Support de formation electricite marine

Support de formation electricité marine

Principes généraux et composants d'un circuit électrique

I/ Principes généraux

1/ Tension alternative et tension continue

Le circuit alternatif signifie que la tension est débitée en alternance. Vue sur un appareil de mesure adéquat (oscilloscope), la trace de la tension aura une forme plus ou moins sinusoïdale dont la fréquence est de 50 Hertz (Hz) en Europe et de 60 Hz dans certains pays tels que les Etats Unis. Le réseau EDF fournit du 220V/50Hz. Une borne de quai à Lorient ou Nice vous fournit donc une électricité de ce type.

Le circuit continu signifie que la tension est fixe. Vue sur un oscilloscope, la trace de la tension aura une forme d'une ligne (plus ou moins droite). Une batterie ou une pile fournit une tension stable donc en ligne droite. Un appareil de redressement d'une tension alternative fournit une tension redressée dont la trace aura une forme plus ou moins légèrement ondulante selon la qualité dudit redresseur.

On peut fabriquer une tension continue à partir d'une tension alternative (ex: chargeur de batterie) et on peut fabriquer une tension alternative à partir d'une tension continue (ex: convertisseur). Nous ne rentrerons dans le détail de ces technologies que selon besoin du présent exposé.

2/ Principes généraux sur les unités de mesures

Une tension électrique (U) se mesure en Volts (V). On appelle cela également une différence  de potentiel. Pour prendre une image avec un cours d'eau, on peut comparer une tension électrique avec le dénivelé moyen d'un cours d'eau.

La vitesse de débit électrique, son intensité (I) se mesure en ampères (A). On parle alors du courant électrique. Pour prendre une image avec un cours d'eau, on peut comparer une intensité électrique avec la vitesse d'écoulement d'un cours d'eau.

Une résistance électrique (R) se mesure en Ohms (W). Pour prendre une image avec un cours d'eau, la résistance "pure" d'un cours d'eau, hors écluses et autres objets "freinants" serait son lit.

On peut considérer qu'une rivière a des caractéristiques communes liées à son dénivelé, sa vitesse et les caractéristiques de son lit (profondeur, distance entre berges). C'est à dire que le débit de l'eau sera régulé par le dénivelé et les caractéristiques du lit.

En électricité également, il existe un lien entre tension, intensité et résistance défini par la loi dite d'Ohm:

U=RI

Exemple:

a - Je possède une batterie de 12V que je branche sur une résistance de 4W, j'aurai alors un courant de 12/4 soit 3A.

b – Je possède une batterie de 12V que je branche sur un appareil (ou charge) fonctionnant en 12V qui "tire" 3A selon les caractéristiques indiquées sur l'appareil. Cela revient à dire que cet appareil possède une résistance interne de 4W.

A propos des caractéristiques de charges, il est parfois mentionné la puissance (P) absorbée d'un appareil. La puissance est exprimée en watts (W). Une autre unité de puissance, utilisée en mécanique essentiellement est le cheval-vapeur (CV). 1CV équivaut approximativement à 700W. En électricité, la relation de puissance peut être énoncée par la formule suivante sur un dispositif à courant continu:

P=UI

Exemple:

a - je possède une ampoule dont les caractéristiques indiquées sont 12V/6W. Cela signifie que cette ampoule "consomme" 6/12 soit 0.5 ampères. Cela signifie que dans son circuit circule une intensité de 0.5A.

b – je possède un chargeur de batterie d'une puissance nominale de 60W à brancher sur une batterie de 12V, cela signifie qu'il débitera théoriquement un courant de charge de 60/12 soit 5A dans ma batterie.

c – je possède un alternateur moteur de 80A, cela signifie que sa puissance théorique est de 80x12 soit 960W.

Tous ces exemples sont purement théoriques et valables dans des conditions "normales" de fonctionnement, c'est à dire dans des plages d'utilisation préconisées. Les plaques signalétiques des différents objets fournissent ces indications et un circuit électrique doit être en relation avec les usages attendus.

II/ Composants d'un circuit électrique

Tout circuit électrique peut se résumer par trois composants:

• Un fournisseur d'énergie électrique
• Un conducteur d'énergie électrique
• Un consommateur d'énergie électrique

Un circuit défaillant est le signe de mauvais fonctionnement d'un ou plusieurs de ces trois composants.  En outre, le dysfonctionnement d'un seul peut se répercuter sur la qualité de l'un et/ou l'autre des deux autres. D'où parfois la difficulté à trouver la cause première de dysfonctionnement dans un circuit électrique.

