Document de formation sur l’electricite batiment

Schéma électrique industrielle

1 Définition

Un schéma électrique représente, à l'aide de symboles graphiques, les différentes parties d'un réseau, d'une installation ou d'un équipement qui sont reliées et connectées fonctionnellement.

Un schéma électrique à pour but : 

-       d'expliquer le fonctionnement de l'équipement (il peut être accompagné de tableaux et de diagramme) ;

-       de fournir les bases d'établissement des schémas de réalisation ; - de faciliter les essais et la maintenance.

2 Classification des schémas selon le mode de représentation

2.1 Selon le nombre de conducteurs

2.2 Selon l'emplacement des symboles

Représentation assemblée

  Les symboles des différents éléments sont représentés juxtaposés sur le schéma.

Représentation rangée

  Les symboles des différents éléments sont séparés et disposés de façon que l'on puisse tracer facilement les symboles des liaisons mécaniques entre différents éléments qui manœuvrent ensemble (la bobine K2 et ses contacts sont dessinés juxtaposés).

Représentation développée  

Les symboles des différents éléments sont séparés et disposés de manière que le tracé de chaque circuit puisse être facilement suivi. C'est la tendance actuelle dans tous les schémas de commandes.

2.3 Représentation topographique

La représentation des symboles rappelle la disposition réelle des matériels dans l'espace. Exemple : schéma architecturaux, plan ou schéma d'implantation.

3 Identification des éléments

3.1 Définition

On désigne par élément un tout indissociable, par exemple un contacteur, un sectionneur ou un bouton-poussoir.

3.2 Principe de l'identification

3.3 Identification de la sorte d'élément

Les éléments sont identifiés à l'aide de lettre repère (sur la partie A).

Exemple : une bobine de contacteur : K  un bouton poussoir : S

Tableau des lettres repères pour l'identification des sortes d'éléments

3.4 Identification de la fonction de l'élément

Le repère choisi doit commencer par une lettre (partie B) qui peut être suivie des lettres et/ou chiffres complémentaires nécessaires (partie C).

  Exemple: la protection par relais thermique F1 pourra être identifiée fonctionnellement par Rth1. (KA1 pour un contacteur auxiliaire ; KM2 )

Tableau des repères d'identification fonctionnelle

4 Identification des bornes d'appareils

Il est fondé sur une notation alphanumérique employant des lettres majuscules et des chiffres Les lettres I et O ne doivent pas être utilisées (pour éviter les confusions I 1 et O 0).

4.1 Principe de marquage pour les bornes

Pour un élément simple

  Les deux extrémités d'un élément simple sont distinguées par des nombres de référence successifs, par exemple 1 et 2.

S'il existe des points intermédiaires à cet élément, on les distingue par des nombres supérieurs en ordre normalement croissant à ceux des extrémités.

Pour un groupe d'élément

Pour un groupe d'éléments semblables, les extrémités des éléments seront désignées par des lettres de référence qui précéderont les nombres de référence indiqué au paragraphe précédente.

  Exemple : U, V, W pour les phases d'un système alternatif triphasé.

Pour plusieurs groupes semblables

  Pour plusieurs groupes semblables d'éléments ayant les mêmes lettres de référence, on les distingue par un préfixe numérique devant les lettres de référence.

Lettres de référence

  Les lettres de référence seront choisies en courant continu dans la première partie de l'alphabet, et en courant alternatif dans la seconde partie de l'alphabet.

4.2 Principe de marquage des contacts

Contacts principaux

  Les bornes sont repérées par un seul chiffre de 1 à 6 (tripolaire), de 1 à 8 (tétrapolaire).

Contacts auxiliaires

  Ils sont repérés par un nombre de deux chiffres. Le chiffre des unités indique la fonction du contact : 1-2, contact à ouverture ; 3-4, contact à fermeture ; 5-6, 7-8, contact à fonctionnement spécial.

Le chiffre des dizaines indique le numéro d'ordre de chaque contact auxiliaire de l'appareil.

Organe de commande

  On utilise A1 et A2. Pour deux enroulements (ex : relais bistable) on utilisera A1-A2 et B1B2.

Marquages particuliers

Ils concernent les bornes raccordées à des conducteurs bien définis : voir tableau suivant.

Tableau des marquages particuliers des bornes d'appareil

5 Repérage des conducteurs sur les schémas

Le repérage individuel des conducteurs est généralement nécessaire pour un schéma des connexions, pour un schéma explicatif détaillé et pour un schéma général des connexions. Le repérage peut être fixé lors de l'étude du schéma ou dans les cas simples, choisi lors de la pose des conducteurs ; on doit alors reporter les repères sur le schéma ou sur un document annexe.

  Repérage dépendant

  Le repère du conducteur reproduit les marques des bornes ou des équipements auxquelles les deux extrémités de ce conducteur doivent être raccordées.

  Repérage indépendant

  Il utilise le même repère généralement simple tout le long du conducteur. Généralement un schéma ou un tableau de connexions doit être employé.

  Repérages particuliers

Tableau des marquages des conducteurs particuliers

Normes de sécurité électrique

Les origines des dangers et ainsi également les mesures techniques servant à les éviter peuvent être très différentes. C'est pourquoi on distingue différents types de sécurité, par exemple par l'indication de l'origine de dangers possibles. 

Une machine à entraînement électrique doit être conçue, montée et équipée de manière à ce que tous les dangers dus à l'électricité soient ou puissent être évités. Le risque électrique le plus fréquent est l'électrocution. Le courant électrique peut entraîner des lésions irréversibles sur le système nerveux et musculaire, ainsi que des effets thermiques. En outre, les surcharges, arcs électriques ou décharges statiques peuvent causer des incendies. 

Les machines doivent être équipées de manière à éviter un contact direct avec un conducteur électrique ou des composants conducteurs qui sont habituellement sous tension. Le fabricant doit également prévenir les dangers liés à un contact indirect avec une masse ou un composant accidentellement sous tension.

Les normes suivantes font partie des normes les plus importantes en termes de sécurité électrique :

•    EN 60204 : sécurité des machines – équipement électrique des machines

•    EN 60947-5 : Relais basse tension

•    NFPA79: Electrical Standard for Industrial Machinery

6 Sécurité électrique selon la norme EN 60204

La norme EN 60204-1 décrit les exigences qui s'appliquent à l'équipement électrique de machines et d'installations. Les mesures contre un contact direct ou indirect avec des composants sous tension sont ainsi décrites de la même manière que des marquages de couleur pour conducteurs et éléments de commande.

La norme EN 60204-1 est listée en tant que norme B dans la directive machines et la directivebasse tension

v Protection contre les contacts directs et indirects

Les contacts du personnel opérateur avec des parties sous tension sont généralement évités grâce à des boîtiers qui offrent une protection appropriée. Dans le cadre de travaux internationaux de normalisation, des indices de protection ont été fixés pour les boîtiers. Le niveau de protection dépend des dangers et du type d'environnement de travail.

•    Les conducteurs électriques sont isolés. 

•    Les schémas de raccordement sont conçus de manière à pouvoir éviter des dangers dus à un contact indirect. Les éléments de commande de machines ainsi que les dispositifs de redémarrage des relais de protection pour le personnel de production doivent être agencés de manière à pouvoir être actionnés dans danger de contact avec des éléments dénudés sous tension.

•    Les dispositifs de redémarrage sont agencés de manière à ce que le dispositif d'actionnement se trouve en dehors du boîtier dans lequel se trouvent les composants sous tension.  

La prise en compte de ces règles est bien entendu beaucoup plus compliquée pour le personnel en charge de l'entretien. Le fabricant de la machine doit faire tous les efforts possibles pour prendre en compte l'aspect de la sécurité électrique en ce qui concerne les travaux de réparation prévus sur une machine.

v Protection contre la surintensité

Les machines doivent être protégées contre la surintensité, c'est-à-dire contre des courants supérieurs au courant nominal. Cela comprend l'ensemble des surintensités dans un circuit électrique intact et tous les courants de court-circuit défectueux du fait d'une impédance insignifiante entre des emplacements avec une tension différente. La protection contre la surintensité est assurée par des fusibles ou des disjoncteurs.

v Mise à la terre

Les différentes parties d'une machine sont reliées entre elles sur la masse et avec le bornier de mise à la terre général. 

De manière générale, la mise à la terre a lieu par l'intermédiaire d'un conducteur de protection intégré dans le câble de raccordement électrique de la machine. En cas de puissances élevées, le conducteur de mise à la terre peut être agencé à proximité immédiate du câble d'alimentation mais ne doit pas y être intégré.

Ces mesures de protection sont prises lorsque le conducteur ne peut pas être remplacé par le bâti de la machine. Elles ne doivent pas être appliquées lorsque les appareils électriques disposent d'une double isolation ou d'une isolation renforcée.

