Fiche de révision : Protections électriques et capteurs

📋 Plan du Cours

1. Grandeurs électriques fondamentales
2. Lois des circuits électriques
3. Courant continu et puissance
4. Grandeurs du courant sinusoïdal
5. Déphasage entre tension et courant
6. Tensions du réseau triphasé
7. Tensions triphasées et relation
8. Protection des canalisations électriques
9. Appareillage de coupure et protection
10. Déclencheurs du disjoncteur
11. Contacteurs et fonctions des appareils
12. Capteurs de position et proximité
13. Détecteurs photoélectriques

📖 1. Grandeurs électriques fondamentales

🔑 Notions clés & Définitions

• Circuit électrique : Ensemble composé de trois composants fondamentaux : un générateur, un récepteur et des conducteurs ; l’absence de l’un d’eux empêche le circuit de fonctionner.
• Tension électrique : Différence de potentiels, exprimée en volts (V) et généralement représentée par U.
• Courant électrique : Débit d’électrons ; il se mesure en ampères (A) et se représente par I.
• Résistance électrique : Grandeur qui s’oppose au passage du courant, se mesure en ohms (Ω) et limite d’autant plus le courant qu’elle est élevée.

★ À maîtriser

• En France, la tension du réseau électrique est de 230 V entre phase et neutre et de 400 V entre phases.

Compléments

• Sans tension, il ne peut pas y avoir de courant électrique.

📌 Une résistance tendant vers l’infini correspond à un circuit ouvert, tandis qu’une résistance tendant vers zéro s’apparente à un fil conducteur.

📐 Formule - La résistance d’un conducteur vérifie $R = \rho \times \frac{L}{S}$, où ρ est la résistivité du matériau, L la longueur du conducteur et S sa section.

💡 Astuce mémo

Tension = différence de potentiel ; courant = débit d’électrons

📖 2. Lois des circuits électriques

★ À maîtriser

📐 Formule - La loi d’Ohm s’écrit $U = R \times I$, où U est la tension aux bornes de la résistance, R sa résistance et I le courant qui la traverse.

• Dans un circuit série, le même courant traverse tous les composants, les résistances s’additionnent et la tension du générateur se répartit entre les résistances.

• Dans un circuit parallèle, la tension est identique sur chaque branche, les courants des branches s’additionnent et la résistance totale est inférieure à la plus faible résistance de branche.

Compléments

• Dans un circuit série, la tension aux bornes de chaque résistance dépend de sa valeur.

📐 Formule - Dans un circuit parallèle à deux branches, le courant total vérifie $I = I_1 + I_2$.

💡 Astuce mémo

En série, même courant ; en parallèle, même tension

📖 3. Courant continu et puissance

🔑 Notions clés & Définitions

• Puissance électrique : Énergie échangée par un corps pendant une seconde, qui dépend de la tension appliquée et du courant traversant le récepteur.

★ À maîtriser

📐 Formule - La puissance électrique vérifie $P = U \times I$, avec P en watts, U en volts et I en ampères.

Compléments

• Une lampe de 100 W fournit la même quantité de lumière sous 230 V et sous 12 V, mais elle absorbe davantage de courant sous 12 V.

📌 Le courant continu circule conventionnellement du pôle positif vers le pôle négatif, tandis que le sens électronique va du pôle négatif vers le pôle positif.

• Les générateurs de courant continu sont :
  • les génératrices
  • les piles sèches
  • les accumulateurs
  • les redresseurs

📖 4. Grandeurs du courant sinusoïdal

🔑 Notions clés & Définitions

• Période : Durée au bout de laquelle une tension ou une intensité se reproduit identiquement ; elle s’exprime en secondes.
• Valeur efficace : Valeur d’un courant continu constant qui produirait, dans le même résistor et pendant la même durée, le même dégagement de chaleur.
• Valeur maximale : Plus grande valeur atteinte par une tension ou une intensité ; elle se note Umax ou Û pour une tension et Imax ou Î pour une intensité.
• Valeur instantanée : Valeur réelle d’une tension ou d’une intensité à un instant donné ; elle se note u pour la tension et i pour l’intensité.
• Alternance : Durée pendant laquelle la tension ou l’intensité conserve le même sens ; elle est égale à une demi-période.
• Pulsation : Angle dont tourne le vecteur par unité de temps ; elle s’exprime en radians par seconde.

★ À maîtriser

📐 Formule - La fréquence f est l’inverse de la période T : $f = \frac{1}{T}$.

Compléments

📐 Formule - Pour des grandeurs sinusoïdales, les valeurs instantanées s’écrivent $u = U_{max}\sin(\omega t)$ et $i = I_{max}\sin(\omega t)$.

📐 Formule - La pulsation et la fréquence sont liées par $\omega = 2\pi f$.

📖 5. Déphasage entre tension et courant

🔑 Notions clés & Définitions

• Déphasage : Avance ou retard relatif de deux grandeurs sinusoïdales exprimé en radians ; il correspond à l’angle entre leurs vecteurs au même instant.
• Décalage temporel : Avance ou retard de l’une de deux grandeurs sinusoïdales par rapport à l’autre, exprimé en fraction de période et représenté par t₀.

