Notions de Base en Electricite4
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I.F.E.G - SONELGAZ INSTITUT DE FORMATION EN ELECTRICITE ET GAZ ECOLE DE FORMATION AIN M ’LILA
PROMOTIONS : ATTACHES COMMERCIAUX NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Élaboré et animé par Mr: Bencheikh El Hocine 1
Sommaire Mode de production de l’électricité Transport et distribution Structure de la matière Le courant électrique Tension et différence de potentiel Loi d’ohm (résistance –résistivité) Loi de Joule Energie et puissance Le courant alternatif sinusoïdal Puissance en régime sinusoïdal Système triphasé Couplage des récepteurs Dimensionnement d’un câble de branchement Importance de la mise à la terre chez un abonné Conséquence de la coupure du neutre Le disjoncteur de branchement d’un abonné Série d’exercices et de problèmes NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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02 - 08 09 - 13 14- 15 16-18 09 20 - 21 22 23 - 26 27 - 33 34 - 35 36 - 37 38 - 39 40- 42 43 - 48 49 - 51 52 - 55 56 - 58 2
MODE DE PRODUCTION DE L’ELECTRICITE Il existe différents moyens de production de l'électricité, suivant l'énergie utilisée :
Thermique
Nucléaire L'électricité est produite à partir d'une source d'énergie fissile
L'électricité est produite à partir de sources d'énergies fossiles
Renouvelables L'électricité est produite à partir de sources d'énergies renouvelables, que la nature renouvelle en permanence
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L‘ENERGIE NUCLEAIRE Elle permet de produire de l'électricité, grâce à la chaleur dégagée par la fission d'atomes d'uranium. Principe de fonction 1- Dans le réacteur, la fission des atomes d'uranium produit une grande quantité de chaleur. Cette chaleur fait augmenter la température de l'eau qui circule autour du réacteur, à 320 °C.
2- Cette eau chaude chauffe l'eau du circuit secondaire qui se transforme en vapeur. La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne à son tour un alternateur. 3- À la sortie de la turbine, la vapeur du circuit secondaire est transformée en eau grâce à un condenseur . l'eau de ce 3ième circuit peut alors être refroidie au contact de l'air circulant dans de grandes tours, appelées aéroréfrigérants. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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L‘ENERGIE THERMIQUE A FLAMME C’est une source qui dépend de combustibles fossiles (charbon, gaz ou pétrole). Principe de fonction 1- un combustible brûle dans une chaudière en dégageant de la chaleur. 2- la chaleur transforme l’eau en vapeur 3- la vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. L’alternateur produit un courant électrique, transporté dans les lignes. 4- A la sortie de la turbine, la vapeur est à nouveau transformée en eau grâce à un condenseur . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Les différents types de centrales - La centrale classique : C'est le type le plus ancien. Il utilise des combustibles fossiles et fonctionne avec une chaudière à vapeur. Il en existe 3 sortes : 1- thermique au charbon 2- thermique au fioul 3- thermique au gaz
- La Turbine à Combustion (TAC) à Cycle Combiné Les centrales de ce type associent une Turbine à Combustion et une turbine à vapeur. Les combustibles brûlés sont du gaz ou du fioul . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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ÉNERGIE RENOUVELABLE
Les énergies renouvelables sont divisées en 5 catégories :
L'énergie hydraulique L'énergie éolienne L'énergie solaire L'énergie de la géothermie L'énergie de la biomasse
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L‘ENERGIE HYDRAULIQUE L'énergie hydraulique dépend du cycle de l'eau . Elle est la plus importante source d'énergie renouvelable. On distingue 3 grandes catégories : - De lac ou de haute chute Elles sont caractérisées par un débit faible et un dénivelé très fort avec une chute supérieure à 300 m. - D'éclusée ou de moyenne chute Elles sont caractérisées par un débit moyen et un dénivelé assez fort avec une chute comprise entre 30 et 300 m. - Au fil de l'eau ou de basse chute Elles sont caractérisées par un débit très fort et un dénivelé faible avec une chute de moins de 30 m. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Principe de fonctionnement 1: un barrage retient de grandes quantités d’eau. 2: des vannes sont ouvertes pour acheminer l’eau jusqu’à la centrale par de longs tuyaux. 3: l’eau fait tourner la turbine qui entraîne un alternateur. L’alternateur produit de l’électricité. 4: un transformateur élève la tension de l’électricité pour le transport dans les lignes haute tension. Autres types d'installations L'usine marémotrice de la Rance Elle fonctionne de la même manière qu'une centrale de basse chute mais en utilisant la force du courant créé par l'amplitude des marées. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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L‘ENERGIE EOLIENNE L'énergie éolienne est une source d'énergie qui dépend du vent. Une centrale éolienne produit de l'électricité grâce au vent. Sa force actionne les pales d'une hélice, qui met en mouvement un alternateur. Principe de fonctionnement 1- sous l’effet du vent,l’hélice se met en marche. 2- l’hélice entraîne un axe de la nacelle,relier à un alternateur. l’alternateur produit de l’électricité 3- un transformateur situé à l’intérieur du mât élève la tension du courant électrique produit par l’alternateur NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Les différents types d'éoliennes Il existe une 3 sortes d'installations éoliennes, en fonction de leur situation géographique et de la superficie disponible. Individuelles La production en énergie électrique de l'éolienne est destinée à la consommation de son propriétaire. En ferme Une ferme éolienne, ou parc éolien, est constituée de 3 à 10 machines distantes entre elles d'au moins 200 m. En off-shore Il s'agit d'un parc éolien implanté en mer, à environ 10 km des côtes, à des profondeurs allant jusqu'à 25 à 30 m. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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L‘ENERGIE SOLAIRE L'énergie solaire est une source d'énergie renouvelable, qui dépend du soleil. Cette énergie permet de fabriquer de l'électricité à partir: - de panneaux photovoltaïques ;
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- des centrales solaires thermiques,
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Principe de fonctionnement 1- les panneaux solaires,composés de cellules, captent la lumière du soleil.
2- Sous l'effet de la chaleur, le silicium, contenu dans chaque cellule, libère des électrons pour créer un courant électrique continu.
3- Un onduleur transforme ce courant en courant alternatif. 4-L'électricité est consommée par les appareils électriques. Si l'installation est raccordée au réseau, l'électricité peut être réinjectée dans le réseau. Sinon, elle peut être stockée dans des batteries. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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L‘ENERGIE GEOTHERMIQUE L'énergie géothermique est une énergie renouvelable qui dépend de la chaleur de la Terre. La température des roches augmente en moyenne de 1°C tous les 30 m de profondeur. Principe de fonctionnement 1-De l'eau s'infiltre dans les fractures de la croûte terrestre pour créer un réservoir à haute température, de 150 à 350 °C. 2-Grâce à une pompe, l'eau chaude est ramenée à la surface. Pendant la remontée, elle se transforme en vapeur. 3- La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. L'alternateur produit de l’électricité. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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LA BIOMASSE L'énergie issue de la biomasse qui dépend du cycle de la matière vivante végétale et animale. Principe de fonctionnement 1- La biomasse brûle dans une chambre de combustion en dégageant de la chaleur. 2- la chaleur transforme l'eau de la chaudière en vapeur. 3- La vapeur fait tourner une turbine qui entraîne un alternateur. L’alternateur produit de l’électricité transportée dans des lignes. 4- À la sortie de la turbine, une partie de la vapeur est utilisée pour le chauffage grâce à un générateur. 5- Le reste de la vapeur est transformé en eau grâce à un condenseur. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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SONELGAZ 1997 PUISSANCE INSTALLEE 5 536 MW
THERMIQUE 5 261MW
HYDRAULIQUE 275 MW
RESEAU ELECTRIQUE 191 740 km
TRANSPORT 12 400 km NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
DISTRIBUTION 179 500 km
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Croissance de la Production 1980 - 2006
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10+3 PUISSANCE INSTALLEE POINTE
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Répartition de la Puissance Installée par Type de Production: 5536 MW 1997 43%
49%
5% 3% T.Vapeur NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
T.Diesel
T.Hydraulique
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T. Gaz 19
TRANSPORT ET DISTRIBUTION DOMAINE DE TENSION
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L’ORGANISATION DES RESEAUX Le réseau électrique est organisé à la manière d’un réseau routier avec ses grands axes, ses axes secondaires et ses échangeurs : 1- le réseau de grand transport et d’interconnexion joue le rôle du réseau des autoroutes ;
2- le réseau de répartition joue celui du réseau des routes nationales ; 3-le réseau de distribution joue celui du réseau des routes départementales. Pour passer d'un réseau à un autre, les postes de transformation jouent le rôle d‘échangeurs . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Le réseau de grand transport et d'interconnexion Il transporte l'énergie électrique des centres de production,(les centrales électriques), aux zones de consommation : - les entreprises fortement consommatrices - les grandes régions de consommation. Cela représente les lignes Haute Tension (HTB). À 225 000 - 400 000 volts, elles permettent de limiter les pertes d’énergie électriques sur de longues distances.
