur ;

- les circuits ne doivent avoir aucun point relie a la terre;- les conducteurs doi vent etre separes de ceux de tout autre circuit;_ les prises de courant ne doivent etre interchangeables avec celles de circuits de

tension plus elevee,Pour les installations reliees Ii Ja terre, la protection peut etre assuree aussi par

l'utilisation des dispositifs differentiels a haute sensibilite.

Protection sans coupure de J'alimentation est obtenue par :_ emploi d'une isolation renforcee ou une double isolation afin d'eviter le contact avec

des parties susceptibles d'etre mises sous tension;-locaux (ou emplacements) non-conducteurs ;• liaisons equipotentielles entre les masses pouvant etre mises sous tension et pouvant

etre touchees ensemble par une personne ; . ., _ separation des circuits qui consiste a alimenter l'equipement a proteger par un CIfCUlt

separe du circuit principaJ au moyen d'un transformateur de ra~port Ill. (~g.1 O.7.1~ ; ,Ie circuitsecondaire doit de preference n'alimenter qu'un seul appareil et doit etre protege de toutdommage et de toute defaillance d'isolation.

10.4. Protection centre les contacts directs et indirects

10.7. Protection sans coupure de I'alimentaticnLa securite des personnes exige que:- la tension de contact ne depasse pas les valeurs admissibles ;- la tension de contact ne puisse se maintenir dans aucune partie de l'instaUation ; des

que la tension de contact presumee dans une partie quelco~que de Yinstal1ation .est att~in~e, undispositif de protection doit separer automatiquement de l'installation cette partie protegee parle dit dispositif, dans un temps conditionne par les chiffres du tableau 10.1.1.

Lorsqu'un contact direct ou par une faible impedance est etabli entre un conducteur deligne et la masse d'un recepteur (par suite dun defaut d'isolement), la masse sera portee aupotentiel tres dangereus du conducteur de ligne, Pour eviter Ie dange_rilfaut s'assurer que:

_ le courant passant par le corps en cas d'une touche accidenrelle et la tension decontact restent sous les limites admissibles ;

_ la tension de contact sera eliminee, le plus vite que possible, soit par les appareilsdestines a la protection contre Ies courts-circuits, soit par des appareils specialement concupour assurer la coupure du circuit;

La protection contre les contacts indirects peut etre realisee :- sans coupure de l'alimentation ;- par coupure de l'alimentation.

10.3. Prineipes de securite

10.6. Protection centre les contacts IndirectsJ

Si 1'on excepte la protection par dispositif differentiel Ii haute sensibilite, aucundispositif de protection n'intervient lorsque le contact direct est etabli.

C'est pourquoi les seules mesures de protection consistent Iieviter par tous les moyensles contacts directs :

- isolation des parties actives;-la mise hors de portee au moyen d'obstacles (barrieres ou enveloppes) qui ne doivent

pas pouvoir etre supprimes facilement (emploi d'une de) et sans mise hors tension des partiesactives protegees;

- eloignement a une distance de minimum 2,5 m entre les parties simultanementaccessibles.

10.5. Protection centre les contacts directsPour obtenir une terre de resistance faible, les prises de terre sont realisees en pratiqueen utilisant plusieurs electrodes en parallele, et les espacant d'au moins 2,50 it 3 m. Vu que lesdistances entre les electrodes enfoncees sont inferieures a 40 m, le potentiel d'UDpoint du solest determine par superposition des potentiels des electrodes voisines. La resistance d'uneprise composee de n electrodes sera donnee par une relation de la forme:

Rt =!i (10.2.8)nu

ou u < I (coefficienr d'utilisation de la prise) est fonction des nombres des electrodes et deleur disposition dans le sol.

Les prises de terre peuvent etre specialement etablies ou de ~ait.Les prises de terre specialement etablies sont celles constituees par des conducteurs

electriques noyes dans le sol : .- piquets de terre, fences ou fores (suivant la nature du terrain) ; ,_ conducteurs, rubans, feuillards, enterres dans une tranchee ou boucle a fond de

fouille posee lors de la construction des batiments, en employant des metaux que leur natureou leur mode de pose mette a l'abri de la corrosion. .

Les prises de terre de fait utili sent les elements conducteurs de la construction enliaisons avec la terre :

- armatures metalliques des fondations ;- canalisations metalliques de distribution d'eau ;- gaines metalliques des cables enterres.Souvent on effectue une combinaison des deux systemes.

Page 65: Manual IAE

10.910.8

Fig. 10.8.1

Lorsqu'une phase touche la masse (supposons la resis~e du, defaut nulle), il y aelevation du potentiel de cette masse. II s'etablit dans le circuit de defaut, par la terre, un

-ri11

-'I;,! I

11·______~_----.:i:.._j_-=::::::===>':..t--~_:_:x....

b. Dans le regime du neutre 11' (§ 2.2.3, fig. 2.2.1, e), le neutre est isole de Ia terre etles masses sont reliees a une prise de terre.

Le courant de defaut se renferrne en passant a travers la prise de terre des masses et lesimpedances d'isclement du reseau par rapport it la terre. Vu que ces dernieres sont assezgrandes, le courant est faible et la tension de contact reste faible merne pour des valeursrelativement elevees de la resistance de la prise des masses.

La mise a la terre peut assurer ainsi la protection des personnes, au moins pour unpremier defaut, a la masse ou a la terre, la coupure du circuit n'etant pas imperative. Uncontroleur permanent d'isolement est necessaire pour indiquer par un signal sonore ou visuell'apparition d'un premier defaut,

Des qu'un deuxieme defaut est possible, un dispositif specialisedoit couper le circuit.La separation des circuits (Fig. 10.7.1) permet hi.~~alisationd'un reseau a neutre i~oie

a partir d'un reseau avec neutre a la terre, plus favorable du point de vue protection despersonnes.

(10.8.4)

(10.8.3)10.8.1.Protection par mise a la terre

a. Dans Ie regime de neutre 17' (§ 2.2.3, fig. 2.2.1, d) Ie neutre du transfonnateur estrelit Ii la terre par une prise de terre d'alimenumon (resistance R,,) et les masses del'installation sont reliees entre eJles et mises it la terre par une prise de terre de protection(resistance Rm) distincte (fig. 10.8.1).

