Choix de la tension des moteurs électriques

1. Si la tension la plus faible portée sur la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phases, on doit faire le couplage triangle
2. Si la tension la plus élevée portée sur la plaque signalétique du moteur correspond à la tension entre phases, on doit faire un couplage étoile
3. Dans les autres cas, on ne peut pas raccorder le moteur sur le secteur

Démarrage étoile/triangle

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--> Schéma :

Le démarrage s’effectue en deux étapes et dure 3 à 7 secondes :
- Première étape : couplage Etoile (Y) du moteur
Les enroulements sont soumis à une tension U/ 3 (U / racine de 3)
Le courant de démarrage Id est réduit par rapport au démarrage direct. (Id = 1.3 à 2.6 In)
Le couple au démarrage est plus faible qu’en démarrage direct (0.2 à 0.5 Cn)
- Deuxième étape : couplage Triangle (Ω ) du moteur
Quand le moteur est lancé, on passe au couplage triangle. La surintensité qui en résulte est
moins importante qu’en démarrage direct et le moteur atteint sa vitesse nominale à pleine
tension.
Avantages de Démarrage étoile/triangle :
- Démarreur relativement peu onéreux
- Le courant de démarrage est plus faible qu’en direct et donc moins perturbant pour le
réseau.
Inconvénient de Démarrage étoile/triangle :
- Couple de démarrage faible
- Coupure de l’alimentation et courants transitoires importants au passage Etoile/triangle
Utilisation :
Réservé essentiellement aux machines démarrant à vide.
Fonctionnement de la partie commande :
Une impulsion sur S2 alimente le relais KM1. Les contacteurs KM1 se ferment et le relais KM2 est activé : il y a auto-alimentation (KM2 13-14 est fermé). Les contacteurs de puissance KM1 et KM2 étant fermés, on a un couplage étoile.
Au bout de 2 secondes, le contacteur à ouverture temporisée (KM2 55-56) s’ouvre, entraînant avec un léger retard la fermeture du contacteur 67-68 : Le relais KM3 est alors alimenté. Les contacteurs KM2 et KM3 sont donc fermés : c’est le couplage Triangle.
Note : le léger retard à la fermeture du contacteur 67-68 est nécessaire afin d’éliminer tout risque de court-circuit des phases (KM3 et KM1 ne doivent jamais être fermés en même
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Démarrage statorique à résistances

Schéma :

Le démarrage s’effectue en 2 temps et dure entre 7 et 12s :
Dans le premier temps, on met en série avec chaque phase du stator une résistance (Fermeture de KM11)
Dans le second temps, on court cicuite les résistances (Fermeture de KM1)
Fonctionnement de la partie commande :
1er temps - Impulsion sur S2 : le relais KM11 est activé et les contacteurs KM11 (partie
puissance) se ferment. Le relais est auto-alimenté.
2nd temps – Le contacteur temporisé KM11 se ferme , entraînant l’alimentation du relais KM1 :
Les contacteurs de puissances KM1 court-circuitent les résistances.
L’arrêt est obtenu par une impulsion sur S1
Les avantages du Démarrage statorique à résistances :
Pas de coupure d’alimentation pendant le démarrage. Forte réduction des pointes de courant transitoires (à ne pas confondre avec courant de démarrage). Possibilité de réglage des valeurs au démarrage
Les inconvénients du Démarrage statorique à résistances :
Perte de puissance dans les résistances. Perte de couple important . Le courant de démarrage est encore élevé (4,5 In)

DEMARRAGE DIRECT

Schéma :

Une impulsion sur S2 alimente le relais (KM1) : les contacteurs KM1 se ferment et le relais est auto-alimenté.
Le moteur démarre. L’arrêt est obtenu par une impulsion sur S1.
Le démarrage est donc obtenu en un seul temps ; le stator du moteur est couplé directement sur le réseau.
Les avantages du démarrage direct :
- Simplicité de l’appareillage de commande
- Couple de démarrage important (1.5 à 2 fois le couple nominal )
- démarrage rapide (2 à 3 secondes)
Les inconvénients du démarrage direct :
- La pointe de courant lors de la mise sous tension est très élevée, de l’ordre de 4 à 8 fois le courant nominal
- Démarrage brusque : déconseillé si le démarrage doit être doux et progressif (tapis, transporteur, etc …)
Utilisation :
Démarrage réservé aux moteurs de petites puissances (P < 5kW) en raison de l’appel important de courant lors du démarrage.