Ce réseau est également interconnecté avec les pays frontaliers : la Tunisie et le Maroc afin d’assurer les échanges d'énergies NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Le réseau de répartition Il achemine l'énergie électrique des grandes régions de consommation vers leurs centres de distribution régionaux ou locaux (agglomérations).
Grâce à des postes de transformation, la tension 400 000 volts ou 225 000 volts est abaissée à des tensions de, 150 000 , 90 000 ou 63 000 volts (HTB).
Ce réseau achemine également l'énergie électrique à de grands clients industriels ( les industries chimiques, sidérurgiques et métallurgiques). NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Le réseau de distribution
Il achemine l'énergie électrique des centres de distribution vers le client final : les petites et moyennes entreprises, les villes, les grandes surfaces, les commerces, les maisons des particuliers… Grâce à des postes de transformation HTB /HTA la tension(150, 90 ou 63 kv ) est abaissée en Haute tension HTA ( 30 kv ou 10 kv ).
La HTA est abaissée par la suite en Basse Tension (BT - 400 ou 230 volts). Grâce à des transformateurs, HTA/BT.
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LE MATERIEL L'acheminement de l'électricité repose sur un matériel capable de la transporter, de moduler sa tension et de l'aiguiller en fonction des besoins.
• Les lignes de transport Une ligne aérienne haute tension compte en général 3 câbles électriques les uns à côté des autres. Lorsqu'une ligne est composée de 6 six câbles, il s'agit en fait de 2 lignes différentes (3 câbles par ligne). Un câble supplémentaire, appelé câble de garde est généralement disposé au-dessus de la ligne de transport et la protège de la foudre. Des pylônes ou supports maintiennent ces câbles à une certaine distance du sol, de façon à assurer la sécurité des personnes et des installations situées au voisinage des lignes. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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• Les postes de transformation HTB/HTA L'énergie électrique est guidée, répartie et abaissée successivement dans des postes de transformation pour : - être livrée en quantité et en tension adaptées aux besoins des différents consommateurs ; - alimenter les postes sources du réseau de distribution.
L'énergie électrique n'a pas la même tension quand elle entre dans le poste et quand elle en sort.
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Ces installations électriques sont composés de 3 types d'appareils : - des transformateurs qui abaissent la tension ;
- des disjoncteurs, capables d'interrompre automatiquement en cas de nécessité ;
- des sectionneurs, qui établissent ou interrompent un circuit à la demande, permettant l'aiguillage de l'énergie électrique. Ce sont des lieux fermés et commandés à distance à partir de postes principaux, appelés Pupitres de Commandes Groupées. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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• Les ouvrages de distribution Alimenté par le réseau de transport HTB, le réseau de distribution a un mode de fonctionnement radial : l'électricité circule des postes sources (HTB/HTA) en amont vers les installations des consommateurs en aval. - LE RESEAU HTA : Le réseau HTA alimente les postes de distribution HTA/BT, comporte une partie rurale très importante. Ainsi, le réseau aérien, bien que décroissant progressivement, reste à ce jour plus long que le réseau souterrain. Il comporte des automatismes destinés à : - en faciliter l'exploitation ; - en particulier, à en assurer la remise sous tension sans intervention humaine après une défaillance temporaire. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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- Le réseau basse tension BT Issues des postes de transformation HTA/BT, ils sont construites, exclusivement depuis quelques temps , en faisceaux de conducteurs isolés sur poteaux ou sur façades ou en câbles souterrains Chaque circuit BT est protégé par un jeu de fusibles placé en sortie de transformateur. Le branchement se situe entre le réseau BT et le point de départ de l'installation intérieure de l'utilisateur. Sa protection est assurée par des fusibles côté distributeur et un disjoncteur côté utilisateur NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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LE DISPATCHING La demande en électricité varie constamment au cours d'une journée en fonction des horaires de travail, de la durée du jour ou de la température. L'électricité produite par les centrales ne se stocke pas.
Pour ajuster très précisément la production à la demande, le réseau s’appuie sur des dispatchings, des centres de répartition de l’électricité. Des prévisions de consommation définissent les besoins théoriques et des ajustements ont lieu en permanence pendant la journée. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Carte du Réseau National de Production et de Transport d'Electricité
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- Structure du réseau national
30KV 63KV 30KV 30KV
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Structure de l’atome L'électricité est un phénomène énergétique associé à la mobilité ou au repos de particules chargées positivement ou négativement. 1-Les charges électriques La matière est constituée d'atomes. Chaque atome est composé :
- d'un noyau central qui est un assemblage de protons et de neutrons ; Les protons portent des charges positives et les neutrons ne portent pas de charges et sont donc neutres (d'où leur nom) ; NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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- d'un ensemble d'électrons qui tournent très vite autour de ce noyau ; Les électrons portent des charges négatives. En temps normal, un atome comprend autant d'électrons que de protons, donc autant de charges positives que de charges négatives. Ce qui rend l'atome électriquement neutre.
Neut ron Proton
Électron Noyau
Neutron
2- Ions:
Proton
Couche de Valence Électron
Si un atome perd ou capture un ou plusieurs électrons, la charge positive du noyau n'est plus entièrement neutralisée. L'atome incomplet devient suivant le cas un ion positif ou un ion négatif. L'électricité résulte du déplacement de ces électrons. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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3 Création d'une Différence De Potentiel (DDP) Atome 1 de Charge POSITIVE
Électron "libre"
Atome 2 de Charge NÉGATIVE
L'Atome 1 a perdu un Électron,sa charge globale est maintenant positive. L'Atome 2 a gagné un Électron,sa charge globale est maintenant négative. Les 2 Atomes auront tendance à rechercher leur point d'équilibre d'origine. Il existe entre les deux Atomes une Différence De Potentiel (DDP), En créant une liaison entre les deux Atomes, l'Électron excédentaire de l'Atome 2 passera sur l'Atome 1 créant ainsi un COURANT d'électron. Après cet événement, la Tension tombera à zéro et le Courant sera nul. Les 2 Atomes seront à ce moment équilibrés et stables. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Courant électrique +
Nature du courant. Le courant électrique est un déplacement de charges électriques dans la matière.
-
Circulation des électrons. Les électrons chargés négativement circulent : de la borne – vers la borne + du générateur.
-
Sens du courant
+
Le sens de circulation conventionnel du courant électrique est de la borne + vers la borne - du générateur.
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QUANTITE D’ELECTRICITE
L’unité de charge électrique est le COULOMB (C). La charge d’un électron est de : - 1,6 x 10-l 9 C.
INTENSITÉ DU COURANT. L’intensité du courant est le quotient de la quantité d’électricité Q par la durée t de passage du courant.
Q I= t
I en ampères. Q en coulombs. t en secondes.
L’unité d’intensité est I’AMPÈRE (A).
L’intensité se mesure avec un ampèremètre placé en série dans le circuit.
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A 37
Exercice. On charge une batterie de voiture pendant t= 10h sous une tension électrique U= 14V avec une intensité électrique I=12A. -Calculer la charge Q emmagasinée par la batterie. -Calculer l'énergie fournie W par le chargeur à la batterie. Pendant son fonctionnement en générateur, la batterie délivre une intensité l'=13A sous une tension E=12V et elle est déchargée au bout de t'=8h d'utilisation. -Calculer W' l'énergie utile restituée par la batterie pendant son utilisation. -Quel est le rendement énergétique de la chaine chargeur batterie? Solution Q=12x10x3600= 4,32 105 coulombs = 120Ah E=4,32 105x14 = 6,05 106 joules =6,05 106/3600 Wh=1,68 kWh énergie restituée par la batterie: 13x12x8x3600= 1,248 kWh rendement= énergie utilex100/ énergie reçue = 1,248x100/1,68 = 74,2% NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Définition d’un nœud et analyse.
