Composants de puissance (introduction) - Cours d'Electricité avec Maxicours

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Composants de puissance (introduction)

 Composants de puissance

Un des rôles du mécanicien industriel, et qui fait sa force, est de bien connaître les caractéristiques des divers éléments des équipements sur lesquels il aura à travailler.

Ainsi, s'il connaît bien les particularités des chaînes, des courroies ou des engrenages, il peut résoudre plus facilement un problème relié à ces éléments.

Dans certains cas, le mécanicien industriel devra porter le chapeau de l'électricien. Il est donc important qu'il soit familiarisé avec les caractéristiques des divers composants de puissance en électricité.

Ces connaissances s'acquièrent par un apprentissage pratique bien supporté par des notions théoriques.

Cette étude traite des caractéristiques de base des principaux composants de puissance comme:

  • les conducteurs;
  • les résistances;
  • les condensateurs;
  • les bobines;
  • les transformateurs;
  • Les moteurs électriques.

Les conducteurs

Les conducteurs sont des fils qui servent au transport de l'électricité.

Ils sont constitués d'une âme conductrice massive ou torsadée (on dit aussi câblée) et d'une enveloppe isolante (figure 4.1).

Ils se classent selon la section de l'âme conductrice exprimée en mm2 selon la norme NF C 32-013 CEI.

L'âme est caractérisée par sa souplesse par un indice de 1 à 6 (1 = rigide, 6 = extra-souple).

Figure 4.1     Conducteurs et câbles.

Un conducteur muni d'une protection par un revêtement extérieur est un câble unipolaire.

L'association de plusieurs conducteurs isolés les un des autres, mais mécaniquement solidaires par le revêtement extérieur constitue un câble multipolaire (figure 4.1).

Les conducteurs et câbles sont désignés à l'aide d'un code harmonisé ou bien à l'aide du code UTE gravé sur l'enveloppe extérieure et qui désignent :

- la tension nominale ;

- la nature des isolants, des gaines de protection métalliques et non métalliques ;

- la souplesse et la forme du câble.

Exemple :

U 1 000 R 2 V 3G10 câble normalisé UTE, tension 1 000 V, enveloppe isolante polyéthylène réticulé, sans bourrage, gaine de protection en polychlorure de vinyle, constituée de trois conducteurs de 10 mm2 dont un de protection.

Figure 4.2     Caractéristiques des conducteurs.

Section normalisées (mm2)
0,5 0,75 1 1,5 2,5 4 6 10 25 35 50
70 95 120 150 185 240 300 400 500 630 800

Section en mm2 Diamètre approximatif extérieur en mm Intensité admissible en A Masse en kg/km
1,5 3 22 20
2,5 3,6 30 30
4 4,2 40 45
6 4,7 52 63
10 6,5 71 115
16 7,5 96 175
25 9,2 127 275
Exemple donné pour un conducteur HO7 VK âme classe 5

Les résistances

Rappel : La résistance est identifiée par la lettre "R" et se mesure en ohm ().

On retrouve plusieurs types de résistance sur le marché. La figure 4.3 présente des résistances au carbone et bobinées.

Figure 4.3     Types de résistance.

La valeur des résistances bobinées peut généralement se lire directement sur celles-ci. On y retrouve également l'indication de la puissance maximale.

Quant à l'identification des résistances au carbone, elle se fait à l'aide d'un code de couleur comme cela est démontré à la figure 4.4.

Figure 4.4     Résistance avec un code de couleurs.

Le tableau de la figure 4.5 indique la signification de chacune des bandes de couleur inscrites sur la résistance.

Figure 4.5     Tableau du code de couleurs des résistances.

