Fiche de révision : Fonctions d’usage en électrotechnique

📋 Plan du Cours

1. Transformateurs monophasés et applications
2. Transformateurs triphasés et plaques
3. Couplages des transformateurs triphasés
4. Constitution et vitesse du moteur asynchrone
5. Plaque signalétique du moteur
6. Couplage étoile et triangle des moteurs
7. Démarrage direct et protections moteur
8. Variateurs et démarreurs progressifs
9. Éclairage et chauffage électriques
10. Ventilation et moteur Dahlander

📖 1. Transformateurs monophasés et applications

🔑 Notions clés & Définitions

• Transformateur de tension : Un transformateur de tension adapte une tension alternative au primaire en une tension alternative de valeur différente au secondaire, sans modifier la fréquence.

★ À maîtriser

📌 Un transformateur ne fonctionne pas avec du courant continu.

📌 Un transformateur est élévateur si son rapport de transformation m est supérieur à 1, abaisseur si m est inférieur à 1 et isolant si m vaut 1.

Compléments

• Un transformateur ballast peut convertir 230 V en 11,5 V et fournir un courant nominal de sortie de 4 A efficaces.

• Un transformateur de commande convertit 230 V en 24 V pour alimenter notamment les boutons-poussoirs, les contacts et les voyants d’un montage industriel.

💡 Astuce mémo

Élévateur : m > 1 ; abaisseur : m < 1

📖 2. Transformateurs triphasés et plaques

🔑 Notions clés & Définitions

• Niveau d’isolement : La tenue diélectrique du matériel aux surtensions de manœuvre et aux surtensions d’origine atmosphérique.
• Tension de court-circuit : La valeur efficace de la tension primaire réduite du pourcentage indiqué lors d’un essai en court-circuit.
• Courant assigné nominal : La valeur efficace que le matériel peut supporter sans dépasser ses limites d’échauffement.
• Courant de court-circuit : Le courant maximal que le transformateur débiterait en cas de court-circuit à sa sortie.

★ À maîtriser

• Les transformateurs triphasés en haut de poteau convertissent généralement 20 000 V en 400 V ou 230 V et ont une puissance assignée généralement plus faible que les transformateurs de distribution en poste.

• Les transformateurs de distribution peuvent convertir 20 000 V en 400/230 V, tandis que les transformateurs des postes de source peuvent convertir 60 000 V en 400/230 V.

• La plaque d’un transformateur de distribution indique notamment :

  • sa puissance apparente assignée
  • sa tension de court-circuit
  • ses tensions assignées primaire et secondaire
  • ses courants assignés primaire et secondaire
  • sa fréquence d’emploi
  • son niveau d’isolement
  • son couplage et son indice horaire
  • la nature de ses conducteurs
  • son mode de refroidissement
  • ses différentes masses

• Dans le couplage Dyn11, le primaire est en triangle, le secondaire en étoile avec neutre sorti, et le déphasage indiqué est de 11 × 30°, soit 330° dans le sens horaire.

Compléments

• Le mode de refroidissement ONAN signifie que l’huile minérale et les radiateurs sont refroidis par convection naturelle.

📌 Les PCB, aussi appelés polychlorobiphényles ou pyralènes, sont interdits depuis 1985 dans les transformateurs parce qu’ils sont classés comme polluants organiques persistants et perturbateurs endocriniens.

📖 3. Couplages des transformateurs triphasés

★ À maîtriser

📌 Le rapport de transformation global d’un transformateur triphasé dépend des couplages primaire et secondaire, tandis que m0 désigne le rapport de transformation par colonne.

Compléments

• Pour des couplages étoile-étoile ou triangle-triangle, le rapport global indiqué est égal à m0.

• Pour un couplage triangle primaire-étoile secondaire, le rapport global indiqué est égal à m0√3.

📖 4. Constitution et vitesse du moteur asynchrone

🔑 Notions clés & Définitions

• Stator : La partie fixe d’un moteur asynchrone ; il comporte trois enroulements déphasés de 120° et raccordés au réseau par six bornes.
• Glissement : La différence de vitesse angulaire entre le stator et le rotor ; il est généralement faible et compris entre 0 et 1.