★ À maîtriser

📌 Lorsque le courant i est en retard sur la tension u, ϕ est positif ; lorsque i est en avance sur u, ϕ est négatif.

Compléments

📌 Le déphasage ϕ est toujours fléché du vecteur I vers le vecteur U.

📖 6. Tensions du réseau triphasé

🔑 Notions clés & Définitions

• Tension simple : Tension mesurée entre une phase et le neutre, notée V₁, V₂ ou V₃.
• Tension composée : Tension mesurée entre deux phases, notée U₁₋₂, U₂₋₃ ou U₃₋₁.

★ À maîtriser

• Les tensions simples d’un réseau triphasé sont déphasées de 120° les unes par rapport aux autres, tout comme les tensions composées.

Compléments

• Un réseau triphasé 230 V/400 V présente une tension de 230 V entre phase et neutre et de 400 V entre phases.

• Le courant alternatif triphasé possède, comme le monophasé, une période, une fréquence et une amplitude.

📖 7. Tensions triphasées et relation

★ À maîtriser

📌 Les tensions simples sont représentées par v1N, v2N et v3N entre chaque phase et le neutre, tandis que les tensions composées sont représentées par u12, u23 et u31 entre phases.

📐 Formule - La relation entre la tension composée U et la tension simple V est $U = V\sqrt{3}$.

Compléments

• Les conducteurs actifs d’un réseau triphasé sont représentés par les trois fils de phase 1, 2 et 3 ainsi que par le fil neutre N.

• Les tensions simples et les tensions composées triphasées ont la même période et la même fréquence ; seule leur amplitude change.

📖 8. Protection des canalisations électriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Coupure : Consiste à ouvrir un circuit électrique en charge, c’est-à-dire lorsque du courant y circule ; un appareil capable de le faire possède un pouvoir de coupure.
• Séparation : Consiste à isoler un circuit électrique de sa source de tension.
• Surcharge : Une surintensité sans défaut électrique, due à une mauvaise utilisation du circuit, par exemple lorsque trop de récepteurs sont branchés.
• Court-circuit : Un défaut électrique qui se produit lorsque deux potentiels différents, par exemple phase-neutre ou phase-phase, entrent en contact.
• Défaut d’isolement : Se produit lorsqu’un potentiel actif, à la suite d’un défaut, entre en contact avec un autre potentiel actif ou avec une masse.

📝 Points essentiels

• Un court-circuit peut produire un arc électrique, une chaleur intense supérieure à 3500 °C, des projections de matières, des rayons ultraviolets et infrarouges ainsi que des gaz toxiques, entraînant des brûlures, une opacification du cristallin, l’asphyxie ou la perte de connaissance.

💡 Astuce mémo

Court-circuit → arc, chaleur et projections → brûlures et risques respiratoires ou oculaires

📖 9. Appareillage de coupure et protection

🔑 Notions clés & Définitions

• Sectionneur : Assure la séparation du circuit qu’il alimente et sa mise hors tension, mais il n’a pas de pouvoir de coupure et ne doit donc pas être manœuvré en charge.
• Interrupteur : Permet d’établir ou d’interrompre un circuit à vide ou en charge et possède un pouvoir de coupure et de fermeture.
• Interrupteur sectionneur : Associe les fonctions de l’interrupteur et du sectionneur : il coupe l’installation en charge et l’isole pour assurer la sécurité du personnel lors de la consignation.

📝 Points essentiels

• Le sectionneur est généralement équipé de fusibles qui assurent en plus la protection contre les surcharges et/ou les courts-circuits.

• Le sectionneur peut comporter : des contacts de puissance, des fusibles, un ou deux contacts de précoupure, une poignée de manœuvre, des microcontacts détectant la fusion d’un fusible

• Un interrupteur peut être commandé manuellement par levier ou volant, ou électriquement par moteur ou électroaimant, et peut être uni- ou multipolaire, avec ou sans fusibles.

• Un interrupteur différentiel protège les personnes contre les défauts d’isolement et se caractérise notamment par son type A, AC ou HPI et par sa sensibilité IΔn.

💡 Astuce mémo

Le sectionneur isole sans couper en charge ; l’interrupteur coupe en charge.

📖 10. Déclencheurs du disjoncteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Disjoncteur : Établit, supporte et interrompt des courants en conditions normales ou anormales, notamment en cas de surcharge ou de court-circuit, puis s’ouvre automatiquement.

★ À maîtriser

• Lors d’une surcharge, l’échauffement déforme le bilame par dilatation différentielle ; le mouvement entraîne successivement la descente de l’entraîneur, la rotation du déclencheur, la libération de la biellette, la détente du ressort de contact, la rotation de la serrure, l’ouverture des contacts, le déplacement de la manette puis le retour de la biellette dans son encoche.

