Electricité. Un courant électrique est un déplacement de charges électriques.

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1 générale 1. Le sens du courant Un courant électrique est un déplacement de charges électriques. Par convention, dans un circuit électrique en boucle simple et en courant continu, le courant électrique sort du générateur par la borne positive (+), traverse le circuit électrique et revient au générateur par sa borne négative (-). Les effets magnétiques et chimiques s'inversent lorsqu'on permute les bornes d un générateur. Les savants qui ignoraient l existence de l'électron ont donc été amenés à choisir arbitrairement un sens au courant. Il ont choisi celui qui part de la borne positive vers la borne négative, c'est-à-dire l'inverse du sens de déplacement des électrons. Jean-Michel HERVIEU 1 BEES

2 2. La tension Définition : La borne négative d'une pile possède un excès d'électrons alors que ces électrons sont en défaut à la borne positive. La grandeur qui représente la concentration des charges est appelée "potentiel électrique". Entre les 2 bornes P et N de la pile il existe donc une "différence de potentiel" (notée V P -V N ) ou "tension électrique" (notée U PN ). L'unité de tension électrique est le volt (symbole V). Le domaine habituel des tensions en courant continu va de quelques millivolts à quelques dizaines de kilovolts. L'appareil qui permet de mesurer une différence de potentiel ou une tension est le voltmètre. Montage : Pour mesurer la tension entre deux points A et B d'un circuit, on branche le voltmètre en dérivation entre ces deux points. La borne du voltmètre marquée V doit être reliée au point A (fil rouge) et la borne marquée COM au point B (fil noir). On mesure alors la tension U AB. Si l'on ignore l'ordre de grandeur de la tension à mesurer, il est prudent de placer le voltmètre sur son plus fort calibre lors du branchement. Il faut ensuite réduire ce calibre, si nécessaire, pour obtenir un meilleur affichage: Le bon calibre est le plus petit calibre immédiatement supérieur à la mesure. Pour rechercher les pannes à bord, généralement le voltmètre se règle sur le calibre 20 en tension continue (DC). V Jean-Michel HERVIEU 2 BEES

3 3. L intensité Définition : On peut comparer l'intensité d'un courant électrique au débit d'eau circulant dans un tuyau d'arrosage. La quantité d'électricité qui traverse un conducteur pendant une seconde s'appelle l'intensité. L'unité d'intensité du courant électrique est l'ampère (symbole A). L'appareil qui permet de mesurer l'intensité d'un courant électrique est l'ampèremètre. Montage: Un ampèremètre se branche en série dans le circuit. Cela veut dire qu'il faut couper le circuit et intercaler l'ampèremètre entre les deux points de coupure. La borne de l ampèremètre marquée A est la borne positive, la borne marquée COM est la borne négative. On mesure alors l intensité I. 4. Les lois des circuits : Montage en série Montage en dérivation (ou parallèle) La tension et l intensité dans un montage en série : Loi d'additivité des tensions dans un circuit en série La tension aux bornes d'un ensemble de dipôles en série est égale à la somme des tensions aux bornes de chacun d'eux. Dans l'exemple ci-contre: P et A sont au même potentiel B et C sont au même potentiel D et N sont au même potentiel U PN = U AD = U AB + U CD Jean-Michel HERVIEU 3 BEES

4 Règle de l'unicité de l intensité du courant Deux dipôles en série sont traversés par un même courant. L'intensité du courant à la même valeur en tous les points d'un circuit série. I = I AB = I CD La tension et l intensité dans un montage en dérivation (ou parallèle) : Loi d'égalité des tensions dans un circuit en dérivation Deux dipôles branchés en dérivation aux bornes d'un générateur sont soumis à la même tension qui est celle du générateur. Dans l'exemple ci-contre: P, E, A et C sont au même potentiel N, F, B et D sont au même potentiel U PN = U EF = U AB = U CD Loi d'additivité des intensités Dans un circuit en dérivation, l'intensité du courant dans la branche principale est égale à la somme des intensités des courants dans les branches dérivées. Loi des nœuds = La somme des intensités des courants qui arrivent à un noeud est égal à la somme des intensités des courants qui en partent. I = I AB + I CD Jean-Michel HERVIEU 4 BEES

