M d l d f ti é é l Module de formation générale

M d l de
Module
d formation
f
ti générale
é é l
TECHNOLOGIE DES TRAINS
Electricité générale
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1
Agenda
Introduction
1 U ité él t i
1. Unités électriques
1.1. Tension
1.2. Courant
1 3 Ré i t
1.3. Résistance
1.4. La force électromotrice
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2 1 L l i d’Oh
2.1. La loi d’Ohm
2.2. Le travail
2.3. La puissance
3. Le groupement de résistances
d é i
4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
4.2. La chute de tension
4.3. Le court circuit
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2
Agenda
5. L’aimantation par le courant
5.1. Champ magnétique dans un conducteur traversé par un courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un courant
5.3. Aimantation du fer
5.4. Renforcement du champ magnétique d’une bobine
6. Les électro‐aimants
6.1. Constitution – Propriétés
6.2. Formes
6.3. Inducteurs
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
6.5. Phénomène d’induction avec un aimant permanent
6.6. Phénomène d’induction par électro‐aimant
7. L’alternateur – La dynamo
y
7.1. Introduction
7.2. Principe de fonctionnement
7.3. Constitution
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3
Agenda
8. Les moteurs à courant continu
8
Les moteurs à courant continu
8.1. Principe de fonctionnement ‐ Constitution
8.2. Utilisation 8.3. Démarrage d’un moteur série
8.4. Shuntage d’un moteur série
f
q
8.5. Refroidissement des moteurs électriques
8.6. Inversion du sens de marche
9. Le courant alternatif
9 1 Introduction
9.1. Introduction
9.2. Grandeurs caractéristiques
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
9.4. Courant alternatif triphasé
10. Le condensateur
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4
Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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Introduction
Ce cours vise à donner un aperçu succinct des principes de l’électricité.
L’électricité est une forme d’énergie, comme l’énergie calorifique, l’énergie mécanique, l’énergie nucléaire, l’énergie lumineuse,…
L’énergie électrique peut être produite par transformation d’énergie mécanique (par ex., turbine ou moteur diesel), d’énergie chimique (batterie),…
D’autre part, l’énergie électrique peut aussi être convertie en énergie mécanique (moteur électrique), en énergie calorifique (chauffage électrique).
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Agenda
Introduction
1 U ité él t i
1. Unités électriques
1.1. Tension
1.2. Courant
1 3 Ré i t
1.3. Résistance
1.4. La force électromotrice
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2 1 L l i d’Oh
2.1. La loi d’Ohm
2.2. Le travail
2.3. La puissance
3. Le groupement de résistances
d é i
4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
4.2. La chute de tension
4.3. Le court circuit
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1. UNITES ELECTRIQUES
LE COURANT CONTINU
U ité él
Unités
électriques
ti
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.1. Tension
Dans un récipient en verre rempli d’acide sulfurique dilué, on plonge une plaque de cuivre et une plaque de zinc sans les
de cuivre et une plaque de zinc sans les mettre en contact.
Nous pouvons observer que l’ampoule reliée à ces plaques ou électrodes au moyen de 2 fils en cuivre, s’allume.
La grandeur de la différence de potentiel entre les pôles d’un l ffé
l
l
ôl
’
élément s’exprime dans une unité appelée le Volt (V).
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NEW ELAN (Phase 0)
DCE MONS
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.1. Tension
Une pile pour une lampe de poche a une tension de 1,5 V ;
La tension d’une batterie pour le démarrage et les services d’une voiture particulière est le plus souvent de 12 V ; i
d’
i
i liè
l l
d 12 V
pour des véhicules plus lourds (camion) 24 V.
La plupart du temps, l’éclairage d’une voiture de chemin La
plupart du temps l’éclairage d’une voiture de chemin
de fer fonctionne avec une batterie de 24V ; 72 V ou 110 V.
Les réseaux publics sont alimentés à 220 V
Les
réseaux publics sont alimentés à 220 V~ ((~ pour des tensions alternatives) ;
pour des tensions alternatives) ;
les caténaires de la SNCB sont généralement alimentés en 3000 V = (= pour tension continue).
Cependant, certaines lignes sont équipées d’une caténaire alimentée en 25KV alternatif monophasé (les lignes à grande vitesse, l’axe Athus‐Meuse et la ligne Liège‐
Guillemins ‐ Luxembourg).
Guillemins Licence européenne – Formation générale – Technologie des trains : Electricité générale
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.1. Tension
Suivant la nature de l’application, différents types de sources de tension sont utilisés. tili é
Accumulateurs
Certains éléments peuvent, après épuisement, être rechargés en les faisant traverser par un courant électrique. On les appelle accumulateurs.
Les batteries d
Les
batteries d’accumulateur
accumulateur trouvent beaucoup d
trouvent beaucoup d’applications
applications aux chemins de aux chemins de
fer (éclairage des voitures, mise en marche des moteurs diesel des véhicules moteurs, entraînement de certains tracteurs de gare et d’ateliers etc.…).
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.1. Tension
Machines rotatives
Les piles et les accumulateurs sont des petits producteurs d’électricité. Pour produire de l’électricité industrielle en grandes quantités, on utilise des machines rotatives (dynamos, alternateurs,…), lesquelles transforment l’énergie mécanique qui les entraîne en énergie électrique. Ces machines, dont le principe sera exposé plus loin, peuvent être entraînées Ces
machines dont le principe sera exposé plus loin peuvent être entraînées
soit au moyen de machines thermiques (machines à vapeur, moteur diesel,…), soit au moyen de machines hydrauliques (turbines).
Les génératrices et les alternateurs sont utilisés sur le matériel ferroviaire pour recharger les batteries et p
pour assurer l’éclairage des voitures.
g
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.2. Courant
Dans un circuit électrique, lorsqu'une différence de potentiel est appliquée aux bornes d’un conducteur, elle provoque le déplacement d’électrons, que l'on appelle courant électrique. La quantité de courant (la charge) qui passe par seconde dans le conducteur doit q
(
g )q p
p
être connue. La charge électrique est exprimée en Coulomb (C).
On admet que le courant va du pôle positif vers l ôl é if
le pôle négatif.
Plus grand est le courant, plus grand sera l’effet produit.
L’unité de mesure de l’intensité électrique est L’
i éd
d l’i
i é él
i
l’Ampère (A).