7 Sécurité électrique selon l'EN 60947-5

Généralités

La norme EN 60947-5-1 s'applique aux appareils de commande et aux éléments de commutation pour la commande d'équipements électriques. Elle s'applique aux appareils de commande avec une tension assignée jusqu'à 1000 V en tension alternative (jusqu'à 1000 Hz) ou jusqu'à 600 V en tension continue. 

La norme traite des types d'appareils de commande spécifiques tels que :

•    les commutateurs de courant auxiliaire dépendants de la température (thermostats);

•    les commutateurs de position, par exemple les commutateurs de courant auxiliaire actionnés par une partie de la machine ou par un mécanisme ; 

•    les appareils affectés dans le circuit de commande, par exemple, les témoins lumineux.

Appareils de commande et éléments de commutation – relais d'arrêt d'urgence électronique à accrochage mécanique

La norme EN 60947-5-5 donne des informations détaillées sur la structure électrique et mécanique des appareils d’arrêt d’urgence équipés d’un accrochage mécanique ainsi que sur leur contrôle. Il s’applique aux circuits de commande électriques et aux éléments de commutation qui sont utilisés afin de fournir un signal d’arrêt d’urgence. De tels appareils doivent être installés, soit dans un même boîtier, soit conformément aux instructions du fabricant.

8 Sécurité électrique selon la norme NFPA 79

Le standard NFPA (national fire protection association) a développé la norme NFPA 79 pour l'espace US américain qui est équivalent à la norme EN 60204-1. Cette norme décrit les exigences qui s'appliquent à l'équipement électrotechnique de machines.  v Protection contre les contacts directs et indirects

Les contacts du personnel opérateur avec des parties sous tension sont généralement évités grâce à des boîtiers qui offrent une protection appropriée. Dans le cadre de travaux internationaux de normalisation, des indices de protection ont été fixés pour les boîtiers. Le niveau de protection dépend des dangers et du type d'environnement de travail.

•    Les conducteurs électriques sont isolés. Les schémas de raccordement sont conçus de manière à pouvoir éviter des dangers dus à un contact indirect. 

•    Les éléments de commande de machines ainsi que les dispositifs de redémarrage des relais de protection pour le personnel de production doivent être agencés de manière à pouvoir être actionnés sans danger de contact avec des éléments dénudés sous tension. 

•    Les dispositifs de redémarrage sont agencés de manière à ce que le dispositif d'actionnement se trouve en dehors du boîtier dans lequel se trouvent les composants sous tension.

La prise en compte de ces règles est bien entendu beaucoup plus compliquée pour le personnel en charge de l'entretien. Le fabricant de la machine doit faire tous les efforts possibles pour prendre en compte l'aspect de la sécurité électrique en ce qui concerne les travaux de réparation prévus sur une machine.

v Protection contre la surintensité

Les machines doivent être protégées contre la surintensité, c'est-à-dire contre des courants supérieurs au courant nominal. Cela comprend l'ensemble des surintensités dans un circuit électrique intact et tous les courants de court-circuit défectueux du fait d'une impédance insignifiante entre des emplacements avec une tension différente. La protection contre la surintensité est assurée par des fusibles ou des disjoncteurs.

v Mise à la terre

Les différentes parties d'une machine sont reliées entre elles sur la masse et avec le bornier de mise à la terre général. De manière générale, la mise à la terre a lieu par l'intermédiaire d'un conducteur de protection intégré dans le câble de raccordement électrique de la machine. 

En cas de puissances élevées, le conducteur de mise à la terre peut être agencé à proximité immédiate du câble d'alimentation mais ne doit pas y être intégré.

Ces mesures de protection sont prises lorsque le conducteur ne peut pas être remplacé par le bâti de la machine. Elles ne doivent pas être appliquées lorsque les appareils électriques disposent d'une double isolation ou d'une isolation renforcée.

’APPAREILLAGE ELECTRIQUE

Les fonctions de l'appareillage électrique

1 Introduction

L'appareillage électrique n'est pas seulement une nécessité, il est une gêne, d'abord sur le plan financier de première installation : il coûte cher ; ensuite sur le plan de l’exploitation du matériel de production, de transport, ou d’utilisation; il exige des mises hors service pour révision, ou même à cause d'incidents dont les conséquences sont en général graves.

D'une manière générale, l'appareillage est donc destiné à assurer la continuité ou la discontinuité des circuits électriques. De sorte qu'on pourrait dire qu'il est constitué essentiellement de l'appareillage d'interruption. En fait, il faut voir d'un peu plus prés ce qui entre dans ce terme générique et par conséquent, en étudier la classification.

Un premier mode de classification est fondé sur la tension : on distingue couramment :

•   l'appareillage pour la basse tension :

 très basse tension : TBT : 50 V en courant alternatif,  basse tension A : BTA : 500 V en courant alternatif,  basse tension B : BTB : 1000 V en courant alternatif,

•   l’appareillage pour la haute tension :

 haute tension A : HTA : 50000 V en courant alternatif,  haute tension B : HTB : 50000 V en courant alternatif.

Un second mode de classification est relatif à la fonction. 0n peut distinguer l'appareillage de manœuvre (sectionnement et commende) et l’appareillage de protection. Malheureusement, certains appareils ont le mauvais goût de se classer dans les deux catégories, par exemple les disjoncteurs. Il faut donc aller plus loin et citer différents type d'appareil:

2 Les fonctions de base

Le rôle de l'appareillage électrique est d'assurer la protection électrique, le sectionnement et la commande des circuits.

2.1 La protection électrique

Protection contre les surintensités

C’est la protection des biens (notamment canalisations et équipements) :

- contre les surcharges, les surintensités se produisant dans un circuit électriquement sain - contre les courants de court-circuit consécutifs à un défaut dans un circuit entre plusieurs conducteurs.

Ces protections, en général assurées par des disjoncteurs, doivent être installées à l'origine de chaque circuit.

Protection contre les défauts d'isolement

C'est la protection des personnes. Selon le schéma de liaisons à la terre, la protection sera réalisée par disjoncteurs, dispositifs différentiels ou contrôleur d'isolement.

Protection contre les risques d'échauffement des moteurs

Ces risques sont dus par exemple à une surcharge prolongée, à un blocage du rotor ou à une marche en monophasé. La détection des surcharges est en général confiée à un relais

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’APPAREILLAGE ELECTRIQUE thermique, la protection contre les courts-circuits est assurée par un fusible ou par un disjoncteur sans relais thermique.

2.2 La commande des circuits

On regroupe généralement sous le terme "commande" toutes les fonctions qui permettent à l'exploitant d'intervenir volontairement à des niveaux différents de l'installation sur des circuits en charge.

Commande fonctionnelle

Destinée à assurer en service normal la mise "en" et "hors" tension de tout ou partie de l'installation, elle est située au minimum : - à l'origine de toute installation - au niveau des récepteurs.

Coupure d'urgence-arrêt d'urgence

La coupure d'urgence est destinée à mettre hors tension un appareil ou un circuit qu'il serait dangereux de maintenir sous tension. L'arrêt d'urgence est une coupure d'urgence destinée à arrêter un mouvement devenu dangereux. Dans les deux cas :

-  le dispositif doit être aisément reconnaissable et rapidement accessible

-  la coupure en une seule manœuvre et en charge de tous les conducteurs actifs est exigée - la mise sous coffret de sécurité "bris de glace" est autorisée.

Coupure pour entretien mécanique

Cette fonction est destinée à assurer la mise et le maintien à l'arrêt d'une machine pendant des interventions sur les parties mécaniques, sans nécessiter sa mise hors tension.

2.3 Le sectionnement

Son but est de séparer et d'isoler un circuit ou un appareil du reste de l'installation électrique afin de garantir la sécurité des personnes ayant à intervenir sur l'installation électrique pour entretien ou réparation.

La norme NF C 15-100 § 462-1 et le "décret de protection des travailleurs" imposent que tout circuit électrique d'une installation puisse être sectionné.

La norme NF C 15-100 § 537-2 définit les conditions à respecter pour qu'un appareil remplisse la fonction de sectionnement :

•    la coupure est omnipolaire (sauf le PEN),

•    vérouillable en position « ouvert », •            vérification de l'ouverture des contacts :

•    soit visuelle (C 1 3-1 00),

•    soit mécanique (coupure pleinement apparente).

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’APPAREILLAGE ELECTRIQUE

3 Appareillages électriques

3.1 Le sectionnement

•    Sectionneur  

•    Interrupteur sectionneur 

•    Disjoncteur sectionneur     

3.2      I.2. La commande fonctionnelle

•    interrupteur           

C'est un appareil de commande (généralement manuelle, éventuellement électrique à l'ouverture) capable de couper et de fermer un circuit en service normal. Il n'a besoin d'aucune énergie pour rester fermé ou ouvert (2 positions stables). Un interrupteur n'assure pas de fonction de protection (hormis les interrupteurs différentiels).

