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Electricité Générale – Niveau 2

2010-2011

PLAN DE LA LEÇON N°4

TITRE DE LA LEÇON :

Matériaux et appareillage électrique

OBJECTIFS :

A la fin de la séance l'étudiant doit être capable de :

  • Reconnaître et classifier les matériaux à usage équipements industriels ;
  • Identifier l'appareillage électrique d'une installation industrielle ;
  • Savoir les dispositifs de protection d'une installation industrielle ;
  • Reconnaître les différents paramètres de choix d'un dispositif de protection ;
  • Choisir l'appareillage adéquat à la fonction de protection.

PRE-REQUIS :

  • Lois d'électricité.
  • Appareils de mesure.

 

H. BEN AMMAR                                                                                                                                                                   32

 

Electricité Générale – Niveau 2

2010-2011

MATERIAUX ET APPAREILLAGE ELECTRIQUE

OBJECTIF GENERAL :

Identifier et choisir un appareillage de protection des installations industrielles.

OBJECTIFS SPECIFIQUES

ELEMENTS DE CONTENU

METHODOLOGIE

EVALUATION

DUREE

ET MOYEN

§

Reconnaître et

1.

Les matériaux

§

Exposé

§

Formative.

60 mn

classifier les matériaux

conducteurs.

informel.

à usage équipements

2.

Les matériaux

§

Notes de cours.

industriels.

isolants.

3.

Les matériaux

magnétiques.

§

Identifier

1.

Fusible.

§

Exposé

§

Formative.

120 mn

l'appareillage

-

Classification.

informel.

électrique d'une



-

Sélectivité.

§

Notes de cours.

installation

Exemples.

§

industrielle.

2.

Sectionneur porte

§

Reconnaître les

fusible.

différents paramètres

3.

Relais.

de choix d'un

-

Thermique.

dispositif de

-

Magnétique.

protection.

4.

Disjoncteurs.

5.

Contacteurs.


Cours sur les matériaux et appareillage électrique

I.1 Matériaux isolants

La résistance des matériaux dépend de la propriété suivante :

R          L

:

La résistivité du matériau en [  m]

R :

La résistance du matériau en [  ] ;

L :

La longueur du matériau en [ m] ;

S :

La section du matériau en[ m2 ] .

Généralement la

résistance des matériaux isolants est très élevée, elle est de l'ordre

de106 [  cm.

On distingue trois états d'isolation :

  • Isolation gazeuse ;
  • Isolation liquide ;
  • Isolation solide.

I.1.1. Les isolants solides

Trois différents isolants solides qui se présentent :

  • Isolants minéraux : comme le fibre de verre, le porcelaine et le mica...;
  • Isolants organiques : comme le papier, le bois et le coton…;
  • Isolants synthétique : comme le bakélite, le thermoplastique et le thermodurcissable…

I.1.2. Les isolants liquides

On distingue deux sortes d'huiles :



  • L'huile minérale qui présente le risque d'oxydation incendie ;
  • L'huile lourde (synthétique) employé dans les transformateurs et les disjoncteurs de puissance.

I.1.3. Les isolants gazeux

Généralement les isolants gazeux sont utilisés dans les chambres de coupure de haute puissance. Les plus utilisés sont :

  • L'air est le pus simple isolant gazeux ;
  • L'hexafluorure de soufre (SF6) : c'est un gaz lourd et non toxique. Il est utilisé dans les disjoncteurs de haute tension.

I.2. Matériaux conducteurs

La résistance des matériaux est exprimée par la même relation que le paragraphe précédent :

Ils sont caractérisés par sa faible résistivité, qui dépend du métal utilisé et qui est de l'ordre de10 6 [ cm.

Le cuivre et l'aluminium sont les plus employés pour la fabrication des câbles et des appareils électriques. L'argent présente une bonne conductivité, il est moins utilisé est plus coûteux, généralement il est utilisé pour revêtement de certains contacts afin d'éviter toutes sortes d'oxydation.

I.2.1. Le cuivre et ses alliages

Le cuivre est caractérisé par sa faible résistivité 1,72 10 6 [ cm], il est classé parmi les bons conducteurs électriques utilisés pour les câbles et les conducteurs de faible perte fer. On distingue les alliages suivants :

  • Cuivre (Cu) pur : utilisation : câbles, barres, bobinages et collecteurs …;

§     Le    laiton  est      un  alliage  de  cuivre  (Cu)            et    de  zinc  (Zn),        sa  résistivité

6,4 10 6 [  cm]

  • Le bronze est un alliage de cuivre (Cu), d'aluminium (Al) et de plomb (Pb), sa résistivité 15 10 6 [ cm].