(10.8.2)

(10.8.1)Up),

1 :---t RII +Rm

La tension de 1amasse par rapport a 1aterre devient la tension de la prise de terre:»; Uph

U =R 1 =U h---=---1m' p R +R R

ttl 11 1+-"Rm

et le potentiel du sol vane en rapport inverse de la distance (§ 10.2.2).La tension de contact a laquelle est soumise une personne qui touche une des masses

depend de la position par rapport a la prise de terre. La valeur maximale, egale a Ia tension dela prise de terre, corresponde a la zone de potentiel nul :

U =(J ~= UphC t« » R R,

/\m + J1 1+-'R",

Pour une resistance de la prise de terre d'alimentation donnee, on peut trouver uneresistance de la prise de terre de protection de telle facon que la tension de contact resteinferieure a la valeur admissible Ua :

UaRms:Rn-:---­

Up" -Ua

Le courant de defaut qui corresponde aux valeurs pratiquement realisables desresistances des prises de terre (de l'ordre de dizaines d'amperes) ne peut pas provoquer lacoupure du circuit par les appareils de protection centre les courts-circuits. Par consequent:

- la tension de contact (meme diminuee) se maintient sur les equipements ;-Je potentiel du neutre ainsi que les potentiels des toutes lesmasses en contact avec ce

conducteur ou avec la prise de terre d'alimentation seront amenes Ii la valeur de la tension dela prise d'alimentation Uph - Ua ; plus Ua est faible, plus le potentiel de ces partiesconductrices est dangereux,

La mise it la terre des masses dans un systeme TT ne peut pas assurer done laprotection contre l'electrocution dans toutes les parties du reseau, La protection devra etreassuree en ajoutant des dispositifs de protection specialises.

Fig. JO.7.1

courant de defaut Id = 1,. En negligeant l'impedance des conducteurs du reseau, la valeur ducourant est:

Page 66: Manual IAE

10.1110.10

UphO - tension secondaire a vide du transformateur d'alimemation ;Zd - impedance de la boucle de defaut (enroulement du transformateur, conducteur de

ligne, conducteur de protection) ; .Ia - courant assurant le fonctionnement du dispositif de protection dans le temps

correspondant a la tension de contact presumee.Lorsque la coupure est assuree (avant 0,4 s) par les coupe-circuit a fusibles du circuit,

le courant Ia est un multiple du courant nominal I" :fa =(5···8)1" . (10.8.7)

Dans Ie cas d'un disjoncteur, le courant de defaut doit depasser le courant de reglagedu declencheur electromagnetique Ire:

Id ~ 1,21re . (10.8.8)Le conducteur de protection doit etre mis a la terre a proximite de chaque

transformateur et, en outre, en autant de points que possible, notamment au point d'entree de

(10.8.6)

1d -courant de defaut :ou

(10.8.5)

Dans ces conditions, tout defaut d'isolement est transforme en un defaut entre phase etneutre, ce qui se traduit par un court-circuit monophase,

Dans ce schema, la protection est assuree par Ie dispositif de protection centre Jescourts-circuits tel que coupe-circuit a fusibles ou disjoncteurs a maximum de courant.

Si, en un endroit quelconque, iI se produit un contact entre un conducteur de phase etle conducteur de protection ou une masse qui lui est reliee, la coupure en un temps specific estrealisee si

Fig. 10.8.2

I

~~ Ll

~ izL3

PEN PE

~ ~

T N

~ ~, ,, ,, ,I 11. "j

If..-:-, ,

L I"i I

" i I, , I I·L___)

Dans ce schema (systeme TN, fig. 2.2.1, a.b,c, fig. 10.8.2), Ie neutre de l'alimentationest mise a la terre et les masses sont reliees au neutre du transformateur, par l'intermediaire,soit d'un conducteur neutre et de protection confondus (PEN) soit par un conducteur deprotection distinct (Fig. 10.8.2).

chaque batiment et au chaque tableau de distribution. 11 faut assurer la continuite duc?nduc~eur ?e protection ', En outre, iles~ interdit de couper le conducteur PEN; des coupe­ClICUlta fusibles ou des poles des appareils de connexion ne son! pas admisses sur le trajet dece conducteur.

10.8.2. Protection par mise au neutre

Page 67: Manual IAE

ALl

I Circuit a courant triphase, 50 Hz, 400 V, troisconducteurs (de ligne) de 25 =\ avec fi1neutre de 16 mm2 : a) representation multifilaire,1;1) representation unifilaire

3x25mm"+'x1Smm<~)

a) Paire coaxiale (si la structure coaxiale ne continue pas,Ietrait tangent doit etre represeme sur le cate coaxial seulemeut); b)idem, raecordee sur bornes; c) idem, sous ecran

Conducteur sons ecran: a) un conducteur; b)deux conducteurs; c) deux conducteurs surquatre I

31<25m",2 +'X1611\",2

b)

31N - 50 Hz 400 V

NIl31N - 50Hz 400 V

-e-:e{]--G-a) b) c)

Terre: a) symbole general; b) terre sans bruit; c)terre de protection

c)b)a)

L

"h j_Fl F2

~I

-:1 @)a) b) c)

Masse, chassis

Ajustabilite, variabilite: a) ajustabilite, symbolegeneral; b) ajustabilite, non lineaire; c)ajustement predetermine; d) variabiliteintrinseque, symbole general; e) variabiliteintrinseque, non lineaire; f) action par echelons;g) idem, le nombre d'echelons precise; h) Iajustement it action continue. Les symboles devariabilite et d'ajusrabilite sercnt dessines sur Ies svmboles del'clCrw..~t ct sallS un an~e de 4-50. • 1

a) Defaut (m:rrquagede l'emplacement suppose d';;;;-j

defaut); b) defaut d'isolement (par contoumement, 'I

claquage, etc. )

Nature du courant et de la tension: a) courantcontinue; b) courant altematif; c) courantredresse avec composante alternative; d) polantepositive; e) polarite negative; f) conducteurneutre: g)conducteur median

Cadres et envelop pes. a) Objet (equipement, 1dispositif, unite fonctionnelle, composant, Ifonction); b) enveloppe (ampoule ou cuve),enceinte; c) separation d'un groupe deconstituants associes physiquement, I

i mecaniquement ou fonctionnellement (D'imPOrt.I quelle combinai.~onde traits courts et longue'Speut eussi eireutili,ce); d) ecran, blindage, Toute forme coaveneble peutBin:utilisee pour lee svmbcles c)"etd),

a) b)

a)

D I I 0Fl F2 F3

0 C) c)

r-----lF3 F2 I

d)I

b)

1---.

- ....._, ,..____.+ - N M-- - -

a) b) c) d) e) f) g)

/_///_/a) b) c) d) e)

~ ~ //f) g) h)

SYMBOLESGRAPIDQUES (EXEMPLES)

ANNEXE 1

Page 68: Manual IAE

Al.3

Dispositifs de liaison: a) fiche (contact milled'une prise ou d'une fiche); b) prise (contactfemelle d'une prise ou d'une fiche); c) fiche etprise; d) prise et fiche roultipolaire; e)connecteur, partie fixe d'un ensemble; f)connecreur, partie mobile d'un ensemble; g) Iensemble de connecteurs; h) socle de prise decourant (puissance) avec contact pour Iconducteur de protec.tion; i) fiche et prise deconnecteur, par exemple cavalier

AL2

g) i)h)f)

d) e)

0)I'I

I

c)a)

Transformateurs de mesure de courant: a)symbale general; b) avec cinq passages d'unconducteur servant comroe bobine primaire(sans bobine primaire incorporee); c) it deuxnoyaux avec un enroulement secondaire surchaquenoyau (* - identification des bornes); d)it deux enroulements secondaires sur un circuit Imagnetique ccmmun. F2 est utiliseo en represeruetioaunifileire.