Procédés de démarrage

Il existe plusieurs procédés de démarrages : Démarrage direct, démarrage statorique à
résistance, démarrage étoile / triangle … (on se limitera à ces 3 procédés)
*Demarrage direct
*Démarrage statorique à résistances.
*Démarrage étoile/triangle

Couplage TRIANGLE et ETOILE.

Le moteur asynchrone triphasé dispose d’une plaque à bornes où sont disponibles les extrémités des enroulements du stator :

On choisit le couplage étoile ou triangle en fonction des caractéristiques du moteur : La plaque signalétique d’un moteur asynchrone précise toujours deux tensions de fonctionnement possibles :
Exemple : 230/400 ou 380/660
La plus petite valeur indiquée est la tension nominale d’un enroulement (une phase du moteur) .
Par conséquent le moteur asynchrone triphasé est branché :
En triangle : lorsque la tension entre phases (tension composée) du réseau d’alimentation est égale à la tension de fonctionnement la plus basse :
Ex : moteur 380/660 Réseau : 220V / 380V (380 V = tension entre phases du réseau)

En étoile : Lorsque la tension entre phases du réseau d’alimentation est égale à la tension de fonctionnement la plus élevée :
Exemple moteur : 230/400 Réseau : 230 / 400
Autre exemple : Moteur dont la plaque signalétique indique : 230/400. Réseau triphasé 132 /230

Le couplage devra être TRIANGLE ( La tension entre phase du réseau = 230 V ce qui correspond à la tension d’un enroulement (230V) du moteur)

LES CONDUCTEURS ET CABLES

Les conducteurs et les câbles assurent la transmission de l'énergie électrique et sa distribution. Il en existe une très grande variété pour satisfaire à toutes les utilisations de l'électricité.
I)- Définitions :
On distingue trois termes :
• Le conducteur isolé: qui est un ensemble formé par une âme conductrice entourée d'une enveloppe isolante.

• Le câble unipolaire: c'est un conducteur isolé qui comporte, en plus, une ou plusieurs gaines de protection.

• Le câble multiconducteurs: c'est un ensemble de conducteurs distincts, mais comportant une ou plusieurs gaines de protection commune.

II)- Caractéristiques :
       Caractéristiques électriques
       Caractéristiques mécaniques
III)- Identification et repérage :
On peut identifier les conducteurs par leur couleur :
• Bleu clair pour le conducteur neutre
• Vert / Jaune pour le conducteur de protection électrique
• Les conducteurs de phase peuvent être repérés par n'importe quelle couleur sauf Vert/Jaune, Vert, Jaune, Bleu clair

Schéma du circuit de démarrage d’un moteur électrique

Les différents types de compensation

La compensation d'énergie réactive peut se faire :
• par condensateurs fixes (si la puissance des condensateurs est inférieure à 15% de la puissance du transformateur),
• par batteries de condensateurs à régulation automatique (si la puissance des condensateurs est supérieure à 15% de la puissance du transformateur), qui permettent l'adaptation immédiate de la compensation aux variations de la charge.
La compensation peut être :
• globale, en tête d'installation,
• partielle, par secteur, au niveau du tableau de distribution,
• locale, aux bornes de chaque récepteur inductif.
La compensation idéale est celle qui permet de produire l'énergie réactive à l'endroit même où elle est consommée et en quantité ajustée à la demande (compensation locale).

Le réseau triphase

Le réseau que nous allons étudier, est constitué de trois phases, d'un neutre et d'une
terre, le tout cadencé à une fréquence de 50Hz.

Le neutre
Dans tout système triphasé, équilibré de distribution, existe un neutre électrique situé au centre de gravité
du triangle équilatéral représentatif des trois phases. La tension entre une des phases et le neutre est appelée
tension simple (230V) alors que la tension entre 2 phases est appelée tension composée (400V).

La phase
Les phases sont les conducteurs chargés de véhiculer l'énergie vers le récepteur. Dans un récepteur équilibré, le courant circulant dans le neutre est nul, il n'existe que dans les phases. La tension de chaque phase est décalée de 120° degrés les unes par rapport aux autres.