Un courant de 1 A signifie qu’il y passe une charge de 1 C par seconde.
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.3. Résistance
Un circuit électrique est constitué d
Un
circuit électrique est constitué d’une
une source de courant et d
source de courant et d’un
un appareil utilisateur R appareil utilisateur R
raccordé à cette source au moyen de deux fils de cuivre.
Ajoutons dans ce circuit un voltmètre (V) afin de mesurer la Ajoutons
dans ce circuit un voltmètre (V) afin de mesurer la
tension aux bornes de la source, et un ampèremètre (A) destiné à mesurer l’intensité.
LLa tension indiquée par le voltmètre est de 24 V. L’appareil t i i di é
l
lt èt
t d 24 V L’
il
utilisateur R est une lampe incandescente et l’ampèremètre indique une intensité de 2,5 A.
Si nous remplaçons cette lampe par un appareil de chauffage électrique, l’ampèremètre indique maintenant 8 A.
On constate par conséquent que, pour une même tension appliquée, la lampe et l’appareil p
q
q
p
pp q
p
pp
de chauffage laissent passer un courant différent. L’appareil de chauffage laisse passer un courant plus important que la lampe ; on dit qu’il a une résistance électrique plus petite que la lampe.
L’unité de mesure de la résistance électrique est l’Ohm (Ω).
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.4. La force électromotrice
Pour les sources de courant, on utilise le terme force électromotrice (f.é.m) (
)
E souvent confondu avec la tension aux bornes U (ou différence de potentiel). Ces notions, exprimées toutes les deux en volt, sont différentes. Tandis que la force électromotrice est la cause, la tension (ou différence de potentiel) est seulement la conséquence.
Considérons, par exemple, un élément Volta et supposons qu’il ne soit pas raccordé à un appareil utilisateur R. Au moyen d’un voltmètre, nous mesurons à ses bornes une tension de 1,5 V, qui représente la force électromotrice de cet élément. Si l’élément est raccordé à l’appareil utilisateur, la tension à ses bornes change suivant la valeur du courant fourni. Nous ne retrouvons plus cette ,
p
force électromotrice de 1,5 V mais bien une tension plus basse.
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.4. La force électromotrice
La résistance interne et le court‐circuit
La résistance interne et le court
circuit
Relions les deux pôles d’un élément (ou d’une source quelconque) par un conducteur en cuivre de grosse section dont la résistance est pratiquement g
p q
nulle. On dit qu’il y a un court‐circuit. Le courant qui passe alors dans le circuit est important et n’est limité que par la résistance de l’élément(ou
résistance de l
élément(ou de la source de courant). Cette résistance est appelée de la source de courant). Cette résistance est appelée
résistance interne. Pour prévenir des dégâts aux appareils et aux Pour
prévenir des dégâts aux appareils et aux
lignes, les circuits électriques sont protégés par des fusibles ou des disjoncteurs. En pratique, un court‐circuit a toujours des conséquences t i it t j
d
é
extrêmement dangereuses, à cause des intensités importantes qu’il provoque.
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1. UNITES ELECTRIQUES
1.4. La force électromotrice
La force électromotrice (f.é.m) E d
La
force électromotrice (f é m) E d’un
un élément, d
élément d’un
un accumulateur ou d’une machine est égale à la tension à ses bornes à circuit ouvert, en d’autres mots, quand il ne passe aucun courant
aucun courant.
Dans une source de courant, la force électromotrice E est j
p
q
toujours plus élevée que la tension U aux bornes à circuit fermé, étant donné qu’un courant traverse la résistance interne de la source (Ri), ce qui provoque une chute de tension égale à Ri I où :
tension égale à Ri.I où :
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Agenda
Introduction
1 U ité él t i
1. Unités électriques
1.1. Tension
1.2. Courant
1 3 Ré i t
1.3. Résistance
1.4. La force électromotrice
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2 1 L l i d’Oh
2.1. La loi d’Ohm
2.2. Le travail
2.3. La puissance
3. Le groupement de résistances
d é i
4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
4.2. La chute de tension
4.3. Le court circuit
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2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2.1. La loi d’Ohm
Une résistance R et un ampèremètre A sont connectés à un accumulateur via un interrupteur S.
La résistance totale du circuit est de 2 Ω.
Si on ferme l’interrupteur S, l’ampèremètre indique une intensité de 0,7 ampères (A).
En raccordant un voltmètre V aux deux b
bornes de l’accumulateur, nous mesurons d l’
l t
qu’il y a une différence de potentiel (ou tension) de 1,4 volts (V).
Nous constatons que : 0,7 A . 2 Ω = 1,4 V.
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2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2.1. La loi d’Ohm
Ensuite, nous remplaçons la résistance initiale par une autre afin d’avoir une résistance totale de 4 Ω.
résistance totale de 4 Ω.
Lorsque l’on ferme l’interrupteur S , l’ampèremètre nous indique une intensité de 0,35 A. En effet, la résistance R étant doublée, le courant diminue de moitié. Le voltmètre indique toujours une tension Le
voltmètre indique toujours une tension
U de 1,4 V.
Conclusion
C
l i : Le courant I qui circule dans un circuit électrique est directement L
I i i l d
i i él
i
di
proportionnel à la tension U et inversement proportionnel à la résistance R. C’est la loi d’Ohm.
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20
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2.1. La loi d’Ohm
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21
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2.2. Le travail
ENERGIE ELECTRIQUE : le travail fourni est égale au produit de la tension (U) par
l’intensité du courant (I) qui passe en un point donné pendant un temps donné (t).
W = U x I x t
W UxIxt
W = énergie en joules (J)
U = tension en Volts (V)
U = tension en Volts (V)
I = courant en Ampère (A)
t = temps en secondes (s)
On utilise couramment le kilowattheure :
(1 kWh = 1 000 Wh).
Relations entre les unités :
1 Wh = 3600 J,
1 kWh=3,6 x l0⁶J
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2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2.3. La puissance
La puissance d
La
puissance d’un
un courant électrique est le travail fourni par courant électrique est le travail fourni par
unité de temps (seconde).
P i
Puissance =
== U x I x t
UxIxt
t
L’unité de mesure de la puissance est le Watt (W) avec comme multiple le kilowatt (KW) ; 1kW = 1000 Watt.
kilowatt (KW) ; 1kW 1000 Watt.
