energie electrique : distribution et conversion

S.T.S Informatique et Réseaux pour l’Industrie et les Services techniques
Physique appliquée : Réflexions pédagogiques. Thème VIII version du 27/02/03
Document issu d’un travail collectif dirigé par Joëlle JACQ IA-IPR Académie d’Aix-Marseille Page 1 sur 11
Le thème VIII tient le plus grand compte de l'existence du double débouché de la filière tel qu’il est décrit par le
R.A.P (Référentiel des Activités Professionnelles) :
- dans le domaine de la commande de systèmes industriels (objet traditionnel de l’informatique industrielle),
le technicien supérieur intervient sur des procédés mettant en œuvre l'informatique, non seulement sous
l'angle de la gestion et du suivi, mais aussi, nécessairement, sous celui du pilotage des actionneurs
électromécaniques : il est donc susceptible d’être confronté, même indirectement, aux courants forts et aux
tensions élevées.
- dans le domaine des réseaux (qui est en pleine expansion) les matériels utilisés par le technicien supérieur
seront essentiellement des ordinateurs, des périphériques et leurs câbles de raccordement entre eux et au
réseau E.D.F. Ils sont alors susceptibles de rencontrer, par exemple : transformateur, moteurs pas à pas,
moteurs à courant continu à aimants permanents), alimentations…
Bien que n'étant pas un véritable électrotechnicien, le technicien supérieur I.R.I.S se doit pourtant de posséder un
minimum de culture électrotechnique afin d'être en mesure de dialoguer avec les spécialistes, dans le cadre d'un travail en
équipe, et cela dans les deux domaines possibles d’activités rappelés ci-dessus.
La partie électrotechnique du programme comporte les trois approches suivantes :
- une approche « Distribution électrique et sécurité » (VIII.1),
- une approche « Machines tournantes » (VIII.2),
- une approche « Signaux de puissance » (VIII.3).
Celles-ci sont volontairement très éloignées du style traditionnellement utilisé jusqu’à présent lors de la préparation au
baccalauréat génie électrotechnique, dont le programme peut être téléchargé à l’adresse : www.eduscol.education.fr/prog
Propositions didactiques :
Les prérequis sont issus des programmes des terminales scientifiques et technologiques. Tout en apportant des
connaissances et des compétences utiles au technicien supérieur de la spécialité I.R.I.S, l’approche retenue ne nécessite pas de
connaisssances ou de compétences que ne pourraient posséder des étudiants non issus de la filière de baccalauréat
technologique génie électrotechnique.
Thème VIII. ENERGIE ELECTRIQUE : DISTRIBUTION ET CONVERSION.
VIII.1. Distribution électrique et sécurité.
Notions générales sur le transport et la distribution de l’énergie électrique ;
rôles d’un transformateur.
Sécurité : danger d'électrocution ; limites des domaines de tension ; régime de liaison à la terre.
VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie.
Notions générales sur la conversion électromécanique.
Réversibilité de fonctionnement d’une machine électrique tournante.
Définitions : puissance absorbée par une machine électrique et puissance utile.
Moteurs pas à pas.
VIII.3. Conversion statique d’énergie.
Notions générales sur l’Electronique de puissance et sur le pilotage des machines électriques.
Conversion continu-alternatif et conversion continu-continu.
Définitions : puissance active ; puissance apparente ; facteur de puissance.
Notions sur la pollution électromagnétique.

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VIII.1. Distribution électrique et sécurité.
Eléments d’analyse du programme :
Tout technicien supérieur travaillant dans un domaine où l’énergie électrique est mise en œuvre doit avoir un
minimum de connaissances sur la distribution de cette énergie (depuis la centrale électrique jusqu’à la prise de courant).
Dans son environnement quotidien, le technicien supérieur de la spécialité I.R.I.S est susceptible de rencontrer, autour
de l'ordinateur, des tensions appartenant aux différents domaines : par exemple, la T.B.T, pour l’alimentation des cartes, la
B.T A, pour la liaison de l'ordinateur au réseau de distribution et la H.T pour le canon à électrons des tubes cathodiques. Il doit
donc posséder un minimum de connaissances sur le risque électrique, faute de quoi, il lui sera impossible de comprendre, en
particulier, les principes scientifiques à la base des méthodes permettant d’améliorer la sécurité des personnes et la protection
des matériels : cette approche de l'électrotechnique permet d’acquérir et/ou de compléter des connaissances scientifiques. Ce
thème sera l'occasion d'introduire les notions de régime de liaison à la terre, de dégager les lois physiques qui interviennent
dans le fonctionnement des disjoncteurs différentiels et les phénomènes d'électrocution (intensités de courant permanentes
admissibles en fonction des situations). La prévention des risques électriques doit être un souci permanent et les consignes de
sécurité seront rappelées aussi souvent que possible durant les deux années de préparation au B.T.S. Tout cela se fera en
relation avec la préparation à l’habilitation électrique inscrite par ailleurs dans le programme des enseignements professionnels.
Il est conseillé de consulter le référentiel de préparation à l’habilitation électrique du B.T.S I.R.I.S.
Elément documentaire n°1 : Tableau des différents domaines de tensions.
DOMAINES DE TENSION
Tension nominale UN en volts
En courant alternatif
En courant continu
T.B.T.
(Très Basse Tension)
UN < 50
UN < 120
B.T.
(Basse Tension)
B.T.A.
50 < UN < 500
120 < UN < 750
B.T.B.
500 < UN < 1000
750 < UN < 1500
H.T.
(Haute Tension)
UN > 1000
UN > 1500