Réseau 230/400
230V pour les tensions simples (monophasé)
400V pour les tensions composées (triphasé)

La terre
La terre est le fil conducteur assurant une liaison électrique entre le sol et certaines parties de l'installation (carcasse métallique ) de façon à fermer le circuit entre la phase qui touche une des parties de l'installation et la terre. Ceci évite que ce soit un individu, qui touchant une partie métallique de l'installation ne ferme le circuit, car le neutre est relié au départ du transformateur du réseau de distribution de l’énergie électrique à la terre.
Puissance en triphasé
Un système triphasé équilibré est équivalent à la juxtaposition de trois système monophasés identiques.
Puissance sur des éléments purement résistifs :

Puissance sur des éléments introduisant un déphasage φ :

Compensation de l'energie reactive (Q)
    1)- Les différentes puissances :
En régime alternatif sinusoïdal, on distingue trois puissances :
• La puissance active, qui est transformée en énergie mécanique (moteur) et en chaleur (éléments résistif).Elle se note P.
• La puissance réactive, nécessaire à la magnétisation des machines ( moteurs, transformateurs, bobines de relais …). Elle se note Q.
• La puissance apparente qui caractérise la puissance globale ( réactive + active) que peut fournir un réseau électrique. Elle se note S.
   2)- Formulaire :

Facteur de puissance :

Energie réactive fournie par une batterie de condensateur :

Qc=3U2Cω

Amelioration du facteur de puissance cosφ
   *Pourquoi améliorer le facteur de puissance
Une trop grande consommation d'énergie réactive pour une installation électrique va augmenter
considérablement ses courants en ligne bien que sa puissance active n'est pas changée.
   *Avantages du relèvement du facteur de puissance
Cette amélioration présente de nombreux avantages :
-diminution de la facture d'électricité en évitant les pénalités due à la consommation d'énergie réactive
-réduction de la puissance souscrite par les abonnés,
-diminution de la section des câbles,
-diminution des pertes en ligne (ri²),
-réduction de la chute de tension en ligne (DU=ri),

-augmentation de la puissance active disponible du transformateur.

Circuits en courant alternatif (c.a.)

Types d’ondes:
La forme d’une onde électrique est une représentation de sa variation d’amplitude (tension ou courant) en fonction du temps.

Formes d'onde courante

Période, fréquence et phase:
- Onde périodique : un même patron d’onde se répète à toutes les x secondes.
Période (cycle) : intervalle de temps pendant lequel l’onde périodique se reproduit.
Symbole : T.
Unité : seconde.
Fréquence : nombre de cycles par seconde.
Symbole : f = 1 / T .
Unité : cycle / sec. ou plus souvent Hertz ( Hz ).
Phase: décalage, normalement exprimé en degrés ou en radians, entre des ondes de même type qui ne passent pas par zéro en même temps.

La loi d'Ohm et la loi de Joule

La loi d'Ohm

I = E/R

que l'on peut aussi écrire:

E = RI

Exemple:
Si un courant de 10 A traverse une charge résistive de 30 Ω, alors selon Ohm:

E = RI

E = (30Ω) x (10 A)

E = 300(Ω x A)

donc E = 300 volts

Énergie et puissance
La puissance est une mesure de la quantité de travail qui peut être fournie en un temps déterminé:

P = Travail / Temps.

Une certaine quantité de puissance utilisée pendant un certain temps crée ou utilise de l'énergie:

Énergie = Puissance x temps.

Unités de mesure:
• pour la puissance: Watt (W)
• pour l'énergie: Joule (J) Watt-secondes et souvent kilowatt-heure (kWh)

La loi de Joule
Cette loi établit une relation entre la puissance, la tension et le courant électrique.

P = U x I ou E x I

Exemple:
La puissance consommée par un réfrigérateur électrique alimenté par une tension de 220 V et un courant moyen de 10 A est de:

P = U x I = 220 V x 10 A = 2.2 kW

Les lois de Kirchhoff

Loi des tensions de Kirchhoff:
«La somme algébrique des différences de potentiel le long d'un circuit fermé est nulle.»
Σchutes de tension = Σ montées de tension

Es = U1+U2+U3

Loi des courants de Kirchhoff:
«La somme algébrique des courants, effectuant une arrivée et un départ au noeud, est nulle.»
Σ courants entrant = Σ courants sortant

I1 = I2+I3

Conducteur

Le conducteur est ce qui unit la ou les sources aux différents composants du circuit (réseau). C'est habituellement un fil fait de matériau conducteur isolé par une gaine protectrice.
Matériaux conducteurs:

- possèdent beaucoup d'électrons libres

Conductivité de certains matériaux
Métal	Conductivité relative (%)
Argent	105
Cuivre	100
Or	70,5
Aluminium	61
Fer	14

Matériaux isolants:

-Possèdent peu d'électrons libres

-Utilisés pour fabriquer la gaine des fils conducteurs, ainsi que pour divers autres dispositifs isolateurs.

