PLAN DE LA LEÇON N 4 TITRE DE LA LEÇON : Matériaux et appareillage électrique OBJECTIFS : A la fi de la séace l'étudiat doit être capable de : Recoaître et classifier les matériaux à usage équipemets idustriels ; Idetifier l'appareillage électrique d'ue istallatio idustrielle ; Savoir les dispositifs de protectio d'ue istallatio idustrielle ; Recoaître les différets paramètres de choix d'u dispositif de protectio ; Choisir l'appareillage adéquat à la foctio de protectio PRE-REQUIS : Lois d'électricité Appareils de mesure H BEN AMMAR 32
OBJECTIF GENERAL : MATERIAUX ET APPAREILLAGE ELECTRIQUE Idetifier et choisir u appareillage de protectio des istallatios idustrielles OBJECTIFS SPECIFIQUES ELEMENTS DE CONTENU METHODOLOGIE ET MOYEN EVALUATION DUREE Recoaître et 1 Les matériaux Exposé Formative 60 m classifier les matériaux coducteurs iformel à usage équipemets idustriels 2 Les matériaux isolats Notes de cours 3 Les matériaux magétiques Idetifier 1 Fusible Exposé Formative 120 m l'appareillage électrique d'ue istallatio idustrielle - Classificatio - Sélectivité 2 Sectioeur porte iformel Notes de cours Exemples Recoaître les fusible différets paramètres 3 Relais de choix d'u - Thermique dispositif de protectio - Magétique 4 Disjocteurs 5 Cotacteurs H BEN AMMAR 33
MATÉRIAUX ET APPAREILLAGE ÉLECTRIQUE I Classificatio des matériaux A propos des istallatios électriques, les matériaux utilisés sot les suivats : Les matériaux isolats ; Les matériaux coducteurs ; Les matériaux magétiques I1 Matériaux isolats La résistace des matériaux déped de la propriété suivate : où R L S : La résistivité du matériau e [ m] R : L : S : La résistace du matériau e La logueur du matériau e [ ] ; [ m ] ; 2 La sectio du matériau e [ m ] Gééralemet la résistace des matériaux isolats est très élevée, elle est de l'ordre de 10 6 [ cm] O distigue trois états d'isolatio : Isolatio gazeuse ; Isolatio liquide ; Isolatio solide I11 Les isolats solides Trois différets isolats solides qui se présetet : Isolats miéraux : comme le fibre de verre, le porcelaie et le mica; Isolats orgaiques : comme le papier, le bois et le coto ; Isolats sythétique : comme le bakélite, le thermoplastique et le thermodurcissable ; H BEN AMMAR 34
I12 Les isolats liquides O distigue deux sortes d'huiles : L'huile miérale qui présete le risque d'oxydatio icedie ; L'huile lourde (sythétique) employé das les trasformateurs et les disjocteurs de puissace I13 Les isolats gazeux Gééralemet les isolats gazeux sot utilisés das les chambres de coupure de haute puissace Les plus utilisés sot : L'air est le pus simple isolat gazeux ; L'hexafluorure de soufre (SF6) : c'est u gaz lourd et o toxique Il est utilisé das les disjocteurs de haute tesio I2 Matériaux coducteurs La résistace des matériaux est exprimée par la même relatio que le paragraphe précédet : L R S Ils sot caractérisés par sa faible résistivité, qui déped du métal utilisé et qui est de l'ordre de 10 6 [ cm] Le cuivre et l'alumiium sot les plus employés pour la fabricatio des câbles et des appareils électriques L'arget présete ue boe coductivité, il est mois utilisé est plus coûteux, gééralemet il est utilisé pour revêtemet de certais cotacts afi d'éviter toutes sortes d'oxydatio I21 Le cuivre et ses alliages Le cuivre est caractérisé par sa faible résistivité 1,72 10 6 [ cm], il est classé parmi les bos coducteurs électriques utilisés pour les câbles et les coducteurs de faible perte fer O distigue les alliages suivats : Cuivre (Cu) pur : utilisatio : câbles, barres, bobiages et collecteurs ; Le laito est u alliage de cuivre (Cu) et de zic (Z), sa résistivité 6,4 10 6 [ cm] Le broze est u alliage de cuivre (Cu), d'alumiium (Al) et de plomb (Pb), sa résistivité 15 10 6 [ cm] H BEN AMMAR 35
