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Electricite automobile formation approfondie

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Electricité automobile formation approfondie

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Circuit de charge

 Généralités

Le circuit de charge est un circuit capable de fournir un courant électrique lorsque le moteur tourne. La valeur du courant dépend du régime moteur : plus le moteur tourne vite et plus le courant est important. Ce courant permet d'ali-menter les appareils en utilisation tels que l'allumage du moteur, l'é-clairage, la signalisation, la clima-tisation, la lunette dégivrante etc... et de recharger la batterie en cas de besoin. Comme on l'a déjà vu, la batterie e

st un réservoir d'électricité disponible à tout moment. Dans le cas particulier où le courant fourni par te circuit de charge est inférieur au courant consommé par les « consommateurs » du véhicule, ceux-ci puisent le complément d'électricité dans la batterie. Dans les conditions normales d'utilisation du véhicule, le circuit de charge suffit normalement pour satisfaire les besoins en courant électrique.

Cependant, des conditions particulières de fonctionnement peuvent se présenter.

On peut citer par exemple, le cas d'une circulation interrompue en ville et en période d'hiver. Ces conditions sont assez défavorables et les gros consommateurs de courant tels que la lunette dégivrante, l'éclairage code, les essuie-glaces et le chauffage restant branchés en permanence arrivent au total à consommer plus de courant que le circuit dè charge ne peut en fournir. A ce moment là, le complément de courant est puisé dans fa batterie... et il ne faut rien exagérer, sa capacité n'est pas inépuisable... Aussi, peut-on la soulager et remarquer au passage que le conducteur peut remédier en partie à cet état de fait, en n'oubliant pas de couper la lunette dégivrante, par exemple...

Le circuit de charge comprend pour l'essentiel un alternateur, un régulateur de tension, un indicateur de charge.

L'alternateur est un générateur de courant électrique. Son rôle est de transformer une énergie mécanique produite par la rotation du moteur, en une énergie électrique. Il est mis en rotation au moyen d'une poulie et d'une courroie de transmission.

Comme son nom le laisse suppo-ser, l'alternateur fournit un courant alternatif (contrairement à la dynamo qui produit du continu). La batterie elle, n'accepte que du courant continu. Il faut donc « redresser » ce courant, c'est le rôle du redresseur, que nous verrons plus loin.

Le courant électrique doit répon-dre à une caractéristique : celle d'être continue et avoir une tension dont la valeur correspond à celle de la batterie. L'alternateur seul ne peut assurer cette condition, c'est pourquoi on lui adjoint un régulateur.

Voyons les différents composants :

—           Le régulateur de tension est un petit appareil mécanique ou élec-tronique, monté dans le circuit de l'alternateur de façon que celui-ci débite un courant sous une tension constante. Le régulateur est un dis-positif de réglage de la tension.

—           L'indicateur de charge peut se présenter sous différentes formes : il peut être un ampèremètre, un voltmètre thermique, une lampe té-moin de charge.

Cet indicateur est monté sur le tableau de bord, de façon que le conducteur puisse avoir l'oeil sur le bon fonctionnement du circuit de charge. Etant donné le rôle important joué par ce circuit, il est nécessaire que le conducteur soit prévenu immédiatement dès l'apparition d'un défaut de fonctionne-. ment. En effet, un manque de charge entraînerait une décharge de la batterie ei la panne à court terme. If va de soi que dès le signalement d'une anomalie, le conducteur doit savoir prendre ses dispositions en temps utile. Il peut agir en connaissance de cause, et se dépanner lui-même : il est possible qu'il ne suffise que de remplacer la courroie cassée, par celle qui était en réserve dans le coffre ! Il est bien agréable, tout de même, de pouvoir aller jusqu'au bout du chemin...

— Le faisceau indispensable à tout circuit électrique au moyen de fils, de cosse, de fiches, de connecteurs électriques.