IMachines eiectriques it courant alternarif a)moteur serie. monophase; b) moteur a repulsion,

Imonophase; c) m.oteur asynchrane monophase Ii.rotor en court-circuit, enroulement de phaseauxiliaire it extremites sorties; d) alternateursynchrone, rriphase it induit monte en etoile,neutre sorti; e) alternateur synchrone triphase, itdeux extremites sorties pour chequeeuroulement de phase; f) mateur asynchronetriphase, Ii rotor en court-circuit; g) moteurasynchrone triphase, a rotor en court-circuit, itdeux extremites sorties pour chaqueenroulemenr de phase; h) moteur asynchronetriphase, Iirotor itbagues ;:.-;-;-­Transformateurs en representation multifilaire(Fl) et unifilaire (F2): a) transformateur IIdeux enroulements, symbole general;b) antotransformateur monophase;c) autotransformateur monophase a reglageprogressif de la tension; d) transfonnateurtriphase, couplage triangle-etoile avec neutresarti

FI.1FI.2 F2.1 F2.2 Fl F2c) d)

FI F2 Fl F2a) b)

~~;:~~~

L.....J e h ¢(IFl F2 Fl F2

a) bJ

n.~ W~mFl F2

c) F1 F2d) .

~I i=~f#- i I

. ~~. );6lJ~-l@ rillJ \f)=W ~[r:::l

a) b) c) d) e)

I ®~~f) g) h)

• T T L + a) Derivation, point de liaison; b) liaison en T;Ia)

Fl F2 E'1 ,F2 c) double liaison en T; d) point neutre (dans unb) c, systeme multiphase); e) intersection sansl_.n + .- liaison; f) contact mobile (par exemple glissant)

d) e) f) IResistances: a) symbole general; b) reglable; c)

-c.:::J- ¢.cS _g_ variable a contact mobile; d) avec (deux) prisesa) b) c) d) fixes; e) dependant de la tension, varistance; f)¢ .6- .c;E --!:::J_ reglable a contact glissant; reglable a contactue) f) g) h) glissant et a ajustage predetermine; g) shunt; i)

b photoresistance; j) element chauffant-l!lIID-

i) i)

Condensateurs: a) symbole general; b) polarise,j_ -L }f f par exernple electrolynque; c) reglable; d) IIT T ajustage predeterminea) b) c) d)

Inductances: a) inductance, bobine,,yvv-. 1"'1 M enroulement; b) it noyau magnetiqne; c) it noyana) b) c) magnetique avec entrefer; d) avec (deux) prisesflll rvr::: fixes; e) variable par contact mobile, i\ variationd) e) par echelons

J')' -..'" ---£;+IDiodes a semi-conducteur: a) symbole general;

-e:+ * -l3+- --£;+- I b) electroluminescente (LED); c) photodiode; d)a) b) c) d) e) tunnel; e) Zener

-i1* r8* ~ -it {fi Thyristors: a) type non specifie; b) commandeI cote anode; c) commande cote cathode; d)

aj b) c) d) 6)I blocable, gachette non specifiee; e) triac

y ~ ~/ hI Transistors: a)PNP; b) NPN, avec collecteurI relie it l'enveloppe; c) avalanche NPN; d) a

a) b) c) d) jonction unique (TUJ) avec base de type P; e) Ii

h h h~jonction unique (TUJ) avec base de type N; f) acffet de champ avec canal de type N; g) it effet

e) f) g) h) de champ avec canal, de type p. h)phototransistor typePNP

~f-Cellule photovoltaique

Page 69: Manual IAE

AL5

Conducteurs particuliers - schemas Itopograpbiques: a) neutre (N); b) de protection

, (PE); c) de protection et neurre confondus (PEN) I, I

I Luminaire a tubes fluorescents - schemas! topograpbiques: a) symbole general; b) a troisI tubes; 0) Iin tubes

[

I Point d'attente d'appareil d'eclairage (representeavec canalisatiou venant de la gauche) - shemastopographiques: a) symbole general; b) ena pli ue muraJe

I Inrerrupreurs - shemas topographiques: a}! symbole general; b) a lampe temoin; c)i bipolaire; d) commutateur unipolaire; e) va-et- i'I vient; f) commutateur intermediaire pour va-et-vient; g) bouton-poussoir; h) bouton-poussoir

jluntineUX (avec lampe incorporee); i) gradateur

I Organe de commande d'un relais thermique

Ro]ai,d,~reI_"PP=" •=,,,,",Ide mesure. L'asterisque doit etre remplace parune au plusieurs lertres ou par un ou plusieurs I

1 symboles distinctifs precisant les parametres dudispositif (par exemple: U = 0 - manque detension; U < -minimum de tension; r > -Imaximum de courant)

fl

e)dlc)a) bl

D

AlA

dl e)c)bla)

Fusibles et interrupteurs a fusibles: a) fusible, Isymbole general; b) fusible a percuteur (it liaisonmecanique); c) fusible 11 percuteur avec contactde signalisation distinct; d) fusible sectionneur;e) fusible interrupteur-sectionneur

a ) b) c) d) e I f) g)

Appareil de commutation de puissance: a)

II interrupteur; b) Disjoncteur; c) contacteur; d)discontacteur a declenchement automatiqueprovoque par un relais de mesure oudeclencheur incorpores; e) rupteur; f)sectionneur; g) interrupteur-sectionneur

IrI

I Interrupteurslauxiliaires de commandeunipolaires: a) interrupteur/contacr a fermeture a I

commande manuelle, symbole general; b) Iimerrupteur a bouron-poussoir a fermeture et it Iretour automatique; c) interrupteur 11 tirette I

Icomportant un contact a fermeture et it retour Iautomatique; d) interrupteur a bouton rotatifcomportant un contact a ferrneture sans retour II antomatique; e) interrupteur d'arret d'urgence

I(actionne par bouton type "coup de poing")comportaut un contact a ouverture et a positionmaintenue; f) interrupteur Ii bouton-poussoir afermeture et a position maintenue

Contacts avec operation rerardee (dans I.directionvers Ie centre de l'arc) par rapport a l'operationd'activation 011 a In disparition d'activation: a)contact a fermetnre, retarde lorsque le dispositif

Icontenant le con_tact est active; b) contact afermeture, retarde lorsque le dispositif contenantle contact n'est plus active; c,d) idem a,b -

i contacts a ouverture

9')

I Organe de commandefbobine de relais de tout­I ou-rien: a) symbote general; b) relais itmise au'I' repos retardee; c) relais a mise au travailretardee; d) relais a mise au travail et mise au

! repos retardees; e) relais a. mise au travail et

Imise aurepos _r_api~ (relais rapide); f) relais averrouillage mecanique; g) reJais polarise; h)reJais a remanence; i) relais electronique

Ii)h)

~ ra) b)

~t~+Fl F2 Fl F2

0) b)

~r=c>i ~

IFl ,,2 Fl F2

c) d)

I I I I~-~ "-~ r~ r-)Fl F2

a) b) c)

I r lr-) (j-y- ~-1d) e) f)

Contacts a deux ou trois positions: a) contact afermeture (contact de travail, contact NO); b)contact a ouverture (contact de repos, contactNF)

<IX-08'il<loSymboles distinctifs a. ajouter au symbole decontact pour preciser la fonction de: a)

_- contacteur; b) disjoncteur; c) sectionneur; d)interrupteur-secrionneur; e) declenchementautomatique; f) contact de position; g) retourautomatique, par exemple rerour a ressort ; h)retour non-automatique (it position maintenue)

a) b) c) d) e) f) g) h)

Page 70: Manual IAE

A2.!