Couleur Couleur 1er et 2e chiffre Coefficient multiplicateur Tolérance
Noir
0 1 -
Marron
1 10 ± 1 %
Rouge
2 100 ± 2 %
Orange
3 1 000 ± 3 %
Jaune
4 10 000 ± 4 %
Vert
5 100 000 -
Bleu
6 1 000 000 -
Violet
7 10 000 000 -
Gris
8 100 000 000 -
Blanc
9 1 000 000 000 -
Or
- 0,1 ± 5 %
Argent
- 0,01 ± 10 %
Sans couleur - - ± 20 %

Exemple d' utilisation du code de couleurs :

1- Quelle est la valeur de la résistance si les quatre bandes de couleur sont :

Bleu - Noir - Jaune - Or

Solution: Bleu = 6 Noir = 0 Jaune = 10 000 = 104 Or = ± 5 %

La résistance est donc de :

60 x 10 000 = (600 000  ou 600 k) ± 5 %

2- Quelle est la valeur de la résistance si les quatre bandes de couleur sont :

Vert - Bleu - Noir - Marron

Solution:Vert = 5 Bleu = 6 Noir = 1 = 10° Marron = ± 1 %

La résistance est donc de :

56 x 1 = 56  ± 1 %

Comme il est difficile de se souvenir de l'ordre des couleurs, on peut y parvenir en apprenant une courte phrase dont la première lettre de chaque mot correspond à la première lettre d'une couleur.

Ainsi, la phrase est :

Ne Manger Rien Ou Jeûner, Voilà Bien Votre Grande Bêtise.

Figure 4.6     Tableau explicatif du truc.

Chiffre Couleur Couleur Lettre Phrase
0 Noir
N Ne
1 Marron
M Manger
2 Rouge
R Rien
3 Orange
O Ou
4 Jaune
J Jeûner
5 Vert
V Voilà
6 Bleu
B Bien
7 Violet
V Votre
8 Gris
G Grande
9 Blanc
B Bêtise

Le tableau de la figure 4.6 synthétise le truc en exposant les relations entre la phrase, l'ordre et la valeur des couleurs.

 

Les résistances variables

La résistance variable permet d'ajuster la valeur de la résistance en déplaçant une des bornes sur le pourtour de la résistance bobinée ou d'une piste circulaire en carbone.

Ce type de résistance sert souvent à ajuster ou à calibrer un circuit ou un appareil électrique. La figure 4.7 présente les principaux types de résistances variables, qu'on appelle également potentiomètre ou rhéostat.

Figure 4.7     Types de résistances variables.

Utilisation

Les résistance de faible puissance, particulièrement celles au carbone, se retrouvent le plus souvent dans les circuits de cartes électroniques.

Par contre, les résistances de plus grande puissance ont des applications aussi variées que le démarrage des moteurs électriques en allant jusqu'à servir d'élément chauffant.

De même, les résistances variables peuvent servir de boutons de réglage de la température d'un four ou de la commande de vitesse d'un moteur électrique. De ce fait, ce composant aurait pu tout aussi bien être classé parmi les composants de commande.

N'oubliez jamais que la meilleure méthode pour connaître la valeur en ohm d'une résistance, quelle soit variable ou de valeur fixe, consiste à utiliser un ohmmètre.

Le condensateur

Un condensateur est un composant qui s'oppose au changement brusque de la tension.

Il est comparable à un accumulateur en hydraulique.

Ce composant ne dissipe pas d'énergie ; il emmagasine l'énergie plutôt sous une forme qui peut, par la suite, être redistribuée dans le circuit.

Le principe de base de fonctionnement d'un condensateur (figure 4.8).

Figure 4.8     Construction d'un condensateur.

Cette valeur peut être influencée par trois facteurs:

  • l'aire des plaques;
  • leur épaisseur;
  • le type de matériau isolant.

Types de condensateurs

On retrouve sur le marché plusieurs types de condensateurs, que l'on peut cependant regrouper sous trois grandes classes (figure 4.9) :

  • les condensateurs non polarisés, qui peuvent être branchés sans tenir compte de la polarisation lors de leur branchement ;
  • les condensateurs électrolytiques qui eux, risquent d'être endommagés si on ne respecte pas leur polarisation ;
  • les condensateurs variables, qui permettent d'ajuster la valeur capacitive selon le besoin.

Figure 4.9     Différents types de condensateurs.

Le condensateur

Fonctionnement d'un condensateur en courant continu

Dans un circuit à courant continu, le condensateur se charge d'électrons jusqu'à ce qu'il atteigne la tension maximale de la branche du circuit.

Par la suite, il agit comme un circuit ouvert jusqu'à ce qu'il soit déchargé.