ALTERNATEUR

L'alternateur est un générateur qui a remplacé la dynamo, sous les capots des véhicules actuels, il permet de fournir le courant élec-trique nécessaire aux consomma-teurs, et de recharger la batterie en produisant à ses bornes un courant continu, c'est-à-dire un courant redressé.

La différence principale entre une dynamo et un alternateur consiste dans la façon d'obtenir un courant continu : avec la dynamo on utilise un collecteur à lames; avec l'alternateur, des diodes de redressement.

Comme l'alternateur équipe les automobiles et les camions depuis de nombreuses années, nous allons décrire les circuits de charge avec alternateur. Ce générateur a été préféré à la dynamo pour les avantages qu'il offre :

  • Débit plus élevé aux faibles vi-tesses de rotation du moteur.
  • Vitesse de rotation maximale plus élevée : 12 000 tr/mn au lieu des 6 000 tr/mn de la dynamo. Avec l'alternateur, le débit électrique commence à se faire sentir dès que le moteur tourne au ralenti.
  • Puissance plus grande dans un encombrement et un poids équiva-lents.
  • Suppression du collecteur de ‘a dynamo (donnant lieu à une usure assez rapide des charbons) remplacés par des diodes de redressement inusables.
  • Etant autolimiteur de courant de par sa conception, il utilise un régulateur de tension simplifié : suppression du conjoncteur-disjoncteur et du limiteur d'intensité indispensables dans un régulateur pour dynamo.

DESCRIPTION

Les parties constituant un alternateur classique sont :

  1. Le rotor (ou inducteur) : il comprend la pièce cylindrique centrale entraînée en rotation par la poulie solidaire de l'axe. L'axe est monté sur deux roulements pour tourner librement. Le bobinage est alimenté par deux bagues lisses sur lesquelles frottent deux petits balais, conduisant le « courant d'excitation » : c'est le courant d'alimentation de l'inducteur. Le passage de courant dans l'inducteur (fil bobiné à l'intérieur des griffes), crée un champ magnétique dans les pôles métalliques, présentés sous forme de griffes.
  2. Les diodes de redressement fixées sur un radiateur (pour dissiper les calories) dans le palier arrière.
  3. Les paliers (ou flasques) avant et arrière d'assemblage du rotor et du stator au moyen de vis.
  4. Un ventilateur de refroidissement monté derrière la poulie d'entraînement du rotor.

Principe de fonctionnement

L'alternateur est une génératrice basée sur la propriété des phénomènes de self induction. De par sa conception, il produirait un courant alternatif s'il n'y avait les diodes de redressement.

Comme dans le cas d'une dif-férence de potentiel on peut faire une analogie hydraulique avec le ,courant alternatif. Considérons deux boules A et B reliées entre elles par un tube articulé en son milieu ,lui permettant d'osciller autour de sa position d'équilibre horizontale. Les boules contiennent de l'eau, comme le montre le dessin. Si on élève la boule A, plus haute que la boule B, l'eau s'écoule dans le tube de A vers B; A ayant un potentiel hydraulique posuif par rapport à celui de B en fonction de la différence « h »» des niveaux. Ensuite, la boule A descend pendant que la B monte. Au moment précis où les deux boules se trouvent au même niveau, les potentiels sont égaux (neutres) et l'eau cesse de s'écouler de A vers B. Si la boule B continue de monter, l'écoulement de l'eau change de sens, de la boule B vers la boule A; l'eau de la boule B ayant cette fois un potentiel hydraulique positif par rapport à celle de la boule A. Si l'on entretien le mouvement de basculement, la boule A remonte de nouveau, l'eau s'immobilise dans la position horizontale et s'écoule ensuite de A vers B et ainsi de suite... On voit que le mouvement de l'eau est alternatif, c'est-à-dire qu'il change de sens en passant par une position neutre (horizontale dans ce cas).