Un nœud est un point de circuit ou aboutissent plusieurs conducteurs.
+ -
Loi des Nœuds.
M
La somme des courants arrivant à un nœud est égale à la somme des courants qui en partent. Exemple de Nœud:
I1+ I3+ I4 = I2 + I5 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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TENSION ET DIFFERENCE DE POTENTIEL
1- Définition : La différence de potentiel entre deux points d’un circuit se mesure par l’énergie, exprimée en Joules, que transporte chaque Coulomb qui passe entre ces deux points. Soit :
U =W/Q
Avec :
U en Joules / Coulomb W en Joules (J) Q en Coulomb
2- Aspect physique La tension électrique est le résultat d'une force qui pousse les électrons dans le circuit. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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3- Symboles, unité, représentation Pour dénommer une tension, on utilise souvent les lettres : U, V, E,... - Unités : le Joule / Coulomb est appelé : Volt (V) Le volt est la différence de potentiel entre deux points d’un circuit où chaque coulomb en passant fournit une énergie de 1 J . Exemple : Si 20 C transportent 100 J . Chaque coulomb fournit 100 J/ 20 C = 5J / C -Représentation: Sur un schéma, la tension est représentée par une flèche. Si le point A est au potentiel UA, et le point B au potentiel UB. Alors la tension ou différence de potentiels entre les points A et B est
UAB = UA - UB NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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A UAB B
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4- Mesure d'une tension Pour mesurer la différence de potentiels entre deux points d'un circuit, on utilise un voltmètre. Le voltmètre est souvent intégré dans un appareil de mesure multifonctions, le multimètre. A
5-LOI DES MAILLES.
Un circuit fermé est une maille. Dans le montage, on peut définir 3 mailles : ABE; BCDE; ABCDE.
B
C
E
D
La somme algébrique des tensions rencontrées en parcourant une maille est nulle.
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LOI D’OHM 1- Résistor, Un résistor est un dipôle passif. Toute l'énergie qu'il absorbe est dissipée en chaleur par effet joule. 2- Symbole, unité : Le résistor se symbolise par un rectangle. Un résistor "résiste" au passage du courant. La grandeur du résistor est la résistance. L'unité de résistance est l'Ohm. Le symbole de l'ohm est Ω (lettre grecque oméga majuscule)
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3-Expression de la résistance La résistance d’un conducteur filiforme et homogène : -Est proportionnelle à sa longueur ; -Est inversement proportionnelle à sa section ; -Dépend d’un facteur qui caractérise sa nature. Nous l’appelons résistivité (ρ) D’où :
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R =ρ(l/S)
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Avec : R:Ω ρ : Ω .m l:m S : m2
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4- Influence de la température sur les conducteurs : Définition du coefficient de température : Le coefficient de température α représente l’augmentation de résistance d’un conducteur de 1 Ω , pris à 0°C pour une élévation de température de 1°C. Nature du conducteur
Résistivité A 0°C (Ω .m )
Cœfficient de température
Cuivre ( Cu)
1,7 x 10-8
0,0043
Aluminium (Al )
2,8 x 10-8
0,0043
Variation de la résistance :
R T = R0 ( 1 + α T )
Soit R0 la résistance du conducteur à 0°C et RT celle à T°C RT – R0 représente l’augmentation de R0 pour T°C NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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5- Loi d'Ohm La différence de potentiel aux bornes d’une résistance pure est égale au produit de la valeur de la résistance par l’intensité qui la traverse. UR en volts (V) ; R en ohms (Ω) ; I en ampères (A) Exercice Calculer I
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Calculer UR
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Calculer R
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Fil chauffant
Exemple N° 1: ¾ Le fil constituant la résistance possède une résistivité de ρ0=6.8×10-5 Ωm à T0=320°C, Boitier un coefficient de température de α=2.0×10-3 métallique (1/°C) et L=1,1 m.
¾Déterminer la résistance du fil chauffant à la température de travail de T=420°C Solution
ρ = ρ0 [ 1+α (T-T0) ] ρ = [6.8×10-5 Ωm][1+(2.0×10-3 (°C)-1) ×(420°C-320°C)]=8.2×10-5 Ωm R = ρ.L / S
R = (8.2×10-5 Ωm)(1.1 m)/(3.1×10-6 m2) = R = 29 Ω
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Exemple N°2: ¾Un conducteur mesure 100m de long et sa section droite est s= 1mm2. Le coefficient de température du cuivre est à 4.10-3 C-1 . On suppose que la longueur et la section varient très peu quelle que soit la température. ¾La résistivité du cuivre à 0°C est égale à ρs: 1,6x10-8 Ωm. calculer : ¾Le diamètre du fil. ¾Sa résistance à 0°C ¾Sa résistance à 20°C puis à 60°C ¾L’écart relatif de la résistance pour une variation de température de 60°C.
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LOI DE JOULE Tout appareil électrique recevant une certaine énergie électrique, la transforme en partie ou en totalité ( cas d’un récepteur purement thermique ) en énergie thermique. C’est l’effet Joule. 1- Énoncé de la loi : L’énergie électrique dissipée en chaleur par effet Joule dans un récepteur est proportionnelle: - à la résistance de ce récepteur ; - au carré de l’intensité du courant qui le traverse ; - à la durée de passage de courant Avec :
W = R . I2 . t
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W:J R: Ω I: A T: s
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2- Nouvelle définition de la loi d’ohm : L’ohm est la résistance d’un récepteur purement thermique qui transforme en chaleur une énergie électrique de 1J quand il est traversé par un courant de un ampère pendant une seconde. 3- Puissance électrique dissipée par effet Joule. On sait que :
P = W/ t
⇒
P = R . I2
4- Conditions d’application :
avec : P: w R:Ω I: A t:s
- la formule P = R . I2 donne la puissance électrique transformée en chaleur, mais non la puissance totale absorbée ou fournie par cet appareil . - Pour connaître la puissance totale c’est la formule P = U . I qu’il faut utiliser. - Dans le cas seulement d’un récepteur purement thermique on a : P = U . I = R . I2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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ENERGIE ET PUISSANCE 1- Energie - Définition : Un corps possède de l'énergie lorsqu'il peut fournir du travail ou de la chaleur. - Les formes d'énergie : L'énergie peut se présenter sous des formes très diverses : - L’énergie mécanique qui se présente sous deux formes : -> cinétique si les corps sont en mouvement (l'eau qui tombe d'un barrage) -> potentielle si l'énergie est en réserve (l'eau stockée derrière un barrage) - l'énergie thermique ou calorifique - l'énergie chimique - l'énergie rayonnante ou lumineuse - l'énergie nucléaire - l'énergie électrique NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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- Unités d'énergie :
L'énergie se mesure en Joules (J).
Elle se note W. ==> Exemple : W = 450 J Dans certains cas, on utilise d'autres unités : - la calorie : 1 cal = 4,18 J. - la thermie : 1 Th = 1000000 cal - le wattheure : 1 Wh = 3 600 J Énergie absorbée.
- Bilan énergétique.
Chaleur.
Lors de la transformation, l’énergie est conservée : MACHINE (Moteur,lampe Énergie absorbée = Énergie utile + Chaleur alternateur…)
soit :
Wa = Wu + pertes
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Énergie utile.
52
- Rendement d’un récepteur. Le rendement d’un récepteur est égal :
η =W
W
- Au rapport entre la quantité d’énergie utile qu’il produit et la quantité d’énergie qu’il absorbe.
u a
η= P
P
u a
Wu énergie utile. Wa énergie absorbée. Pu puissance utile. Pa puissance absorbée.
- Au rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée. - EXEMPLE.1
Le générateur d’une centrale électrique de puissance utile 125 MW absorbe une puissance mécanique de 130 MW. 1-Calculer son rendement. 2-Quelle est l’énergie dissipée en chaleur en une journée (24h) ? NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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53
- EXEMPLE.2
Un récepteur alimenté sous une tension de 100 V est traversé par un courant de 5A pendant deux heures.