Une puissance de 1 watt fournit un travail de 1 joule par seconde
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Agenda
Introduction
1 U ité él t i
1. Unités électriques
1.1. Tension
1.2. Courant
1 3 Ré i t
1.3. Résistance
1.4. La force électromotrice
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2 1 L l i d’Oh
2.1. La loi d’Ohm
2.2. Le travail
2.3. La puissance
3. Le groupement de résistances
d é i
4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
4.2. La chute de tension
4.3. Le court circuit
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3. le groupement de résistances
Principe
Puisque les circuits électriques peuvent être expliqués par analogie avec des
Puisque les circuits électriques peuvent être expliqués par analogie avec des circuits hydrauliques, on divisera le groupement des résistances en deux parties, c’est‐à‐dire le circuit électrique réel et le circuit hydraulique correspondant.
d
Groupement en série
Deux turbines T1 et T2 sont montées l’une à la
suite de l’autre sur la même conduite. L’eau
i d l’
l
ê
d i
’
venant du réservoir doit d’abord vaincre la
résistance offerte par la turbine T1 avant
d’atteindre la turbine T2 où une nouvelle
résistance s’oppose à son passage.
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3. le groupement de résistances
Groupement en série
Groupement en série
Le courant électrique fourni par l’accumulateur doit d’abord traverser la lampe L2, où il rencontre une résistance, avant d’atteindre la lampe L1 où une nouvelle résistance lui est
p
offerte, pour revenir ensuite à la borne négative de l’accumulateur.
Si le filament de l’une des deux lampes est brûlé, Si
l fil
d l’
d d
l
b ûlé
l’autre ne s’éclaire pas puisqu’il n’y a plus de circulation de courant, étant donné que le circuit est ouvert.
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3. le groupement de résistances
G
Groupement parallèle
t
llèl
La conduite amenant l’eau du réservoir se
di i
divise en deux. Une turbine est montée sur
d
U
bi
é
chacune de ses conduites.
La quantité d’eau venant du réservoir se
partage en deux au point A. Une partie traverse
la turbine T1 tandis que l’autre partie traverse la
turbine T2.
Le débit d’eau passant dans le tuyau commun
avant les deux turbines est le même que celui
passant dans le tuyau commun après les deux
passant dans le tuyau commun après les deux
turbines.
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3. le groupement de résistances
G
Groupement parallèle
t
llèl
Le courant électrique fourni par
l'accumulateur se divise et traverse les 2
consommateurs du circuit.
Une partie du courant traverse la lampe L1
tandis que l'autre partie traverse la lampe
L2.
Si l'une des deux lampes est brûlée, l'autre
reste allumée puisque son circuit reste
fermé.
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3. le groupement de résistances
Groupement série‐parallèle
p
p
Le courant électrique fourni par l’accumulateur
traverse d’abord la lampe L1 et ensuite se divise
d f
de façon à alimenter les lampes L2 et L3.
à l
l l
L’intensité du courant traversant la lampe L1
est égale à la somme des intensités de courant
qui traverse les lampes L2 et L3.
Si le filament de la lampe L1 est brûlé, les
lampes L2 et L3 s’éteignent également. Par
p
g
g
contre, si le filament d’une des deux lampes L2
ou L3 est brûlé, les deux autres lampes restent
allumées parce que le circuit reste fermé
allumées parce que le circuit reste fermé.
Fig.2 : représentation schématique de 3
résistances (consommateurs) raccordées en
série parallèle
série‐parallèle.
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3. le groupement de résistances
Re est la résistance totale exprimée en Ohms (W )
R1, R2, R3 etc... sont les valeurs exprimées en ohms de la première résistance, puis de la deuxième
etc...
Re = R1 + R2 + R3 + R4 ...
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3. le groupement de résistances
R est la résistance équivalente exprimé en Ohms (W )
R1 R2 R3 t
R1, R2, R3 etc... sont les valeurs exprimées en ohms de la première résistance, tl
l
i é
h d l
iè é i t
puis de la deuxième
etc...
‐ Avec deux résistances
‐ Avec plus de deux résistances
Avec plus de deux résistances
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Agenda
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1 U ité él t i
1. Unités électriques
1.1. Tension
1.2. Courant
1 3 Ré i t
1.3. Résistance
1.4. La force électromotrice
2. La loi d’Ohm, travail et puissance
2 1 L l i d’Oh
2.1. La loi d’Ohm
2.2. Le travail
2.3. La puissance
3. Le groupement de résistances
d é i
4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
4.2. La chute de tension
4.3. Le court circuit
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4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
1) Prenons une résistance variable R et raccordons 1)
Prenons une résistance variable R et raccordons
celle‐ci aux bornes d’une source de courant. Nous déplaçons le balais B de telle façon que toute la résistance R soit parcourue par le courant
résistance R soit parcourue par le courant.
L’ampèremètre nous indique que l’on consomme une intensité de 1 A. Après un certain temps, nous constatons que la résistance s’est échauffée.
2) Amenons le balais B vers le centre de la résistance R, l’intensité est alors de 5 A.
Nous constatons que la partie de la résistance R parcourue par le courant devient incandescente
parcourue par le courant devient incandescente après un certain temps.
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4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.1. L’effet Joule
3) Déplaçons ensuite le balais B vers ) é l
l b l
l’extrémité de la résistance. Le courant parcourant une partie de la résistance est maintenant de 10 A.
Cette partie de résistance s’échauffe fortement et après un certain
fortement et, après un certain temps, atteint son point de fusion.
Conclusion :: un conducteur parcouru par un courant électrique dégage de la Conclusion
un conducteur parcouru par un courant électrique dégage de la
chaleur. Ce phénomène est appelé effet Joule. La puissance électrique dissipée en chaleur n’est pas transformée en puissance mécanique, lumineuse et est donc à considérer comme une perte
lumineuse,… et est donc à considérer comme une perte.
La quantité de chaleur produite dépend de l’intensité du courant (I), de la nature du conducteur (donc de sa résistance) et de la durée (t) de passage (
)
() p
g
du courant.