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Elément documentaire n°2 : Régime TT de liaison à la terre.
Première
lettre:
Situation du neutre par rapport à la
terre
T
Liaison directe du
neutre
à la terre
Deuxième
lettre:
Situation des masses de
l’installation
T
Interconnexion des masses et
liaison
à une prise de terre distincte
230V
Neutre à la terre
Masse à la terre

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On a le plus souvent observé que les accidents les plus graves contre la sécurité des personnes résultent de la
conjonction de défauts matériels et d’erreurs humaines commises par ignorance, par imprudence ou par négligence.
La législation est construite pour gérer la vie en société : par une batterie d’obligations, d’interdits et de textes
normatifs, la société organise la sécurité du citoyen dans sa vie personnelle et dans sa vie professionnelle.
Les progrès scientifiques et techniques ont conduit à des progrès certains en matière de sécurité des personnes et de
protection des matériels en permettant d'imposer des normes de plus en plus restrictives dictées par les statistiques sur les
accidents, mais ce sont les lois de la Physique qui donnent des éléments d’explication aux accidents observés et conduisent à
imaginer des parades susceptibles de les éviter à l’avenir.
Toutefois, il serait vain d’attendre de ces progrès scientifiques et techniques l’éradication de tout danger : le risque
zéro reste une utopie. Comme, de plus, l’illusion de la surprotection conduit à une très dangereuse déresponsabilisation,
l’apprentissage de la prévention des risques devient plus que jamais une composante de l’éducation des jeunes c’est à dire des
futurs citoyens. Pour diminuer les accidents, il appartient à l’Ecole de participer à cette éducation : la vigilance des professeurs
doit donc davantage encore se tourner vers l’éducation des étudiants à la sécurité car ses effets se feront sentir bien après la
sortie du système éducatif.
Il faut bien noter que la prise en compte des problèmes de sécurité n’alourdit pas le traitement des programmes mais
constitue une mine d’exemples de raisonnements pour faire acquérir des connaissances et des savoir-faire dans le champ
disciplinaire.
Propositions didactiques :
Le professeur présentera un panorama général de l’électrotechnique (production, transport et utilisation de l’énergie
électrique) dans lequel les grandes fonctions de l’électrotechnique seront justifiées au passage (rôle d'élévateur ou d'abaisseur
de tension du transformateur triphasé et du transformateur industriel, intérêt du transport de l’énergie électrique sous la forme
triphasée plutôt que monophasée, intérêt du transport de l’énergie électrique sous haute tension).
Le transformateur sera étudié sous l'angle de l'isolation galvanique (le professeur signalera au passage l’absence
d'isolation galvanique dans le cas de l'autotransformateur).
Propositions d’activités au laboratoire pour les étudiants (4 séances de 2h) :
Les étudiants mettront en œuvre des montages alimentés en Basse Tension du domaine A (B.T.A), soit monophasée,
soit triphasée équilibrée. Ils y mesureront des grandeurs électriques : intensité d’un courant à l’aide d’une pince
ampèremétrique, puissance active à l’aide d’une pince multifonctions. Cette activité, qui sera l’occasion d’une réflexion sur le
risque électrique en Basse Tension et des moyens de s’en protéger, devra obligatoirement être menée avant le départ en stage
industriel.
T.P n°VIII.1.a : travail en B.T.A sur un transformateur.
Il s’agit prioritairement de montrer l’intérêt du transformateur dans la distribution électrique. Ce T.P sera aussi
l’occasion d’effectuer des mesures de grandeurs électriques et d’utiliser une pince ampèremétrique. On se limitera aux mesures
mettant en évidence les formules du transformateur parfait (rapport des tensions et des courants).
T.P n°VIII.1.b : sécurité électrique.
Dans le cas du régime T.T, il s’agit d’utiliser des outils logiciels pour simuler des situations dangereuses et pour les
modéliser afin d’expliquer scientifiquement les origines du danger et de prévoir la manière de s’en protéger.
T.P n°VIII.1.c : triphasé.
On fera observer aux étudiants les signaux issus du secteur triphasé. Cette activité, qui devra être menée selon les
règles de l’art, en utilisant le matériel adéquat (capteurs de courants, oscilloscopes de classe I à entrées différentielles ou
oscilloscopes de classe II) sera une nouvelle occasion de réflexion sur le risque électrique en B.T.A et sur les moyens de s’en
protéger.
On utilisera aussi des logiciels de simulation, pour mettre en évidence l’intérêt du transport de l’anergie électrique par
une ligne triphasée. Ce T.P sera une nouvelle occasion de familiariser les étudiants avec le passage complexe-temporel.