1/ Les fournisseurs d'énergie électriques.

On peut diviser les fournisseurs d'énergie, en ce qui nous concerne en deux catégories: Les fournisseurs "purs" et les fournisseurs "stockeurs".

Exemples de fournisseurs purs:

• Eolienne
• Panneau solaire
• Alternateur
• Chargeur de quai
• Groupe électrogène

Exemples de fournisseurs stockeurs:

• Batterie
• Pile
• Tissu adipeux (non concerné par ce cours)

On peut en conclure qu'un fournisseur pur ne fait que charger et qu'un fournisseur stockeur peut se comporter aussi bien en consommateur d'énergie électrique qu'en fournisseur d'énergie électrique. Le stockeur est vu comme un consommateur par le fournisseur pur, il est vu comme un fournisseur pur par le consommateur final selon le schéma ci-dessous:

Un fournisseur est également appelé génériquement générateur. C'est ainsi qu'on parle de générateur de courant et de générateur de tension. Un générateur possède toujours une résistance interne qui limite son utilisation dans une certaine plage de fonctionnement au-delà de laquelle sa tension et/ou intensité s'effondre outre le fait que, s'il n'est pas protégé contre cela, il se détériorera plus ou moins rapidement. Nos différents fournisseurs à bord sont des générateurs de tension dans une plage d'intensité variable mais spécifique.

Exemples:

a – l'éolienne qui fournit nominalement 5A. On dit qu'elle a une puissance nominale de charge de 5x12 soit 60W

b – le chargeur de quai qui fournit au mieux 15A. On dit qu'il a une puissance de charge de 15x12 soit 180W

c – l'alternateur qui fournit au mieux 80A. On dit qu'il a une puissance de charge de 80x12 soit 960W

Si je court-circuite un de ces appareils, cela revient à le faire débiter sur lui-même donc sur sa résistance interne. S'il est assez costaud pour le supporter, et comme il ne peut délivrer plus de puissance qu'il ne peut en donner, cela revient à augmenter considérablement l'intensité électrique et par conséquent à  faire chuter la tension en accord avec ma formule P=UI. Dans les faits, vos générateurs sont en   général protégés contre cela, sinon il y a fort à parier que des composants du générateur vont rapidement lâcher (ex: les diodes d'un alternateur) et/ou un conducteur rendre l'âme. Nous verrons tout cela un peu plus tard.

2/ Les conducteurs d'énergie électriques.

Il s'agit simplement des fils électriques qui parcourent votre bateau, parfois dans tous les sens. Ils ont des sections variables, La couleur de leur gaine est également variable, la section de l'âme est variable, le métal composant l'âme est généralement du cuivre et l'âme peut être mono brin ou multi brin. On verra pourquoi tout ça et, par conséquent que choisir pour quel usage. A noter qu'un conducteur est également un peu consommateur, on verra cela également.

3/ Les consommateurs d'énergie électrique

Du sèche-cheveux de Madame à la lampe de quart en passant par la pompe de cale, tout ce qui est en bout de chaîne d'un circuit électrique est un consommateur d'électricité plus ou moins gourmand d'où la nécessité de le prendre en compte dans l'élaboration d'un circuit.

Elaborer un circuit électrique de charge

Rester maintenant dans la théorie ne rimerait à rien. Désormais nous nous adosserons à des cas concrets qui ne seront peut-être pas toujours les vôtres, mais suffisamment exhaustifs pour que vous puissiez en tirer une application personnelle pertinente, je l'espère. Le mieux est de réfléchir module par module pour ensuite déboucher sur l'ensemble. Je vous propose d'abord de creuser le module concernant le(s) circuit(s) de charge et travailler ensuite sur celui concernant la distribution/consommation.

Le circuit de charge basique est celui du moteur.

I/Circuit de charge basique

Il y a fort à parier que votre circuit moteur comporte un ou deux alternateurs, une ou plusieurs batteries, un démarreur, un tableau de bord et du câble. Vous avez là les trois composants basiques d'un circuit:

• Alternateur(s) = fournisseurs purs
• Batterie(s) = consommateur(s) vu(s) de l'alternateur
• Démarreur et tableau de bord = consommateurs
• Câblerie = conducteurs

Dans un circuit à un alternateur, la charge se fera dans la batterie dite de démarrage et dans la(es) batterie(s) de servitude.

Dans un circuit à 2 alternateurs, on séparera totalement circuit de charge batterie de démarrage et circuit de charge de la(es) batterie(s) de servitude.