La figure 4.10 montre le fonctionnement d'un condensateur en courant continu.

Figure 4.10   Fonctionnement en courant continu.

La lumière s'éteint peu à peu au rythme de la décharge du condensateur.

Le condensateur

Fonctionnement d'un condensateur en courant alternatif

Généralement, la tension et le courant alternatif sont en phase figure 4.11 c'est-à-dire qu'ils atteignent leur minimum et leur maximum en même temps.

Figure 4.11   Déphasage dans une résistance.

Lorsqu'on incorpore un condensateur au circuit, la tension et le courant deviennent déphasés. La figure 4.11 bis nous présente ce déphasage.

Figure 4.11bis   Déphasage en courant alternatif.

On dit aussi que le courant est en avance sur la tension, car il atteint son maximum avant celle-ci.

La déphasage variera de 0°, pour un circuit purement résistif (résistance seulement), à 90° pour un circuit purement capacitif (condensateur seulement).

La valeur de certains condensateurs est inscrite directement sur ceux-ci. Une autre façon de les identifier consiste à utiliser un code de couleurs. Ce code peut varier selon le type de condensateur. Il est important de bien connaître la valeur et la tolérance en volt d'un condensateur avant de l'utiliser.

Electromagnétisme

Les bases de l'électromagnétisme nous fournissent des notions importantes pour la compréhension du fonctionnement des composants de puissance tels les bobines, les solénoïdes, les transformateurs et les moteurs.

L'électromagnétisme est aussi à l'origine du fonctionnement des relais de commande. Tous ces composants utilisent, d'une façon ou d'une autre, les propriétés de l'électromagnétisme qui sont :

  • lorsque le courant varie à l'intérieur d'un enroulement, une tension est induite à ses bornes ;
  • la valeur de la tension induite est proportionnelle au taux de variation du courant.

Ces énoncés ne vous semblent peut-être pas d'une quelconque utilité. Cependant, ce sont eux qui serviront à démontrer les diverses utilisations pratiques.

Les aimants sont très utiles pour aider à démontrer le magnétisme. La figure 4.12 (a) montre les lignes de champ qui entourent un aimant ; on peut remarquer qu'elles se déplacent toujours du nord vers le sud de l'aimant.

Figure 4.12   Attraction et répulsion des aimants.

Si on place deux aimants face à face [figures 4.12 (b) et (c)], ils se repoussent lorsque les deux pôles nord ou les deux pôles sud se font face, tandis qu'ils s'attirent mutuellement lorsque le nord fait face au sud.

Il est possible de recréer ce phénomène à l'aide d'un conducteur électrique. La première chose qu'il est bon de savoir est que lorsque le courant passe dans un conducteur, il engendre des lignes de champ magnétique qui entourent le conducteur (figure 4.13).

Ces lignes tournent dans un sens conventionnel qui respecte la loi de la main droite.

Figure 4.13   Loi de la main droite.

C'est la loi selon laquelle on saisit un conducteur avec la main droite alors que le pouce est dirigé dans le sens conventionnel du courant ; quant aux doigts de la main, ils donnent le sens des lignes de champ.

Conducteur haute tension

Vous avez sans doute déjà remarqué qu'il existe une bonne distance entre les fils d'une ligne de haute tension. Cette distance a pour but d'éviter que les lignes de champ de chacun des fils conducteurs ne puissent influencer ceux qui les entourent.

Si on dispose un fil conducteur en plusieurs enroulements ou spires, les lignes de champ s'additionnent pour créer un champ magnétique similaire à celui d'un aimant. C'est ce que l'on appelle un électroaimant (figure 4.14)

Figure 4.14   Électroaimant.

On peut aussi appliquer la règle du tire-bouchon qui dit que le sens des lignes de champ est celui dans lequel il faut faire tourner un tire-bouchon pour qu'il progresse dans le sens du courant.

L'inductance

L'inductance est un composant électrique qui s'oppose à la variation du courant.

La fabrication des inductances se fait en enroulant un conducteur autour d'un noyau.

L'inductance, dont le symbole est "L", se mesure en henry "H".