Fig. A2.1. Schema des circuits de puissance et de commande pour un demarreurdestine itun moteur asyinchrone a rotor en court-circuit: demarrage direct, stop,changement du sens de rotation; representation assemblee

-M1

.... CDL_ -_K1~:(--~

N

-S1 1-<1-

-F2

r----------="'~. -X~I>r~rZ-Q11-~~---~ _M _:'

~ N... (,0

~ M '"

A2. EXEMPLES DE SCHEMAS

ANNEXE2

rf

Page 71: Manual IAE

A2.3A2.2

Fig. 111.3_ Schema des circuits de puissance et de commande pour un demarreur destine a unmoteur asyinchrone it rotor en court-circuit : demarrage etoile-triangle, stop, ; representationdeveloppee

-F1:2

Fig. 111_2. Schema des circuits de puissance et de commande pour un demarreurdestine a lIDmotear asyinchrone ,hot-or en eourt-circua : desnasrage-dir-ect, step,changement du sens de rotation; representation developpee

-K1

N ..,. to

-Q2~ ~ N N ~::l >

-X1

;;: ;;:

-039 -021~; 1::l > :s:

-M1

-X1 ~ ~ ~~r~r~rzF1 ... F3

-0.>-1N ... <0

~ M '"

-F1

N ~Ito2 -F2 1

~

I-Q1

-K1 - "" '" <\ -F4 ..-F3:2 [3-

-03 -Q2'" ... <0

-K'

Page 72: Manual IAE

A3.1

• On choisit d'associer a toute grandeur sinusoidale (u, i, ... ) une grandeur complexe(U L ...) et un vecteur de Fresnel telle que son module soit egal a fa valeur efficace (U, l, ... )de cette grandeur. Cette methode est fondee sur l'observation qu'a chaque nombre complexecorresponde un point dans le plan complexe (l'affixe du nombre) et done le vecteur de

Fig. A3.1.l

x est la valeur instantanee ;X - valeur efficace ;X, X m - valeur maximale (valeur de crete, amplitude) ;co=2 it f -pulsation (rad/s ou S-1)

f - frequence (dans Ja plupart de cas, 50Hz) ;(rot + y) - phase;y - phase it l'origine des temps (phase a l'origine, phase initiale) ; pour abreger Ie

langage on l'appele souvent la phase de Ia fonction.Le dephasage entre deux grandeurs sinusoidales de meme frequence x I et X2, egal a la

difference des phases des deux: grandeurs, s'exprime par la difference des phases it l'origineq>=Yl-Y2 (A3.1.2)

Dans une representation graphique cartesienne, la courbe x(t) est tracee dans 11,'1

repere forme de deux: axes orthogonaux (t ou rot en abscisses, x en ordonnees) ; la courbe estnne sinusoide. En representant ensemble dans Ie meme repere plusieurs grandeurssinusordales de meme pulsation, on peut identifier pour chaque grandeur sa phase it l'origineet ces dephasages par rapport aux autres grandeurs (fig. A3.1.1).Les courbes representant desgrandeurs de nature differente sont tracees a des echelles differentes,

(Ill.

(A3.1.1)x;;; X m sin(mt +S) ""x..fi sin(rot + y)

.. Une grandeur x(t) qui varie sinusotdalement avec Ie temps peut etre decrite parl'expression :

Grandeurs sinusosdates

A3.I. Cireutts electriques en courant alternatif sinusoidal

A3. RAPPELS D'ELECTROTECHNIQIJE

ANNEXE3

- ------- - ------

Page 73: Manual IAE

A3.3.A3.2

(A3.1.8)

(A3.1.7)Ir=1siucpLes trois courants sont lies par la relation :

12=1;+1;qui correspond au triangle des courants (fig. AJ.1.3 ).

• Les composants passifs d'un circuit sont, en general, un resistor de resistance R, unebobine d'inductance L et reactance Xl_ (reactance d'induction), et un condensateur de capacite

Le vecteur courant peut etre decompose en :- courant actif la, en phase avec U, qui produit la consommation de puissance (de

l'energie) active, seul capable de produire de l'energie dans les recepteurs, appele aussi"courant watte" :

1.=1cosrp ; (A3.L6)- courant reactif IT, en quadrature avec U, qui ne produit pas d'energie active, appele

aussi "courant dewatte" :Fig. A3.1.2

Fig. A3.1.3

Circuit resisti!Circuit capaci!ifCircuit inductif

Un circuit est constitue en substance par : une source d'energie, un consommateurd'energie (recepteur) et la ligne par laquelle l'energie est dirigee de la source vers leconsommateur, En monophase, la ligne consiste en deux conducteurs parcourus par uncourant 1 engendre de la tension U aux bornes de la source (fig. A3 .1.2). Ne pas confondre lesgrandeurs designees par U et [ a celles qui correspondent au circuit triphase !

.. 1Circuit moaophase (dipole)

(A3.1.3)

e Lorsque la tension est prise pour origine des phases, Ie vecteur courant du graphiquede Fresnel est dephase par rapport a la tension qu'il l'a engendre, a l'exception du circuitpurement resistif (fig. A3.1.3)'

o La tension et le courant s'expriment en fonction du temps SOllS les formes suivantes :u '"a sin m( '" Um sin rot '" .fiu sin rot

i= j sin(rot - <p)= 1msin(ror-cp) = J21 sin(rot - tp) :Lorsqu'une valeur de la tension et du courant est indiquee sans autre precision, c'est

toujours de la valeur efficace qu'il s'agit. D'ailleurs seuls les valeurs efficaces sont indiqueespar les appareils de mesure usuels (ampermetre, voltmetre).

n faut bien remarquer que lest l'impedance exprimee en complexe et Z est le modulede ce nombre. L'association des impedances (en serie ou en parallele) obeit done les reglesconcernant les nombres complexes. Par exemple, pour l'association en serie :

?_= Ll., = LR, + jL:x, ¢ 1:z, . (A3.L5)

R

Fig. A3.1.3

l.=R+jX=R+j(XL-XC)

~ 1 (A3.1.4)Z=..,R +X ; XL=roL ; Xc=-

roCillustrees par le triangle des impedances (fig. A3.1.3). L'irnpedance est une grandeur qui nedepende que des parametres du circuit et de la frequence,

C et reactance Xc (reactance de capacite), qui fonnent l'impedance du circuit Z selon lesrelations:

position de ce point. La representation dans le plan des vecteurs (polaires) au dans Ie plancomplexe associe conduit a une methode simple et precise de resolution des problemes sur lesgrandeurs sinusordales. Les grandeurs complexes sont representees par des lettres soulignees.Les modules sont representes a une certaine echelle. Les vecteurs representant des grandeursde nature differente sont traces it des echelles differentes,