Rigidité diélectrique de certains matériaux
Matériau	Rigidité diélectrique moyenne (en kV/cm)
Air	30
Porcelaine	70
Huiles	140
Bakélite	150
Caoutchouc	270
Papier (paraffiné)	500
Teflon	600
Verre	900
Mica	2000

Rigidité diélectrique = résistance au claquage (passage d'un fort courant)

Inductance et bobines

Inductance : Élément à deux bornes consistant en un bobinage de fil et caractérisé par le matériau sur lequel le fil est enroulé (air, matériaux fero-magnétiques, etc.). Aux alentours d'une bobine il y a ce que l'on appelle des ligne de flux.

schémas électriques une bobines

Le flux (unité : le weber) créé par une bobine est proportionnel au courant traversant cette dernière et répond à la loi suivante :

Ф = L I

L: est une caractéristique propre de la bobine appelée inductance (unité : le henry )
La tension aux bornes d'une bobine est  u = L Δi/Δt.

Bobines en série
Nous allons essayer de déterminer l'inductance équivalente à plusieurs inductances en série.
Considérons le schéma suivant et tentons de déterminer Ls :

Bobines en parallèles
Nous allons tenter de trouver l'équivalence de plusieurs bobines en parallèles pour cela nous allons nous appuyer sur le schéma suivant :

Energie stockée par une bobine
Comme nous l'avons déjà fait pour un condensateur nous allons déterminer l'énergie
stockée par une bobine:

Condensateurs

Éléments à 2 armatures composés de matériaux conducteurs séparés par un matériau
non conducteur appelé diélectrique.

schémas électriques le condensateur est représenté de la manière suivante:

La tension au borne du condensateur est proportionnelle aux charges présentes sur les armatures du condensateur :

U = Q / C

U: est la tension aux bornes du composant.
Q: est la charge stockée sur sa borne positive et s'exprime en Coulombs.
C: est la capacité électrique du condensateur exprimée en farad .
Condensateurs en série
La capacité équivalente à plusieurs condensateurs en série est l'inverse de la somme des valeurs des condensateurs pris séparément:

Condensateurs en parallèles
La capacité équivalente de plusieurs condensateurs en parallèles est la somme des condensateurs pris indépendamment:

Energie stockée par un condensateur
Puisqu'un condensateur est un élément dit à stockage d'énergie, il peut être intéressant de connaître l'énergie que ce dernier peut emmagasiner.
L'énergie est égale au produit de la tension par le courant donc nous pouvons écrire que la puissance emmagasinée par un condensateur est:

E :Energie stockée s'exprime en (Joule)
C :capacité s'exprime en (Farad)
u :Tension

Résistances

Les résistances sont les éléments les plus banals d'un circuit. Le principe des résistances est très simple, en circulant dans une résistance, les électrons entrent en collision avec le réseau d'atomes contenu dans la résistance, donc celui-ci "résiste" au passage des électrons et limite ainsi le courant. Plus il y a de collisions, plus la résistance est forte.
L'unité pour une résistance est l’Ohm .
Sur les schémas électriques une résistance est représentée de la manière suivante:

Résistances en série
On appelle " en série " des éléments qui sont traversés par un même courant. la
résistance équivalente à plusieurs résistances montées en série est la somme de ces
résistances :

RAB = R1+R2+…+Rn

Le pont diviseur de tension :

Si on veut connaître la tension appliquée a une résistance placée avec d'autres
résistances en série il suffit d’appliquer la règle du pont diviseur en tension : cette tension est
égale à la tension appliquée à toutes les résistances * la valeur de la résistance /la résistance
équivalente. Donc :

V1 = (R1*V)/(R1+R2) et V2 = (R2*V)/(R1+R2).

V = V1 + V2.