1/Quelques notions importantes concernant les batteries

Il est fortement déconseillé d'utiliser les batteries de démarrage pour les servitudes et vice versa.

• Une batterie de démarrage est conçue pour donner beaucoup de courant pendant peu de temps, une batterie de servitude est conçue pour donner un "certain" courant de manière régulière.
• Une batterie de démarrage supporte très mal les décharges profondes et/ou prolongées, les batteries de servitudes sont conçues pour le supporter
• Toutes les batteries ne sont pas composées des mêmes matériaux
• Il est recommandé qu'un parc de batterie de servitude soit homogène, au moins en ce qui concerne le type de technologie.

Les batteries de démarrage sont de type automobile, à électrolyte liquide (acide) Les batteries de servitude sont de plusieurs types possibles:

Les batteries au plomb-calcium sont également à électrolyte liquide, ressemblent aux batteries automobiles mais les plaques ont une épaisseur différente et leur niveau de liquide est surélevé pour compenser la gîte.

Les batteries à électrolyte gélifié ont un rendement un peu plus faible que les précédentes compensé par la sécurité qu'elles apportent. Leurs cycles de recharge sont spécifiques et tous les chargeurs ne sont pas adaptés à ce type de batterie.

Les batteries à plaques de carbone représentent une récente évolution vers un gain de poids et d'encombrement. Elles sont chères .

Une batterie est caractérisée par sa capacité en ampères-heures (AH). Ah ces fameux AH sur lesquels même les professionnels racontent bien des conneries. J'ai bien dit ampères-heures et non ampères par heure. Le malentendu est classique, c'est pourtant simple, une batterie mettons de 44AH peut en toute théorie débiter 44A pendant 1 heure (44x1=44) ou 22A pendant 2 heures (22x2=44), etc… Dans les faits, la capacité en AH correspond conventionnellement à 20 fois le courant qu'une batterie neuve et pleinement chargée fournirait en 20 heures avec phases de repos. Une batterie de 44AH peut donc fournir 2.2A pendant 20 heures en discontinu selon des normes que vous respecterez rarement. C'est comme la consommation UTAC de votre voiture.

Pour ce qui concerne votre batterie de démarrage, sa capacité doit être adaptée à votre démarreur. Pour ce qui est de vos batteries de servitude, un calcul de consommation préalable est nécessaire préalablement à vos choix. L'objectif est de ne pas descendre en dessous de 60% de charge pour ne pas détériorer durablement. Cela ne signifie pas qu'une batterie déchargée à plus de 40% soit morte, cela signifie que si elle reste en l'état régulièrement et/ou durablement, vous pourrez effectivement préparer le chéquier à court terme.

On peut mesurer approximativement l'état de charge d'une batterie en mesurant la tension à vide et au repos à ses bornes. Voici les données concernant une batterie à électrolyte liquide:

Charge             Voltage batterie à électrolyte liquide

100%                  12,7V

90%                    12,6V

80%                    12,5V

70%                    12,4V

60%                    12,3V

50%                    12,2V

40%                    12,1V

2/ Quelques notions importantes concernant les alternateurs

• Les alternateurs ne sont pas à confondre avec des dynamos.
• La dynamo de la 403 du grand-père fournit une tension continue.
• L'alternateur, comme son nom l'indique d'ailleurs, fournit du courant alternatif redressé.
• Un alternateur possède ou non un régulateur intégré.
• Un alternateur fournit une puissance qui varie en fonction de sa vitesse de rotation et à partir d'une certaine vitesse de rotation.
• Un alternateur à régulateur intégré doit voir son régulateur alimenté en fonctionnement et non- alimenté à l'arrêt.

Nos alternateurs moteur de bateau sont peu ou prou les mêmes que ceux qui équipent votre automobile. Je ne parlerai pas ici des alternateurs d'arbre, à hélice traînée (hydrogénérateurs), à pales aériennes (éolienne, eh oui). Les principes sont communs à tous. Nous parlerons donc précisément de nos bons vieux alternateurs de moteur. Electriquement, ils ont 3 bornes: une notée D+ qui est l'entrée de référence, une borne B+ qui est celle qui fournira la puissance avec B-.