Dans Ie cas de plusieurs grandeurs sinusoidales ayant meme pulsation ill, done memeperi ode et rneme frequence, et qui different seulement par leur amplitude et par leur phase al'origine, chacune d'elles etanr "engendree" par un vecteur toumant a la vitesse ro, on peututiliser leur representation vectorielle (representation de Fresnel) sur un meme graphique. Lesvecteurs generateurs seront representes dans la position qu'ils occupent Ii l'instant t = 0,comme s'ils avaient ete "pborographies" a cet instant; seul est conserve sur la figure la demia.xe Ox, appelee brievement origine des phases. Afin de simplifier la representation, unegrandeur est prise pour origine des phases et mise a la place de l'axe Ox ; par rapport a elle oncompte les dephasages des autres grandeurs. Le diagramme ne contient done que desdephasages,

On rappele que :• on considere j =.r-! cornme un facteur rotateur, soumis aux regles du calcul

algebrique ; multiplier un vecteur par j revient it le faire tourner de rc/2 dans le sensantihoraire (multiplier un vecteur par -i revient a le faire tourner de nl2 dans Je sens horaire) ;

- pour obtenir la derivee d'une grandeur cornplexe, il faut multiplier cette grandeur parjro (multiplier le module par ill et ajouter +7tf2 a la phase).

Page 74: Manual IAE

A3.5A3.4

Fig. A3.1.6

(A3.1.14) .P= I,Pj ; Q= I,Qjj~l j=l

Les puissances apparentes ne doivent jamais me additionnees :

~ (" )2 (" ? "s= vp2 +Q- = ~PJ +l~Qj j ;< ~Sj

Le facteur depuissance est par definition le rapport :

(A3.1.1S)

" La ligne de raccordement entre la source et le recepteur (fig. A3.1.5) est realises enutilisant en general quatre conducteurs : trois conducteurs de ligne (Ll , L2, L3) et unconducteur neutre (N). Les tensions simples sont mesurees done entre chaque conducteur deligne et le conducteur neutre, independamrnent des. connexions du recepteur.

Les tensions dites tensions de ligne ou tensions composees, mesurees entre deuxconducteurs de ligne sont donnees par les relations (fig. A3.1.6) :

(A3.1.13)

Le triangle donne immediatement les relations :'S =P + jQ (en complex)82 = p2 +Q2

S=Zl2 ; P=R12 ; Q=XJ2

QL =«u? ; Qc =Cf}CU2P = Scoscp ; Q>= Ssinq> >= Ptgcp

Les puissances active et reactive consommees par plusieurs recepteurs sont egales 11lasomme des puissances actives et reactives consommees par chacune d'eux :

Fig. A3.1.5

r---- L1 I r----, Iul u IL2 :;<!) •E uiu I .l!lup! Q.::> s0 ' p.' ((J) L3 ~ -<IJ

u~{oc

N

'-- '---p

Fig. A3.1.4

• La source, par exemple un generateur ou en transformateur, alimentant un-recepteurtriphase, est compo see de trois enroulements qui foumissent aux bomes un systemesymetrique de trois tensions dites tensions de phase ou tensions simples ayant la memefrequence, la meme valeur efficace (U1ph = U2ph ~ USph ~ Uph) et qui sont dephasees I'une parrapport a l'autre de 120°. En basse tension les trois enroulements sont branches en etoile; c'estpourquoi elles sont appelees aussi tensions etoilees.Q=QL -Qc (A3.1.12)

La puissance reactive est independante de la puissance active absorbee par lesrecepteurs du circuit.". Les trois puiss~ces peuvent =.portees sur les cotes d'un trian~e rectan~le ditmangle des puissances' , semblable a celui des Impedances, dans le rapport 1- (fig. A3.1.4).

Circuit triphase

(A3.US)U=ZI .• La loi d'Ohm devienne :

k=cosql<l (A3.l.17)Un facteur de puissance de faible valeur signifie une consommation elevee de

puissance reactive, done de mauvaises conditions d'utilisation du materiel.

En sinusoidal nous avons done :

(A3.U6)k=!...=..!_S UI• On distingue des puissances sui vantes :

•puissance apparente S, exprimee en voltamperes (VA) or kilovolt ampere (kVA) :S=UI; . .. (A3J.9)

- puissance activeP - la puissance moyenne, exprimee en watts (W) ou kilowatts (kW)et mesuree par les wattmetres :

P=U Icoscp (A3.1.10)qui correspond a l'energie foumie au circuit par la source, necessaire a la transformation del'energie de la forme electrique en autre forme;

- puissance reactive Q, exprimee en vars (var) ou kilovars (kvar)Q=Ulsinq> , (A3.1.1l)

necessaire au fonctionnement du circuit et en particuliere des machines; l'energie reactive nepeut pas etre transformee en d'autre forme.

La puissance reactive a 1a signe de simp, done de <p. II en resulte :- circuit inductif : <p > 0 ~ QL >0- circuit capacitif : <i> < 0 ~ Qc < O.On a done:

Page 75: Manual IAE

A3.7A3.6

au )l est la permeabilite magnetique du milieu.Rappelons que la grandeur caracteristique d'un milieu est sa permeabilite magnetique

(absolue) ).l qui est toujours comparee a eelle du vide que ron represente par ).lo:J.L=)lo.).l, , (A3.2.2)

).lr etant la permeabilite relative de la substance (sous-entendu : par rapport au vide) - unsimple nombre (sans dimensions), caracteristique pour chaque substance.

• Un circuit triphase peut etre considere constitue par trois circuits monophases. Lamissance triphasee sera done la somme des puissances des trois circuits simples. Dans un.ysteme symetrique equilibre, la puissance triphasee represente trois fois la puissance d'uneohase (conducteur de Jigne - conducteur ou point neutre).

(A3.2.1)- BH=-Il

(A3.1.21)

.. Par analogie au champ electrique, la grandeur (vectorielle) caracteristique (du pointde vue magnetique) de l'espace au n'import quel point est appele induction magnetique et estdesignee par B. L'unite SI d'induction magnetique est appelee tesia (T).

Le vecteur in/ensile du champ magnetique if est definit a partir de jj comme jj apartir de if dans le champ electrique :

• Par champ magnetique on entend la region de l'espace dans laquelle s'exercent desforces sur les pieces ferromagnetiques au sur les conducteurs parcourus par des courantselectriques places dans cette region.

A3.2. Champ magnetique et circuits magnetiquesFig. A3.1.7

(A3.1.25)

La puissance nominale d'un recepteur est precisee pour une certaine valeur de latension du reseau et un certain schema de couplage interne du recepteur. L'alimentation auxdifferentes tensions du reseau ou le changement des connexions en vue du changement de lapuissance absorbee ne peuvent s'effectuer que si les extremites des phases du recepteur sontaccessibles (sorties aux bomes).