Calculer la puissance du récepteur ; Calculer l’énergie absorbée par ce récepteur .
- EXEMPLE.3
Un récepteur est traversé par un courant de 10A pendant 3s. Calculer la quantité d’électricité absorbée par ce récepteur. Calculer l’énergie absorbée par ce récepteur s’il a été alimenté sous une tension de 400V.
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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54
- Energie électrique Si le récepteur est soumis à une tension U et qu'il est traversé par un courant d'intensité I pendant un temps t il va absorber de l'énergie électrique. Cette énergie est notée W .
W = U.I.t
Avec :
U en Volt I en Ampère t en seconde W en Joule
Remarque: si le temps t est mesuré en heure, W est obtenu en Wattheure ; (Wh). Le wattheure : 1 Wh = 3600 J le Kilowattheure : 1 KWh = 1000 Wh = 3 600 000 J
- Mesure de l'énergie électrique L'énergie électrique qui nous est fournie par le réseau électrique est mesurée par un compteur (wattheuremètre ou énergie mètre) placé à l'entrée de l'installation. Cet appareil est gradué en Kilowattheure. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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55
2- PUISSANCE - Définition de la puissance La puissance d'une machine est l'énergie qu'elle fournit en 1 seconde. Elle se note P et elle se mesure en Watt.
P=W/t Par extension nous avons :
W=P.t
P en Watt W en Joule t en seconde
- Si t est en heure, W s'exprime en Wattheure. - On rencontre encore le cheval-vapeur (ch ou CV): - Rendement : or
Le rendement est le rapport entre Wu et Wa ;
Wu = Pu . t
et
Wa = Pa . t
⇒
Avec : NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
1 ch = 736 W
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η = Pu / Pa Pu = puissance utile Pa = puissance absorbée 56
- Puissance électrique Rappels : D'ou
P = W/ t.
Et
P = U . I.t / t
W = U.I.t
Donc
P=U.I
Avec :
U en Volt I en Ampere P en Watt
- Mesure de la puissance électrique On utilise un Wattmètre. C'est un appareil qui possède des bornes "intensités" qui seront raccordées en série avec le récepteur et des bornes "tensions" qui seront raccordées en parallèle sur le récepteur. Exercice. Un radiateur électrique fonctionne sous une différence de potentiel de 220V et consommé un courant de 12 A .Calculer : Sa puissance ; Sa résistance et l’énergie thermique fournir par lui en 24 h . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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57
LE COURANT ALTERNATIF
Principe d’une tension alternative On considère le mouvement d'un vecteur tournant dans le sens antihoraire : l'extrémité du vecteur dessine un cercle de rayon OP avec une vitesse angulaire ω constante. Si à la date t = 0, l'extrémité du vecteur est en P0, à la date t elle se trouve en P. Le vecteur a tourné d'un angle θ = ωt . OC = OP cos ( ω t + ϕ ) OS = OP sin ( ω t + ϕ ) NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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58
• Période T:
temps mis par le vecteur pour faire un tour.
Si le vecteur tournant balaye un angle θ = 2 π alors le temps écoulé t = T, soit :
2π=ωT
⇒
Unités : T (s) ; ω (rad/s)
• Fréquence f : inverse de la période. Unités : f (Hz) ; T (s) ; ω (rad/s) • La vitesse angulaire ω est le rapport de l'angle balayé θ par le vecteur, au temps t mis pour effectuer ce balayage.
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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59
Dipôles en alternatif Dipôle résistif :
U I
U
Le courant et la tension sont en phase: t
I
Il n’y a pas de déphasage U
Dipôle inductif : I
I
U
Le courant est en quadrature arrière par rapport à la tension : Il y a un déphasage NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
ϕ = 90° IFEG-SONELGAZ-ECOLE DE FORMETION DE AIN M'LILA -
t ϕ
60
Dipôle capacitif :
I
U U
I
Le courant est en quadrature avant par rapport à la tension : Il y a un déphasage
t
ϕ = - 90° ϕ
Synthèse : I
I
I
U
U
I
U
U
I I NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
U
U
IFEG-SONELGAZ-ECOLE DE FORMETION DE AIN M'LILA -
Z=R Z = L .ω Z =
1 Cω 61
Circuit R, L, C série 1er cas : L ω > 1 / C ω Le circuit est inductif ; l'intensité i est en retard sur la tension u.
2ème cas : L ω < 1 / C ω Le circuit est capacitif ; l'intensité i en avance sur la tension u.
3ème cas : L ω = 1 / C ω Le circuit est en résonance ; l'intensité i et la tension u sont en phase.
Impédance réelle et déphasage
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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62
Circuit R, L, C parallèle 1er cas : C ω > 1 / L ω Le circuit est capacitif ; la tension u est en retard sur l'intensité i. 2ème cas : C ω < 1 / L ω Le circuit est inductif ; la tension u est en avance sur l'intensité i. 3ème cas : C ω = 1 / L ω Le circuit est en résonance ; la tension u et l'intensité i sont en phase. Remarque : Admittance réelle et déphasage
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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63
UR
Application :
UL
R = 6Ω I
Lω = 8Ω
U
Objectifs :
- Déterminer le déphasage entre U et I - Calculer U pour I = 1A On choisi le courant comme référence D’après la loi des mailles, on sait que : tg ( ϕ ) =
Ul Ur
8
tg ( ϕ ) =
tg ( ϕ ) =
U = UR + UL
Xl R
= 1.33
UL ϕ
6
ϕ = 53.06° NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
U
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UR 64
Notion de puissance 1. Puissance instantanée La puissance instantanée est le produit des valeurs instantanées de la tension et de l'intensité.
p=ui
Unité : p ( W )
Remarque : En régime sinusoïdal p s'écrit :
p = 2 U I sin ( ω t ) sin ( ω t + ϕ ) Utilisons la relation bien connue : 2 sin a sin b = cos ( a − b ) − cos ( a + b ) En posant a = ω t + ϕ et b = ω t, p devient :
p = U I cos ϕ − U I cos ( 2 ω t + ϕ ) NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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65
2. Puissance apparente
S=UI
Unité : S ( VA )
La puissance apparente est le produit des valeurs efficaces de la tension et de l'intensité instantanées. 3. Puissance active
P = U I cos ϕ
La puissance active est la valeur moyenne de la puissance instantanée sur une période. 4. Puissance réactive
Q = U I sin ϕ
S
Q
ϕ P Unité : P ( W ) Unité : Q ( var )
L'intensité active étant représentée par I cos ϕ , l'intensité réactive est définie par l'expression I sin ϕ , d'où la puissance réactive : Relation entre les puissances : NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
Q = P tan ϕ
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P2 + Q2 = S2 66
5. Facteur de puissance Le facteur de puissance est le rapport de la puissance active à la puissance apparente. Importance de fP : Pour une puissance active P = U I Cos ϕ consommée par une installation, l'intensité du courant délivré s'écrit :
I = P / ( U Cos ϕ ). Si R est la résistance de la ligne, la puissance perdue par effet Joule a pour expression :
PJ = R I2 = ( R P2 ) / ( U cos ϕ )2 PJ est d'autant plus faible que cos ϕ est plus grand ( SONELGAZ pénalise les consommateurs dont le facteur de puissance fP est inférieur à 0,89 ). NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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67
Relèvement de fP Si le facteur de puissance fP est trop faible, on le relève en plaçant un condensateur aux bornes de l'installation. Sans modifier la puissance active consommée par l'installation, on diminue à la fois l'intensité du courant appelé par l'installation et le déphasage entre l'intensité et la tension.