Si on se rapporte maintenant à une portion de circuit AB alimenté par du courant alternatif (comme avec l'exemple hydraulique), à un moment donné, le point A a un potentiel électrique positif par rapport à B (le courant circule alors de A vers B). Au bout d'un laps de temps qui est d'ailleurs très court, les points A et B seront au même potentiel et le courant ne circule donc plus. immédiatement après, le point B aura un potentiel positif par rapport à A et le courant circule en sens inverse (la d.d. p.) s'annulera, le point A retrouvera un potentiel positif par rapport à B et ainsi de suite... Le courant circule donc alternativement de A vers B et de B vers A, d'où l'appellation de « courant alternatif ».

Le temps pendant lequel le courant circule dans un sens donné s'appelle : « une alternance », ou demi-période. Selon le sens, elle peut être positive ou négative. Le temps corerspondant au passage de courant dans un sens et dans l'autre s'appelle : « période ». Le nombre de périodes par seconde détermine la fréquence de courant. On peut parler aussi, en passant, du courant domestique. En France, la fréquence est de 50 Hz, c'est-à-dire que le courant passe 50 fois dans un sens et 50 fois dans l'autre pendant une seconde ! (L'unité de fréquence est le Hertz, symbole Hz).

Pourquoi faut-il redresser le courant

L'inducteur dans un alternateur joue le rôle d'aimant. Il possède donc un pôle nord et un pôle sud. De plus il tourne pour engendrer les variations de flux qui vont créer les courants de self-induction dans l'induit. Si cet aimant est placé dans l'axe vertical N-S, appelé ligne neutre, on voit sur la figure que le pôle N se trouve en haut et le pôle S en bas. Le champ magnétique circule dans un sens donné, ce qui provoque un courant induit dans le stator. Comme lui, il a un sens donné. Mais puisque l'inducteur tourne, à un certain moment, les pôles N. S, vont se trouver inversés (pôle N en bas, pôle S en haut) juste au moment où l'aimant se place verticalement, dans la ligne neutre. Le courant induit circulant dans le stator (induit) va donc changer de sens à ce moment là. L'alternateur est le siège d'un courant alternatif qu'il est nécessaire de redresser, étant donné que la batterie à deux bornes polarisées + et — pour délivrer ou recevoir un courant polarisé, c'est-à-dire un courant continu.

Générateur courant alternatif  A             B             Résistance (utilisateur)

Portion de circuit

Considération d'une portion de circuit AB dans lequel circule un courant alternatif

Diode de redressement

Afin de redresser le courant al-ternatif généré par l'alternateur, on utilise un élément électronique :

la diode.

Une diode peut être comparée à un clapet. Elle laisse passer le courant dans un sens unique, mais dans l'autre, elle s'y oppose totalement. Le symbole de la représentation d'une diode montre un triangle dont le sommet indique, comme une flèche, le sens du courant. Le petit trait vertical symbolise la barrière qui s'oppose au passage du courant, en sens inverse.

Une diode est constituée essentiellement d'une pastille au germanium ou au silicium conditionnée spécialement dans un corps en cuivre et reliée à une connexion. Lorsqu'elle est traversée par un courant important (comme celui d'un alternateur) il ne faut pas oublier qu'elle est le siège d'une élévation de température de fonctionnement et qu'elle doit être obligatoirement montée sur un radiateur de refroidissement, pour évacuer ses calories.

Dans le cas du montage d'une diode, placée dans le circuit alternatif d'un induit monophasé, à chaque demi-période pendant laquelle le courant change de sens, la diode s'oppose à son passage. Le montage judicieux de la diode consiste à l'orienter de façon qu'elle ne laisse passer que l'alternance positive. On voit sur le graphique correspondant, que l'alternance négative est purement et simplement supprimée. De plus, la diode étant montée en opposition sur le + batterie, elle interdit au courant de la batterie de circuler dans l'induit .Si l'on veut que le courant généré par l'induit circule dans la batterie, il faut que sa tension soit légèrement supérieure à la tension règnent aux bornes de la batterie.

En pratique, on utilise deux bobines d'induit monophasées, réunies entre elles, et une diode pour chaque bobine.  

Avec ce système, on remédie au temps (demi-période) durant lequel l'alternance négative serait supprimée comme dans le cas du circuit précédent (1 bobine, 1 diode) et où on a une intensité nulle, donc une charge nulle.