5 En résumé Montage en série Montage en dérivation Intensités (I, I 1 et I 2 ) Tensions (U, U 1 et U 2 ) I = I 1 = I 2 I = I 1 + I 2 U = U 1 + U 2 U = U 1 = U 2 5. La résistance électrique Branchons aux bornes d'un générateur, une lampe adaptée. Elle fonctionne correctement puisqu'elle est adaptée à la tension du générateur. Ajoutons, en série avec la lampe, un dipôle récepteur quelconque. On observe alors que la lampe éclaire moins bien. On en déduit que le courant qui traverse la lampe est moins intense que précédemment. L'appareil ajouté en est responsable. Il freine le passage du courant. Il oppose au passage du courant une résistance électrique. La résistance se note R. L'unité de la résistance électrique est l'ohm (symbole Ω). On mesure une résistance électrique à l aide d un ohmmètre uniquement aux bornes de l appareil en dehors de tout circuit. 6. La Loi d Ohm Enoncé de la loi d'ohm La tension U aux bornes d un conducteur ohmique est égale au produit de sa résistance R par l intensité I du courant qui le traverse. Lorsque la résistance d un circuit augmente, l intensité du courant diminue. U = R I 7. La puissance La puissance d'un système est sa capacité à produire, à transformer ou à absorber de l'énergie. C'est la puissance d'un générateur produisant 1 joule par seconde. L'unité de puissance P est le watt, symbole W et le cheval vapeur (CV) qui vaut 736 W. Jean-Michel HERVIEU 5 BEES

6 On utilise aussi les multiples et sous-multiples suivants : - le milliwatt : 1mW = 0,001 W. - le kilowatt : 1 kw = 1000 W. et dans les centrales électriques : - le mégawatt : 1 MW = W. - le gigawatt : 1 GW = 1 milliard de watts. Puissance électrique en courant continu La puissance électrique absorbée par une charge purement résistive est proportionnelle à la tension U aux bornes de la résistance et au courant I traversant celle-ci. Ce qui peut se résumer par la formule : P = U I Formules qui en découlent : I = P / U U = P / I D'après la loi d'ohm on a : U = R.I ; En remplaçant U par RI dans la précédente formule on obtient la formule suivante : P = R I² Formules qui en découlent : En remplaçant I par sa valeur déduite de la loi d'ohm : I = U/R on obtient la formule : Formules qui en découlent : Jean-Michel HERVIEU 6 BEES

7 L électricité à bord L installation électrique à bord d un bateau se décompose toujours de la façon suivante : Production d énergie Alternateur Eolienne Panneau solaire Chargeur à quai Stockage de l énergie Batterie moteur Batterie servitude Distribution Câblage Protection électrique Tableau électrique Consommateurs Moteurs (démarrage), guindeaux, Eclairage Instruments Confort (frigo, chauffeeau, ) Toute installation électrique est construite sur la même base : inventaire matériel bilan d'énergie (bilan électrique) schéma de puissance schéma de distribution câblage Jean-Michel HERVIEU 7 BEES

8 1. Bilan électrique Un bilan électrique sert à la fois à dimensionner le parc de batterie et à déterminer quels sont les producteurs d'énergie à mettre en place pour répondre à la consommation d'électricité quotidienne. C'est une étape nécessaire pour mettre en place une installation adaptée aux besoins. Pour réaliser un bilan, il faut commencer par l'inventaire du matériel électrique utilisé en relevant pour chacun la puissance nécessaire à son fonctionnement (ces valeurs sont généralement indiquées sur les appareils et sont exprimées soit en Ampère soit en Watt). Ensuite l énergie consommée en est déduite en estimant la durée d'utilisation de chacun des appareils sur une période de 24 heures. Afin de prendre en compte le cas le plus critique, ce bilan sera réalisé pendant une période de navigation où l'énergie consommée est la plus importante. Consommateur Intensité (A) Temps sur 24h Consommation (AH) Feux de route Carré Cabine avant 1 0,5 0,5 Cabine arrière 1 0,5 0,5 VHF veille 0, ,8 VHF émission 4 0,25 1 Pompe électrique 2 0,5 1 Centrale de navigation 0, ,8 GPS 0,8 6 4,8 Radar Frigo Pilote Hi Fi Consommation journalière totale 203,4 La capacité nominale de la batterie du bord sera de 260 AH (100x203 AH / 80 = 253,75 AH afin de respecter les 80% maximum de décharge de leur capacité), afin de répondre à la quantité d énergie nécessaire pour alimenter l appareillage du bord dans des conditions normales d utilisation. La valeur théorique de l intensité de charge d un alternateur est d environ de 10% de la capacité nominale de la batterie : Q (AH) = I (A) x T (H) 10% de 260 AH = 26 A Dans une journée on consomme 203 AH, il faudra donc 203 / 26 = 7,8 heures pour recharger la batterie. En parallèle, les capacités des batteries s ajoutent. Si l on branche 3 batteries de 260 AH en parallèle, on obtient 780 AH. La charge de l alternateur passe alors à 10% de 780 AH = 78 A, le temps de charge est alors réduit à 203 / 78 = 2,6 heures!! Jean-Michel HERVIEU 8 BEES