QC = P ( tg ϕ - tg ϕ’ )
Ql S
Qc ϕ ϕ’
Q
P NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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68
6. Puissances actives et réactives mises en jeu dans les dipôles élémentaires Conducteur ohmique :
u et i sont en phase,
donc :
ϕ = 0 ⇒ cos ϕ = 1 et sin ϕ = 0
P = U I = R I2
et
Q=0
Bobine parfaite : u est en avance de π/2 par rapport à i ⇒
cos ϕ = 0 et sin ϕ = 1
P=0 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
et
Q = U I = L ω I2
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69
Condensateur parfait :
u est en retard de π/2 par rapport à i ⇒
P=0
cos ϕ = 0 et sin ϕ = - 1
et
Q = - U I = - C ω U2
7. Théorème de Boucherot Les puissances consommées par un groupement (série ou parallèle) de dipôles sont données par :
P = ∑ Pi et Q = ∑ Qi NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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70
Exercice 1 : On applique une tension de 220V, 50Hz entre les bornes d’un dipôle comportant un résistor R = 30 Ω en série avec un réactor de L=160mH. Calculer : - L’impédance du dipôle. - L’intensité du courant . - Le facteur de puissance . - Les puissances: active, réactive et apparente . - La capacité du condensateur permettant de relever le cosϕ à = 0,89 - L’intensité du courant en ligne après la mise en place du condensateur Rép: Z = 58,3 Ω - I =3,78A - cosϕ = 0,515 - P = 429 - tg ϕ = 1,66 Q = 712,14 var - S = 831,6 VA - QC = 492,49 var - C = 32,4 µ F S’= 481,96VA - I’ = 2,19A . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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71
Transport de l’énergie électrique en alternatif monophasé I - Le transformateur : - Principe :
- Schéma I2
I1 E1
E1
E2 N1
E2
N2
- Relations :
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
I2
I1
E2 E1
=
N2 N1
=
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I1 I2 72
-Transport sans transformateur Source : Ig E
Utilisateur Iu
I = 43,5A
P=10kW U Sous 230 V
Longueur de la ligne l=1km S = 6 mm2 Ligne
Quelle tension E doit-on fournir, quel est le rendement global ?
1 - Calcul du courant :
Pu = Iu U
3
10.10 ≈ 43,5 A Iu = 230
2 – Choix de la ligne : On choisit J = 8 A/mm2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
S=
I J
S=
43,5 ≈ 5,44mm 2 On retient S = 6 mm2 8
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73
Source :
I = 43,5A
Utilisateur
Longueur de la ligne l=1km
E
E = 476,7V S = 6 mm2 Ligne R = 5,67 Ω
P=10kW U Sous 230 V
3 – Calcul de la chute de tension : Rappels
ρ .l ρ = −8 Ωm 1 , 7 . 10 R=
∆U = R.I 4 – Calcul de E :
S
∆U = 5,67.43,5 ∆U = 246,7 V
5 – Calcul du rendement : NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
η = Pu Pa
−8
1,7.10 .2000 ≈ 5,67 Ω R= −6 6.10 ∆U = 246,7 V E = U + ∆U
η = U .I E.I
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E = 476,7V
η = 230 ≈ 48,2 % 476,7
74
-Transport avec transformateur Source :
I
1>10 E
Utilisateur
10>1
∼
Données techniques :
Ligne
P=10kW U Sous 230 V
• Puissance Installée (utilisateur) P=10kW • Longueur de la ligne l=1km
Quelle tension E doit-on fournir, quel est le rendement global ? Solution: 1 – Calcul de I :
•I=
On choisit J = 8 A/mm2
2 – Choix de la ligne : On retient S = 0,75 mm2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
4,35 A
I S= J
S=
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4,35 ≈ 0,544mm2 8 75
Source : 1>10 E
∼
I = 4,35A
Utilisateur 10>1
P=10kW U Sous 230 V
S = 0,75 mm2 Ligne
R = 45 Ω
3 – Calcul de la chute de tension :
ρ .l ρ = −8 Ωm 1 , 7 . 10 R=
−
S ∆U = RI ∆U = 45.4,35
Ua = 2300 V
∆U = 196 V
Ea = 2496 V
Ea = Ua + ∆U
4 – Calcul du rendement :
η = U .I E.I
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
1,7.10 8.2000 ≈ 45 Ω R= −6 0,75.10
η = 230
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250
η = 92% 76
Système triphasé 1. Système triphasé de tensions Trois tensions sinusoïdales, de même fréquence, forment un système triphasé de tensions si elles sont déphasées les unes par rapport aux autres de 2π/3 rad. 1.1. Système triphasé de tensions, équilibré Un système triphasé de tensions est équilibré quand les trois tensions ont la même valeur efficace. Exemple : Les deux systèmes: Système directe
Système inverse
v1 = V √2 sin ( ω t ) v2 = V √2 sin ( ω t - 2π/3 ) v3 = V √2 sin ( ω t - 4π/3 )
2. Système triphasé de courants :
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
v1 = V √2 sin ( ω t ) v2 = V √2 sin ( ω t + 2π/3 ) v3 = V √2 sin ( ω t + 4π/3 ) i1 = I √2 sin ( ω t ) i2 = I √2 sin ( ω t - 2π/3 ) i3 = I √2 sin ( ω t - 4π/3 )
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77
3.Installation triphasée quatre fils Générateur triphasé : Il est équivalent à trois générateurs monophasés de même valeur efficace, de même fréquence et de déphasage 2π/3.
Récepteur triphasé : Il est formé de trois impédances identiques pour un régime équilibré. Ligne : Elle est constituée de trois fils identiques (phases) et d'un quatrième fil (neutre) reliant les points N et N'.
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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78
Tensions simples et tensions composées 1. Définitions Tensions simples v1, v2, v3 : Ce sont des tensions qui existent entre phases et neutre. En régime équilibré, on a : V1 = V2 = V3 = V = 220 V pour une prise du secteur. Tensions composées u12, u23, u31: Ce sont des tensions qui existent entre phases. En régime équilibré, on a : U12 = U23 = U31 = U = 380 V pour une prise du secteur. Remarque : Tensions existant entre phases
u12 = v1 - v2 ; u23 = v2 - v3 ; u31 = v3 - v1 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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79
2. Représentation de Fresnel
Vecteurs associés aux trois tensions simples v1, v2, v3
Vecteurs associés aux trois tensions composées u12, u23, u31 Le système des tensions composées est en avance de π/6 sur le système des tensions simples.
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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80
3. Relations •Relations entre les tensions simples à tout instant,
v1 + v2 + v3 = 0
•Relations entre les tensions composées
à tout instant,
u12 + u23 + u31 = 0
•Relations entre V et U Dans le triangle (OAB) on peut écrire : OA = 2 OH = 2 OB cos π/6 ⇒ U = 2 V √3 / 2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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⇒
U = V √3 81
Couplages des récepteurs 1. Couplage en étoile Trois dipôles sont couplés en étoile si chacun d'eux est branché entre le neutre et une phase. Chaque dipôle est soumis à une tension efficace :
V = U / √3
D'après la loi des nœuds, on a:
⇔
in = i1 + i2 + i3 Si les trois dipôles sont identiques , le montage est équilibré. Dans ce cas il n'y a pas de courant dans le neutre : in = 0. Si un déséquilibre apparaît lors du fonctionnement, le courant in ne sera plus nul : pour cette raison ne jamais supprimer le neutre NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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82
2. Couplage en triangle Trois dipôles sont couplés en triangle si chacun d'eux est branché entre deux fils de phase (le neutre n'est pas utilisé). Chaque dipôle est soumis à une tension efficace :
U = V √3
⇔
Le courant traversant chaque élément n'est plus le courant parcourant une ligne. •Nœud A ⇒ i1 = j1 − j3 D'après la loi des nœuds, on a : •Nœud B ⇒ i2 = j2 − j1 •Nœud C ⇒ i3 = j3 − j2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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83
3. Représentation de Fresnel Vecteurs associés aux trois courants i1, i2, i3 Vecteurs associés aux trois courants j1, j2, j3 Le système des intensités en ligne est en retard de π/6 sur le système des intensités traversant chaque dipôle.