I.2.2. Aluminium et ses alliages

L'aluminium est compté parmi les bons conducteurs 2,8 10 6 [ cm], mais il est caractérisé par sa souplesse et sa flexibilité. C'est pour cette raison qu'on cherche à le durcir par un traitement thermique.

On distingue les alliages suivants :

  • Aluminium (Al) pur : il est conçu pour la fabrication des cages de moteurs asynchrones à rotor en court-circuit, et appareillages… ;
  • Aluminium (Al) plus cuivre (Cu) : ils servent à la fabrication des enroulements des machines tournantes, ainsi pour les câbles nus… ;
  • Aluminium (Al) plus Magnésium (Mg) et Silicium (Si) : On les utilises pour la fabrications des disjoncteurs et des carcasses des moteurs.

I.2.3. Argent et ses alliages

  • Argent pur1,59 10 6  cm]: utilisé pour les contacts inoxydables ;
  • Argent (Ag) plus Cadmium (Cd) : présente une faible résistance de contact.

I.2.4. Matériaux pour fusibles

Pour assurer la sécurité des personnes, on utilise des matériaux de faible résistivité et présente une faible température de fusion.

  • L'argent (Ag) pour les fusibles à haute tension ;
  • L'argent (Ag) plus le plombe (Pb) pour les fusibles basse tension ;
  • L'aluminium (Al) pour les fusibles basse tension et faible calibre.

I.3. Matériaux magnétiques

Les matériaux magnétiques sont très employés dans les circuits magnétiques des machines, qui assurent une transformation de l'énergie électrique ou mécanique.

Ces matériaux possèdent une courbe d'aimantation de l'induction magnétique (B) en fonction

B         H

Où             a          0     r  :        la perméabilité absolue des matériaux

0  :la perméabilité à vide  0    4  10 7

r  :la perméabilité relative dépend du matériau

I.3.1.  Matériaux pour champ à induction constante

On utilise fer dur pour la fabrication des pôles inducteurs et des électro-aimants à courant continu dont la perméabilité relative est de  r       104.

I.3.2. Matériaux pour champ à induction variable

Les transformateurs, ce sont des machines de transformation d'énergie en une énergie électrique conservatrice de puissance, ce qui nécessite un matériau de faible perte fer :

  • pour les fréquences de 50 Hz; on utilise les alliages de fer (Fe) et de silicium (Si).

§     pour les hautes fréquences f 50Hz ; on utilise les alliages métalliques comme le fer (Fe), le Nickel (Ni) et le molybdène (Mo) ou le céramique (Mn Fe2 O3)

I.3.3. Matériaux pour aimants permanents

On utilise des matériaux durs et indéformables pour les hauts parleurs en aluminium (Al), le Nickel (Ni) et le cobalt (Co); et pour les moteurs d'horlogerie le platine (Pt) et le cobalt (Co).

  1. Appareillage électrique industriel

Un appareillage électrique est un ensemble de dispositifs de commande, de protection et de sécurité, capable de contrôler l'énergie électrique mise à la disposition des industriels ou des particuliers.

Le choix approprié lors de l'implantation d'un appareil est déterminé selon :

  • La nature de courant ;
  • La fonction d'un appareil électrique ;
  • La tension de réseau : c'est la tension maximale d'utilisation ;
  • Le courant nominal : c'est le calibre de l'appareil qui correspond au courant permanent maximal d'utilisation ;
  • Le pouvoir de coupure : valeur du courant de court-circuit qu'un appareil est capable d'interrompre.

L'appareillage électrique est classé selon les fonctions à assurer.

II.1.     Les fusibles

II.1.1.     Définition

Le principe de la protection par fusible consiste à introduire dans le circuit à protéger un conducteur calibré qui en cas de surcharge, s'échauffera par effet Joule jusqu'à atteindre sa température de fusion.

II.1.2.     Symbole

Fig.4.1. Symbole d'un fusible

II.1.3. Caractéristiques des fusibles



Ils sont caractérisés par :

  1. L'intensité nominale (In) : c'est le passage du courant à travers sans provoquer la fusion du conducteur fusible ;
  2. La tension nominale (Un) : c'est la tension maximale d'utilisation du fusible, généralement 250Vou 500V ;
  3. Pouvoir de coupure (Pdc) : c'est le courant de court-circuit maximal qui peut le supporter sans danger. Exemple : le type HPC (haut pouvoir de coupure), HPC>10KA 
  4. Courant de non fusion (Inf) : c'est la valeur spécifiée du courant qui peut être supportée par le fusible sans foudre pendant le temps spécifié (a) ;
  5. Courant de fusion (If) : c'est la valeur spécifiée du courant qui provoque la fusion avant la fin du temps spécifié (b).