Résistances en parallèles
On appelle " en parallèle " des éléments qui sont alimentes par la même tension. L’inverse de la résistance équivalente à plusieurs résistances montées en parallèle est la somme des inverses de ces résistances :

Le code des couleurs d'une résistance
Dans la pratique, il est possible de connaître la valeur d'une résistance grâce aux 4 cercles de couleurs sur cette dernière et en utilisant le code des couleurs :

Dans cette formule on remplace a,b et c avec la valeur numérique selon le tableau suivant :

Code de couleurs des résistances
0     Noir	7         Violet
1     Brun	8           Gris
2   Rouge	9        Blanc
3  Orange	0,1            Or
4     Jaune	0,01      Argent
5      Vert	Précision : Or 5%
6      Bleu	Précision : Argent 10%

Potentiel et courant

Potentiel et courant
En électricité, on utilise souvent le modèle hydraulique comme système de comparaison.
En hydraulique, on veut pouvoir caractériser les forces qui font circuler et qui sont générées par l'eau dans un réseau. C'est vrai aussi en électricité et en électronique. La circulation des électrons dans un fil électrique est bien représentée par la circulation de l'eau dans un tuyau.
L'énergie potentielle de l'eau dans un bassin (naturel ou artificiel) représente la tension électrique (volt). Le débit de l'eau circulant dans un réseau d'aqueduc représente,lui, le courant
électrique (ampères).
Potentiel: c'est la capacité de produire du travail.

Exemple:

E1 = mgh1 , E2 = mgh2 , E2 > E1







Sources de tension (potentiel) électrique:
* piles, batteries;
* bloc d'alimentation;
* génératrice, alternateur.
Différence de potentiel (d.d.p.):
Dans l'exemple précédent, la d.d.p. serait calculée avec «E2 - E1 ». En électricité, elle s'exprime en volts. Le plus haut potentiel est indiqué par le signe «+» et, le plus bas, par le signe «-».
Courant: débit de charges électriques causé par une force extérieure (source de tension).Le courant électrique n'est rien d'autre que le flot ordonné, contrôlé, des électrons. Son unité est l'ampère (A). Il coule toujours du plus haut potentiel (+) vers le plus bas potentiel (-).
Résistance Dans tout réseau où il y circulation d'un élément (eau, électrons, ...), il existe une force qui s'oppose au déplacement de cet élément.

Origine de cette force:
- en hydraulique:
    * frottement;
    * dimension du tuyau;
    * encombrement des voies;
    * embranchements et coudes.
- en électricité:
    * La structure atomique du matériau conducteur dont est fait le fil. L'unité de mesure est l'ohm (Ω)(oméga).
- la résistance en électricité, dépend de 4 facteurs:
    * nature du matériau (résistivité: ρ (rhô));
    * longueur du conducteur (l);
    * l'aire du conducteur (section: A);
    * la température (ρ est donnée en fonction d'une température fixe).

                                      R = ρl / A

Résistivité de divers matériaux	(Ω - m) à 20°C
Argent	16,4 x 10-9 Ω-m
Cuivre	17,2 x 10-9 Ω-m
Or	24,4 x 10-9 Ω-m
Aluminium	28,2 x 10-9 Ω-m

INTRODUCTION À L'ÉLECTRICITÉ

Introduction
Ce module vous permettra de découvrir le domaine de l'électricité. Les termes, les unités et les notations les plus utilisées en électricité ainsi que les lois et les théorèmes généraux couramment employés pour l'analyse de circuits électriques y sont enseignés à travers l'étude des circuits résistifs en c.c. et en c.a.. Chaque concept vu en théorie sera vérifié au laboratoire à l'aide de travaux pratiques
Circuit électrique
En électricité et en électronique, un circuit est un ensemble d'éléments reliés entre eux par des conducteurs, offrant au moins un trajet fermé dans lequel peuvent circuler des charges (le courant).
Une branche d'un circuit est une partie de cet ensemble; elle est constituée d'un ou de plusieurs éléments montés en série.
Deux éléments sont montés en série si la borne de l'un est reliée à la borne de l'autre sans être raccordée à la borne d'un 3ème élément.
On dira que 2 éléments d'un circuit sont en parallèle s'ils ont deux points en commun.
Un noeud dans un circuit est le point de jonction entre 2 ou plusieurs branches.