Les normes NF C 63-130 et CEI 947-3 définissent :

•    la fréquence du cycle de manœuvre (maxi. 600/heure) ;

•    l'endurance mécanique et électrique (généralement inférieure à celle d'un contacteur) ;

•    un pouvoir de coupure et de fermeture en fonctionnement normal et en fonctionnement occasionnel.

•    Commutateur          

•    Contacteur

C'est un appareil de commande monostable (coupure et fermeture à distance d'un circuit en service normal) capable d'assurer un nombre de manœuvres élevé. Il ne possède qu'une position stable : la position "ouvert".

Cette aptitude à un fonctionnement intensif est définie par les normes NF C 63-110 et CEI 947-4-1 par :

•    la durée de fonctionnement : service 8h, ininterrompu, intermittent, temporaire de 3, 10, 30, 60 et 90 minutes ;

•    la catégorie d'emploi : (définition : voir tableau ci-dessous) par exemple un contacteur de catégorie AC3 assure le démarrage et l'arrêt d'un moteur à cage ;

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’APPAREILLAGE ELECTRIQUE

•    la fréquence des cycles de manoeuvre (1 à 1200 cycles par heure) ;

•    l'endurance mécanique (nombre de manoeuvres à vide) ;

•    l'endurance électrique (nombre de manoeuvres en charge) ;

•    un pouvoir de coupure et un pouvoir de fermeture assignée fonction de la catégorie d'emploi.

C'est un interrupteur bistable équipé d'une commande électromagnétique à distance. Ce passage d'un état des contacts à l'autre est provoqué par des impulsions électriques brèves, émises à titre d'exemple par des boutons poussoirs. Certaines versions sont prévues pour une commande en TBTS. Le télérupteur peut être équipé d'auxiliaires pour réaliser :

 une signalisation à distance de sa position,  une commande à contact maintenu,  une commande centralisée, compatible avec la commande locale,  des temporisations

•    Disjoncteur

a.Caractéristiques fondamentales d’un disjoncteur

•    tension assignée d'emploi Ue : c'est la ou les tensions auxquelles l'appareil peut être utilisé. D'autres tensions sont également indiquées par le constructeur

•    courant assigné In : c'est la valeur maximale du courant ininterrompu que peut supporter un disjoncteur équipé d'un déclencheur à une température ambiante précisée par le constructeur, en respectant les limites d'échauffement prescrites.

Exemple un C161N équipé d'un déclencheur D125 a un courant assigné In de 125 A à 40°C de température ambiante. On peut toutefois utiliser un disjoncteur à des températures ambiantes supérieures en le déclassant. Ainsi le disjoncteur de l'exemple précédent ne supportera plus que 117 A à 50°C et 109 A à 60 °C. Le terme "assigné" utilisé dans les normes a une signification équivalente à l'ancien terme "nominal".

•    taille d'un disjoncteur : Lorsqu'un disjoncteur peut être équipé de plusieurs déclencheurs de courants assignés différents, la taille du disjoncteur correspond au courant assigné le plus élevé des déclencheurs qui peuvent l'équiper. Exemple : un C630N peut recevoir les déclencheurs D400 (In = 400 A), D500 (In = 500A), D630 (In = 630 A) La taille du disjoncteur est 630 A.

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’APPAREILLAGE ELECTRIQUE

•    courant de réglage (lrth ou lr) des déclencheurs de surcharge : A l'exception des disjoncteurs Multi 9 facilement interchangeables, les disjoncteursindustriels sont équipés de déclencheurs amovibles. De plus, pour adapter ledisjoncteur aux caractéristiques du circuit et éviter de surdimensionner les câbles,les déclencheurs eux-mêmes sont, en général, réglables. Le courant de réglage lr(ou lrth) est le courant d'après lequel sont déterminées les conditions de protectionassurées par le disjoncteur. Il représente aussi le courant maximal que peutsupporter le disjoncteur sans déclenchement. Cette valeur doit être supérieure aucourant d'emploi l_b et inférieure au courant admissible dans la canalisation l_z. Lesdéclencheurs thermiques sont en générale réglables de 0,7 à 1 x In alors qu'en technologie électronique les plages sont généralement beaucoup plus larges(couramment de 0,4 à 1 x In).

Exemple: Un C401N équipé d'un déclencheur D320 réglé à 0,9 a un courant de réglage :  lr = 320 x 0,9 = 288 A  (figure 1)

Figure 1 

Nota : Pour les appareils à déclencheur non réglables lr = In par exemple, disjoncteur C60N 20A :

lr= In = 20 A

•    courant de fonctionnement (lm) des déclencheurs de court-circuit :

Le rôle des déclencheurs de court-circuit est de provoquer l'ouverture rapide du disjoncteur pour les fortes surintensités. Leur seuil de fonctionnement lm est :

- soit fixé par la norme pour les disjoncteurs domestiques régis par la norme NF C 61-410, - soit indiqué par le constructeur pour les disjoncteurs industriels régis par la norme CEI 947. Pour ces derniers, il existe une grande variété de déclencheurs permettant à l'utilisateur de disposer d'un appareil bien adapté aux caractéristiques du circuit à protéger, même dans les cas les plus particuliers.

’APPAREILLAGE ELECTRIQUE

        •     pouvoir de coupure (lcu ou lcn) :

Le pouvoir de coupure est la plus grande intensité de courant de court-circuit qu'un disjoncteur peut interrompre sous une tension donnée. Il s'exprime en général en kA et désigné par lcu (pouvoir de coupure ultime) pour les disjoncteurs industriels et par Icn (pouvoir de coupure assigné) pour les disjoncteurs à usage domestique ou assimilé.

Figure 2   Schéma général d’un disjoncteur magnéto-thermique

b.Courbes de déclenchement B, C, D, Z (norme CET 947.2)

Courbe B (fig. 3) Déclenchement entre 3,21 In et 4,81 In

Commande de protection contre les surcharges et les courts-circuits d'installations n'occasionnant pas de pointe de courant à la mise sous tension : installations domestiques, circuits de cuisson et de chauffage, éclairage comportant un petit nombre de lampes, prises de courant, etc. Protection des personnes en régime IT et TN pour des longueurs de câbles plus importantes qu'avec la courbe C.

Courbe C (fig. 3)Déclenchement entre 7 In et 10 In

Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d'installations correspondant à des applications générales : installations en locaux à usage professionnel, éclairage fluorescent compensé, groupe de lampes à incandescence, prises de courant

Courbe D (fig. 3) Déclenchement entre 10 In et 14 In

Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d'installations présentant de forts courants d'appel : transformateurs, moteurs, etc.

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                           Figure 4

Courbe Z (fig.4) Déclenchement entre 2,41 In et 3,61 In

Protection des circuits électroniques : diodes, transistors, triacs, etc. contre les faibles surcharges de longue durée et contre les courts-circuits.

Courbe K (fig.4) Déclenchement entre 10 In et 14 In

Commande et protection contre les surcharges et les courts-circuits d'installations présentant des courants d'appel importants, mais de durée plus brève.

Courbe MA (fig.4) Déclenchement 12 In

Protection des circuits d'alimentation des moteurs : câbles et démarreurs contre les courtscircuits. Ce disjoncteur ne comporte qu'un déclencheur magnétique, il doit être associé à une protection thermique adaptée.

c.Choix d'un disjoncteur

Nous avons vu qu'un disjoncteur était constitué d'un système de coupure et d'un système de détection de défaut.

Choix du dispositif de coupure :

Le dispositif qui comporte les pôles de coupure est choisi en fonction :

•   du nombre de pôles : nombre de conducteurs à couper, de la tension assignée (tension d'emploi), du type de courant (alternatif ou continu) ;

•   de (In) : courant d'emploi du circuit, c'est lui qui détermine le courant assigné, encore appelé « calibre du disjoncteur» ;

•   de (Icc) : courant de court-circuit susceptible de se produire immédiatement en aval du disjoncteur. On choisit toujours un disjoncteur ayant un pouvoir de coupure supérieur à (Icc) aval.

Choix du type de déclencheur :

Le dispositif magnéto-thermique ou électronique qui commande le déclenchement des pôles de coupure est choisi en fonction :

•   de (IB), courant maximal qui traverse le circuit en fonctionnement normal ;

•   du pic d'intensité à la mise sous tension. En fonction de cette surintensité, on définit le type de courbe (B, C, D, ) du déclencheur.