Cette valeur varie selon le nombre de spires et selon le type, l'aire et la longueur du noyau. La figure 4.15 présente ces différents facteurs.

Figure 4.15 Inductance.

La valeur d'une inductance peut être calculée par la formule suivante :

L = 1,25 

Dans laquelle :

L = inductance en microhenrys (µH).

N = nombre de spires.

S = aire du noyau (m2).

 = longueur du noyau (m).

Tel qu'illustré à la figure 4.15, le noyau est libre de se déplacer à l'intérieur de l'inductance. Lorsqu'un courant circule dans les enroulements, le noyau s'aimante et est attiré par les lignes de champs magnétiques.

Les relais, les solénoïdes et les freins magnétiques entre autres mettent à profit ce mode de fonctionnement.

Types d'inductance

Comme pour les résistances et les condensateurs, on retrouve des inductances fixes et des inductances variables.

La figure 4.16 montre quelques types d'inductances que l'on retrouve fréquemment. L'identification de la valeur se fait généralement directement sur les composants.

Figure 4.16   Types d'inductances.

Dans le cas des inductances variables, on fait généralement varier leur valeur en modifiant la longueur du noyau ou le nombre de spires.

L'inductance

Utilisation d'une inductance en courant continu

L'inductance comme nous l'avons vu précédemment, s'oppose aux variations brusques de courant.

Cette propriété peut être utile si on désire éviter que le courant passe instantanément d'une valeur nulle à son maximum.

Figure 4.17   Variation du courant.

La figure 4.17 montre que lorsqu'on ajoute une inductance au circuit, cela permet d'obtenir une augmentation graduelle du courant dans la charge et d'éviter une destruction.

L'effet contraire peut être observé lorsque le circuit est rouvert. L'inductance continue de débiter du courant pendant une certaine période de temps. Ce courant résiduel peut avoir pour effet de créer un arc électrique au niveau de l'interrupteur.

 

L'inductance

Effet d'une inductance en courant alternatif

Une inductance en courant alternatif crée un effet similaire à celui produit par un condensateur.

En effet, c'est la tension qui devance le courant, comme cela est présenté à la figure 4.18.

Figure 4.18   Déphasage en courant alternatif.

Comme pour le condensateur, le déphasage peut varier de 0°, lorsque le circuit est purement résistif, à 90°, lorsque le circuit est purement inductif.

Les transformateurs

Les transformateurs sont des composants électriques très utilisés dans l'industrie. Leur principal rôle consiste à augmenter ou à diminuer l'amplitude d'une tension.

Le transformateur est composé, de deux enroulements (figure 4.19). Le côté alimenté par la source est appelé "primaire" tandis que celui qui produit la tension induite s'appelle "secondaire".

Figure 4.19   Construction d'un transformateur.

Les deux enroulements sont attachés sur un noyau généralement fait de fer doux en raison de ses bonnes caractéristiques magnétiques.

Rapport de transformation

Le rapport qui existe entre le nombre de spires du secondaire sur celui du primaire est une valeur très importante. Elle permet de calculer la tension ou le courant, car leur rapport réciproque est directement relié à celui des enroulements :

Avec

n2 = nombre de spires au secondaire.

n1 = nombre de spires au primaire.

U2 = tension au secondaire.

U1 = tension au primaire.

I2 = courant au secondaire.

I1 = courant au primaire.

m = rapport de transformation.

Cette équation permet, ici encore, de supposer que rien ne se perd, rien ne se crée.En effet, même si la tension et le courant varient, la puissance de chaque côté du transformateur est la même (P1 = P2).

La puissance, dans un transformateur s'exprime en Voltampère (VA) :

P (en VA) = U (en V) x I (en A).

 

Les transformateurs

Exemple de calcul d'un transformateur:

Si dans le circuit de la figure 4.20, n1 = 500 spires et n2 = 50 spires, quel sera :

a) le rapport de transformation ;

b) la tension aux bornes de la charge ;

c) le courant fourni par la source.

Figure 4.20   Circuit de transformation.