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T.P n°VIII.1.d : puissance en régime sinusoïdal.
Les étudiants mettront en œuvre une maquette. Cette maquette peut être un simple dipôle de type « R,L,C » alimenté
en T.B.T et placé successivement dans ses trois cas limites. Mais il serait également très intéressant de faire le même type
d’observations et de mesures sur un moteur asynchrone par exemple : cette activité, portant sur une maquette alimentée en
B.T.A devra être menée selon les règles de l’art en matière de sécurité électrique.
Il s’agit de visualiser le signal image de la puissance instantanée, de mesurer la valeur moyenne de ce signal et
d’observer les sens des échanges énergétiques sur une période.
Il est recommandé de compléter l’étude en utilisant un système d’acquisition et de traitement de mesures.
VIII.2. Conversion électromécanique d’énergie.
Eléments d’analyse du programme :
Les machines électriques sont aujourd'hui devenues indissociables de leur commande électronique : le caractère très
complexe des systèmes électrotechniques actuels nécessite d’en faire une approche globale fonctionnelle. Cette approche, qui
exclut toute monographie sur les machines électriques, permet en même temps de situer les convertisseurs statiques dans leur
fonctionnalité vis à vis de ces machines.
C’est la raison pour laquelle le programme du B.T.S Informatique et Réseaux pour l’Industrie et les Services
techniques limite sa partie électrotechnique (VIII.2) à une présentation fonctionnelle, illustrée par les deux convertisseurs
électromécaniques suivants :
- un seul type de moteur alimenté en B.T.A.
- un moteur pas à pas.
Toutefois, pour pouvoir communiquer avec les spécialistes de l’Electrotechnique, le technicien supérieur I.R.I.S se
doit de posséder le vocabulaire minimum propre à la conversion électromécanique d’énergie : réversibilité de fonctionnement
d’une machine électrique tournante, rôles respectifs du stator et du rotor, rôles respectifs de l’inducteur et de l’induit, intérêt de
la plaque signalétique.. etc…etc
On peut illustrer la physique des dispositifs électromécaniques, en montrant expérimentalement que "les machines
électriques" sont des convertisseurs électromécaniques et qu’elles sont gérées par les lois fondamentales de
l’électromagnétisme. Il s’agit de mettre également en évidence que la transformation réversible énergie électrique/énergie
mécanique se fait toujours par le biais de l'énergie magnétique, ce qui justifie l'étude (au moins succincte) de cette forme
d'énergie, généralement mal perçue par les étudiants et pourtant omniprésente dans les systèmes informatiques. Les mots induit
et inducteur prennent alors tout leur sens.
Il serait donc souhaitable de montrer expérimentalement :
- la présence d'un champ magnétique au voisinage de conducteurs parcourus par un courant électrique (à mettre
en relation avec la notion de bobinage),
- la force électromagnétique de Laplace (à mettre en relation avec la notion de machine à courant continu et de
moteur linéaire),
- les interactions entre pôles magnétiques (à mettre en relation avec la notion de machine synchrone),
- les phénomènes d'auto-induction (à mettre en relation avec la notion de machine asynchrone).
Le professeur montrera ainsi que les lois de la physique sont pérennes malgré toutes les améliorations technologiques
et que seule la technique de mise en œuvre de ces lois diffère d'un type de machine à l’autre.
Actuellement, c’est l’électronique de puissance qui permet de réaliser des associations machine électrique-
convertisseur statique, adaptées à la nature de la source d'énergie électrique (alternative ou continue) et au type de machine
tournante (alternative ou continue). Le but étant d’obtenir la caractéristique mécanique (moment du couple/vitesse de rotation)
répondant au cahier des charges, il apparaît rapidement que le "type de la machine" passe au second plan.
Rappel des limites du programme :
Les machines électriques sont uniquement regardées
comme des convertisseurs d’énergie :
l’étude de leur structure interne ne figure pas au programme de physique appliquée.