I22 Alumiium et ses alliages L'alumiium est compté parmi les bos coducteurs 2,8 10 6 [ cm], mais il est caractérisé par sa souplesse et sa flexibilité C'est pour cette raiso qu'o cherche à le durcir par u traitemet thermique O distigue les alliages suivats : Alumiium (Al) pur : il est coçu pour la fabricatio des cages de moteurs asychroes à rotor e court-circuit, et appareillages ; Alumiium (Al) plus cuivre (Cu) : ils servet à la fabricatio des eroulemets des machies tourates, aisi pour les câbles us ; Alumiium (Al) plus Magésium (Mg) et Silicium (Si) : O les utilises pour la fabricatios des disjocteurs et des carcasses des moteurs I23 Arget et ses alliages Arget pur 1,5910 6 [ cm] : utilisé pour les cotacts ioxydables ; Arget (Ag) plus Cadmium (Cd) : présete ue faible résistace de cotact I24 Matériaux pour fusibles Pour assurer la sécurité des persoes, o utilise des matériaux de faible résistivité et présete ue faible température de fusio L'arget (Ag) pour les fusibles à haute tesio ; L'arget (Ag) plus le plombe (Pb) pour les fusibles basse tesio ; L'alumiium (Al) pour les fusibles basse tesio et faible calibre I3 Matériaux magétiques Les matériaux magétiques sot très employés das les circuits magétiques des machies, qui assuret ue trasformatio de l'éergie électrique ou mécaique Ces matériaux possèdet ue courbe d'aimatatio de l'iductio magétique (B) e foctio du champ magétique (H), suivat la relatio : Où a 0 0 r B H a : la perméabilité absolue des matériaux 7 : la perméabilité à vide 0 4 10 r : la perméabilité relative déped du matériau H BEN AMMAR 36
I31 Matériaux pour champ à iductio costate O utilise fer dur pour la fabricatio des pôles iducteurs et des électro-aimats à courat 4 cotiu dot la perméabilité relative est de r 10 I32 Matériaux pour champ à iductio variable Les trasformateurs, ce sot des machies de trasformatio d'éergie e ue éergie électrique coservatrice de puissace, ce qui écessite u matériau de faible perte fer : pour les fréqueces de 50 Hz; o utilise les alliages de fer (Fe) et de silicium (Si) pour les hautes fréqueces f 50Hz ; o utilise les alliages métalliques comme le fer (Fe), le Nickel (Ni) et le molybdèe (Mo) ou le céramique (M Fe2 O3) I33 Matériaux pour aimats permaets O utilise des matériaux durs et idéformables pour les hauts parleurs e alumiium (Al), le Nickel (Ni) et le cobalt (Co); et pour les moteurs d'horlogerie le platie (Pt) et le cobalt (Co) II Appareillage électrique idustriel U appareillage électrique est u esemble de dispositifs de commade, de protectio et de sécurité, capable de cotrôler l'éergie électrique mise à la dispositio des idustriels ou des particuliers Le choix approprié lors de l'implatatio d'u appareil est détermié selo : La ature de courat ; La foctio d'u appareil électrique ; La tesio de réseau : c'est la tesio maximale d'utilisatio ; Le courat omial : c'est le calibre de l'appareil qui correspod au courat permaet maximal d'utilisatio ; Le pouvoir de coupure : valeur du courat de court-circuit qu'u appareil est capable d'iterrompre L'appareillage électrique est classé selo les foctios à assurer II1 Les fusibles II11 Défiitio Le pricipe de la protectio par fusible cosiste à itroduire das le circuit à protéger u coducteur calibré qui e cas de surcharge, s'échauffera par effet Joule jusqu'à atteidre sa température de fusio H BEN AMMAR 37