Courbe de non-fusion

II.1.4.  Classification

On distingue quatre classes de fusibles selon le récepteur associé :

  1. Classe gG(gL – gI) et gF : Ce sont des fusibles associés à des récepteurs à caractère résistif, tel que le calibre choisi I 1,1 In ;
  2. Classe gT : ils ont les mêmes caractéristiques que celui de la classe gF, mais plus rapide ;

Classe aM  (accompagnement moteur) : Ils sont utilisés pour protéger des moteurs dont le courant de démarrage est de six fois plus que le courant nominal, le calibre choisi I 6 I.

II.1.5. Sélectivité

La sélectivité consiste à choisir le type du calibre du dispositif de protection pour assurer la protection de la partie du circuit en défaut.

La sélectivité entre les fusibles s'obtiendra en tenant compte :

  • du type d'appareil électrique à protéger : moteur, four, éclairage…;
  • des caractéristiques In, Inf, If et t ;
  • de la série du fusible aM, gF ou gG ;
  • de l'emplacement en amont ou en aval des fusibles dans le circuit.

aM 400

II.2.  Les sectionneurs

II.2.1. Définition

Ils sont destinés à établir ou à interrompre la continuité d'un circuit électrique à vide ou à l'isoler d'autres circuits. Alors, les sectionneurs ne possèdent aucun pouvoir de coupure, ils ne sont capables de couper que des courants très faibles.

Pour assurer la protection contre les coupes circuits, on utilise des cartouches fusibles.

II.2.2.     Symbole

Fig.4.4. Sectionneur porte fusible à trois pôles

II.2.3.     Caractéristiques des sectionneurs

Ils sont caractérisés par :

  1. l'intensité nominale (In) : c'est le calibre du courant maximal d'utilisation ;
  2. la tension nominale (Un) : c'est la tension d'utilisation maximale ;
  3. la commande : les courants manœuvrés par les sectionneurs sont très importants, d'où l'utilité d'un verrouilleur manuel pour éviter un ouverture accidentel du sectionneur.

II.3.    Les contacteurs

II.3.1.     Définition

Ce sont des appareils de commande, doués d'un pouvoir de coupure, qui permettent d'établir ou d'interrompre un circuit en charge.

Par un bouton poussoir ou par télécommande, qu'on peut fonctionner ou interrompre un fonctionnement d'une installation industrielle.

II.3.2.     Symbole

A1

13

21

1

3

5

A2

14

22

2

4

6

Bobine du contacteur

Contacts auxiliaires

Contacts principaux

Fig.4.5. Symbole d'un contacteur

II.3.3.                Caractéristiques des contacteurs

Ils sont caractérisés par :

  1. la tension nominale (Un) : c'est la tension maximale d'utilisation ;
  2. l'intensité nominale (In) : c'est le calibre de l'appareil qui correspond au courant maximal d'utilisation ;
  3. le pouvoir de coupure (Pdc): c'est la valeur du courant maximal qui peut le couper ;
  4. la durée de vie : c'est le nombre de manœuvres maximale assuré ;
  5. le nombre de pôles : selon le type d'installation et le régime de neutre ;
  6. la catégorie d'emploi : chauffage, distribution tripolaire, machines à outils... (les contacteurs, telle que          la télémécanique, classe les catégories d'emploi par des symboles :           AC1 : récepteurs résistifs ;

AC2 : moteurs à bagues ;

AC3 : moteurs à cage ;

AC4 : moteurs à freinage par contre courant.

g.  la nature du circuit de commande et la fréquence du réseau de distribution.

II.4.    Les disjoncteurs

II.4.1.     Définition

Ce sont des appareils qui coupent le circuit lorsque le courant dépasse largement le courant nominal, ils sont doués d'un pouvoir de coupure.