Du point de vue reseau, lorsqu'on calcule l'impedance par phase, il faut prendre enconsideration l'irnpcdancc du recepteur en couplage etoile. Dans le cas ou la puissance P»serait precisee pour Ie couplage triangle on a :

Z = U2 Coscp"'phr Pnl3

(A3.1.24)

le rapport etant :

L'irnpedance d'une "phase" est concue de telle facon que l'echauffement produit par le.ourant parcourant la phase Iz = UZIZphr (Uz etant la tension anx bomes de l'irnpedance) nelepasse pas les valeurs admissibles.

La tension appliquee it une phase et le courant qu'en resulte dependent de schema de:onnexions (etoile ou triangle) : Uz= Uph Ciatension de phase) ou Uz = U (la tension de Jigne)lu reseau d'alimentation.

Pour la rneme tension du reseau U, les courants traversant les conducteurs du reseau eta puissance absorbee seront done :

Ul=lr=lz=--- ;Jiz pJ"

Il faut preciser que /a notion d'impedance equivalente ne s'applique pas aux·ecepteurs triphases !

.. Un recepteur triphase equilibre comporte trois "phases" constituees par troismpedances Zplv (par exemple, trois enroulements dans le cas des moteurs) qui peuvent etrerranchees soit en etoile soit en triangle.

• Pour une valeur donnee de la tension de ligne du reseau, la puissance d'un recepteurdepende du schema de couplage des phases du recepteur :

U U U2 U U2P, =3 r;;-r.;-coscp=--COS(P ; PI!,=3U--coscp=3-·-cosql , (A3.1.23)..,,3 ..,,3Z phr Z ph' Z pi" Z ph r

(A3.1.19)

Quel que soit le montage (etoile ou triangle), les relations donnant les puissancesapparente, active et reactive en regime sinusoidal seront :

S",3UphI=.j3Ul

P=3U p/,! COSq1= {3U lcoscp (A3.1.22)

Q '" 3Uphl sin rp =.J3U1 sin o

ou U designe la tension composee (de ligne), 1 - le courant traversant le reseau (par unconducteur de ligne) et cp - dephasage non pas entre U et 1mais entre Ies grandeurs simplesUph etlplt.

!I12 = !Ipltl - !Iph2 ; !I2_, = !Iph2 - !Ip1i3U12=Un=U31=Uu",./3upi,

Pour un recepteur triphase equilibre donne, les tensions donnent naissance auxourants de meme valeur efficace dans les conducteurs de ligne, dephase par rapport auxensions et formant aussi un systeme triphase. Les valeurs des courants sont determinees para tension de phase et l'impedance de la phase consideree :

Uph UJ = - = ----;;;- (A3. 1.20)z; V3Zph

~phetant l'impedance resultante (association en serie) des impedances de la source, de Ia ligne:t du recepteur par phase.

Page 76: Manual IAE

A3.9A3.8

L designant I'inductance de la bobine.L'unite SJ d'inductance est Ie henry (H).• SOUS I'action des forces 61ectromagnetiques et electrodynamiques, tout circuit

parcouru par un courant, place dans un champ magnetique, tend a embraser Ie maximum de

• Une bobine parcourue par un courant variable est Ie siege d'une f.e.m. d'auto­induction, due Ii la variation du flux engendre par la bobine elle-meme, qui constitue une sortede reaction de Ja bobine sur elle-meme.

Le flux engendre par la bobine et embrasse par elle est proportionnelle au courant:¢=Li (A3.2.ll)

.. Dans le cas d'un circuit electrique ferme, la f.e.m. induite fait naitre un courantelectrique dans Ie circuit; la f.e.m, est due a 1avariation duflux resultant (somme algebriquedu flux exterieur et du flux propre). Le courant induit tend a s'opposer a la variation du fluxqui la produit et par consequent a la cause de cette variation (loi de Lenz).

.. Toute portion de conducteur de longueur 1parcourue par un courant i et placee dansun champ d'induction B uniformc est soumise it une force electromagnetique (force deLaplace) proportionnelle Iil'intensite du courant:

l=il xB=Bifsina N, (A3.2.7)au a est l'angle forme par Jes vecteurs B et T(T ayant le sens du courant I). Cctte forces'exerce dans une direction perpendiculaire a 1a fois a l'induction et au courant.

Dans Ie cas particulier oil l'induction B est due a un courant electrique, la forceelectromagnetique prend le nome de force electrodynamique (s'exercant entre conducteursparcourus par des courants) :

/=-/(il,i2) , N . (A3.2.8)Pour des conducteurs paralleles, la relation:

f =K il i2 (A3.2.9)met en evidence l'attraction entre "deux courants" paralieles et de meme sens et la repulsionentre "deux courants" paralleles et de sens contraire. La con stante K depend du milieu danslequel sont plonges les elements du courant (u), de la position relative des elements decourant et des unites choisies.

• Un courant d'intensite i cree un champ magnetique caracterise en tout point del'espace par le vecteur excitation magnetique (intensite du champ) H dont le module estproportionneJ Iii

• Leflu,T magnetique qui traverse une surface d'aire S est donne par la relation~=B·S=BScosa (A3.2.5)

ou a est I'angle forme par les vecteurs B et S= liS (n - vecteur unitaire normal a lasurface).

L'unite Sl de flux magnetique est appelee weber (Wb).L'induction magnetique represente done la densite surfacique de flux magnetique et Ie

tesla est aussi bien le weber par metre carre (1 T = 1 Wb·m-2).

• Un flux magnetique variable dans le temps engendre une f.e.m. dans un conducteurplace dans le champ.

La force electromotrice (f.e.m.) d'induction dans un circuit place dans un champmagnetique resulte generalement d'une variation de flux embrasse par le circuit (Ie fluxtraversant le circuit) : tout. accroissement de flux embrasse par un circuit produit une f.e.m.d'induction dans un certain sens ; toute diminution de flux ernbrasse produit une f.e.m.inverse.

La loi de l'induction electromagnetique tloi de Faraday) appliquee aux mecanisrneselectromagnetiques est generalement adoptee sous la forme:

d<l>e=-N- (A3.2.10)dt '

N representant le nombre de spires qui embrassent Ie flux <1>.Il en resulte que la f.e.m, induite dans un circuit:- ne depende pas de la substance, de la forme ou des dimensions des conducteurs qui

forment ce circuit;- depend de la vitesse de variation du flux magnetique traversant le circuit.La variation de flux peut etre obtenue dans les situations suivantes :- un conducteur (circuit) fixe dans un champ variable dans le temps;- un conducteur (circuit) et un champ magnetique d'amplitude constante se deplacant it

une vitesse relative (conducteur qui "coupe" le flux) ;La f.e.m, "statique' ou "de transformation" est caracteristique pour transformateurs

(bobines fixes, variation du courant primaire - courant altematif) .La f.e.m, "cinemarique" Oil "de deplacement" constitue Ie fondement des machines

electriques ; dans ce cas on utilise la loi de I'induction electromagnetique SOllS la forme:e =(v x B).{ (A3.2.11)

ou, I est la longueur active d'un conducteur droit dans les Iimites du champ magnetiqueuniforme a induction B et.v - Ja vitesse de deplacement du conducteur.