★ À maîtriser

• Les enroulements statoriques créent un champ magnétique tournant qui entraîne le rotor à une vitesse légèrement inférieure à la vitesse de synchronisme.

📌 Le rotor d’un moteur asynchrone est la partie mobile et peut être à cage en court-circuit ou bobiné.

• À 50 Hz, les vitesses de synchronisme sont :
  • de 3 000 tr/min pour un moteur bipolaire
  • de 1 500 tr/min pour un moteur tétrapolaire
  • de 1 000 tr/min pour un moteur hexapolaire

Compléments

• La fréquence du réseau est de 50 Hz en France et en Grande-Bretagne, et de 50 Hz ou de 60 Hz selon les régions au Japon.

📌 Lorsque g = 0, le moteur fonctionne en synchronisme ; lorsque g = 1, le rotor est bloqué au démarrage ; lorsque g < 0, le moteur fonctionne en hypersynchronisme avec N > Ns.

📖 5. Plaque signalétique du moteur

★ À maîtriser

• La plaque signalétique d’un moteur asynchrone indique notamment le fabricant, la référence, l’indice de protection, la classe d’isolement, la masse, le couplage, les tensions, la fréquence, la vitesse, la puissance utile nominale, le facteur de puissance et le courant nominal.

📌 L’indice IP renseigne sur la protection contre les solides et les liquides, tandis que l’indice IK renseigne sur la résistance aux chocs mécaniques externes.

Compléments

• Dans l’indice IP, le premier chiffre indique le niveau de protection contre les solides et le second celui contre les liquides.

• Les classes de rendement moteur présentées sont :

  • IE1 standard
  • IE2 élevé
  • IE3 Premium
  • IE4 Super Premium

• Les types de service moteur présentés sont :

  • S1 : service continu
  • S2 : service temporaire
  • S3 : service intermittent périodique
  • S4 : service intermittent périodique à démarrage
  • S5 : service périodique à freinage électrique
  • S6 : service ininterrompu périodique à variation de charge
  • S7 : service ininterrompu périodique à freinage électrique
  • S8 : service ininterrompu à changement de vitesse périodique

📖 6. Couplage étoile et triangle des moteurs

★ À maîtriser

📌 Le couplage des enroulements statoriques permet au moteur asynchrone de fonctionner sous deux tensions et dépend de la tension du réseau et de celle supportée par les enroulements.

• En couplage étoile, les extrémités des trois enroulements forment un point de neutre fictif non raccordé au neutre du réseau, et la tension simple est appliquée aux enroulements.

• En couplage triangle, il n’existe pas de point neutre et la tension composée est appliquée aux enroulements.

📌 Un moteur se couple en étoile si la tension supportée par ses enroulements est égale à la tension simple du réseau, et en triangle si elle est égale à la tension composée du réseau.

Compléments

• Un moteur 230/400 V dont chaque enroulement supporte 230 V se couple en étoile sur un réseau dont la tension composée est 400 V.

📖 7. Démarrage direct et protections moteur

★ À maîtriser

• Un démarrage direct d’un moteur asynchrone comporte principalement un sectionneur, un contacteur et un relais thermique.

• Les fonctions des principaux appareils sont : le sectionneur isole le circuit de puissance du réseau, le contacteur établit ou interrompt le courant, le relais thermique protège le moteur contre les surcharges et se règle au courant nominal du moteur

• Le schéma de commande est principalement alimenté en 24 V et ses organes sont installés dans une armoire afin de séparer l’opérateur des circuits de puissance à forte tension et forte intensité.

Compléments

• Un démarrage moteur peut utiliser un disjoncteur moteur magnétique contre les courts-circuits, un contacteur et un relais thermique contre les surcharges, ou un appareil intégral assurant les protections contre les surcharges et les courts-circuits.

📖 8. Variateurs et démarreurs progressifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Démarreur progressif : Un convertisseur alternatif/alternatif qui fait varier la tension efficace de sortie en déformant la tension sinusoïdale par le retard lié à l’angle d’amorçage des triacs.