Il est composé de deux éléments fondamentaux:

Un stator qui est un bobinage qu'on appelle également l'induit. C'est à travers ce bobinage qu'est  fabriqué (par induction) le courant alternatif de puissance (en triphasé la plupart du temps). Ce courant sera redressé par un pont de diode pour sortir sur la borne B+

Un rotor qui est un bobinage en rotation alimenté en courant continu via D+ et le régulateur. A l'arrêt,  rotor alimenté, un champ magnétique continu est créé. Ce rotor en tournant provoque une variation alternative du champ magnétique dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation. On dit donc que le rotor est l'inducteur. En jouant sur la tension aux bornes du rotor, on fait varier le champ magnétique, c'est ce phénomène qui permet "d'asservir" l'alternateur à la batterie qu'il est sensé charger puisque à différents points de charge, la tension aux bornes de la batterie change. C'est également à cause de ce phénomène qu'il est dangereux de rompre la liaison batterie-D+ en rotation: l'alternateur "croit" avoir affaire à une batterie vide et donnera sa puissance maximale. Néanmoins, les bons alternateurs possèdent une sécurité sous forme d'une résistance posée entre B+ et D+ ce qui fait qu'il ne peut jamais y avoir OV sur D+ et que la puissance fournie est ainsi limitée. Dans tous les cas, une   rupture de liaison batterie-D+ condamne très rapidement votre batterie.

3/ Quelques notions importantes concernant les câbles

Commençons par le plus facile; les couleurs des gaines. De bonnes mœurs en matière de circuits à courant continu voudraient que le rouge indique une liaison à un pôle + de production, le noir une liaison à un pôle – de production. Néanmoins, on trouve également le bleu, le marron et le jaune voire d'autres couleurs plus exotiques. Rien ne vous empêche de choisir vos propres couleurs pourvu que vous sachiez ultérieurement vous y retrouver dans ce qui pourra ressembler à un faisceau plus ou moins organisé. Restez donc aux standards en la matière sauf pour les câbles de grosse section (>25mm²) qui sont généralement fourni en noir, des étiquettes autour du câble seront alors utiles. Il existe plusieurs compositions chimiques des gaines de câbles. Sans rentrer dans le détail des RO2V et autre HOXX, je dirais qu'il faut toujours choisir des câbles dont les gaines agréées pour un usage extérieur  donc résistants à l'air aux rayonnements et à l'eau.

Câbles rigides et câbles souples, que choisir. Je pense que les câble à une seule âme (rigides) sont à proscrire car peu faciles à manipuler et pouvant casser dans la gaine. Exit donc le bon vieux fil bâtiment classique. Dommage, c'est le moins cher. Les câbles semi-rigides (toron d'une dizaine d'âmes) sont mieux adaptés en ce qui concerne les utilisations en section moyenne et sur des longueurs significatives (section de 4mm et plus, 1m et plus). Les câbles souples (torons de dizaines d'âmes fines) sont intéressants pour les petites sections et courte longueur mais ils ont un inconvénient bien ennuyeux; ils s'oxydent plus facilement et plus profondément que les précédents, d'où l'utilité quel que soit le câble d'étamer les extrémités voire de capuchonner leurs jonctions avec de la gaine thermo rétractable.

La section de câble à employer dépend de l'intensité qui y circule et de la longueur utilisée entre la  source et la destination. C'est le point fondamental de ce chapitre: en 12V circulent des courants qui entraînent des chutes de tension identiques à celle d'un circuit EDF classique mais dans des proportions bien plus significatives.

Démonstration par l'exemple:

Je possède une lampe de 110W-220V raccordée à une prise par un câble de 5m de section 1.5mm². Après de "savants calculs", je constate que je consomme 0.5 ampères. Mon fil ne chauffe pas mais, avec un voltmètre, si je mesure 220V à la prise, je n'en mesure que 218 à l'entrée de ma lampe. Cela signifie que j'ai perdu 2V dans le fil. Cela signifie que mon fil a une résistance R telle qu'il "freine" l'électricité. Cette résistance est calculable (U=RI), elle est de 2V divisé par 0.5A soit 4W. Je peux également dire que mon fil présente une résistivité de 4W divisé par 10m (5M à l'aller + 5M au retour) soit 0.4W par mètre. Cela dit, entre 220V et 218V, la différence est négligeable (moins de 1%). Dans ce cas, la section de mon fil est suffisante pour ne pas le "contraindre thermiquement" et sa résistance n'entraîne pas une chute significative de tension aux bornes de ma lampe.

Je possède maintenant une lampe de 6W-12V raccordée à ma batterie par un câble de 5m de section de 1.5mm² (le même que précédemment). Si je mesure 12V à la batterie, je n'en mesure plus que 10 aux bornes de mon ampoule. Soit une chute de près de 20%. Ciel mon mari!