II.4.2.     Symboles et constitution

1

3

5

Fig.4.6. Disjoncteur

(f)



tripolaire

(a)

(e)

2

4

6

(c)

(b)

(d)

Contacts principaux

  1. :  Organes d'établissement et d'interruption du courant
  2. :  Dispositif de contrôle magnétique Irm
  3. :  Dispositif de contrôle thermique Irth
  4. :  Dispositif de contrôle du courant de défaut ∆I
  5. :  Dispositif de commande automatique asservi directement

(f) :  Dispositif de commande manuelle directe

II.4.3.     Caractéristiques

Ils sont caractérisés par :

  1. la tension nominale (Un) : c'est la tension maximale d'utilisation ;
  2. l'intensité nominale (In) : c'est le calibre de courant maximal d'utilisation ;
  3. le pouvoir de coupure (Pdc) : c'est la valeur du courant de court circuit maximal qui peut le couper ;
  4. le nombre de pôles : selon le type d'installation et le régime de neutre, on choisi un disjoncteur unipolaire, bipolaire ou tripolaire ;
  5. les types de protection à assurer : on distingue trois types de déclenchement selon le courant de court circuit (Irm), le courant de surcharge (Irth) et le courant de défaut (∆I).

II.4.3.1.            Disjoncteur à déclenchement magnétique (Irm)

II.4.3.1.1.        Symbole

1         3           5

Fig.4.7. Disjoncteur magnétique

2         4           6

II.4.3.1.2.        Réglage magnétique

Le disjoncteur magnétique admet un dispositif de déclenchement contre les courants de surcharge et jusqu'à les intensités de court circuit.

Le courant de réglage magnétique varie de 5 à 10 fois le courant nominal du récepteur, 5In Irm 10 In .

Le temps de déclenchement varie de 1ms  td      5ms .

II.4.3.2.     Disjoncteur à déclenchement thermique (Irth)

II.4.3.2.1.        Symbole

1         3           5

Fig.4.8. Disjoncteur thermique

2         4           6

II.4.3.2.2.        Réglage thermique

Le disjoncteur est doté d'un dispositif de contrôle des faibles surcharges, réglable de 0,7 à 1 fois le courant nominal.

Alors, un déclencheur magnétothermique est l'association des deux organes "thermique et magnétique", assurant à la fois un contrôle de faible et forte surcharge jusqu'à le courant court circuit,

 5In    Irm    10 In  et 0,7In    Irth    1 In    6Irth    Irm    12 Irth

II.4.3.3.     Disjoncteur différentiel (∆I)

II.4.3.3.1. Fonctionnement

Il se comporte d'un circuit magnétique en forme de tore supporte des bobines traversées par les courants dans chaque phase. En fonctionnement normal, l'intensité est identique dans chaque conducteur : les flux produits par les bobines s'annulent.

Si un courant de fuite apparaît, il y a différence d'intensité dans les phases et un flux magnétique prend naissance dans ce tore. Ce flux crée un courant induit dans la bobine du relais qui agit sur un organe de coupure voir (fig.4.9).

Id

E2

E1

S2

S1

Id

Ph1

Ph1

Fig.4.9. Principe du disjoncteur différentiel triphasé

Ph2

Ph2

Ph3

Ph3

S3

E3

Id

Le courant d'excitation de la

bobine d'enclenchement du

disjoncteur différentiel

II.4.3.3.2. Caractéristiques d'un disjoncteur différentiel



Un disjoncteur différentiel est essentiellement caractérisé par sa sensibilité, qui dépend du lieu d'utilisation "domestique, industriel…", et de nombre des pôles "mono polaire, bipolaire ou tripolaire".

Les classes les plus courants sont :

  • haute sensibilité : 6, 12,30 mA à usage domestique ;
  • moyenne sensibilité : 100, 300, 500 mA à usage industriel ; On doit tenir compte aussi des paramètres suivants :
  1. tension nominale (Un) : c'est la tension maximale d'utilisation ;
  2. intensité nominale (In) : c'est le calibre de courant maximal d'utilisation ; 
  3. pouvoir de coupure (Pdc) : c'est la valeur du courant de court circuit maximal qui peut le couper ;

II.5.    Les relais

II.5.1. Définition

Les relais sont des appareils qui contrôlent la valeur d'un paramètre électrique. Ils provoquent l'ouverture ou la fermeture du circuit de puissance et de commande lorsque le courant dépasse la limite affectée.

II.5.2.     Symbole

1         3           5

Fig.4.10. Relais magnétothermique

2          4           6

II.5.3.     Relais thermique

Il est basé sur le principe de dilatation d'un bilame de métaux de coefficient de dilatation différente.

Ce type de relais est utilisé pour la protection contre les faibles surcharges, tel que le courant de réglage thermique est de 0,7IIrth 1 I.

II.5.4.                Relais magnétique

Ce type de relais est utilisé pour la protection contre les courts-circuits, tel que le courant de réglage magnétique de 6IIrm 10I.



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