Solution:

a) Le rapport de transformation se calcule au moyen du nombre de spires du secondaire et du primaire :

m = 0,1 c'est un transformateur abaisseur de tension

 Si le rapport de transformation m est inférieur à 1, le transformateur est "abaisseur de tension". Si le rapport de transformation m est supérieur à 1, le transformateur est "élévateur de tension".

 

b) La tension de la source et le rapport de transformation permettent de connaître la tension aux bornes de la charge :

Donc,

c) Pour calculer le courant fourni par la charge, on doit d'abord connaître celui tiré par la charge :

Par la suite, on emploie le rapport de transformation :

Pour vérifier la justesse de vos réponses, vous pouvez calculer la puissance au primaire pour la comparer à celle au secondaire :

P1 = 120 V x 0,016 A = 1,92 VA

P2 = 12 V x 0,16 A = 1,92 VA

P1 = P2

Utilisation des transformateurs

Pour réduire au minimum les pertes dues au transport de l'électricité, on doit effectuer son transport sous le courant le plus faible possible.

Ce qui signifie que pour déplacer de grandes quantités d'énergie sur une longue distance, on augmente la tension, réduisant ainsi le courant. La figure 4.21 montre un exemple de l'utilisation des transformateurs dans un réseau électrique.

Figure 4.21   Distribution de l'électricité.

On peut remarquer que les transformateurs sont grandement utilisés dans la distribution de l'électricité.

Les transformateurs sont également utilisés à l'intérieur de l'usine :

les équipements ne fonctionnent pas tous à la même tension. On se sert parfois des transformateurs pour effectuer le démarrage des moteurs électriques. On appelle cette application le démarrage par autotransformateur.

Types de transformateur

Les transformateurs existent sous différentes formes et dimensions selon le type de transformation et la quantité d'énergie à transformer.

La figure 4.22 en présente quelques types. On peut également classer les transformateurs selon les possibilités offertes.

Figure 4.22   Types de transformateur.

 

La majorité des transformateurs ont un rapport de transformation fixe, c'est-à-dire qu'on ne peut changer facilement.

Il existe cependant des transformateurs qui possèdent trois bornes de sortie. Ce type permet une certaine flexibilité en donnant la possibilité de diviser la tension de sortie par l'intermédiaire d'une prise médiane.

Le troisième type est le transformateur variable qui offre une plus grande gamme d'options. La figure 4.23 présente schématiquement ces trois types de transformateur.

Il est à noter que chacun de ces types existe également pour les systèmes triphasés.

Comme pour la majorité des composants, il est très important de vérifier les caractéristiques du transformateur avant de l'installer dans un système. Le rapport de transformation, la puissance maximale ainsi que la tension à l'entrée sont celles que l'on vérifie le plus fréquemment.

Figure 4.23   Transformations électriques.

 

 On peut comparer les transformateur à une boîte de transmission, laquelle permet de réduire la vitesse et d'augmenter le couple, ou le contraire.

 

 

 

En résumé sur les composants de puissance

A la suite de cette étude, vous devriez retenir plus particulièrement les points suivants :

- les conducteurs sont des fils qui servent au transport de l'électricité ;

- la dimension d'un fil varie selon son courant maximal ;

- le code de couleurs des résistances sert à identifier la valeur de ces mêmes résistances ;

un condensateur s'oppose au changement brusque de la tension ;

- la valeur des condensateurs, dont le symbole est "C", se mesure en farad, "F" ;

- le condensateur électrolytique sera endommagé si on ne respecte pas le sens de sa polarisation lors de son branchement ;

- le courant est en avance sur la tension en courant alternatif ;

l'inductance est un composant qui s'oppose à la variation brusque du courant ;

- l'inductance dont le symboles est "L", se mesure en henry, "H" ;

- l'inductance peut servir de temporisateur, en courant continu, afin d'éviter une augmentation trop soudaine du courant ;

la tension dans l'inductance est en avance sur le courant, en courant alternatif ;

le rôle d'un transformateur est d'augmenter ou de diminuer l'amplitude d'une tension ;

- dans un transformateur 

 m est le rapport de transformation 

- la puissance est la même de chaque côté d'un transformateur.

Cette étude vous a permis de connaître les principaux composants de puissance utilisés en électricité. Ces notions vous permettent de mieux comprendre un système électrique.

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