II12 Symbole Fig41 Symbole d'u fusible II13 Caractéristiques des fusibles Ils sot caractérisés par : a L'itesité omiale (I) : c'est le passage du courat à travers sas provoquer la fusio du coducteur fusible ; b La tesio omiale (U) : c'est la tesio maximale d'utilisatio du fusible, gééralemet 250Vou 500V ; c Pouvoir de coupure (Pdc) : c'est le courat de court-circuit maximal qui peut le supporter sas dager Exemple : le type HPC (haut pouvoir de coupure), HPC>10KA ; d Courat de o fusio (If) : c'est la valeur spécifiée du courat qui peut être supportée par le fusible sas foudre pedat le temps spécifié (a) ; e Courat de fusio (If) : c'est la valeur spécifiée du courat qui provoque la fusio avat la fi du temps spécifié (b) s Courbe de o-fusio Fig42 Courbes de temps-courat 1h (c) Courbe de fusio II14 Classificatio O distigue quatre classes de fusibles selo le récepteur associé : a Classe gg(gl gi) et gf : Ce sot des fusibles associés à des récepteurs à caractère résistif, tel que le calibre choisi I 1,1 I b Classe gt : ils ot les mêmes caractéristiques que celui de la classe gf, mais plus rapide ; I If If (a) (b) 0 10 15 19 ; A H BEN AMMAR 38
c Classe am (accompagemet moteur) : Ils sot utilisés pour protéger des moteurs dot le courat de démarrage est de six fois plus que le courat omial, le calibre choisi I 6 II15 Sélectivité I La sélectivité cosiste à choisir le type du calibre du dispositif de protectio pour assurer la protectio de la partie du circuit e défaut La sélectivité etre les fusibles s'obtiedra e teat compte : du type d'appareil électrique à protéger : moteur, four, éclairage ; des caractéristiques I, If, If et t ; de la série du fusible am, gf ou gg ; de l'emplacemet e amot ou e aval des fusibles das le circuit am 400 am 125 Fig43 Sélectivité ampèremétrique am 32 gf 25 gf 50 M Moteur Eclairage Four II2 Les sectioeurs II21 Défiitio Ils sot destiés à établir ou à iterrompre la cotiuité d'u circuit électrique à vide ou à l'isoler d'autres circuits Alors, les sectioeurs e possèdet aucu pouvoir de coupure, ils e sot capables de couper que des courats très faibles Pour assurer la protectio cotre les coupes circuits, o utilise des cartouches fusibles H BEN AMMAR 39
II22 Symbole L1 L2 L3 N 13 23 1 3 5 Commade mauelle 14 24 Cotacts auxiliaires Fig44 Sectioeur porte fusible à trois pôles 2 4 6 Cotacts pricipaux II23 Caractéristiques des sectioeurs Ils sot caractérisés par : a l'itesité omiale (I) : c'est le calibre du courat maximal d'utilisatio ; b la tesio omiale (U) : c'est la tesio d'utilisatio maximale ; c la commade : les courats maœuvrés par les sectioeurs sot très importats, d'où l'utilité d'u verrouilleur mauel pour éviter u ouverture accidetel du sectioeur II3 Les cotacteurs II31 Défiitio Ce sot des appareils de commade, doués d'u pouvoir de coupure, qui permettet d'établir ou d'iterrompre u circuit e charge Par u bouto poussoir ou par télécommade, qu'o peut foctioer ou iterrompre u foctioemet d'ue istallatio idustrielle II32 Symbole A1 13 21 1 3 5 Bobie du cotacteur A2 14 22 Cotacts auxiliaires 2 4 6 Cotacts pricipaux Fig45 Symbole d'u cotacteur H BEN AMMAR 40
II33 Caractéristiques des cotacteurs Ils sot caractérisés par : a la tesio omiale (U) : c'est la tesio maximale d'utilisatio ; b l'itesité omiale (I) : c'est le calibre de l'appareil qui correspod au courat maximal d'utilisatio ; c le pouvoir de coupure (Pdc): c'est la valeur du courat maximal qui peut le couper ; d la durée de vie : c'est le ombre de maœuvres maximale assuré ; e le ombre de pôles : selo le type d'istallatio et le régime de eutre ; f la catégorie d'emploi : chauffage, distributio tripolaire, machies à outils (les cotacteurs, telle que la télémécaique, classe les catégories d'emploi par des symboles : AC1 : récepteurs résistifs ; AC2 : moteurs à bagues ; AC3 : moteurs à cage ; AC4 : moteurs à freiage par cotre courat g la ature du circuit de commade et la fréquece du réseau de distributio II4 Les disjocteurs II41 Défiitio Ce sot des appareils qui coupet le circuit lorsque le courat dépasse largemet le courat omial, ils sot doués d'u pouvoir de coupure H BEN AMMAR 41