• Pour une intensité comprise entre 1,13 In et 1,45 In, le déclenchement thermique intervient au maximum une heure après le début de la surcharge.

• 🔄 Le déclenchement magnétique se déroule ainsi :

  1. Le noyau mobile est attiré vers le noyau fixe.
  2. Le ressort calibré est comprimé.
  3. Le percuteur se déplace.
  4. Le déclencheur tourne.
  5. L’impact du percuteur ouvre directement les contacts.

📌 Les seuils de déclenchement magnétique sont de 3 à 5 In pour la courbe B, de 5 à 10 In pour la courbe C et de 10 à 20 In pour la courbe D.

Compléments

• Après élimination du défaut, le disjoncteur peut être réarmé par une action manuelle sur sa manette.

• Le disjoncteur modulaire comprend :
  • une coquille
  • une chambre de coupure
  • une tôle d’arc
  • une vis de réglage
  • un sous-ensemble serrure
  • des pôles de puissance
  • un sous-ensemble thermique
  • un sous-ensemble magnétique
  • un ressort et un loquet bistable

• Les caractéristiques d’un disjoncteur comprennent la tension assignée d’emploi, le pouvoir de coupure, l’intensité nominale, le nombre de pôles coupés et protégés, la courbe magnétique B, C ou D, l’aptitude au sectionnement et des caractéristiques d’emploi ou accessoires éventuels.

💡 Astuce mémo

Surcharge → bilame thermique ; court-circuit → déclenchement magnétique

📖 11. Contacteurs et fonctions des appareils

🔑 Notions clés & Définitions

• Contacteur : Ouvre ou ferme un circuit en charge au moyen d’un circuit de commande électrique, en fonctionnement tout ou rien, et peut donc être commandé à distance.

📝 Points essentiels

• Un contacteur comprend un électroaimant avec une bobine et un circuit magnétique, un ou plusieurs pôles de puissance et un ou plusieurs contacts auxiliaires instantanés normalement ouverts ou normalement fermés.

• Les appareils recensés comprennent :

  • sectionneur
  • interrupteur
  • contacteur
  • disjoncteur
  • disjoncteur thermique
  • déclencheur thermique
  • déclencheur magnétique
  • fusible gG
  • fusible aM
  • dispositif différentiel résiduel

📖 12. Capteurs de position et proximité

🔑 Notions clés & Définitions

• Interrupteur de position : Contrôle la position d’un engin afin de déclencher son départ, son ralentissement ou son arrêt à un endroit déterminé.
• Capteur magnétique : Contrôle la position des vérins dans une machine automatisée au moyen d’un interrupteur à lames souples.
• Détecteur de proximité : Contrôle la position d’un engin sans contact ni frottement et ne comporte pas de pièce en mouvement.

★ À maîtriser

• En l’absence d’aimant, les lames souples magnétiques restent écartées ; en présence d’un aimant, le champ magnétique crée des pôles opposés aux extrémités des lames, qui s’attirent et établissent le contact.

Compléments

• Un interrupteur de position comprend : un dispositif d’attaque, une tête de commande, un corps de contact, un contact électrique, un presse-étoupe pour le raccordement du câble

📌 Un détecteur inductif signale un objet métallique, magnétique ou amagnétique, qui perturbe les oscillations magnétiques créées par sa face sensible.

📌 Un détecteur capacitif remplit le même rôle qu’un détecteur inductif, mais peut détecter des objets de compositions variées, notamment le carton, le bois, les liquides, le plastique, les poudres et les granulés.

• Un détecteur à deux fils se branche en série avec la charge, tandis qu’un détecteur à trois fils utilise deux fils pour son alimentation et un troisième pour la sortie du signal.

💡 Astuce mémo

Le fin de course touche ; le détecteur de proximité contrôle sans contact.

📖 13. Détecteurs photoélectriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Détecteur photoélectrique : Contrôle la présence ou le passage d’un objet au moyen d’un faisceau lumineux infrarouge modulé.

★ À maîtriser

• Dans le système barrage, l’objet passe entre l’émetteur et le récepteur ; la portée peut être très grande, mais les objets transparents ne sont pas détectés.

• Dans le système réflex, un réflecteur à facettes renvoie le rayon et un seul appareil émet et reçoit le faisceau ; la portée est moyenne, l’objet doit être plus gros que le détecteur et les objets réfléchissants peuvent poser problème sans réflex polarisé.

• Dans le système réflex direct, l’objet réfléchit lui-même le rayon, la portée est courte et certaines versions peuvent effacer l’arrière-plan pour éviter de détecter ce qui se trouve derrière la cible.

Compléments

• Les trois systèmes photoélectriques de base existent aussi en technologie fibre optique, avec des sorties statiques ou à relais et des raccordements par câble, connecteur ou bornier.

📌 En fonction claire, la sortie est activée lorsque le faisceau est reçu, tandis qu’en fonction sombre, elle est activée lorsque le faisceau n’est pas reçu.

📊 Tableaux de synthèse

Fonctions de coupure et de séparation

Systèmes photoélectriques