UNE INSTALLATION

DIMENSIONNEMENT D'UNE INSTALLATION ÉLECTRIQUE

1 Introduction

Une installation électrique est un ensemble cohérent d’appareillage, câbles, circuits et récepteurs, le dimensionnement d’une installation électrique consiste à faire le choix optimal des sections de câbles et des protections pour garantir un fonctionnement normal des équipements sans dégradation ou échauffement.

2 Les câbles

Les câbles sont considérés comme les piliers d’une  installation électrique, en outre un surdimensionnement engendre des surcoûts dans la réalisation du projet, par contre un sous dimensionnement peut engendrer des échauffements et causer un dysfonctionnement de l’installation électrique, d’où la nécessitée d’un dimensionnement optimal.

Le dimensionnement optimal des câbles doit tenir compte des conditions suivantes :

-  Le mode de pose et la nature des milieux traversés

-  La température extrême du milieu ambiant

-  La tension et la nature du courant

-  L'intensité à transporter

-  La longueur de la liaison

-  La chute de tension admissible

-  La valeur du courant de court circuit et le temps de coupure sur défaut

Les couleurs des conducteurs ont une fonction déterminée : Rouge, conducteur actif : phase. Bleu, conducteur neutre. Vert-jaune, conducteur de protection : la terre. Noir marron violet orange : sont les couleurs utilisées pour les conducteurs retours et navettes pour les va et vient.

Le choix du câble est très important avant l'achat car une fois dans la gaine il est rarement possible d'en rajouter un autre. Le nombre de conducteur et la section est fonction de l'installation à créer. Il existe des câbles de différentes sortes, le câble du type U1000RO2V est un câble qui convient pour tout type d'installation, la tension d'utilisation maximale est 1000 Volts. Pour une installation réalisée dans les règles de l'art il convient de passer le câble dans une gaine.

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Câble

                                                                        HO5VV-F 4x1, 5mm² Câble      H03VVFH2F Câble méplat,

U1000RO2V5x1,5mm²

                                                                      souple destiné à l'alimentation       destiné à l'alimentation des

Câble destiné pour la des petits appareils mobiles et à    petits appareils

réalisation des installations

               souple destiné à                                                                           Câble coaxial pour la

téléphonique 5 paires. Destiné

      l'alimentation des petits                                                               réalisation des liaisons entre

pour la réalisation des

         appareils mobiles et à                                                                    les antennes "TV" et les

installations de téléphones,

l'alimentation des appareils                                                                            téléviseurs.

portiers de villa, alarmes

d'électroménagers.

2.1 Désignation normalisée des câbles et conducteurs

Il existe deux codes actuellement en vigueur : le code UTE et le code CENELEC. Le code CENELEC remplace progressivement le code UTE.

UNE INSTALLATION

2.2 La section des conducteurs

La section des conducteurs pour l'alimentation des différents circuits :

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3 Les gaines

Dans les logements la gaine la plus utilisée est la gaine de type ICO (isolant cintrable ordinaire) avec un tire fil, elle est destinée pour des saignées réalisées dans des murs ou des cloisons. Pour les installations en saillies il faut utiliser des moulures en plastique ou du tube de type IRO (isolant rigide ordinaire.) La fixation de la moulure est réalisée avec des chevilles et des vis, elle peut être collée mais à la longue cela fini toujours par se défaire.

Le tube est fixé au mur avec des attaches ou colliers. Les attaches doivent être au plus espacées de 50 cm en partie horizontale et 60 cm en partie verticale. Les gaines posées dans les tranchées doivent être enterrées à 1 mètre de profondeur si des véhicules circulent dessus et à 0,80 pour les passages piétons uniquement. Une fois la tranchée réalisée, il faut placer un lit de sable de 10 cm environ, ensuite poser la gaine au centre de la tranchée, la recouvrir de 0,20 m de sable puis poser un grillage avertisseur. Ensuite combler la tranchée en plaçant les mottes de terre les plus petites sur le grillage avertisseur puis les plus grosses sur le dessus. Lors de la fin des travaux il est souhaitable de réaliser un relevé du passage de la tranchée et de porter son cheminement sur un plan. Gaine rouge avertisseur rouge pour l'électricité, courant fort. Gaine verte avertisseur vert pour le téléphone.

4 La chute de tension dans les lignes

La gestion du réseau électrique ne consiste pas seulement à faire en sorte que les transits soient inférieurs aux capacités de transport de chaque ouvrage du réseau.

Il faut également surveiller plusieurs paramètres techniques, dont  le niveau de tension : la tension électrique doit rester dans une plage autorisée en tout point du réseau, dans toutes les situations de production et de consommation prévisibles. En effet, la tension peut localement être dégradée, par exemple les jours de forte consommation (dans ce cas, les transits à travers les lignes du réseau sont importants, ce qui provoque une chute de tension dans ces lignes).

Lorsque  le transit dans une ligne électrique est assez  important, la circulation du courant dans la ligne provoque une chute de la tension.

La tension est alors plus basse en bout de ligne qu’en son origine et plus la ligne est chargée en transit de puissance, plus la chute de tension sera importante.

5 Mode opératoire

Cette procédure vous permettra de vous organiser pour la réalisation de vos installations.

1-Mise hors tension de l'installation existante et contrôle de l'absence de tension (par sécurité il est souhaitable de couper le disjoncteur général).

2-Tracé des axes des conduits et de l'appareillage.

3-Réalisation des saignées (attention aux conduits déjà encastrés).

4-Pose de l'appareillage ou pose des boîtes d'encastrement.

5-Pose des conduits ou scellement des gaines.

6-Passage des conducteurs ou des câbles, pour le passage des conducteurs dans les gaines il existe des produits pour améliorer le glissement dans les gaines. Pour les câbles, il faut dénuder la gaine de protection des conducteurs avant de le passer dans le conduit, car il n’est pas aisé de passer le couteau dans le boîtier ! Ainsi lors du raccordement les conducteurs sont prêts à être raccordés. Laisser dépasser les conducteurs de 15 cm environ dans le boîtier.

7-Pose de l'appareillage et raccordement (interrupteurs, prises, boites de dérivation ) Pour le raccordement de l'appareillage il est souhaitable de doubler le conducteur s'il est seul sous la vis, cela évite un sectionnement du fil avec la vis. Les conducteurs doivent dépasser de 10 à 12 cm du boîtier, les plier en en "S" pousser et visser l’appareil.

8-Contrôles divers, vérifier la continuité des terres sur les prises de courant et l’appareillage métallique.

9-Mise sous tension et essais.

6 Choix d’appareillage

La structure du réseau étant choisie et validée, les matériels électriques prévus doivent satisfaire.

•   aux normes en vigueur

•   aux caractéristiques du réseau

Il s'agit notamment :

-  des tensions de service qui doivent être compatibles avec la tension la plus élevée pour le matériel

-  des surtensions susceptibles d'apparaître dans le réseau qui doivent être compatibles avec les tensions de tenue du matériel (à fréquence industrielle, choc de manœuvre, choc de foudre)

-  des courants nominaux

-  des courants de court-circuit qui doivent être compatibles avec le pouvoir de coupure, le pouvoir de fermeture, la tenue thermique et électrodynamique du matériel.

• aux fonctions associées à chaque équipement

-  coupure sur court-circuit (disjoncteur, fusible)

-  manœuvre en régime nominal (interrupteur) - manœuvres fréquentes (contacteurs ) - hors charge (sectionneurs).

• aux exigences de la continuité de service

Ce qui détermine le choix du type de matériel :

-  appareil fixe

-  appareil débrochable pour faciliter l'entretien ou le remplacement.

• aux qualifications du personnel

Le niveau de qualification des agents d'exploitation et de maintenance détermine :

- la nécessité ou non de verrouillages et d'asservissements pour éviter les fausses manœuvres - le choix d'un matériel avec ou sans entretien.

• aux exigences liées aux extensions futures

Cela détermine les réserves à prévoir et peut conduire au choix de matériels modulaires.

LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE D'UNE

INSTALLATION ÉLECTRIQUE

1  La limitation

La limitation est une technique qui permet au disjoncteur de réduire fortement les courants de court-circuit. Les avantages de la limitation sont multiples :

-atténuation des effets néfastes des courts-circuits : électromagnétiques, thermiques, mécaniques,

-base de la technique de filiation.

1.1  Principes

Le courant de défaut présumé Icc est le courant de court-circuit Icc qui circulerait en l’absence de limitation à l’endroit de l’installation où le disjoncteur est placé.

 Du fait de l’élimination en moins d’une demi-période du courant de défaut, seule la première I_{crête asymétrique} est à considérer. Cette dernière est fonction du cos ? de défaut de l’installation.

Courant assigné de courte durée admissible (Icw) : Défini pour les disjoncteurs de catégorieB. 