★ À maîtriser

• La variation de vitesse permet : de limiter les surintensités au démarrage, d’adapter précisément la vitesse, de contrôler le couple, de régler le débit d’une pompe ou d’un ventilateur, de réduire les pertes mécaniques, de prolonger la durée de vie des constituants mécaniques, de limiter le bruit, d’économiser l’énergie et de permettre un freinage par récupération d’énergie

• Le démarreur progressif limite les appels de courant élevés au démarrage direct et évite les coups de bélier qui pourraient endommager les canalisations des pompes.

Compléments

• Les variateurs de vitesse pour machines à courant continu sont des redresseurs commandés utilisés notamment pour piloter des moteurs ou génératrices dans la traction ferroviaire, les monte-charge et les funiculaires.

• Un variateur de vitesse alternatif comporte :

  • un redresseur
  • un filtrage
  • un onduleur
  • une dissipation

💡 Astuce mémo

Variation de vitesse → adaptation de la vitesse et limitation des surintensités au démarrage

📖 9. Éclairage et chauffage électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Efficacité lumineuse : Le rapport entre le flux lumineux et la puissance absorbée par la source.
• Flux lumineux : La quantité totale de lumière émise par une source dans toutes les directions.

★ À maîtriser

• La variation de luminosité des dispositifs d’éclairage peut utiliser un gradateur à angle de phase, qui génère des harmoniques lorsque les ondes de courant et de tension en sortie ne sont pas purement sinusoïdales.

• Le chauffage est un système à forte inertie thermique, tandis que les dispositifs d’éclairage sont présentés comme des systèmes à faible inertie thermique.

• Un gradateur à train d’onde permet de réguler la température d’un chauffage en tout ou rien avec une tension sinusoïdale de fréquence fixe et une tension efficace variable, sans générer d’harmoniques.

Compléments

• En 1879, les travaux de Joseph Swann sur l’ampoule à incandescence aboutissent après le début de ses recherches en 1850 et le dépôt d’un brevet en 1878.

• En 1882, le carbone remplace le bambou dans l’ampoule d’Edison, dont la durée de vie atteint alors 1 000 heures.

• Les sources lumineuses citées comprennent : les lampes à incandescence, les lampes à décharge, les lampes fluorescentes, les sources électroluminescentes comme les LED et OLED, les arcs électriques, la chimiluminescence, la radioluminescence

• Pour un flux lumineux de 800 lm, le tableau donne :

  • 7 W et 114 lm/W pour une lampe LED A++
  • 11 W et 73 lm/W pour A+
  • 15 W et 53 lm/W pour A
  • 40 W et 20 lm/W pour B
  • 50 W et 16 lm/W pour C
  • 60 W et 13 lm/W pour D
  • plus de 60 W et moins de 13 lm/W pour E

• Pour une LED blanc chaud, le cours donne 4 000 K et 800 lm avec une puissance de 5 W comme équivalent approximatif d’une ampoule à incandescence de 60 W, et 2 700 K et 470 lm avec 5 W comme équivalent approximatif de 40 W.

• Un convecteur est une charge résistive qui ne consomme pas de puissance réactive et ne génère pas de pollution harmonique sur le réseau.

💡 Astuce mémo

Éclairage : gradateur à angle de phase ; chauffage : gradateur à train d’onde

📖 10. Ventilation et moteur Dahlander

★ À maîtriser

• Les systèmes de ventilation servent à renouveler l’air vicié ou à évacuer la fumée dans les espaces confinés.

• Le moteur Dahlander comporte deux bobinages par phase qui peuvent être couplés en parallèle pour la grande vitesse ou en série pour la petite vitesse, divisée par deux.

Compléments

• Dans l’exemple de ventilation du métro parisien, les travaux réalisés en 2013 ont duré 18 mois et concerné le renouvellement et le renforcement de 150 ouvrages ainsi que la création de 18 ventilateurs.

• Dans cet exemple, la ventilation en mode confort à petite vitesse aspire 60 m3/seconde, tandis que le désenfumage à grande vitesse évacue 90 m3/seconde dans la direction opposée au foyer d’incendie.

• Dans l’exemple de ventilation du métro, la vitesse de rotation des pales est comprise entre 1 000 et 1 500 tours/min.

📊 Tableaux de synthèse

Couplages des transformateurs triphasés

Éclairage et chauffage