9 2. Batterie Schéma d'une batterie On distingue 8 éléments principaux 1. Borne 2. Orifice de remplissage 3. Rampe de bouchons 4. Barrette de connexion 5. Elément 6. Séparateur 7. Plaque 8. Bac en polypropylène Lire une batterie Trois informations principales sont données sur l'étiquette d'une batterie : - La tension nominale 12V ; Elle est généralement de 12 volts. La batterie est composée de 6 éléments d'environ 2,2 volts auxquels correspondent les 6 bouchons qui se trouvent sur le dessus. - La capacité 60Ah Capacité (AH) = intensité (A) x temps de décharge (heure) C'est la quantité d'énergie que peut restituer la batterie correctement chargée dans des conditions normales (20 C) pendant 24 heures. Cette information est exprimée en ampère x heure. Exemple : Une batterie de 100 Ah peut faire fonctionner un appareil électrique consommant un courant de 5 ampères pendant 20 heures. - La puissance de démarrage 280A Elle est exprimée en ampères: c'est l'intensité que peut fournir une batterie de 12 volts à une température de -18 C pendant 30 second es sans que la tension ne tombe en dessous de 1,4 volts par élément. Une batterie de forte puissance peut être particulièrement utile pour une utilisation dans une région froide. Jean-Michel HERVIEU 9 BEES

10 La puissance de démarrage de la batterie doit être inférieure à la valeur autorisée respective du démarreur (risque de fondre la bobine ou endommager le pignon du lanceur ou la couronne dentée). Il existe 2 types de batteries : - les batteries de démarrage (de type automobile à électrolyte liquide), conçues pour fournir beaucoup d énergie pendant de temps, supportent très mal les décharges profondes et/ou prolongées - les batteries de servitudes (plomb-calcium à électrolyte liquide, électrolyte gélifié, à plaques de carbone), conçues pour fournir une certaine quantité de courant de manière régulière (toutefois éviter de descendre en dessous de 60% de décharge pour ne pas les détériorer durablement) Entreposage, utilisation et entretien Une batterie doit être entreposée dans un bac étanche et sanglé, dans un endroit soumis le moins possible à la gîte et ventilé. Il faut préférer une grosse batterie au branchement en parallèle ou en série de 2 batteries plus petites car seules 2 batteries de même capacité, type et âge peuvent être reliées entre elles. Il est conseillé d avoir une batterie indépendante des autres pour le démarrage du moteur. Les cosses doivent être propre, sans corrosion et graissées. Attention, toute batterie subit une décharge naturelle, or elles ne doivent jamais être déchargées à plus de 80% de sa capacité nominale. Il faut systématiquement recharger les batteries avant l hivernage et à leur remise en service. Jean-Michel HERVIEU 10 BEES

11 3. câbles Ils doivent être étamés et munis de cosses avec manchons thermo rétractables étanches. Proscrire les dominos dans la mesure du possible et préférer les cosses ou les soudures notamment au niveau du tableau électrique. Le choix d un câble se fait en fonction de son diamètre de section, de l intensité qui va le traverser et de sa longueur. Section en mm² Intensité m 4 m 6 m 8 m 10 m 80 A 60 A 40 A 25 A 12 A Longueur en m Jean-Michel HERVIEU 11 BEES

12 A noter : La résistance d'un fil cylindrique augmente quand la longueur du fil augmente et diminue quand son diamètre augmente. WD40 et graisse silicone pour garantir les contacts. 4. Coupe-circuit ou robinet Sa fonction principale est d isoler les batteries du reste du circuit et donc limiter leur décharge. Ce sont des éléments importants qui doivent être choisis en fonction du courant qui les traverse. Les contacts peuvent se charbonner et offrir une résistance au passage du courant provoquant ainsi une chute de tension suffisante pour empêcher le démarrage du moteur. Un robinet portant la référence 500 / 175 A laissera passer une pointe de 500 A pour démarrer le moteur et 175 A pour une utilisation continue. 5. Fusibles et tableau électrique Tableau électrique = centre névralgique de l électricité de bord. Le contrôle d un fusible peut se faire avec un ohmmètre : - s il indique 1., le fusible est grillé - s il indique 0 ou presque, le fusible assure la continuité dans le circuit, il est OK. Un fusible protège chaque appareil par un calibre d intensité légèrement supérieure à l intensité maximale demandée par l appareil : en cas de surcharge ou de courtcircuit, celui-ci fond et coupe le circuit. Certains instruments ont leur fusible intégré au fil positif de l alimentation. Jean-Michel HERVIEU 12 BEES