Icw (kA eff.) est le courant de court-circuit maximal que peut supporter le disjoncteur pendant une courte durée (de 0,05 à 1 s) sans altération de ses caractéristiques. Cette performance est vérifiée lors de la séquence d’essais normalisés.

La diminution du courant Icrête en IL limité, caractérise la limitation d’un disjoncteur.

La limitation consiste à créer une force contre-électromotrice s’opposant à la croissance du courant de court-circuit.

Les trois critères déterminants pour l’efficacité de cette limitation sont :

-Le temps d’intervention, c’est à dire l’instant ts où apparaît la force contre-électromotrice (fcem),

-La vitesse de croissance de cette fcem,

-La valeur de cette fcem.

La force contre-électromotrice est la tension d’arc Ua due à la résistance de l’arc  qui se forme entre les contacts dès leur séparation. Sa rapidité d’évolution est liée  à la vitesse de séparation de contacts.

Comme le montre la figure ci-dessus, à partir de l’instant ts où les contacts se séparent, la force contre-électromotrice Ua croît jusqu’au moment t1 où elle est égale à la tension de la source Em. Le courant limité a alors atteint sa valeur maximale et va diminuer et s’éteindre au bout du temps t2. Sa décroissance est provoquée par la force contre-électromotrice dont la valeur est supérieure à Em.

1.2 Avantages

Application à la distribution électrique 

La limitation atténue fortement les effets néfastes des courts-circuits sur l’installation.

1.3 Courbes de limitation

Le pouvoir de limitation d’un disjoncteur est exprimé par des courbes de limitation qui donnent :

-l’intensité crête limitée en fonction de l’intensité efficace du courant de court-circuit présumé.

Exemple : sur un départ de 160 A où l’Icc présumé est de 90 kA efficace, l’Icc crête non limité est de 200 kA (facteur d’asymétrie de 2,2) et l’Icc limité est de 26 kA crête.

-la contrainte thermique limitée (en A2s), en fonction de l’intensité efficace du courant de court-circuit présumé. 

Exemple : sur le départ précédent, la contrainte thermique passe de plus de 100 106 A2s à 6 106 A2s. 

2 La filiation

La filiation procure un pouvoir de coupure “renforcé” aux disjoncteurs placés en aval d’un disjoncteur limiteur. Celui-ci, en limitant les forts courants de court-circuit aide le disjoncteur

placé en aval. La filiation permet d’utiliser un disjoncteur de pouvoir de coupure inférieur au courant de court-circuit calculé à son point d’installation.

La filiation permet de : réaliser des économies, simplifier le choix des protections,  par la mise en œuvre de disjoncteurs aux performances standards.

2.1 Domaine d’utilisation

2.1.1 La filiation 

-Concerne tous les appareils installés en aval de ce disjoncteur,

-peut s’étendre à plusieurs appareils consécutifs, même s’ils sont utilisés dans des tableaux différents.

Les normes d’installation (CEI 60364 ou locales) imposent que l’appareil amont ait un pouvoir de coupure ultime Icu supérieur ou égal au courant de court-circuit présumé au point d’installation.

Pour les disjoncteurs situés en aval, le pouvoir de coupure ultime Icu à considérer est le pouvoir de coupure ultime renforcé par la coordination.  

2.1.2 Principes

Dès que les deux disjoncteurs déclenchent (à partir du point IB), une tension d’arc UAD1 à la séparation des contacts de D1 s’ajoute à la tension UAD2 et aide par limitation complémentaire le disjoncteur D2 à s’ouvrir.

2.1.3 Avantages

La filiation permet de bénéficier de tous les avantages de la limitation. Ainsi, sont réduits les effets résultant des courants de court-circuit, soit : les effets électromagnétiques, les effets électrodynamiques, les effets thermiques.

 L’installation d’un seul disjoncteur limiteur amène des simplifications et des économies importantes pour toute l’installation aval :

-simplification du choix des appareils par les tableaux de filiation,

LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE -économie sur les appareils aval. La limitation permet d’utiliser des disjoncteurs aux performances standards.

3  Sélectivité

Il y a sélectivité des protections si un défaut, survenant en un point quelconque du réseau, est éliminé par l'appareil de protection placé immédiatement en amont du défaut et lui seul. La sélectivité entre deux disjoncteurs D1 et D2 est totale si D2 fonctionne pour toute valeur de court-circuit jusqu'au courant de court-circuit franc triphasé au point où il est placé. La sélectivité est partielle si D2 fonctionne seul jusqu'à un courant de court-circuit présumé Ic inférieur à Icc D2. Au delà de cette valeur, D1 et D2 fonctionnent simultanément.

Avantages de la sélectivité 

•   Disponibilité permanente de l’énergie 

•   impératifs de production respectés : 

o pas de rupture de fabrication,  o pas de reprise  de procédure de démarrage,  o pas d’arrêt intempestif et dangereux de machines ou systèmes tels que pompes de lubrification, extracteurs de désenfumage.

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LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE

3.1 Sélectivité ampèremétrique

Elle repose sur le décalage en intensité des courbes de protection. Elle est totale si le courant de court-circuit en aval de D2 IccD2 est inférieur au seuil de déclenchement magnétique Isd1. Sinon elle est partielle. La sélectivité ampèremètrique est d'autant plus étendue que les calibres des disjoncteurs amont et aval sont différents.

 Réalisée avec des disjoncteurs rapides elle est souvent partielle et son niveau est seulement Isd1.

3.2 Sélectivité chronométrique

Elle repose sur le décalage temporel des courbes de, déclenchement et se détermine graphiquement

Sélectivité totale Le disjoncteur amont D1 dispose d'un retard intentionnel (par exemple :

Masterpact Compact électronique).

Pour la réaliser, il faut disposer d’un disjoncteur amont à crans de temporisations.  Le retard introduit doit permettre d’améliorer la sélectivité sans pour autant mettre en péril le câble – ou

LES TECHNIQUES DE MISE EN ŒUVRE

les jeux de barres -  qui auraient alors à supporter la surintensité plus longtemps (effets thermiques I2t et contraintes électrodynamiques plus grands).

4 Coordination des protections et d’isolement

La coordination de l'isolement d'une installation consiste  à  déterminer les caractéristiques d'isolement nécessaires aux divers constituants du réseau, en vue d'obtenir une tenue homogène aux tensions normales, ainsi qu'aux différentes surtensions. Son but final est de permettre une distribution sûre et optimisée de l'énergie électrique.

Cette optimisation permet de trouver le meilleur rapport économique entre les différents paramètres dépendant de cette coordination :

-  coût de l'isolement du matériel

-  coût des protections contre les surtensions

-  coût des défaillances (perte de l'exploitation et destruction de matériel), en tenant compte de leur probabilité d'occurrence.

Le coût du sur-isolement du matériel étant très élevé, il ne peut pas être dimensionné pour supporter les contraintes de toutes les surtensions.

S'affranchir des effets néfastes des surtensions suppose une première démarche qui consiste à s'attaquer à  leurs phénomènes générateurs, ce qui n'est pas toujours évident. En effet, si à l'aide de techniques de coupure appropriées les surtensions de manœuvre de l'appareillage peuvent être limitées, il est impossible d'empêcher les coups de foudre.

La réduction des risques des surtensions, par conséquent du danger qu'elles représentent pour les personnes et le matériel, est d'autant meilleure si certaines mesures de protection sont respectées :

-  limitation des résistances de prise de terre du poste pour la réduction des surtensions lors d'un défaut à la terre

-  réduction des surtensions de manœuvre par le choix d'appareils de coupure appropriés

-  écoulement à la terre des chocs de foudre par un premier écrêtage (parafoudre ou éclateur à l'entrée des postes) avec limitation des résistances de prises de terre.

-  protection des équipements sensibles en BT (informatiques, télécommunications, automatismes, ) en leur associant des filtres séries et/ou des limiteurs de surtensions.

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PROTECTIONS DES PERSONNES

1 Généralités

 L’énergie électrique, bien qu’utile, est dangereuse pour l’homme. Si un courant traverse le corps humain, il y a risque de lésions voir de mort. Il est donc nécessaire de protéger les personnes contre de tels dangers. 

 Les réseaux de distribution sont caractérisés essentiellement par la nature du courant et le nombre de conducteurs actifs, ainsi que par la liaison à la terre ou régimes de neutre. 

 La sécurité des personnes et du matériel est assurée différemment en fonction du régime de neutre utilisé dans une installation électrique.

2 Protection contre les chocs électriques

2.1 Protection contre les chocs directs

 Le contact direct est le contact entre une personne et les parties actives (phases ou neutre) des matériels sous tension. La protection contre ce contact s'effectue de la façon suivante: 

•    Par isolation des parties actives : Tous les conducteurs sous tension sont recouverts d'isolants. 