4. Relation entre I et J Dans le triangle (OAB) on peut écrire: OA = 2 OH = 2 OB cos π/6 ⇒ Ι = 2 J √3 / 2
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
I = J √3
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84
Puissance en régime triphasé Un récepteur triphasé équilibré est équivalent à l'association de trois récepteurs monophasés identiques : on peut lui appliquer le théorème de Boucherot. 1. Couplage en étoile: •Puissance active :
P = 3 V I cos ϕ
•Puissance réactive : Q = 3 V I sin ϕ •Puissance apparente : Comme V = U / √3, on peut écrire :
S = 3VI
P = U I √3 cos ϕ ; Q = U I √3 sin ϕ ; S = U I √3
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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85
2. Couplage en triangle •Puissance active : P = 3 U J cos ϕ •Puissance réactive : Q = 3 U J sin ϕ •Puissance apparente : S = 3 U J Comme J = I / √3, on peut écrire :
P = U I √3 cos ϕ ; Q = U I √3 sin ϕ ;
3. Généralisation
S = U I √3
Quel que soit le couplage les puissances consommées s'expriment de la même façon :
P = U I √3 cos ϕ NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
Q = U I √3 sin ϕ IFEG-SONELGAZ-ECOLE DE FORMETION DE AIN M'LILA -
S = U I √3 86
Remarque : Relation entre les puissances
Q = P tan ϕ
P2 + Q2 = S2
4. Facteur de puissance Comme en régime monophasé, e facteur de puissance est le rapport de la puissance active à la puissance apparente.
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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87
Pertes par effet Joule
Ligne monophasée:
P = E I cos ϕ
Ligne triphasée:
P = √3E I cos ϕ
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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88
EXERCICE : Une installation triphasée équilibrée est alimentée par un réseau 220/380V,50 Hz. Chaque fil de phase est assimilable à un circuit inductif série de résistance r = 0,6 Ω et d'inductance L= 1,2 mH. L'installation comporte 30 lampes à incandescence marquée 100 W- 220 V, également réparties sur les trois phases et deux moteurs triphasés M1et M2 dont les caractéristiques nominales sont : M1: U = 380 V ; f = 50 Hz ; Pu1 = 4 kW ; cosϕ = 0,6 et rendement η = 80%. M2: U = 380 V ; f = 50 Hz ; Pu2 = 3 kW ; cosϕ = 0,7 et rendement η = 85%. Lorsque tous les appareils fonctionnent ensemble, calculer : - la puissance apparente totale. - l'intensité efficace du courant dans chaque fil de ligne. - le facteur de puissance de l'installation. - la valeur efficace U1de la tension au départ de la ligne. - les pertes totales par effet joule dans les fils de ligne ( les exprimer en pourcentage de la puissance P1 au départ de la ligne). NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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89
Afin de relever le facteur de puissance de l'installation, trois condensateurs couplés en triangle sont branchés en parallèles aux bornes de l'installation. La capacité de chaque condensateur est C= 35 µF. Calculer : - la puissance réactive de l'ensemble installation- condensateurs. - le facteur de puissance cosϕ2 . - l'intensité efficace I2 du courant dans chaque fil de ligne. - la valeur efficace U2 de la tension au départ de la ligne. - les pertes totales par effet joule dans les fils de ligne ( les exprimer en pourcentage de la puissance P1 au départ de la ligne). - Quelles sont les améliorations apportées par le relèvement du facteur de puissance Réponses : PL = 3000 W - Pa1= 5000 W Pa2 = 3529,4 W - Pt =11530 W - tg ϕ1 = 1,33 QM1 = 6650 Var - tg ϕ2 =1,02 - QM2= 3600 Var - Qt =10250 Var- S=15427,3 VA I1 = 23,46 A - cosϕ1 = 0,747 -Z1 = 9,36 Ω - Zl= 0,7 Ω - Zt= 10,06 Ω . U1 = 408,4 V – ∆Pt = 990,66 w – P1t = 12520,66 W – K = 7,9 %. QC= -4760,86 Var - Qt =5489,14 Var - S=12769,8 VA - I2=19,42 A - cosϕ2= 0,9 Z1 = 11,31 Ω - Zl= 0,7 Ω - Zt= 12,01 Ω - U1 = 403,49 V – ∆Pt = 678,8 w P1t = 12208,8 W – K = 5,5 %. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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90
1- DIMENSIONNEMENT D’UN CÂBLE DE BRANCHEMENT 1.1- CALCUL ELECTRIQUE DES BRANCHEMENTS 1.1.1-But : a -déterminer la section satisfaisant aux conditions de chute de tension imposée .
b-vérifier que cette section convient au point de vue de l’intensité admissible et des sections minimales réglementaires .
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91
1.1.2- Hypothèses:
a - les charges sont considérées non inductives ( Cos ϕ = 1 )
b - les charges sont supposées équilibrées et réparties sur les différentes phases pour les canalisations collectives et les branchements individuels polyphasés .
c- les canalisations individuelles doivent être calculées en fonction du courant nominal et non du courant de réglage du disjoncteur
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92
1.1.3- Chutes de tension admissibles: - branchement individuel
- branchement collectif
: 1%
:
- liaison au réseau et tronçon commun
: 1%
- colonne ou colonne de dérivation collective : 1% - dérivation individuelles
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: 0,5%
93
1.1.4- Calcul des puissances : a - les puissances à délivrer suivant le contrat d’abonnement pour les locaux à usage d’habitation : - 01 pièce principale :
02 KW
- 02 à 06 pièces principales :
04 KW
- Plus de 06 pièces principales : 06 KW b- Pour le calcul des canalisations collectives des abonnés domestiques , la somme des puissances appelées est affectée par des coefficients de simultanéité ( voir tableau N° 01 ) Nombre d’abonnés K
1à 4
5à 9
10à 14
15 à 19
20 à 24
25 à 29
30 à 34
35 à 39
40 à 49
>50
1
0,78 0,63
0,53
0,49
0,46
0,44
0,42
0,41
0,40
tableau N° 01 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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94
1.1.5- Moments électriques des câbles de branchements Moments électriques M1 en Ampères x mètres donnant la chute de tension ∆u = 1% pour un branchement monophasé 220V ou triphasé 220/380V . - Pour ∆u = 1% voir tableau
N° : 02
Section des conducteurs en mm2
6
10
16
25
50
Cuivre M1 en A. m
360
600
960
1500
4820
Aluminium M1 en A. m
-------
--------
575
920
-------
Pour : ∆u = 0,5% le moment est à diviser sur 2 tableau N° : 02 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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1
Mono 220 V-4 KW
1.1.6-Exemple d’application 10 m A
20 m
B
10 m
5m
2 triphasé 220/380V 6 KW
3 Mono 220 V-2KW
Pour le branchement aérien collectif , ci-dessus ,on demande de déterminer les sections des conducteurs à utiliser : - pour la canalisation collective A. B ; - pour chacune des dérivations individuelles . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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- Canalisation collective A. B : ∆u = 1% Le branchement collectif ne desservant que 3 abonnés, ne nous tenons compte que 2 phases qui sont effectivement plus chargées que la troisième et transportent : 4 + 6/3 = 6 KW en monophasé 220 V Cette puissance correspond à un courant égal à : 6000/220 = 27,27 A Et à un moment électrique de : 27,27x20 = 545,4 A. m Selon le tableau N°02, nous adoptons pour la liaison A .B la section: S = 4 x 10 mm2 Cu
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- Dérivations individuelles : Courant nominaux des disjoncteurs : - Branchement 1 : 30 A ( réglage à 20 A ) - Branchement 2 : 30 A ( réglage à 10 A ) - Branchement 3 : 30 A ( réglage à 20 A ) Pour chacune de ces dérivations, la chute de tension maximale est de 0,5% , en conséquence on lira sur le tableau les moments : - Branchement 1 : M = ( 30 x 10 ) = 300 A. m ( câble 2x10mm2 Cu ) - Branchement 2 : M = ( 30 x 10 ) = 300 A. m ( câble 4x10mm2 Cu ) - Branchement 3 : M = ( 30 x 05 ) = 150 A. m ( câble 2x6mm2 Cu ) Les sections ainsi déterminées conviennent également au point de vue de l’intensité admissible. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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1.2-Choix des sections des conducteurs en fonction de l’échauffement admissible Le conducteur neutre doit avoir la même section que les conducteurs de phase. Section de l’âme ( mm2 )
Diamètre Extérieur Max.(mm)
06 10 16 25 50 16
15.4 17.6 17.6 24.9 32.5
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
I admissible (A) Aérien
Souterrain
45 75 111 130 185 95
----60 96 105 160 58
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Nombre De brins
nature
07 07 07 07 19 07
Cu Cu Cu Cu Cu Al
99
1.3- Sections minimales réglementaires
Branchements aériens
6mm2 en Cu.