(A3.2.6)H=-ki , Aim .

• Les lignes d'induction magnetique ou lignes de champ, Ie flux (d'induction)magnetique, le tub de flux (d'induction) se definissent comme les grandeurs correspondantesdu champ electrique,

On appelle ligne de champ (autrefois: ligne de force) une ligne tangente en chaquepoint au vecteur H. Dans le vide au dans l'aire les lignes du champ se confondent avec leslignes d'induction (tangents au vecteur B).

(A3.2.4)

Pour les materiaux ferromagneriques f.lr» 1. On a donc f.l» f.lO.L'unite S1de champ magnetique est l'ampere par metre (Am'!).

Dans tous les materiaux le vecteur induction magnetique Best proportionnel a H.Pour les modules:

flux (principe du flux maximah. Notons que la position de flux maximal correspond a uneenergiepotentielle minimale ; c'est done une position d'equilibre stable. Le principe du fluxmaximal explique non seulement le deplacement spontane d'un circuit parcouru par uncourant dans UD flux mais encore d'autres deplacements spontanes : deplacement desarmatures des electroaimants, fonctionnement des moteurs electriques, fonctionnement desappareils de mesure magnetoelectriques et electrodynamiques, ten dance a I'agrandissementpour tout circuit parcouru par un courant (par exemple Ie deplacement de I'arc electrique decoupure dans une chambre d'extinction d'un appareil de commutation).

(A3.2.3)La permeabilite magnetique du vide a pour valeur:

Ilo =4n."JO-1 , H'm-!

Page 77: Manual IAE

A3.11A3.10

- lorsque le champ decroit, "induction, pour une meme valeur de H, a une valeur pluselevee qu'au cours de la croissance d l'excitation :phenomene d'hysteresis ;

- l'ensemble des differentes branches de courbes B(H) tracees entre -Hmw; et +Hmax,puis entre +Hmax et -Hmax constitue une courbe fermee qu'on appelle cycle d'hysttiresis ;

Fig. A3.2.1

• Lorsqu'une masse metallique est deplacee dans un champ magnetique ou bien,laissant fixe celle-ci, il fait varier l'induction, la masse peut etre consideree comme constitueepar une infinite de petits circuits embrassant un flux variable et parcourus done par descourants induits; cel1es-ci sent appelees courants parasites ou courants de Foucault. Le plussouvent, les courants de Foucault sont nuisibles.

En effet, it tous les circuits des courants de Foucault s'applique la loi de Joule; lescourants de Foucault representent generalement des pertes d'energie appelees penes parcourants de Foucault qui diminuent Ie rendement des machines ou des transformateurs etparfois provoquent un echauffement dangereux dans les pieces dans lesquelles ils seproduisent. Cependant, ils sont utilises dans les fours Ii induction (a haute frequence). De plus,les courants de Foucault creent un champ magnetique qui, suivant la loi de Lenz, est opposeau champ magnetisant primaire. C'est le cas du phenomene de "refoulement" du champ qui setraduit par une diminution de la perrneabilite apparente dans les pieces ferromagnetiques. Uneapplication pratique est aussi l'effet de freinage d'un disc toumant dans un champ magnetique,en particuliere le cas des compteurs electriques d'induction,

Les pertes par courants de Foucault, dues aux courants induits dans les massesmetalliques places dans un champ magnetique periodique d'induction B, peuvent etreexprimees par la formule :

:·S

li). .'/;, ... .. '///;. ~.. f

--I ....' .+---~

..

.. Pour une substance ferromagnetique soumise it un champ variable, croissant etdecroissant entre +Hmax et-Hmax, on constate que (Fig. A3.2.1) :

(A.3.2.18)~,=KiVfBn , W ,ou nest egal a 2 pour des toles et Ii 1,6pour un materiau massif.

, co; 21if ; il en resulte :

(A3.2.l7)

• En courant alternatif sinusotdal, les grandeurs magnetiques etant proportionnelles ai sont egalement sinusoidales. On a :

• N j • , •• (1\3 2 14)H=-,- , B;IlH , cP=BS . • ..

Souvent ces grandeurs sont simplement notees H, B, $ mais, dans les relations ou ellesinterviennent, il faut tenir compte que les grandeurs magnetiques sont indiquees toujours envaleurs maximales (de crete) tandis que les grandeurs electriques sont indiquees en valeursefficaces.

La force electromotrice (f.e.m.) induite par un flux sinusoidal ~ = $sin rot traversantun reactor parfait (bobine de N spires) est une grandeur sinusoidale en quadrature arriere duflux; selon la loi de Faraday

e = -N d~=-N(l)~cosCJt = Ni»$sin(w( _2.t.) (A3.2.1S)dl 2

La valeur efficace de la f.e.m, est:

- la courbe B(H) obtenue en joignant les sommets des cycles correspondant Ii diversesvaleurs Hmax est parfaitement definie et caracteristique de la substance magnetique ; elle estappelee plus communement courbe d'aimaruation ou c01JTbede magnetisation et intervientdans le fonctionnement des machines electriques et des transformateurs.

La courbe de magnetisation presente :• une petite branche parabolique qui a peu d'interet pratique (car elle se termine pour

un champ tres faible) ;- une portion sensiblement rectiligne dans laquelle B est Iipeu pres proportionnel it H ;- un coude;- une branche asymptotique it une droite (domaine de saturation) ; l'induction it partir

de laquelle la saturation devient importante est appelee induction de saturation.Par consequent, l'aimantation et la desaimantation obtenues pour des valeurs

respectivement croissantes et decroissantes de l'excitation H ne sont pas des operationsinverse l'une de l'autre ; le phenomene d'aimantation est non lineaire et non reversible.L'aimantation de la matiere absorbe de I'energie qui n'est que partiellement restituee lors de ladesaimantation.

A chaque cycle d'hysteresis auquel un materiau est soumis correspond une perted'energie qui se traduit par un echauffement du materiau - pertes par hysteresis iperteshysteretiques) ; c'est un effet defavorable. On note que dans les organes des machineselectriques tournant dans un champ radial produit par les pieces polaire d'un electroaimant il ya aussi des penes par hysteresis tournante plus grandes que les pertes par hysteresisalternative (dans un champ dont Ie sens est seul variable).

Les pertes par hysteresis dans un materiau magnetique place dans un champmagnetique periodique d'induction B sont proportionnelles it l'aire du cycle. d'hysteresis(dependante du materiau), ala frequencej, Ii I'induction magnetique B et au volume V dumateriau pouvant etre calculees par la formule de Steinmetz:

(A3.2.16)E=N(l)~J2

Laformule de Boucherot s'obtient en remplacant ~ =13s27t" ' -E= J2BN.rS~4,44BNfS .

A partir de la loi de Faraday, on obtient l'expression de la f.e.m. d'auto-induction :d~ dieL = -- =-L- . (A3.2.13)di dt

La f.e.m. d'auto-induction s'oppose Iiun courant qui croit et prolonge un courant quidecroit.