Conclusion: la chute absolue est la même dans les deux cas (2V) mais cette chute entraîne proportionnellement un déséquilibre significatif et inacceptable dans le deuxième cas. C'est d'ailleurs une des raisons pour lesquelles les "standards" techniques domestiques (5A au mm²) ne sont pas applicables à notre installation nautique.

Comment résoudre le problème, en d'autres termes, et c'est un dilemme à poser en permanence quand on travaille sur des tensions aussi basses que le 12V, comment limiter les chutes de tension entre producteurs et consommateurs?

Nous savons que nous ne pouvons jouer que sur deux paramètres: la section de câble et la longueur de câble. Faire une liaison aussi courte que possible est intéressante quoique insuffisante. Nous jouerons donc sur la section de câble. Allez-vous devoir, à chaque liaison calculer la section de câble pertinente entre intensité circulant et longueur nécessaire? Vous pouvez mais d'autres l'ont pensé et gravé dans le marbre. Voici donc un abaque simplifié et un tableau rapporté aux sections de câble couramment pratiquées:

4/ Quelques notions importantes sur les pôles + et –

Le pôle + représente le point de connexion positif dans un circuit, le pôle – représente le point de connexion négatif. En électricité automobile, le pôle négatif est rapporté à la masse de l'ensemble. Sur un bateau, d'autant plus s'il est métallique, le pôle négatif sera indépendant électriquement des éléments de structure navale. On considère de manière parfaitement arbitraire, aux bonnes fins de parler tous le même langage, que l'électricité circule toujours du pôle + vers le pôle -. Cela dit, les puristes vous rétorqueront que l'électricité est une manifestation d'électrons se déplaçant du – vers le +. Ils ont également raison, mais on s'en tape. 

On branche la borne + d'un appareil au + de l'alimentation, sa borne – au – de l'alimentation.

II/Circuit de charge moteur

Deux cas de figure peuvent se présenter:

• le circuit de charge est commun batterie de démarrage / batterie(s) de servitudes
• Le circuit de charge de batterie de démarrage est séparé du circuit de charge de batterie(s) de servitude

1/ Circuit de charge commun

Vous aurez donc un alternateur, une batterie de démarrage et au moins une batterie de servitude. Le sens commun vous dirait de connecter, d'une façon ou d'une autre, les – des deux batteries sur la borne B- de l'alternateur et les + sur la borne B+. C'est bien sauf que le sens commun a tout faux.

Le montage que vous avez fait revient à mettre vos deux batteries en parallèle. En d'autres termes vous permettez théoriquement à l'une de se vider dans l'autre, ce qui est une trrrrrrrès mauvaise idée.  Imaginez que l'une des batteries "fuit" électriquement, non seulement elle se videra, mais elle videra l'autre. Le montage permanent de batteries en parallèle, pour quelque montage que ce soit est la meilleure mauvaise idée que vous pourrez avoir.

Vous pourrez alors envisager un coupe circuit pour séparer les deux batteries hors charge. Oui, techniquement, l'idée est intéressante. Si vous envisagez tout de cette manière, vous multiplierez les coupe-circuits et serez toujours à la merci d'un oubli, dans un sens qui vous fera retourner dans le cas précédent ou dans un autre qui ne permettra pas la recharge de la servitude quand le moteur tourne.

On peut imaginer des solutions à base de relais contacteurs et autres dispositifs mécaniques (séparateurs) alors qu'il existe une solution facile, incolore et inodore: le répartiteur.

Table des matières

Principes généraux et composants d'un circuit électrique

I/ Principes généraux

1/ tension alternative et continue

2/ Principes généraux sur les unités de mesure

II/ Composants d'un circuit électrique

1/ Les fournisseurs d'énergie électriques. 2/ Les conducteurs d'énergie électriques. 3/ Les consommateurs d'énergie électrique

Elaborer un circuit électrique de charge

I/Circuit de charge basique

1/Quelques notions importantes concernant les batteries

2/ Quelques notions importantes concernant les alternateurs 3/ Quelques notions importantes concernant les câbles

4/ Quelques notions importantes sur les pôles + et –

II/Circuit de charge moteur

1/ Circuit de charge commun 2/ Circuit de charge séparé

III/Circuit de charge étendu IV/Circuit de charge complet

1/ Les chargeurs de quai

2/ Les groupes électrogènes

Elaborer un circuit de distribution

I/Circuit de distribution 220V~

1/ Eléments de base concernant la distribution EDF de 220V~ 2/ Circuit de base de distribution "privé" de 220V~

II/Circuit de distribution basse tension continue