Par contre, lorsqu'une bobine produit une alternance positive, l'autre a son alternance négative supprimée et inversement lorsque les phases s'inversent dans les bobines. Si la batterie ne subit plus de coupure nette de charge pendant l'alternance négative, par contre, cette dernière fonctionne un peu par à-coups, car on est en présence d'un courant unidirectionnel (toujours positif), mais qui passe par des points zéro de l'intensité. Ce phénomène d'ondoiement est d'autant plus sensible que le moteur tourne lentement.

Pour remédier au phénomène d'ondoiement de l'intensité fournie par un induit monophasé, on fabri-que un induit triphasé. Il existe deux types de couplage des bobines en triphasé :

—           Le montage en triangle : c'est lui qui est le plus répandu sur les alternateurs d'automobiles.

—           Le montage en étoile.

me de sa tension qui s'élève rapidement avec l'augmentation de vitesse, pour atteindre des valeurs dangereuses pour un circuit de voiture et pour l'alternateur lui-même (tension de claquage). Il est donc nécessaire de réguler la tension. Pour cela, il existe deux grandes familles de régulateurs :

—           les régulateurs électromagnétiques à contact vibrant;

Alternateur triphasé

Le principe est le même qu'en monophasé, avec le redressement des alternances négatives, mais lorsque l'intensité d'une phase chute, elle est relayée immédiatement par l'intensité de la phase suivante, etc... A la finale, on obtient un courant très légèrement ondulé, pratiquement continu (sans variations importantes comme dans le cas du monophasé). Il faut remarquer aussi, que pour un encombrement égal, un alternateur triphasé

, apporte un gain de puissance appréciable.

REGULATEUR DE TENSION

L'induit d'un alternateur étant un bobinage, il possède une résistance et une inductance (résistance apparente) qui varie avec la fréles régulateurs électroniques qui sont désignés aussi Régulateur Electronique Incorporé (sigle : R.E.I.).

REGULATEUR ELECTRO-MAGNE-TIQUE A CONTACT VIBRANT

  1. A un étage

Le circuit de charge correspondant à ce type de régulateur est constitué d'un alternateur monophasé et d'un voltmètre thermique (mais l'alternateur aurait pu tout aussi bien efie triphasé).

Ce régulateur comprend :

Une bobiné en fil fin comportant dans son cèntre un noyau de fer doux pour former un électro-aimant;

Une palette mobile, avec son grain de contact et son ressort de rappel;

La résistance de réglage : Ri ;

—           La résistance de compensation thermique : R2.

—           La résistance d'absorption de l'étincelle entre les grains de contact : R3.

Fonctionnement

Dès la fermeture du contact, le courant de la batterie circule à travers le fusible, le contact, la borne + du régulateur, les grains de contact, les bornes EXC du régulateur et de l'alternateur et au moyen des deux petits charbons frottant sur les bagues, arrive dans l'inducteur. Dès que l'alternateur commence à tourner, il débite et il augmente la tension aux bornes de la batterie. Parallèlement, la tension augmente dans les circuits et en particulier dans l'enroulement fil fin de l'électro-aimant du régulateur. La force d'attraction, qu'il exerce sur la palette mobile, devient supérieure à celle du ressort de rappel, ce qui a pour conséquence de décoller les grains de contact. Le courant d'excitation de l'inducteur qui ne peut plus passer entre les contacts, est obligé de circuler à travers la résistance R1 dans laquelle il se produit une chute de tension. Le courant, dans l'inducteur, diminue et la tension débitée par l'induit aussi, ce qui diminue la force de l'électro-aimant et relâche la palette mobile jusqu'à ce que les contacts se touchent à nouveau. Le courant dans l'inducteur augmente, ainsi que la tension débitée par l'alternateur, ce qui décolle à nouveau la palette du contact mobile... et le cycle recommence.

La tension débitée par l'alternateur est donc régulée par le régulateur, dont la valeur oscille entre deux tensions extrêmement voisines, représentant les battements du contact vibrant.