Branchements souterrains et aéro - souterrains
10mm2 en Cu.
16mm2 en alu
Colonnes montantes
16mm2 en Cu.
25mm2 en alu
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10mm2 en alu
100
1.4- LONGUEURS MAXIMUM ET SECTION DES CONDUCTEURS Longueur max. des conducteurs (m) pour une chute de tension de 1% Disjoncteurs 6mm2 10mm2 In (A) Cui. Cui.
16 mm2 16mm2 al Cui.
25mm2 al
25mm2 Cui.
10 30 60
57.5 21.2 9.6
92.0 33.1 15.3
150.0 53.0 25.0
36.0 12.7 -----
60.0 21.2 -----
96.0 33.9 16.0
La chute de tension dans le conducteur ∆U à pour valeur : ∆U = I ( R Cos ϕ + Lω Sin ϕ ) Ce qui donne pour une ligne monophasée : Et pour une ligne triphasé équilibrée : NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
∆U = 2.I(R Cos ϕ+Lω Sin ϕ)
∆U = √3.I(R Cos ϕ+Lω Sin ϕ)
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IMPORTANCE DE MISE A LA TERRE CHEZ UN ABONNE A retenir !
La norme NFC.15-100 définit trois régimes de neutre qui sont caractérisés par deux lettres : : 1ère lettre : Situation du neutre de l ’alimentation par rapport à la terre . É T:
liaison du neutre avec la terre ;
É I:
isolation de toutes les parties actives par rapport à la terre, ou liaison au travers d’une impédance.
: 2ème lettre : Situations des masses de l’installation par rapport à la terre. Aujourd’hui: Régime TT
É T:
masses reliées directement à la terre ;
É N:
masses reliées au neutre de l’installation,lui-même relié à la terre.
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Prise de terre de l’utilisateur. RU NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
Prise de terre du poste de livraison.Rn IFEG-SONELGAZ-ECOLE DE FORMETION DE AIN M'LILA -
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Relier à une prise de terre, par un fil conducteur, les masses métalliques qui risquent d ’être mises accidentellement sous tension : cuisinière, machine à laver…
Vers terre de mesure
Piquet de terre
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2.2- INSTALLATION SANS DEFAUT V1
L1
V2
L2 L3 N
V3
Réseau 30 kV / 400 V
U=230 V
DDR DISJONCTEUR DIFFERENTIEL DE BRANCHEMENT 500 mA
DISJONCTEUR DIVISIONNAIRE
Piquet de terre
RN = 22 Ω MACHINE
En touchant la carcasse de la machine, je ne cours aucun risque !
RH = 2000 Ω
SOL
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2.3- INSTALLATION AVEC DEFAUT SANS TERRE V1
L1 L2 L3 N
V2 V3
20kV / 400 V DDR DISJONCTEUR DIFFERENTIEL DE BRANCHEMENT
DISJONCTEUR DIVISIONNAIRE
Piquet de terre EDF
RH RN = 22 Ω
MACHINEUd
SOL
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I défaut
RH U = 230 V
RN
I défaut = U / ( RH + RN ) = 230 / ( 2000 + 22 ) = 0.113 A
RN : Résistance de la prise de terre du neutre = 22 Ω RH : Résistance de l ’Homme = 2000 Ω NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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2.4- INSTALLATION AVEC DEFAUT AVEC TERRE V1
L1 L2 L3 N
V2 V3
20kV / 400 V DDR DISJONCTEUR DIFFERENTIEL DE BRANCHEMENT
DISJONCTEUR DIVISIONNAIRE
RH
RN = 22 Ω SOL
MACHINE Ud RU = 20 Ω
108
Réqu.= (Ru.RH ) / (Ru+RH) ≈ Ru ≈ 20Ω
I défaut IH Ru= 20 Ω
Ud
I défaut
RH= 2000 Ω
U = 230 V
Ud
Réqu.
U = 230 V RN= 22 Ω RN
I défaut = U / ( Réqu + RN ) =230 / ( 20 + 22 ) = 5.47 A donc U défaut = Ru . Id = 20x 5,47 = 109.4 V Soitpour pour l l’homme ’homme: :IH IH==Ud Ud/ /RH RH== 109,4 109,4/ /2000 2000==54.7 54.7mA mA Soit La tension de défaut peut donc être dangereuse pour l ’homme, et donc NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Avec le disjoncteur différentiel le courant maximum de défaut est celui du DDR, soit I = 0.5 A,
on a alors la tension de défaut limité à : Ud = Réqu x Id = 20 x 0,5 = 10 V d ’où IH = Ud / RH = 10 / 2000 = 0.005 A
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2.5-EXEMPLE N°02 PRESENCE D'UN DEFAUT D'ISOLEMENT SUR LE RECEPTEUR 2
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ETUDE DE LA BOUCLE DE DEFAUT Schéma équivalent Résistance des fils( Rf ) Résistance de contact au point de défaut ( Rc ) Résistance de prise de terre du neutre( Rn )
Résistance de prise de terre du PE (Ru)
Résistance du corps humain (Rh)
Prenons quelques valeurs usuelles : V = 230 V Rf = 0,1 Ohms Rc = 0 Ohms ( défaut franc ) Ru = 25 Ohms Rn = 18 Ohms Rh = 1000 Ohms NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
230 Id =
=5,41A 0,1 + 0+ ( 25x1000 )+18 ( 25+1000)
Uc = 24,4x5,41 = 132 V
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COURBES DE SECURITE Temps maxi de déclenchement du dispositif de protection en fonction de la tension de contact et du local
175 ms pour 50V ( local sec )
68 ms pour = 25V ( local humide ) 30 ms pour = 12V ( local mouillé )
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2.6- Exercices d’applications Exercice 1 A l’arrivée de votre installation électrique de régime de neutre TT, vous observez la présence d’un disjoncteur différentiel de 650 mA, la tension de sécurité étant de 50 V, Quelle doit être la valeur maximale de la résistance de terre de cette installation ? Solution 1
Ra . I∆n ≤ UL
avec UL : Tension de sécurité = 50 V I∆n = sensibilité du disjoncteur différentiel, d’où la résistance de prise de terre maxi. Ra ≤ UL / I ∆n ≤ 50 / 0.65 ≤ 76.9 Ω NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Exercice 2: défaut franc et absence du conducteur de protection.
Courant de défaut Id
Tension de contact Uc1
Tension de contact Uc2
Tension de contact Uc21
0A
0V
230 V
230 V
Tensions Uc2 et Uc21 dangereuses: il faut relier toutes les masses à la prise de terre. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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115
Exercice 3 : défaut franc et absence de dispositif différentiel.
Courant de défaut Id
Tension de contact Uc1
Tension de contact Uc2
Tension de contact Uc21
5,75 A
115 V
115 V
0V
Tensions Uc1 et Uc2 dangereuses: il faut couper l'installation à l'aide d'un disjoncteur différentiel. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Exercice 4: défaut résistant et sensibilité du différentiel non adaptée.
Courant de défaut Id
Tension de contact Uc1
Tension de contact Uc2
Tension de contact Uc21
0,56 A
67 V
67 V
0V
Tensions Uc1 et Uc2 dangereuses: le disjoncteur différentiel ne déclenche pas car son seuil est trop élevé. Il faut choisir une sensibilité inférieure à 50/120=0,41A pour un local sec. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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CONSEQUENCES DE LA COUPURE DU NEUTRE 4.1-Représentation de la distribution étoile de l’installation électrique. La plupart des récepteurs monophasés sont raccordés au réseau de distribution entre un conducteur polaire et le conducteur neutre. Vus du distributeur d’énergie, ces récepteurs ne représentent qu’un couplage étoile d’un ensemble d’impédance. l’interruption du conducteur neutre dans un réseau déséquilibré sans l’interruption des conducteurs polaires peut entraîner de graves conséquences. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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a- Danger pour les personnes Lorsqu’une installation est réalisée en schéma TN- C La rupture du conducteur neutre a pour conséquence la mise sous tension des parties métalliques du récepteur b- Danger pour les récepteurs Comme pour un couplage série, la coupure du conducteur neutre à pour effet de répartir les tensions proportionnellement aux valeurs des impédances. un récepteur de grande puissance subit une diminution de sa tension alors qu’un récepteur de faible puissance- impédance élevée – la voit augmenter . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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4.2-Répartition des tensions de phase Les trois impédances ne sont pas identiques. Les courants de phase I1, I2 et I3 sont différents, leur somme vectorielle vaut toujours zéro et le déphasage entre eux n’est plus de 120 °.