13 6. Alternateur La valeur théorique de l intensité de charge d un alternateur est d environ de 10% de la capacité nominale de la batterie. La puissance d'un alternateur marin doit être comprise entre 1/3 et 1/4 de la capacité du parc batterie à recharger. La puissance fournie par l alternateur varie en fonction de sa vitesse de rotation et à partir d une certaine vitesse de rotation (il ne suffit pas toujours de démarrer le moteur, il faut aussi monter dans les tours!!!) Le point d amorçage se fait autour de 1200 trs/min. L alternateur doit délivrer une tension de charge comprise entre 13,8 V et 14,4 V à une température de 20 C. Vérifier la tension de la courroie : en pressant la courroie, l enfoncement ne doit pas excéder 1 cm. Nota: le diamètre de la poulie du moteur doit être au moins 15% supérieur à celui de la poulie de l'alternateur. Vérifier le sens de rotation des ailettes de refroidissement. Montage électrique Sur un alternateur on trouve presque toujours quatre connexions: - B+: sortie positive de l'alternateur à relier à la borne positive de la batterie. - B: sortie négative de l'alternateur à relier à la borne négative de la batterie. - W ou R: signal sinusoïdal à relier au compte tours. - D+:cette connexion est utilisée lorsque l'alternateur est équipé d'une régulation interne, elle fournit l'énergie nécessaire à l'excitation au démarrage puis sert de référence pour la régulation quand l'alternateur produit de l'énergie et doit être reliée à la borne positive de la batterie lorsque le moteur tourne. W Jean-Michel HERVIEU 13 BEES

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16 7. Utiliser un multimètre La plupart des multimètres peuvent jouer le rôle de voltmètre, ampèremètre, ohmmètre. Pour choisir la fonction du multimètre : 1. sélectionner la position du commutateur de fonction, 2. connecter un fil à la borne COM (pour faciliter les repérages on emploie souvent un fil noir) 3. connecter un deuxième fil à la borne marquée du symbole de l'unité qui correspond à la grandeur qu'on veut mesurer. (on emploie souvent un fil rouge) Jean-Michel HERVIEU 16 BEES

17 En fonction voltmètre 1. Se renseigner sur le type du générateur qui alimente le montage où on fera les mesures. Choisir la position du commutateur Si la tension est continue, on sélectionnera un des calibres de la zone : Si la tension est alternative, on le choisira dans la zone : 2. Choisir l'emplacement des fils COM (fil noir) va à la borne V (fil rouge) va sur la borne + 3. Choisir le calibre Faire une estimation de la tension à mesurer et adopter un calibre supérieur à la valeur estimée. Par exemple, si le montage est alimenté par une batterie de tension 12 V, le calibre 20V conviendra. Si deux batteries sont montées en série, les tensions s ajoutent, on obtient alors une tension de 24V dans le circuit, il faudra alors passer au calibre supérieur! En fonction Ohmmètre On utilise l'un des calibres de la zone verte. On a le choix entre : 2 MΩ (mégohm) 200 kω (kilo ohm) 20 kω 2 kω 200 Ω (ohm) Rien n'étant connecté aux deux bornes de l'ohmmètre, on mesure la résistance de l'air entre ces deux bornes. Cette résistance est supérieure à 2 MΩ. L'ohmmètre ne peut pas donner le résultat de cette mesure, il affiche gauche de l'écran. à Choix du calibre : Si on n'a aucune idée de la valeur de la résistance à mesurer, on peut garder le calibre 2 MΩ et faire une première mesure. Si on connaît l'ordre de grandeur de la résistance, on choisit le calibre juste supérieur.à la valeur estimée. Il faut toujours extraire la résistance du circuit avant de la connecter à l'ohmmètre. La résistance à mesurer est simplement branchée entre la borne COM et la borne repérée par la lettre Ω. Jean-Michel HERVIEU 17 BEES

18 Pour plus d information : - Bibliographie et confort à bord. Voile et motonautisme de A. BREL Collection Technique Marine. Ed. E.T.A.I. Bien installer l électricité à bord de Wilhem GRIEFF Collection les Carnets techniques. Ed. Loisirs Nautiques 12 volts -230 volts, l électricité à bord de Jean-Philippe Malice Guide Expert Voiles. Ed. Voiles et Voiliers FFV HS 29 Ed. Loisirs Nautiques. - Et site Internet Jean-Michel HERVIEU 18 BEES