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4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.2. La chute de tension
Si nous regardons l
Si
nous regardons l’exemple
exemple pris ci
pris ci‐
contre, on voit que la tension U aux bornes de la dynamo D est de 24 V
24 V.
Par contre, le voltmètre V, branché aux bornes du moteur M, indique une tension de 22,8 V.
d
La chute de tension dépend de la résistance des conducteurs. Plus la résistance est grande, plus la chute de tension est importante. Par conséquent, il existe une d
l l h
d
i
i
é
il i
perte de puissance dans les conducteurs qui se transforme en chaleur.
La puissance fournie par la dynamo : La puissance développée par le moteur : p
p
La perte de puissance :
24 V x 4 A = 96 W 22,8 V x 4 A = 91,2 W 96 W – 91,2 W = 4,8 W.
,
,
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4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.3. Le court-circuit
Si on relie 2 fils de potentiel différents au moyen d’une barre de cuivre, l
fl d
l d ffé
d’
b
d
nous constatons que les conducteurs s’échauffent très vite et fondent. C’est le court circuit.
Si on intercale un fil très fin dans le circuit c’est
circuit, c
est lui qui va fondre tandis lui qui va fondre tandis
que les conducteurs restent intacts.
Tous les circuits électriques doivent être munis
d’un appareil de sécurité afin d’éviter les avaries et
éventuellement les incendies.
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4. Dégagement de chaleur par le courant électrique
4.3. Le court-circuit
En pratique on rencontre les appareils de protection suivants :
En pratique, on rencontre les appareils de protection suivants :
‐
les fusibles, constitués d’un fil calibré en argent ou en cuivre. Ce fil est placé dans un support isolant ;
i
C fil
l éd
i l
‐
les disjoncteurs thermiques s’ouvrant à une certaine température sous l’influence d’un ‘‘bimétal’’ ;
‐
les disjoncteurs magnétiques, qui ss’ouvrent
ouvrent dès que le courant et la force dès que le courant et la force
magnétique atteignent une certaine valeur.
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37
Agenda
5. L’aimantation par le courant
5.1. Champ magnétique dans un conducteur traversé par un courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un courant
5.3. Aimantation du fer
5.4. Renforcement du champ magnétique d’une bobine
6. Les électro‐aimants
6.1. Constitution – Propriétés
6.2. Formes
6.3. Inducteurs
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
6.5. Phénomène d’induction avec un aimant permanent
6.6. Phénomène d’induction par électro‐aimant
7. L’alternateur – La dynamo
y
7.1. Introduction
7.2. Principe de fonctionnement
7.3. Constitution
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5. L’aimantation par le courant
5.1. Champ magnétique dans un conducteur traversé par
un courant
Lorsqu’un conducteur est parcouru par un courant, un champ magnétique prend naissance autour de celui‐ci. Pour démontrer ce phénomène, nous plaçons une aiguille aimantée près d’un
aimantée près d
un conducteur de courant. conducteur de courant
Lorsque ce dernier est parcouru par un courant, l’aiguille aimante s’oriente de façon à se placer perpendiculairement au conducteur.
di l i
d
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5. L’aimantation par le courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un
courant
Une spire parcourue par un courant p p
p
engendre un champ magnétique. Autour de chaque spire apparaissent des lignes de force i
d li
d f
circulaires, d’un côté apparaît un pôle nord et de l’autre
pôle nord et de l
autre côté apparaît côté apparaît
un pôle sud.
Le sens du champ magnétique dépend du sens du courant.
Si on visse un tire‐bouchon en suivant le sens du courant, la rotation du manche détermine le sens des lignes de force.
détermine le sens des lignes de force.
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5. L’aimantation par le courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un
courant
D’autre part, dans une spire, si nous faisons suivre au manche du tire‐
bouchon le sens du courant, le sens dans lequel il va se déplacer indiquera le sens des lignes de force
indiquera le sens des lignes de force dans la spire.
Conclusions
‐ L’intensité du champ magnétique dans une bobine dépend de l’intensité du courant et du nombre se spires ;
‐ Les lignes de forces à l’intérieur d’une spire vont de sud vers le nord et à l’extérieur
nord et à l
extérieur d
d’une
une spire, du nord vers le sud.
spire du nord vers le sud
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5. L’aimantation par le courant
5.3. Aimantation du fer
Dans une bobine seule, les lignes de Dans
une bobine seule les lignes de
force à l’intérieur de cette bobine traversent l’air comme représenté ci‐
p
contre.
Lorsque nous plaçons une barre de fer dans la bobine, les lignes de force se concentrent
la bobine, les lignes de force se concentrent pour la traverser. Les lignes de forces traversent donc plus facilement le fer que ll’air
air. On dit que la perméabilité au lignes de On dit que la perméabilité au lignes de
force du fer est plus importante que celle de l’air. Cette propriété s’appelle la perméabilité magnétique.
é bilité
éti
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5. L’aimantation par le courant
5.4. Renforcement du champ magnétique d’une bobine
Plaçons une bobine (sans noyau) aux environs d’une boussole. La boussole
est placée à une distance telle que le passage du courant dans le solénoïde
la fasse à peine dévier. Lorsqu’un noyau en fer doux est placé dans la bobine, p
q
y
p
,
nous constatons que l’aiguille aimantée dévie fortement.
Conclusion
La présence d’un noyau en fer doux à l’intérieur du champ magnétique
modifie ce champ et augmente son intensité.
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Agenda
5. L’aimantation par le courant
5.1. Champ magnétique dans un conducteur traversé par un courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un courant
5.3. Aimantation du fer
5.4. Renforcement du champ magnétique d’une bobine
6. Les électro‐aimants
6.1. Constitution – Propriétés
6.2. Formes
6.3. Inducteurs
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
6.5. Phénomène d’induction avec un aimant permanent
6.6. Phénomène d’induction par électro‐aimant
7. L’alternateur – La dynamo
y
7.1. Introduction
7.2. Principe de fonctionnement
7.3. Constitution
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6. Les électro-aimants
6.1. Constitution - Propriétés
Constitution d’une
Constitution d
une bobine
bobine
Un électro‐aimant est constitué par une ou plusieurs bobines en fil de cuivre pourvue(s) d’un noyau en fer doux. Lorsque la bobine est parcourue par un courant, elle est dite ‘‘excitée’’.
Propriétés
Les électro‐aimants possèdent deux propriétés principales :
‐ l’aimantation est temporaire. Elle apparaît et disparaît avec le courant ;
‐ les attractions sont plus grandes que les aimants permanents
permanents.