II42 Symboles et costitutio Fig46 Disjocteur tripolaire 1 3 5 (a) 2 4 6 (c) (b) (f) (e) (d) Cotacts pricipaux (a) : Orgaes d'établissemet et d'iterruptio du courat (b) : Dispositif de cotrôle magétique Irm (c) : Dispositif de cotrôle thermique Irth (d) : Dispositif de cotrôle du courat de défaut I (e) : Dispositif de commade automatique asservi directemet (f) : Dispositif de commade mauelle directe II43 Caractéristiques Ils sot caractérisés par : a la tesio omiale (U) : c'est la tesio maximale d'utilisatio ; b l'itesité omiale (I) : c'est le calibre de courat maximal d'utilisatio ; c le pouvoir de coupure (Pdc) : c'est la valeur du courat de court circuit maximal qui peut le couper ; d le ombre de pôles : selo le type d'istallatio et le régime de eutre, o choisi u disjocteur uipolaire, bipolaire ou tripolaire ; e les types de protectio à assurer : o distigue trois types de déclechemet selo le courat de court circuit (Irm), le courat de surcharge (Irth) et le courat de défaut ( I) H BEN AMMAR 42
II431 Disjocteur à déclechemet magétique (I rm ) II4311 Symbole 1 3 5 Fig47 Disjocteur magétique II4312 Réglage magétique Le disjocteur magétique admet u dispositif de déclechemet cotre les courats de surcharge et jusqu'à les itesités de court circuit Le courat de réglage magétique varie de 5 à 10 fois le courat omial du récepteur, 5I I 10 rm I 2 4 6 Le temps de déclechemet varie de 1ms td 5ms II432 Disjocteur à déclechemet thermique (Irth) II4321 Symbole 1 3 5 Fig48 Disjocteur thermique 2 4 6 II4322 Réglage thermique Le disjocteur est doté d'u dispositif de cotrôle des faibles surcharges, réglable de 0,7 à 1 fois le courat omial Alors, u déclecheur magétothermique est l'associatio des deux orgaes "thermique et magétique", assurat à la fois u cotrôle de faible et forte surcharge jusqu'à le courat court circuit, où 5I I 10 rm I et 0,7I I rth 1 I 6I rth I rm 12 Irth H BEN AMMAR 43
II433 Disjocteur différetiel ( I) II4331 Foctioemet Il se comporte d'u circuit magétique e forme de tore supporte des bobies traversées par les courats das chaque phase E foctioemet ormal, l'itesité est idetique das chaque coducteur : les flux produits par les bobies s'aulet Si u courat de fuite apparaît, il y a différece d'itesité das les phases et u flux magétique pred aissace das ce tore Ce flux crée u courat iduit das la bobie du relais qui agit sur u orgae de coupure voir (fig49) Id Fig49 Pricipe du disjocteur différetiel triphasé Ph1 Ph2 Ph3 N S2 S3 E2 E1 S1 Ph1 Ph2 Ph3 N Id E3 Id Le courat d'excitatio de la bobie d'eclechemet du disjocteur différetiel II4332 Caractéristiques d'u disjocteur différetiel U disjocteur différetiel est essetiellemet caractérisé par sa sesibilité, qui déped du lieu d'utilisatio "domestique, idustriel ", et de ombre des pôles "moo polaire, bipolaire ou tripolaire" Les classes les plus courats sot : haute sesibilité : 6, 12,30 ma à usage domestique ; moyee sesibilité : 100, 300, 500 ma à usage idustriel ; O doit teir compte aussi des paramètres suivats : a tesio omiale (U) : c'est la tesio maximale d'utilisatio ; b itesité omiale (I) : c'est le calibre de courat maximal d'utilisatio ; c pouvoir de coupure (Pdc) : c'est la valeur du courat de court circuit maximal qui peut le couper ; H BEN AMMAR 44
II5 Les relais II51 Défiitio Les relais sot des appareils qui cotrôlet la valeur d'u paramètre électrique Ils provoquet l'ouverture ou la fermeture du circuit de puissace et de commade lorsque le courat dépasse la limite affectée II52 Symbole 1 3 5 Fig410 Relais magétothermique 2 4 6 II53 Relais thermique Il est basé sur le pricipe de dilatatio d'u bilame de métaux de coefficiet de dilatatio différete Ce type de relais est utilisé pour la protectio cotre les faibles surcharges, tel que le courat de réglage thermique est de 0,7I I rth 1 I II54 Relais magétique Ce type de relais est utilisé pour la protectio cotre les courts-circuits, tel que le courat de réglage magétique de 6I I rm 10I H BEN AMMAR 45