Voltmètre thermique

L'indicateur de charge, utilisé dans ce circuit, est un voltmètre thermique. Le principe est simple : un fil fin isolé, sensible à la tension, est enroulé autour d'une lame qui se déforme lors de son échauffement. L'échauffement est obtenu par le passage du courant dans le fil fin résistant (effet de joule). Plus la tension monte, et plus la lame se déforme sous l'ef-fet de la température, en entraînant une aiguille qui se déplace devant un cadran avec trois zones.

Le voltmètre thermique est réglet sur la tension régulée, c'est-à-dire moteur tournant, quand l'alternateur débite. Le positionnement de l'aiguille devant l'une des trois zones correspond aux indications suivantes :

La zone blanche du milieu correspond à un fonctionnement normal : l'alternateur débite, le régulateur régule, les circuits électriques sont en bon état (pas de pertes de courant dues aux courtscircuits).

La zone colorée (rouge) à gauche signale que la tension est trop faible : l'alternateur ne débite pas ou pas assez; le régulateur est déréglé; il y a des pertes dans les circuits électriques.

La zone colorée (rouge) à droite signale que la tension est trop forte : le régulateur est déréglé ou sa masse est défectueuse,

  1. A deux étages

Le circuit de charge correspondant à ce type de régulateur est constitué d'un alternateur triphasé et un voyant de charge (mais l'alternateur aurait pu tout aussi bien être monophasé et le voyant de charge, un voltmètre thermique).

Le régulateur vibrant à deux étages est semblable à celui à un étage, si ce n'est qu'il comporte trois grains de contact au lieu de deux. Comme lui, il comporte une résistance de réglage RI, une résistance de compensation thermique R2, une résistance d'absorption R3.

Fonctionnement

Dès la fermeture du contact, le courant de la batterie alimente directement l'inducteur à travers le contact Cl du régulateur (excitation maximale ou excitation plein champ). Dès la mise en route du moteur, l'alternateur débite et la tension aux bornes de la batterie augmente. Plus l'alternateur tourne vite et plus la tension monte jusqu'à ce que l'attraction magnétique de l'électro-aimant soit suffisante pour attirer la palette mobile : le contact Cl est ouvert. L'inducteur est alors alimenté à travers la résistance RI, ce qui réduit la valeur du courant d'excitation dans l'inducteur, et par conséquent la tension diminue. La force d'attraction de l'électro-aimant décroit aussi, le contact Cl se rétablit et le cycle recommence d'une façon analogue à un régulateur à un étage.

Dans le cas où l'alternateur tourne vite et que les circuits électriques ne consomment presque pas (non sollicités), la tension augmente davantage. Etant donné que la force d'attraction sur la palette est plus grande, le contact C2 s'établit. L'inducteur qui a les deux extrémités de son bobinage à la masse est court-circuité, le courant devient nul. Le débit de l'alternateur décroît rapidement, la force d'attraction se relâche, le contact Cl s'établit de nouveau et le cycle recommence.

Comme dans le cas précédent, la tension régulée oscille entre deux valeurs extrêmement voisines.

Voyant de charge commandé par un relais

Dans le même boîtier que le régulateur, on trouve un relais de commande du voyant charge. Le bobinage du relais est en fil fin et se trouve alimenté sur les phases d'induit (avant les diodes de redressement) de façon à contrôler l'état des diodes.

La commande du voyant de charge se comprend facilement : dès que l'alternateur débite, le courant excite le relais qui attire la palette. Le contact s'ouvre et le courant de la batterie qui circulait à travers le contact, la lampe du voyant et la masse du contact est interrompu, ce qui provoque l'extinction de la lampe.

Si la lampe ne s'éteint pas à la mise en route du moteur, ou s'allume en cours de roulage, c'est qu'il a une anomalie qui peut être due à

—           L'alternateur qui ne débite pas;

—           Une diode de redressement défectueuse;

—           Une perte importante dans le circuit électrique;


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