•    Par des barrières, des enveloppes, des obstacles : L'appareillage est mis sous coffret. 

•    Par mise hors portée, par éloignement : C'est le cas des lignes aériennes à haute tension et basse tension.

•    Utilisation de la très basse tension de sécurité T.B.T.S : On a recours à des tensions dites "de sécurité" de 12 V, 25 V et 50 V en courant alternatif et de 25 V, 50 V, 120 V en continu.

•    Par protection complémentaire (disjoncteur différentiel résiduel DDR) : On emploie un dispositif différentiel haut sensibilité.  

2.2Protections contre les contacts indirects. 

 Le contact indirect est le contact des personnes avec des masses mises accidentellement sous tension. La protection contre ce contact s'effectue de la façon suivante: 

•    Sans coupure automatique

Ce type de protection est limité à certaines parties de l'installation. Il est réalisé par :  

·  L'emploi de matériel de classe 2. 

·  L'isolation supplémentaire lors de l'installation 

·  La séparation électrique (transformateurs d'isolement)  ·  Les liaisons équipotentielles locales, non reliées à la terre.  

•    Par coupure automatique de l'alimentation : 

                                                                                                                                                                                         PROTECTIONS DES PERSONNES

 ·  La mesure de protection par coupure automatique de l'alimentation est destinée à empêcher qu'à la suite d'un défaut d'isolement entre une partie active et la masse d'un matériel, une personne touchant ce matériel puisse se trouver soumise à une tension de contact dangereuse  pendant un temps tel qu'il pourra en résulter des dommages organiques.  

·  Les conditions de réalisation de la protection sont liées à la nature du schéma de liaison à la terre.

2.3 Dispositif de protection des personnes en schéma TT

   Le disjoncteur différentiel à courant résiduel est utilisé, en particulier, chez chaque abonné. Il a pour rôle d’assurer : 

-  La protection des circuits contre les surintensités dues aux surcharges ou aux courts circuits ;  -  La protection des personnes contre les contacts  indirects (fuites de courant à la terre). 

   On distingue toutefois, différents types de différentiel.  

·  Le disjoncteur différentiel (Fig 1). Protection des personnes  et des matériels . 

·  Le relais différentiel (Fig 3). Il réalise la surveillance du circuit, il est réglable, il est associé à un dispositif de coupure ( interrupteur ou disjoncteur). La mesure du courant de fuite à la terre peut être réalisée par un  tore séparé (Fig 4). 

·  L’interrupteur différentiel ( Fig  2), réalisant une surveillance du circuit et ne coupant celui ci qu’en cas de courant de fuite à la terre.

Problème 

 Si une installation monophasée ou triphasée, présente un défaut d’isolement, par exemple un récepteur dont la masse est reliée à la terre, le courant qui entre dans le récepteur I est différent du courant qui en ressort I-If. (If courant de fuite à la terre).  

 Si, du fait de la résistance de contact, le défaut n’est pas franc, les systèmes de protection contre les surintensités, les surtensions, les baisses de tension ne fonctionnent pas, il y a risque d’électrocution par contact indirect.

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Principe de fonctionnement 

   Le dispositif différentiel comporte un circuit magnétique en forme de tore sur lequel sont bobinés le ou les circuits des phases et du neutre. 

  En l’absence de fuite ou de courant résiduel de défaut, les flux produits par les bobines s’annulent, il ne se passe rien. 

  Si un défaut survient, le courant résiduel de défaut produit un déséquilibre des flux dans les bobines et un flux magnétique dans le tore apparaît. 

  La bobine de mesure est le siège d’une force électromotrice (fem) qui alimente un petit électroaimant provoquant le déverrouillage du disjoncteur.

Seuil de réglage 

On appelle courant de seuil le courant de réglage du disjoncteur différentiel  I _?N. Il existe une incertitude sur le courant de déclenchement :

On peut, dans certains cas, avoir des courants de fuite qui ne correspondent pas à un défaut sur la partie protégée.   Pour éviter un déclenchement intempestif du DDR, il faut que le courant de fuite “normal” soit inférieur à  I_?N/2. 

Disposition schématique

3 Les schémas de liaison à la terre

3.1 Les trois régimes de neutre

 La norme NF C 15.100 définit trois régimes de neutre qui sont caractérisés par deux lettres : 

•    1 ère Lettre : Situation de l’alimentation par rapport à la terre. 

T  : liaison d’un point avec la terre ;  

    I : isolation de toutes les parties actives par rapport à la terre ou liaison d’un point avec la terre à travers une impédance ;  

•    2eme Lettre : Situation des masses  de l’installation par rapport à la terre : 

T  : masses reliées directement à la terre ;  

    N : masses reliées au neutre de l’installation, lui-même relié à  la terre. 

3.2 Le régime de neutre TT

3.2.1Principe

 - La norme NFC 15 100 définit, pour les installations basse tension, le standard suivant : 

·  Tension domestique : 230 V monophasé – 400 V entre phases. 

·  Régime du neutre TT (neutre à la terre, masses reliées entre elles et mises à la terre). 

 La protection contre les chocs indirects est assurée par coupure de l'alimentation lors de l'apparition du premier défaut d'isolement. Selon le principe développé ci-dessous

Lors de l'apparition du défaut d'isolement, un courant s'écoule au travers du sol. Ce courant de fuite est détecté par le dispositif différentiel qui entraîne la coupure de l'alimentation.

 Pour que ce dispositif soit efficace, il faut que deux conditions soient réunies : 

 ·  Liaison équipotentielle des masses mise à la terre.  

·  Utilisation d'un dispositif différentiel en amont de l'installation. 

Exemple : soit le réseau de distribution TT ci-dessous :

  Lorsqu’une phase touche la masse, il y a élévation du potentiel de cette masse.

 Soit    RD : La résistance de défaut = 0 ?; RN: la résistance de la prise de terre du neutre = 10 ?; RA: la résistance de la prise de terre des masses = 20 ?;

Il s’établit un courant en rouge sur le schéma : I_d=220/ (RA+RN+RD) = 220/30 = 7.33A

La tension de masse par rapport à la terre est : Uc = RA×Id = 20 × 7.33 = 146.6v     Cette tension est mortelle

Lorsque dans un réseau TT, survient un défaut d’isolement, il y a une élévation  dangereuse  du potentiel des masses métalliques. (Qui habituellement sont au potentiel 0V). 

3.2.2Règles à observer

 1ère règle : Toutes les masses des matériels protégés par un même dispositif de protection doivent être  interconnectées et reliées par un conducteur de protection (PE) à une même  prise de terre. 

 2ème règle : La condition de protection doit satisfaire à la relation suivante : RA × I_A < Uc

-    I_A   : Courant de fonctionnement du dispositif de protection ;  

-    RA :   résistance de la prise de terre des masses ;  

-    UC :   tension de contact limite : Uc = 50V, 25V selon les locaux. 

3ème règle : Dans les schémas TT, on assurera la protection par un dispositif différentiel à courant résiduel (DDR). Dans ce cas, le courant IA est égale au courant différentiel résiduel du disjoncteur. 

  La sensibilité d’un disjoncteur différentiel résiduel est indiquée par le symbole I_?N, qui indique le système de protection, lequel peut être un interrupteur ou un disjoncteur.

Les disjoncteurs sont classés selon trois catégories : 

                                                                                      Dispositif haute sensibilité : I_?N = 6 ; 12 ; 30 mA ;

          Dispositifs moyenne sensibilité : I_?N = 0,1 ; 0,3 ; 0,5 ; 1 A ;              Dispositif faible sensibilité : I_?N = 3 ; 5 ; 10 ; 20 A.

3.3 Régime TN 

3.3.1 Principe 

Le neutre de l’alimentation est mis à la  terre et les masses sont reliées au  neutre ; Ainsi, tout défaut d’isolement est transformé en un défaut entre phase et neutre soit un  court circuit dont la valeur est limitée par l’impédance des câbles. 

Exemple : Le défaut entre C et la masse se referme par le conducteur de protection électrique P.E.N.

On appelle Boucle de défaut le circuit A, B, C, D, E, F. Les fusibles ou disjoncteurs doivent assurer la protection et couper le circuit dans un temps inférieur à celui défini par la courbe de sécurité. 

On distingue deux types de régime TN :

o Schéma TN-C : Le conducteur neutre et de protection électrique sont en communs.   o Schéma TN-S : Le conducteur neutre est séparé du conducteur de protection électrique. 

3.3.2Explication de la protection

Lorsqu’un défaut d’isolement survient entre une phase et la masse, le fait que cette masse soit reliée au neutre produit une forte différence de potentiel. Celle-ci a tendance à provoquer le  claquage  de l’isolant et à transformer le défaut d’isolement en court circuit phase neutre. 