Les tensions aux bornes des 3 impédances ne sont plus identiques entre elles, ni égale à la tension de phase d’un système équilibré. Le potentiel du point étoile présente une différence par rapport à celui du conducteur neutre. La valeur de cette différence est d’autant plus importante que les valeurs des impédances sont différentes. Le système vectoriel permet de déterminer les valeurs des nouvelles tensions de phase. NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Exemple 1 Lors d’une intervention sur un tableau de distribution, l’électricien omet le raccordement du conducteur neutre d’un récepteur triphasé non équilibré. a) déterminer les tensions aux bornes de chaque résistance b) calculer l’intensité des courants qui les traverse Solution a) Tension aux bornes de chaque résistance 1) tracer le triangle des vecteurs tension de ligne 2)Partager - U1-V1 proportionnellement aux valeurs des résistances raccordées entre U1 et V1 et noter ce point X ; NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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- V1-W1 proportionnellement aux valeurs des résistances raccordées entre V1 et W1 et noter ce point Y; - W1-U1proportionnellement aux valeurs des résistances raccordées entre W1 et U1 et noter ce point Z ; 3) relier les points X, Y et Z aux sommets opposés. L’intersection de ces trois droites détermine la position du point étoile N’ (qui n’est plus au même potentiel que le conducteur neutre). De ce point neutre N’ les trois vecteurs tensions aboutissant aux sommets du système triphasé représentent les tensions aux bornes des résistances. U’ph1 = 150 [V] U’ph2 = 300 [V] U’ph3 = 260 [V] b)- Intensité des courants dans les résistances : NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Exemple 2 Dans le montage ci-contre, calculer l’intensité dans les conducteurs L1 et L2 ainsi que la tension aux bornes de R1 et de R2. Solution 1 : On constate que les deux résistances sont en série sous la tension du réseau le circuit est donc monophasé. Z = R1 + R2 = 23 + 46 = 69 Ω
U1 = R1 · I1 = 23 · 5,797 = 133,3 [V]
I1=U/Z=400/69 = 5,797 [A] U2 = U - U1 = 400 - 133,3 = 266,7 [V] Solution 2 : Les points Y et Z sont superposés aux sommets. Les deux droites reliant Y et Z aux sommets opposés sont superposées. Il n’y a donc que le côté U1-V1 qui est partagé en deux. U’ph1 = 133 [V], U’ph2 = 267 [V] I1 = I2=U’ph1/Z1 =133/23= 5,78[A] NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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EXEMPLE 3
NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Alors, la solution ? Dans une installation avec fusibles, si le Neutre doit obligatoirement être protégé (schéma IT par exemple) il faudra installer un support de fusibles avec dispositif de commande d'ouverture d'un contacteur en série avec ces fusibles. Dès qu'un défaut apparaît, et qu'un seul des fusibles vient à fondre, c'est l'ensemble des conducteurs actifs qui sont "coupés". Si le schéma ne nécessite pas la protection obligatoire du Neutre (schéma TT par exemple), mettre une barrette est la solution la plus simple et la moins onéreuse. Dans une installation protégée par disjoncteur, lorsqu'un défaut apparaît, c'est l'ensemble des conducteurs actifs qui sont "coupés". NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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125
LE DISJONCTEUR DE BRANCHEMENT Le disjoncteur de branchement assure :
• la Protection des circuits contre:
- Surcharges - Courts circuits • La Protection des personnes :
- Régime de neutre TT NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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3.1. Disjoncteur différentiel monophasé Toute installation TT doit être protégée par un dis positif différentiel résiduel placé à l’origine de l’installation. Fonctionnement Normal
IL
IL = IN
IF Récepteur Fonctionnement Anormal
IL = IN + IF NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
IN = IL - IF IFEG-SONELGAZ-ECOLE DE FORMETION DE AIN M'LILA -
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a- Principe de fonctionnement : RESEAU Bouton d’enclenchement Ph
N
Pôles principaux Déclenchement magnéto thermique électro-aimant Bobine de detection Tore magnétique Bobine de Phase
Bobine de Neutre
UTILISATION NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Fonctionnement Normal
Fonctionnement Anormal RESEAU
RESEAU N Ph
Ph
N
IL = IN
Φ L
IL
IL = IN + IF
Φ > ΦN
=ΦN
IL
IN
IN - IF UTILISATION
UTILISATION NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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129
3.2- Disjoncteur différentiel triphasé: a- Principe de fonctionnement: Il s’agit d’un transformateur de courant type tore qui enserre les trois conducteurs de phase et le neutre . Dans le cas d’un circuit sain( pas de défaut terre) équilibré ou déséquilibré , la somme vectorielle des courants primaires est nulle
( I1 + I2 + I3 + IN = 0 )
Il n’y a donc pas de courant secondaire .
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130
Lors d’un défaut terre la relation sur les courants devient :
( I1 + I2 + I3 + IN = Id )
Il apparaît un courant secondaire proportionnel au courant de défaut Id . le secondaire alimente un dispositif à seuil de courant qui donnera l’ordre de déclenchement à l’appareil de coupure.
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3.3- Seuil de réglage : Le seuil de réglage ( fixe ou réglable sur certains appareil) est appelé I ∆n. La norme de construction de ces dispositifs tolère une certaine plage de fonctionnement soit : - Si Id > I ∆n - Si Id < I ∆n / 2
déclenchement non déclenchement
La plage de tolérances se situe entre ces deux valeurs. Pas de déclenchement
Déclenchement possible
I∆N / 2 NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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Déclenchement certain
I∆N
IF 132
3.4-Détermination du seuil I ∆n des DDR pour assurer la protection En cas de défaut d’isolement il apparaît une tension de défaut: Uc = Id x RA Dès que Uc dépasse la valeur de tension limite conventionnelle UL l’ordre de déclenchement doit être donné. Cela correspond à un courant Id = UL / RA Le seuil auquel le DDR pourra être réglé est :
I ∆n ≤ UL /RA
EXEMPLE Soit un local de UL = 50 V et que sa résistance de terre est de 3Ω. Déterminer le seuil I ∆n des DDR pour assurer la protection. I ∆n ≤ UL /RA NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
⇒
I ∆n ≤ 50 / 3 = 16,6 A
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Si nous choisissons un seuil 1A ( par exemple) pour I ∆n , cela veut dire que le disjoncteur déclenchera lorsque la tension de contact Uc dépassera la valeur RA x I ∆n =3V Ainsi ,plus nous choisissons un seuil inférieur au seuil maximal autorisé,plus nous allons dans le sens de la sécurité. Choisir I ∆n pour que Uc ≤ UL consiste à vérifier le premier point énoncé,à savoir que l’appareil chargé d’éliminer le courant de défaut déclenche bien,avant que celui-ci devienne dangereux. Il reste le deuxième point à considérer: le temps de fonctionnement de l’appareil est-il compatible avec la courbe de sécurité ?
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3.5- Temps de déclenchement : LA NORME UTE 60-130 définit 4 classe d’appareils différentiels en fonction de leur temps de coupure .
Classe I∆N.
T.O.1 T.O.2 T1 T2
1000 ms 200 ms 1000 ms 200 ms
Id 2 I∆N. 150 ms 100 ms 250 ms 100 ms
10 I∆N. 30 ms 30 ms 150 ms 100 ms
Ces valeurs de temps ne comprennent pas les retards éventuels affichés volontairement . NOTIONS DE BASE EN ELECTRICITE
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3.6- Sensibilité des différentiels
- Les disjoncteurs sont classés selon trois catégories : - Dispositif haute sensibilité : IDN = 6 ; 12 ; 30 mA ; - Dispositifs moyenne sensibilité : IDN = 0,1 ; 0,3 ; 0,5 ; 1 A ; - Dispositif faible sensibilité : IDN = 3 ; 5 ; 10 ; 20 A.
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