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6. Les électro-aimants
6.2. Formes
Les électro‐aimants peuvent avoir différentes formes : avec noyau droit avec noyau en fer à cheval et avec noyau adapté
droit, avec noyau en fer à cheval et avec noyau adapté.
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6. Les électro-aimants
6.3. Inducteurs
Les inducteurs des machines électriques sont des électro‐aimants lourds. Dans les Les
inducteurs des machines électriques sont des électro‐aimants lourds Dans les
dynamos et moteurs à courant continu, ils sont fixes tandis que dans les alternateurs ils sont en général rotatifs. Les inducteurs servent à produire le champ magnétique (flux Φ) dans ces machines qui seront étudiées ultérieurement
magnétique (flux Φ) dans ces machines qui seront étudiées ultérieurement.
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6. Les électro-aimants
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
Prenons un fil de cuivre A
Prenons
un fil de cuivre A‐B
B suspendu aux extrémités de deux suspendu aux extrémités de deux
lignes (conducteurs)
Si nous plaçons ce conducteur dans Si
l
d t
d
un aimant en forme de fer à cheval et q
que nous alimentons le conducteur comme représenté sur la figure ci‐
contre, nous remarquons que le conducteur passe de la position A B à
conducteur passe de la position A‐B à la position A’‐B’. Le conducteur est donc poussé vers l’extérieur de l’aimant. Le conducteur est soumis à une force électromagnétique. C’est le principe du moteur électrique
principe du moteur électrique.
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6. Les électro-aimants
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
Si nous inversons le sens du courant et que l’on conserve q
l’aimant dans le même sens, nous remarquons que le conducteur est attiré vers le centre de l’aimant. Nous constatons donc que la force s’est
que la force s
est inversée.
inversée
Si l’on retourne l’aimant avec le courant dans le sens initial, nous remarquons que le conducteur est attiré vers le centre de l’aimant.
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6. Les électro-aimants
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
Conclusion
 Deux champs magnétiques s’influencent mutuellement.
 Le sens du déplacement dépend du sens du courant et du sens des d dé l
dé
dd
d
d
d
lignes de force.
 La grandeur du déplacement dépend de l
La grandeur du déplacement dépend de l’intensité
intensité du courant et de du courant et de
l’intensité du champ magnétique.
 La force qui fait se déplacer le conducteur est appelée force La force qui fait se déplacer le conducteur est appelée force
électromagnétique. Sa grandeur varie en fonction de :
• l’intensité du courant I ;;
• l’induction magnétique B ;
• la longueur l du conducteur placé dans le champ magnétique.
la longueur l du conducteur placé dans le champ magnétique
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6. Les électro-aimants
6.5. Phénomènes d’induction avec un aimant permanent
Prenons un dispositif constitué d’une bobine raccordée à un ampèremètre. Aucune f.é.m. n’existe dans le circuit et l’aiguille de l’ampèremètre ne dévie pas.
Lorsque nous approchons le pôle nord d’un aimant, l’aiguille de l’ampèremètre dévie dans un sens Dès l’arrêt
dévie dans un sens. Dès l
arrêt du déplacement de l
du déplacement de l’aimant
aimant, ll’aiguille
aiguille de l
de l’appareil
appareil de mesure revient vers le zéro. Si l’on retire l’aimant de la bobine, l’aiguille de l’ampèremètre dévie à nouveau mais en sens contraire.
i
t i
Si la même opération est effectuée avec le pôle sud de l’aimant, on peut faire les mêmes observations mais avec des déviations de l’aiguille en sens contraire.
Conclusion
‐ lors du déplacement d’un aimant, il y a apparition d’un courant dans la bobine ;
‐ le sens du courant varie avec le sens du déplacement.
le sens du courant varie avec le sens du déplacement
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6. Les électro-aimants
6.6. Phénomènes d’induction par électro-aimant
Si nous remplaçons l’aimant par un électro‐aimant, les mêmes phénomènes se p ç
p
,
p
produisent.
En déplaçant une bobine, nous obtenons une tension induite dans l’autre bobine.
En augmentant ou en diminuant l’intensité du courant dans la bobine inductrice, une tension prend également naissance dans la bobine induite. Il en est de même lorsqu’on établit ou que l’on supprime la tension de la bobine td
ê
l
’ ét blit
l’
i
l t i d l b bi
inductrice.
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6. Les électro-aimants
6.6. Phénomènes d’induction par électro-aimant
Conclusion générale :
Une tension induite prend naissance dans un circuit fermé quand celui‐ci subit une variation de flux. Cette variation de fl
flux peut être provoquée par le déplacement d’un aimant (ou t êt
é
l dé l
t d’
i
t(
électro‐aimant) ainsi que par la variation de l’intensité du courant de la bobine inductrice d’un
courant de la bobine inductrice d
un électro
électro‐aimant.
aimant.
Le sens du courant est toujours contraire au sens du courant qui lui donne naissance (loi de Lenz).
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Agenda
5. L’aimantation par le courant
5.1. Champ magnétique dans un conducteur traversé par un courant
5.2. Champ magnétique dans une spire traversée par un courant
5.3. Aimantation du fer
5.4. Renforcement du champ magnétique d’une bobine
6. Les électro‐aimants
6.1. Constitution – Propriétés
6.2. Formes
6.3. Inducteurs
6.4. Action d’un champ magnétique sur un courant électrique
6.5. Phénomène d’induction avec un aimant permanent
6.6. Phénomène d’induction par électro‐aimant
7. L’alternateur – La dynamo
y
7.1. Introduction
7.2. Principe de fonctionnement
7.3. Constitution
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7. L’alternateur – La dynamo
7.1. Introduction
Un conducteur isolé A‐B est placé sur un tambour qui peut
placé sur un tambour qui peut tourner entre les pôles d’un aimant permanent.
Si le tambour tourne, le conducteur A‐B coupe les lignes d f
de force du champ magnétique. d h
éti
On constate la formation d’une f.é.m. dans le conducteur.
f.é.m. dans le conducteur.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.2. Principe de fonctionnement
Pour pouvoir mesurer et utiliser cette tension induite, le i i d i l
conducteur A‐B est relié à deux bagues de cuivre C et D isolées de
bagues de cuivre C et D isolées de l’axe E.
A l’aide de balais, on peut raccorder le conducteur A‐B à un appareil de mesure.