L’élévation de potentiel de la masse devient rapidement dangereuse et les systèmes de protection contre les surintensités (fusibles, disjoncteurs) doivent couper le circuit dans le temps défini par les courbes de sécurité. Le courant de défaut est  limité seulement par l’impédance des câbles de la boucle de défaut.

3.3.3Calcul simplifié

Dans le schéma ci-dessous, qui représente un départ basse tension, la boucle de défaut B, C, D, E est alimentée par une tension estimée à 0,8 fois la tension simple (chute de tension dans le transformateur).   V_BE =230 × 0.8 =184v

L’impédance de cette boucle de défaut dans un calcul approché est ramenée à la valeur de la résistance des câbles.  Z_d= R_d impédance de la boucle de défaut B, C, D, E. 

On considère que le conducteur PEN suit le même parcourt que le conducteur de phase B, C, donc

BC= DE, soit une longueur de 40 m.    R_d = 2 × R_BC  d'où  R_d = 2.?.L/S = 2 × 17,2 × 40 / 50 = 27,52.10^-3?

Avec :                   ?_cuivre = 17.2 m?mm²/m ;                             S : section du conducteur = 50mm² ; 

                                L: longueur du conducteur = 40m

Le courant du défaut Id est donnée par la relation Id = V_BC/R_d = 184/27,52.10^-3 = 6686A

La tension (Uc) peut être considérée comme la moitié de la tension aux bornes de la boucle de défaut, soit :  Uc = V_DE = V_BC/2 = 184/2 = 92v

 Si la protection du circuit est assurée par un disjoncteur de calibre I_N=160 A avec un relais magnétique qui déclenche à 7 fois l’intensité nominale : Im = 7.I_N = 7 × 160 = 1120A 

Id > Im provoque le déclenchement du disjoncteur.

Il faut aussi s’assurer que le temps  de déclenchement du disjoncteur est inférieur au temps maximal donné par la courbe de sécurité :  t_disjoncteur < t _sécurité

o   Temps de déclenchement du disjoncteur 160 A donné par le constructeur : t_disjoncteur = 0,025s soit 25ms ; 

o   Temps donné par la courbe de sécurité pour une tension de contact de 88 V, courbe U_L =25v

: t_sécurité = 0,12 s  

Les deux conditions (courant de défaut suffisant pour faire déclencher le disjoncteur et temps de déclenchement du disjoncteur suffisamment court) sont réalisées dans ce cas de calcul approché.

3.4 REGIME IT

3.4.1Principe de la protection  Dans le régime de neutre isolé :  

-    Le neutre est isolé de la terre ou relié à la terre par une impédance élevée ; 

-    Les masses sont reliées à une prise de terre.

Cas d’un premier défaut : 

Un premier défaut n’est pas dangereux, mais il doit être recherché et éliminé. 

 Au deuxième défaut, il faut impérativement couper le circuit en défaut. 

     a) exemple de calcul sans impédance Z : 

Données :  -  réseau isolé, impédance d’isolement Zn= 50 000 ?; 

-    résistance du défaut Rd = 0 ?; 

-    résistance de terre Ra = 10 ?. 

  La loi  d’ohm nous donne  Id = 230/(10 + 0 + 50000) = 0.005A  

  Le courant est très faible du fait de la forte impédance d’isolement du neutre. 

  La tension de défaut est alors  Uc = 10 × 0.005 = 0.05v ; elle est inoffensive. 

Tout se passe comme si on se trouvait devant un réseau avec une phase à la terre, et les deux autres phases ainsi que le neutre isolé. 

Remarque : Dans une installation à neutre isolé (IT), l’impédance équivalente ramenée entre neutre et terre est d’environ 3 500 ? par km de ligne ; elle est due aux capacités et aux fuites à la terre qui se font par les isolants.

Cas d’un défaut double : 

 Soit le jeu de barre ci dessous qui alimente deux départs, et sur lequel il existe deux défauts. L’un sur la phase 1, l’autre sur la phase 3.

Calcul simplifié :

En cas de défaut double, il s’établit un courant de défaut Id dans la boucle A, B, C, D, E, F, G, H, J, K. 

Données :    Zd= impédance de la boucle B, C, D, E, F, G, H, J.       Réseau 400 V triphasé. 

  Calculs :  

U_BJ = Zd . Id

  Si l’on néglige la réactance, l’impédance de la boucle de défaut peut être égale à :

U_BJ est tension entre phase estimée à 0.8 U comme en TN d’où U_BJ = 0,8.400 = 320

Si l’on néglige la réactance, l’impédance de la boucle de défaut peut être égale à :

Zd = 2.(R_BC + R_HJ) = 2.?.(40/25 + 50/35) = 2 . 17,2.(1,6 + 1,4) = 103,2.10^-3?

L’intensité de défaut est alors de : Id = U_BJ/Zd = 320/0,1032 = 3100A

La tension de contact est alors de : Uc = U_BJ/2 320/2 = 160v C’est une tension de contact dangereuse.  A travers ces résultats, on voit qu’en cas de défaut double, en régime de neutre IT, on est en présence d’un fort courant de court circuit et d’une tension de contact dangereuse.

Commande des machines électriques

1 Généralités

1.1 L’utilisation des moteurs électriques

Le rôle de cet actionneur est de transformer l'énergie électrique en énergie mécanique. Il s'associe souvent à un système d'entraînement du type : réducteur ou variateur de vitesse. II peut être bridé directement sur le réducteur et dans ce cas la transmission du mouvement se fait par engrenages internes. Il peut aussi être séparé du réducteur et avec une transmission du mouvement réalisée par courroies ou chaînes.

1.2 Les Principaux moteurs électriques

Les moteurs électriques à usage industriel peuvent se classer en cinq familles

•   Asynchrone triphasé :

-  moteur triphasé à rotor en court-circuit,

-  moteur triphasé à bagues (de moins en moins     utilisé).

•   Asynchrone monophasé à cage.

•   Moteur universel.

•   Synchrone à aimants permanents.

•   A courant continu (de moins en moins utilisé).

Remarque : Le moteur triphasé à rotor en court-circuit est le moteur le plus utilisé. Il ne demande que très peu d'entretien tout en restant fiable au niveau du fonctionnement.

1.3 Rappel sur les moteurs synchrones triphasés

Le  moteur asynchrone triphasé  est largement  utilisé  dans  l'industrie, sa simplicité de construction en fait un  matériel  très  fiable  et  qui demande  peu d'entretien.  Il  est constitué d'une partie fixe, le stator qui comporte  le bobinage, et  d'une partie  rotative,  le  rotor  qui  est bobiné  en  cage d'écureuil.  Les circuits magnétiques  du rotor et du stator  sont  constitués d'un empilage de fines tôles métalliques pour  éviter  la  circulation  de courants de Foucault. 

1.3.1Principe de fonctionnement

Le principe  des  moteurs  à  courants  alternatifs  réside  dans  l‘utilisation d‘un  champ magnétique tournant produit par des tensions alternatives

La circulation  d'un  courant  dans  une  bobine  crée  un champ magnétique B. Ce champ est  dans l'axe  de la bobine,  sa  direction  et  son  intensité  sont fonction  du courant I. C'est une grandeur vectorielle. 

Si  le courant  est  alternatif,  le  champ  magnétique  varie en  sens  et  en direction  à  la  même  fréquence  que  le courant. 

Si deux bobines  sont placées  à proximité l'une de l'autre, le champ magnétique résultant est la somme vectorielle des deux autres.

Dans le  cas  du  moteur  triphasé,  les  trois  bobines  sont  disposées  dans  le stator  à 120° les  unes des autres, trois champs  magnétiques  sont ainsi créés. Compte-tenu de  la  nature  du  courant  sur  le  réseau  triphasé,  les  trois  champs  sont  déphasés (chacun à son tour passe par un maximum). Le champ magnétique résultant tourne à la même fréquence que le courant soit 50 tr/s.

Les  3  enroulements   statoriques  créent  donc  un  champ  magnétique tournant,  sa fréquence  de  rotation  est  nommée  fréquence  de synchronisme.  Si  on  place  une boussole au centre, elle va tourner à cette vitesse de synchronisme.

Le rotor  est  constitué  de  barres  d'aluminium noyées  dans  un  circuit magnétique.  Ces  barres sont  reliées  à  leur  extrémité  par  deux  anneaux conducteurs et constituent une "cage d'écureuil". Cette  cage  est en  fait  un  bobinage  à  grosse section et très faible résistance.

Cette cage  est  balayée  par  le  champ magnétique tournant. Les conducteurs sont alors traversés  par  des  courants  de  Foucault  induits. 