------------------------------------------

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• On entend par champ tournant un champ magnetique dont le vecteur it (B)d'amplitude constante se trouve dans Ie temps en differentes positions dans I'espace parrapport a une direction de reference; on dit que ce vecteur "tourne" a une vitesse angulaire Qautour d'un axe. Ce champ est equivalent a une onde progressive se propageant II une vitesse

A3,13A3.12

.. Etant donne un circuit magnetique comportant plusieurs troncons de differentessubstances, le probleme du circuit magnetique peut se poser de deux facons differentes :

- une f.m.m. etant appliquee a un circuit magne1ique determine, tronver le fluxengendre dans le circuit;

- un flux donne devrant etre engendre dans un circuit magnetique detemrirll;\ trouver laf.m.m. necessaire,

On a done pour un circuit magnetique ferme aimante par une bobine :~=NI )'I' R ' (A3,2.23

uel'inductance de la bobine etant donnee par Ia relation:

N2L=-=N2A (A3274)R • , , .. -f'"

OURpe est la reluctance totale (equivalente) et A. -la permeance totale (equivalente) du circuitmagnetique,

• Un circuit magnetique est un circuit ferme constitue par l'ensemble de milieuxtraverses par Ie flux magnetique et qui renfenne toutes les lignes d'induction. Frequemment,Ie circuit magnetique est compose de substances ferromagnetiques (noyau magnetique) dontle principal type est le fer ou l'acier. Les lignes d'induction traversent parfois un intervalled'air appele entrefer.

Le produit de nombre de spires d'un circuit electrique (bobine), donnant naissance it unflux magnetique, et Ie courant traversant ce circuit et appele force magnetomotrice (j.m.m.) :

F"=Ni • A . (A3.2.20)L'unite de la f.m.m. est Yampere (parce que 1a f.m.m. est une grandeur de meme nature

que le courant) mais on la designe souvent par I 'ampere-tour(ou 1'ampere-spire).La circulation du champ fj Ie long d'un parcours ferme enlacant un circuit electrique

de N spires est egale a la force magnetomotrice FIl (theoreme d'Ampere, fa loi du circuitmagnetique) :

tfI dZ = Ni , (A3.2.21)

La reluctance d'un noyau magnetique de longueur I et section transversale S est:IR., = ~ , AIWb , (A3.2.22)

ou fJ. est la permeabilite du materiau (bien. superieure II la permeabilite de I'airJ.llJ = 4n·1O-7 Him).

On cons tate qu'une remarquable base de calcul pour un circuit rnagnetique de longueurI et section transversale s est fournie par l'analogie (de pure forme) au circuit electrique demerne longueur et section (tableau A3.1):

Circuit electrique Circuit magnetiqueGrandeur Definition Unite Grandeur Definition Unite

Intensite du courant I A Flux magnetique 4> Wb-

Densite de IAim2

Induction <I>courant j=- magnetique B=- Ts S

II ForceI

I

I ForceI E V 1 magnetomotrice FI).=NI A Ielectromotrice donnant uaissance II ' au flux I I

Conductivite I (J 1/0m Permeabilire /-l Him

Resistance II I Reluctance R=_!_R=- n AfWb

Icrs Il ).IS

II I

Iw~l1 J.ISConductance 1 as 1/0 I Permeance /1.=-;-

-=- R" iR 1 I !

Loi d'Ohm (pour un E I F N11",,- A Loi d'Hopkinson <I> = _!';_=- Wbcircuit ferme) R R~ n;Loi d'Ohm (pour I I Loi d'Ohm (pourune portion de U=Rl

I v une portion de U =1\.<I>=i Acircuit electrique) i circuit magnetique) Il I\. I

• Les pertes magnetiques ou pertes dans lefer, sont la somme des pertes par courantsde Foucault et par hysteresis. Elles se produi~nt chaque fois qu'il y a une variation du champrnagnetique dans une substance ferromagnetique, et en particuJier quand un noyau magnetiquefixe est place dans un champ alternatif (par exemple, dans transformateurs) ou quand unnoyau magnetique se deplace dans un champ invariable (par exemple, dans les machineselectriques).

Les notices industrielles donnent en general des pertes totales par kilogramme demateriau en fonction de : la frequence, I'induction maxima aneinte et l'epaisseur des toles.

Tableau A3.1Pf=K2Vf2iJ2 , W . (A3.2.19)Pour elirniner en partie l'effet nuisible des courants de Foucault, toutes les masses

metalliques soumises a des variations d'induction doivent etre feuilletees (c'est a dire formeesd'empilages des tOies isolees entre elles) dans des plans paralleles aux lignes d'induction. Ilfaut de rneme eviter des circuits conducteurs fermes dans des flux variables (par exernple, lesrivets et les vis assemblant les toles). Les pertes de Foucault seront d'autant plus faibles que laresistivite du materiau est plus grande d'ou la necessitee d'utiliser des alliages appropries pourles toles.

Page 79: Manual IAE

\

A3.15A3.14

Sur I'action de ce champ, l'aiguilie toume spontanement dans le sens noraire ou anti­horaire a une frequence de rotation 11,. Lorsque l'aiguille airnantee est remplacee par uncylindre (creux) metallique, la frequence de rotation est inferieure a la frequence desynchronisme : la rotation est asynchrone.

La permutation de deux phases provoque l'inversion du sens de rotation(Fig. A3.2.2, c).

• Deux bobines coaxiales (Fig. A3.2.3) alimentees par le meme courant sinusoidal defrequence f creent dans l'air, au centre du systeme, deux champs tournants, de sens inverse,dont la frequence commune de synchronisme est ns =f Quand les bobines sont alimentees,l'aiguille aimamee vibre mais ne tourne pas. Si l'une des extremites est frappee (a un instantconvenable par rapport a l'etat du champ magnetique qu'il existe au niveau de l'aiguille),

Fig. A3.2.2

c)a)

~

5 N, •

b)

ensuite ala frequence de synchronisme.

Fig. A3.2.3

K...

l'aiguille entre en rotation et elle se synchronise avec Ie champ tournant puisqu'elle tournergulaire n (par exemple, dans la peripherie d'une armature magnetique ou dans l'entreferune machine electrique rotative) .

• Lorsqu'un aimant en -fer de cheval (Fi-g.-A3.2.2, a) tourne auteur d'un axe vertical,ne aiguille aimantee, placee sur son pivot, entre elle-meme en rotation. On dit qu'elle estoumise a un champ tournant.

• Un ensemble de trois bobines it Doyal! de fer, dont les axes sent regulierement(kales de 120°, alimentes par 1.U1systeme triphase de courants (Fig. A3.2.2, b)

il =1 cos rot ; ;2 =1 cos( ro/ - 231t) ; i) =1 cos( rot - ~ )= J cos( rot + 231t). (A3.2.25)

ree un cbamp tournant dans l'air, mis en evidence par une aiguille aimantee, placee au centresuivant l'axe de symetrie) du systeme, dont la frequence de rotation (nombre de tours pareconde) est exactement egale a la frequence des courants dans les bobines :

ns = f , tr/s . (A3.2.26)La frequence de rotation du champ toumant est appelee frequence de synchronisme.

Page 80: Manual IAE

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