Q
Quand le tambour tourne, l’aiguille de l’appareil de mesure se dl
b
l’ i ill d l’
il d
déplace continuellement de gauche à droite et inversement. La tension obtenue change donc continuellement de sens et est
tension obtenue change donc continuellement de sens et est appelée tension alternative.
L appareil obtenu est appelé générateur de courant alternatif ou L’appareil
obtenu est appelé générateur de courant alternatif ou
alternateur.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.2. Principe de fonctionnement
Pour donner au courant (et à la
tension) le bon sens, on utilise
un collecteur.
Ce sont deux demi bagues a et
b isolées de l’axe et isolées
entre elles.
L’extrémité
L
extrémité du conducteur A-B
AB
est raccordée avec a-b. Les
balais frottent sur les demi
bagues.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.2. Principe de fonctionnement
Sur la figure, la bague a est connectée à la borne 1 de l’appareil de mesure et la bague b à l b
la borne 2.
2
Un demi tour plus loin, a est U
d it
l l i
t
connecté à la borne 2 et b est connecté à la borne 1 de l’appareil
connecté à la borne 1 de l
appareil de mesure.
Le sens du courant et les connections avec l
Le
sens du courant et les connections avec l’appareil
appareil de mesure de mesure
sont en même temps inversées.
Ce système permet de transformer un courant alternatif en y
p
courant continu.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.2. Principe de fonctionnement
La tension aux bornes d
La
tension aux bornes d’une
une telle telle
génératrice est très faible. On peut augmenter la tension en remplaçant ce conducteur seul par l
t
d t
l
plusieurs spires A raccordées en série et en équipant le collecteur d’autant de lamelles. Les spires sont raccordées à leurs extrémités aux lamelles respectives.
L’ensemble s’appelle génératrice ou dynamo.
Une dynamo doit être entraînée par un moteur indépendant comme une turbine hydraulique, une turbine à vapeur, un moteur diesel, à gaz, à essence, un moteur électrique ou l’essieu d’une voiture à voyageurs.
t
él t i
l’ i d’
it
à
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7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
Une dynamo est constituée de deux parties essentielles :
‐ une partie fixe appelée stator ;
‐ une partie mobile appelée rotor.
une partie mobile appelée rotor.
Le stator ou inducteur est la partie où le champ magnétique est créé.
le champ magnétique est créé.
Le rotor ou induit est la partie où la tension est créée.
tension
est créée.
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60
7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
Le stator appelé aussi inducteur, est constitué :
pp
,
‐ d’une carcasse en acier moulé ;
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7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
‐ de paires de pôles (2‐4‐6) constituées d
de paires de pôles (2 4 6) constituées d’un
un paquet de paquet de
tôles en fer doux isolées formant le noyau de la bobine.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
Chaque pôle constitue un pôle d’induction. Les bobines sont disposées de manière à ce que chaque pôle nord et chaque pôle sud puissent s’influencer.
De cette manière, un champ magnétique symétrique se forme (fig. a, b et c). Les côtés intérieurs des pôles sont appelés les épanouissements polaires
épanouissements polaires.
S
S
S
S
S
S
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63
7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
Le rotor, ou l
Le
rotor, ou l’induit,
induit, est formé d
est formé d’un
un
tambour constitué d’un paquet de tôles
en fer doux.
Ces tôles sont isolées entre elles et par
rapport à l’axe.
rapport à l
axe. Dans les rainures du
Dans les rainures du
tambour sont placés les conducteurs (A‐B,
C‐D), dont l’ensemble forme le
bobinage de l’induit.
Les conducteurs sont pourvus de matières isolantes et fixés solidement afin d’éviter qu’ils ne se détachent des encoches par la force centrifuge. Entre les extrémités polaires et l’induit, il existe un jeu appelé entrefer.
é ié
l i
l’i d i il i
j
lé
f
Sur l’une des extrémités de l’arbre se trouve le collecteur constitué de lamelles de cuivres. Ces lamelles sont séparées par une feuille de mica et sont reliées aux conducteurs formant le bobinage Le collecteur doit être parfaitement propre et
conducteurs formant le bobinage. Le collecteur doit être parfaitement propre et cylindrique.
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7. L’alternateur – La dynamo
7.3. Constitution
Les balais doivent frotter correctement sur le collecteur. Ils sont fabriqués en graphite. L b l i t l éd
Le balai est placé dans le porte‐balais et pressé l
t b l i t
é
sur le collecteur par un ressort de façon à ce que le contact avec le collecteur soit correct afin d’éviter la production d’étincelles destructrices.
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Agenda
8. Les moteurs à courant continu
8
L
t
à
t
ti
8.1. Principe de fonctionnement ‐ Constitution
8.2. Utilisation 8 3 Dé
8.3. Démarrage d’un moteur série
d’
t
éi
8.4. Shuntage d’un moteur série
8.5. Refroidissement des moteurs électriques
86 I
8.6. Inversion du sens de marche
i d
d
h
9. Le courant alternatif
9.1. Introduction
9.2. Grandeurs caractéristiques
d
é
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
9.4. Courant alternatif triphasé
10. Le condensateur
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8. Les moteurs à courant continu
8.1. Principe de fonctionnement - constitution
P i i d f ti
Principe de fonctionnement
t
Un conducteur dans lequel circule un courant se déplace s’il est soumis à la présence d’un champ magnétique.
Le rotor d’une machine électrique est constitué de plusieurs conducteurs à l’intérieur desquels un courant circule.
Si, maintenant, nous alimentons en courant le rotor et le stator, le rotor ,
,
,
commence à tourner.
Constitution d’un
Constitution d
un moteur à courant continu
moteur à courant continu
Le moteur à courant continu est réalisé selon les mêmes principes que la dynamo.
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8. Les moteurs à courant continu
8.1. Principe de fonctionnement - constitution
Suivant le type d
Suivant
le type d’excitation
excitation
On rencontre des moteurs à
excitation série (fig. 1), shunt (fi 2) ou compound (fig. 3).
(fig. 2)
d (fi 3)
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8. Les moteurs à courant continu
8.2. Utilisation
Sur certains engins moteurs diesels et électriques du réseau SNCB, on utilise des g
q
,
moteurs à courant continu à excitation série pour la traction (entraînement des essieux). A partir de l’année de construction 1992, des moteurs asynchrones triphasés sont utilisés
triphasés sont utilisés.