Des courants  circulent dans les anneaux formés par  la  cage,  les  forces  de  Laplace qui  en résultent exercent un couple sur le rotor. D'après la loi de Lenz les courants induits  s'opposent par leurs  effets  à  la  cause  qui  leur  a donné naissance.  Le  rotor  tourne  alors  dans  le  même sens  que  le champ  mais  avec  une  vitesse légèrement  inférieure  à  la  vitesse  de synchronisme de ce dernier.

Le rotor  ne peut pas  tourner à la  même  vitesse que  le champ  magnétique, sinon la cage  ne  serait  plus  balayée  par  le  champ  tournant  et  il  y aurait  disparition  des courants  induits  et  donc  des  forces  de  Laplace et  du  couple  moteur.  Les  deux fréquences de rotation ne peuvent donc pas être synchrones d'où le nom de moteur asynchrone.

1.3.2Caractéristique du moteur asynchrone Le  couple varie  avec  la  fréquence de  rotation  pour   le  moteur   et  pour la charge  entraînée.  Les caractéristiques du  moteur  et de  la charge  se croisent  au  point  de fonctionnement  pour  lequel  les couples  moteur  et résistant  sont identiques

1.3.3Bilan des puissances

plaque

1.3.4Branchement étoile ou triangle

Il y a deux possibilités de branchement du  moteur au réseau  électrique triphasé. Le montage  en  étoile  et  le  montage  en triangle.  Avec  un  branchement  en  étoile,  la tension aux bornes de chacune des bobines est d'environ 230V. Dans le montage en triangle,  chacune  des bobines  est  alimentée  avec  la  tension  nominale  du  réseau (400V).  On utilise  le  montage  étoile  si  un  moteur  de  230V  doit  être  relié  sur un réseau  400V  ou  pour  démarrer  un  moteur  à  puissance  réduite  dans le  cas  d'une charge avec une forte inertie mécanique.

2 Commande et démarrage des moteurs électriques

La plaque à bornes d’un moteur asynchrone triphasé constituée de 6 bornes repérées U1, V1, W1, U2, V2, W2 permet selon le couplage, d’alimenter le moteur sous deux tensions différentes.

2.1  Le démarrage des moteurs asynchrones triphasés

2.1.1Le démarrage direct

Le moteur est alimenté en triphasé. La protection de celui-ci est assurée par fusibles de type aM et par relais thermique. L’action sur le bouton S2 enclenche le contacteur KM1 qui s’auto alimente. S1 provoque l’arrêt.

Inconvénient : forte intensité au démarrage (7 à 9*In), ce qui provoque des perturbations sur le réseau.

2.1.2Le démarrage étoile-triangle

Il ne s’applique qu’aux moteurs à plaques à bornes complète et dont le couplage triangle correspond à la tension du réseau.

Dans ce cas, on diminue la tension  donc l’intensité de démarrage.

Celui ci se fait en deux temps :

•     Dans un premier temps, on alimente le moteur en étoile (moteur sous-alimenté), •        Dans le second temps, on l’alimente en triangle (tension nominale de fonctionnement). L’action sur S2 enclenche les contacteurs KM1 et KM2. On autoalimente par KM2 (13 et 14). Lorsque la temporisation de KM2 est terminée, on coupe KM1 et on referme KM3. L’arrêt se fait par l’appui sur S1.

Le moteur doit toujours démarrer à vide.

 KM1 : Contacteur Etoile  KM2 : Contacteur de ligne

 KM3 : Contacteur Triangle.

2.1.3 Inversion du sens de rotation d’un moteur asynchrone triphasé.

Pour inverser le sens de rotation d’un moteur, il suffit d’inverser deux phases d’alimentation à l’aide d’un contacteur inverseur.

2.2 Démarrage par démarreur progressif (démarreur électronique)

2.2.1Introduction 

Dans les paragraphes précédentes, nous avons vu que certains procédés de démarrage permettent de limiter l’énergie appelée au réseau et de diminuer les contraintes sur l’installation.

D’où:

•Une réduction de la chute de tension en ligne pour ne pas gêner les autres utilisateurs.

•Une réduction de la pointe de courant qui s’accompagne d’une réduction du couple moteur.

Le rôle d’un démarreur électronique est quand à lui, de permettre un démarrage progressif du moteur

•Avantages:  Démarrage sans à coup Montée progressive en vitesse

Limitation de l’appel du courant lors du démarrage

Usure réduite des systèmes mécaniques de transmission

Ces démarreurs remplacent de plus en plus les démarreurs à technologie électromagnétique (étoile triangle, par résistances statoriques ou rotoriques, par autotransformateur) et ceci dans toutes les gammes de puissances.

Principe de fonctionnement

Schémas

2.2.2Commande des moteurs asynchrones par modulateur d’énergie.

Malgré sa conception  ancienne,  le moteur asynchrone reste toujours  d'actualité  car l'électronique  permet maintenant de  faire varier sa fréquence  de  rotation. Pour faire varier celle-ci, il faut modifier la fréquence de rotation du champ magnétique et donc la fréquence du courant d'alimentation. Les variateurs de vitesse sont des variateurs de fréquence

 Ils permettent

•    Une gamme  de  vitesses  de  5%  à  200%  de  la vitesse nominale 

•    Une conservation du couple sur toute  la gamme de vitesses 

•    Des rampes d'accélération et de décélération 

•    Deux sens de rotation La  consigne  de  vitesse  est  en  général  fournie  sous forme d'une tension de 0 à 10V par exemple Une protection du moteur est intégrée au variateur.

Le courant électrique issu du réseau est dans un premier temps converti en courant continu, il est ensuite reconverti en courant alternatif par un onduleur mais avec une fréquence  différente.  Il  est ainsi  possible de convertir  du monophasé en triphasé  si c'est nécessaire.

L'onduleur travaille  en  hacheur, il  va  moduler  le  courant  par largeur d'impulsions  (PWM),  le courant  résultant  est  proche d'une sinusoïdale.  

Schéma interne d'un variateur 

3 Freinage des moteurs asynchrones

3.1 Introduction 

Le fonctionnement d’un système industriel peut nécessiter pour le moteur d’entraînement: 

•Un ralentissement

•Un freinage

•Un maintien à l’arrêt

Pour cela, on utilise des systèmes de freinage électromécanique ou électronique.

Avantages:         Maîtrise du couple de freinage

Décélération progressive

Contrôle du temps de mise à l’arrêt

Usure réduite des systèmes mécaniques de transmission

3.2 Freinage électromécanique

Il s’agit d’un frein à disque incorporé au moteur, on appel l’ensemble  MOTEUR FREIN.

Fonctionnement:

•Une bobine commande le déplacement d’un disque bloqué en rotation. 

•Ce disque vient en contact avec un disque fixé sur le rotor du moteur. 

•Le frottement des deux disques provoque le ralentissement du moteur.

Le processus de freinage s’effectue sois par manque de courant dans la bobine de freinage, sois par présence de courant.

Frein à manque de courant:

•      Dés que la bobine de commande du frein n’est plus alimentée, le disque n’est plus maintenu et le freinage s’effectue (par un ressort de rappel). Ce type de frein est utilisé lorsque le maintien dans une position définie à l’arrêt est demandé. 

Frein à présence de courant:

•      Le freinage à lieu dés que la bobine de commande du disque est alimentée. 

3.3 Freinage par contre courant

Ce mode de freinage est obtenu par inversion de deux phases.

Généralement, un dispositif électrique de coupure déconnecte le moteur du réseau au moment du passage de la vitesse à N=0.

Le couple de freinage moyen est en général, supérieur au couple de démarrage.

Inconvénient, ce mode de freinage implique des courants absorbés important (environ 7xIn)

3.4 Freinage par injection de courant continu

Lors de l’injection de courant continu dans ses enroulements, le moteur se comporte comme un alternateur et devient donc une charge ralentissante.

Il faut séparer les bobinages statoriques du réseau d’alimentation, puis alimenter deux d’entre eux par une source continue Très Basse Tension (20 à 24 V)

Plus la valeur du courant est importante, plus le moteur est freiné rapidement.

Freinage électronique

Certain de ces modules de freinage sont des options des démarreurs progressifs, d’autres y sont directement incorporé, il s’agit alors de démarreur ralentisseur progressif.

Lors du freinage, les transistors de l’onduleur sont commutés ainsi

On observe 3 phases durant le ralentissement

 1-Durant 0,5s le moteur ralentit normalement en décélération

2-On injecte 1,5In pendant 3s

3-On injecte 0,5In le reste du freinage.

Cette possibilité de réglage du courant est due au hacheur. Les enroulements (inductifs) se chargeant en courant pendant les phases de conduction et se déchargent lors du blocage de T3.