Le moteur à excitation série, est caractérisé par un grand couple de démarrage et donc parfaitement indiqué pour les démarrages en charge. Un inconvénient du moteur série est qu’il s’emballe lorsqu’il n’y a pas de charge.
Ce type de moteur ne doit jamais fonctionner à vide.
Le moteur à excitation shunt est caractérisé par une vitesse de rotation plus ou moins constante. Ce moteur convient bien pour l’entraînement de machines dont la charge est variable. Ce moteur doit d’abord être amené à sa vitesse de rotation avant g
d’être mis en charge.
Le moteur à excitation compound se caractérise par un couple de démarrage relativement bon et une vitesse de rotation constante. Il convient bien pour l ti
tb
t
it
d
t ti
t t Il
i t bi
l’entraînement de pompes, de compresseurs et de ventilateurs.
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8. Les moteurs à courant continu
8.3. Démarrage d’un moteur série
Si nous appliquons la tension maximum aux bornes d’un moteur série, le courant absorbé, à cause de la faible résistance interne, est beaucoup trop important.
On doit démarrer le moteur avec un faible courant et l’augmenter progressivement g
p g
en fonction de l’augmentation de la vitesse de rotation du moteur. On peut procéder de différentes manières :
‐ en appliquant tout d’abord une faible tension et en l’augmentant progressivement ;
‐ en intercalant une résistance R en série avec le moteur. La chute de tension en intercalant une résistance R en série avec le moteur La chute de tension
créée par la résistance de démarrage diminue la tension aux b
bornes du moteur. Quand le d
t
Q
d
l
moteur atteint une vitesse suffisante la résistance est shuntée.
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70
8. Les moteurs à courant continu
8.3. Démarrage d’un moteur série
On peut démarrer en utilisant plusieurs moteurs et en changeant leur couplage : d’abord avec les moteurs couplés en série, ensuite en série‐parallèle et enfin en parallèle. Prenons comme exemple un engin moteur équipé de 4 moteurs de traction.
Au démarrage, les quatre moteurs sont couplés en série. Aux bornes de chaque moteur on trouve ¼ de la tension U.
En couplage série‐parallèle, les moteurs sont couplés 2 par 2 en parallèle. Aux bornes de
chaque moteur on trouve ½ de la tension U.
Finalement, on dispose les 4 moteurs en parallèle pour avoir la tension totale aux bornes des moteurs.
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71
8. Les moteurs à courant continu
8.4. Shuntage d’un moteur série
Quand le rotor d’un moteur électrique tourne, une tension induite apparaît d
dans la bobine comme dans une dynamo. l b bi
d
d
Cette tension appelée « force contre‐électromotrice » est de sens contraire à la tension d’alimentation. Elle empêche à un moment donné l’accélération du moteur, ce qui, par conséquent, signifie une diminution du rendement.
Pour remédier à cela, on diminue le flux magnétique des inducteurs, ce qui permet au courant d’induit
permet au courant d
induit et au couple d
et au couple d’augmenter
augmenter ; le moteur peut ; le moteur peut
accélérer.
Pour diminuer le flux magnétique,
Pour
diminuer le flux magnétique
on connecte, à un moment donné,
une résistance appelée résistance
shunt en parallèle avec l’inducteur.
h t
llèl
l’i d t
Dès que la résistance est connectée,
une partie du courant est détournée
par le shunt.
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72
8. Les moteurs à courant continu
8.5. Refroidissement des moteurs électriques
Tous les moteurs électriques s’échauffent par l’effet Joule. Cet échauffement q
p
doit rester limité, sans quoi il y a un risque de détérioration du moteur.
Les moteurs qui entraînent les pompes, les ventilateurs, etc, ont un ventilateur de refroidissement interne
ventilateur de refroidissement interne.
Sur les moteurs de traction des engins, le problème est différent. Le danger se situe quand le moteur ne tourne pas encore ou tourne très lentement (courant élevé).
Par conséquent, des ventilateurs, avec un débit q
,
,
régulier, sont généralement prévus. Tous les moteurs de traction à courant continu sont pourvus de ventilateurs de
sont pourvus de ventilateurs de refroidissement.
refroidissement.
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73
8. Les moteurs à courant continu
8.6. Inversion du sens de marche
Pour inverser le sens de déplacement du conducteur A‐B nous avons vu, qu’il p
,q
fallait inverser soit le courant dans le conducteur ou retourner l’aimant.
Ci dessous, les deux systèmes qui permettent d
Ci‐dessous
les deux systèmes qui permettent d’inverser
inverser le sens de marche d
le sens de marche d’un
un moteur à courant continu :
le sens du courant est inversé le
sens du courant est inversé
dans le rotor ; le sens du courant d
le
sens du courant d’excitation
excitation est
est
inversé ;
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74
8. Les moteurs à courant continu
8.6. Inversion du sens de marche
Si le sens du courant est inversé en même temps dans l’induit et dans l’inducteur, le sens de rotation ne change pas.
En pratique, on utilise des contacteurs spéciaux ou des tambours En
pratique on utilise des contacteurs spéciaux ou des tambours
d’inversion T (fig. 1 en 2) pour inverser le sens de rotation.
En général on inverse le sens du courant dans l’inducteur.
Exemple : les moteurs de Exemple
: les moteurs de
traction des engins moteurs SNCB.
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75
Agenda
8. Les moteurs à courant continu
8
L
t
à
t
ti
8.1. Principe de fonctionnement ‐ Constitution
8.2. Utilisation 8 3 Dé
8.3. Démarrage d’un moteur série
d’
t
éi
8.4. Shuntage d’un moteur série
8.5. Refroidissement des moteurs électriques
86 I
8.6. Inversion du sens de marche
i d
d
h
9. Le courant alternatif
9.1. Introduction
9.2. Grandeurs caractéristiques
d
é
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
9.4. Courant alternatif triphasé
10. Le condensateur
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76
9. Le courant alternatif
9.1. Introduction
Nous avons vu précédemment qu’un courant continu circule toujours dans le même sens (du positif vers le négatif à l’extérieure de la source).
Un courant alternatif par contre est un courant qui change périodiquement de sens.
Les tensions et courants alternatifs utilisés dans l’industrie varient comme une sinusoïde.
Le graphique ci‐contre est la représentation graphique d’une sinusoïde d’une durée t et
et d
d’une
une période T.
période T
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77
9. Le courant alternatif
9.2. Grandeurs caractéristiques
a) La période
Une période (T) est le temps, en seconde, qui sépare deux instants pendants lesquels le courant a la même valeur et reprend le même sens. La durée d’une p
période est représentée par la lettre T.
p
p
b) La fréquence
Par fréquence, nous comprenons le nombre de périodes par seconde ou
La fréquence est exprimée en Hertz (Hz).
Le courant alternatif ne provoque pas le scintillement d’une lampe à incandescence à condition que la fréquence soit d’au moins 40Hz. En Europe, la fréquence standard est de 50 Hz alors qu’en Amérique, elle est de 60 Hz. La fréquence de la tension générée dans un alternateur dépend directement du nombre de paires de pôles et de la vitesse de rotation de cet alternateur.
pôles et de la vitesse de rotation de cet alternateur.
Nous pouvons donc écrire que :
avec : f = fréquence en Hz ; n = vitesse de rotation (tours par minute) ; p = le nombre de paires de pôles.
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78
9. Le courant alternatif
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
Différentes grandeurs sinusoïdales comme les tensions et les courants peuvent Différentes
grandeurs sinusoïdales comme les tensions et les courants peuvent
non seulement varier en grandeur (amplitude), mais également être décalées dans le temps l’une par rapport à l’autre. Il existe donc un déphasage entre les deux grandeurs
deux grandeurs.
ω
A la figure ci‐dessus :
e = Emax . sin (ω.t)
( )
i = Imax . sin (ω.t ‐ Ԅ) (avec Ԅ angle positif)
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79
9. Le courant alternatif
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
On dit que le courant est en retard
O
dit
l
t t
t d sur la tension (la tension est en avance sur le l t i (l t i
t
l
courant) parce qu’il faut faire glisser, vers l’arrière, la courbe de l’intensité afin de faire correspondre l’intensité maximum avec la tension maximum.
On dit que les grandeurs sont en phase lorsque l’angle de déphasage (Ԅ) = 0, c’est‐à‐dire lorsque les deux grandeurs sont nulles en même temps et augmentent en même temps. Cette situation se produit lorsque le circuit n’est composé que de résistances.
Deux grandeurs sont en quadrature si le déphasage est de ± 90°. Cette situation se produit lorsque le circuit n’est composé que de selfs.
Les deux grandeurs sont en opposition de phase lorsque l’angle de déphasage est de 180°.
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80
9. Le courant alternatif
9.4. Courant alternatif triphasé
Jusqu’à présent, les courants alternatifs étudiés étaient du type monophasé. En q p
,
yp
p
électricité industrielle, ces réseaux ne sont presque pas utilisés, excepté pour l’éclairage et le petit outillage.
Pour les autres applications industrielles, on utilise du courant alternatif l
li i
i d
i ll
ili d
l
if
triphasé.
Remarque : pour l’alimentation électrique de certaines lignes du réseau, on utilise cependant bien une tension monophasée de 25KV avec une p
fréquence de 50Hz. Cette tension est transformée à bord des engins moteurs en une tension C
i
f
é àb dd
i
i
utilisable pour l’alimentation de l’équipement de traction et les circuits auxiliaires.
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81
Agenda
8. Les moteurs à courant continu
8
L
t
à
t
ti
8.1. Principe de fonctionnement ‐ Constitution
8.2. Utilisation 8 3 Dé
8.3. Démarrage d’un moteur série
d’
t
éi
8.4. Shuntage d’un moteur série
8.5. Refroidissement des moteurs électriques
86 I
8.6. Inversion du sens de marche
i d
d
h
9. Le courant alternatif
9.1. Introduction
9.2. Grandeurs caractéristiques
d
é
9.3. Déphasage entre tension et courant alternatif
9.4. Courant alternatif triphasé
10. Le condensateur
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10. Le condensateur
Un condensateur est un composant électronique p
q
ou électrique élémentaire, constitué de deux armatures conductrices (appelées « électrodes ») en influence totale et séparées par un isolant
en influence totale et séparées par un isolant polarisable (ou « diélectrique »). Soumis à une différence de potentiel, sa propriété principale est de pouvoir Sou
s à u e d é e ce de pote t e , sa p op été p c pa e est de pou o
stocker des charges électriques opposées sur ses armatures. Le condensateur est caractérisé par le coefficient de proportionnalité entre charge et tension appelé capacité électrique (C) exprimée en farads (F)
appelé capacité électrique (C), exprimée en farads (F).
Représentation schématique : Un condensateur chargé de 1 Coulomb sous une différence de potentiel de 1 Volt à une capacité de 1 Farad. Q=CU
Q = C.U
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83
Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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11. Diodes et redresseurs
11.1. Description - Caractéristiques
Une diode est un semi‐conducteur qui laisse passer le courant dans un sens q
p
(passant) mais pas dans l’autre (sens bloquant). Elle fonctionne comme une soupape électronique.
La diode possède 2 pôles : l’anode
La diode possède 2 pôles : l
anode est le pôle positif et la cathode est le pôle est le pôle positif et la cathode est le pôle
négatif.
a
c
P
N
a
c
LLors de la polarisation en sens direct, dès que le d l
l i i
di
dè
l
seuil de tension est dépassé, le courant est proportionnel à la tension.
Lors de la polarisation en sens inverse, lorsque la tension de claquage est atteinte le courant
la tension de claquage est atteinte, le courant augmente brusquement.
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11. Diodes et redresseurs
11.2. Exemple de fonctionnement
Prenons le cas d’une source de tension alternative qui alimente une résistance R. Regardons la forme du courant absorbé par cette résistance éit
R R
d
l f
d
t b bé
tt é i t
si on place une diode entre la source de tension et la résistance.
U
IR
U
t
IR
t
On remarque qu
On
remarque qu’en
en sens direct, le courant est transmis à la résistance sens direct le courant est transmis à la résistance
alors qu’en sens inverse, aucun courant n’est transmis.
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11. Diodes et redresseurs
11.3. le pont redresseur - principe
Le pont redresseur permet de redresser le courant, c’est‐à‐dire l’empêcher de changer de sens.
Lorsque la borne 1 est positive par rapport D
D
à la borne 2, le courant passe par la diode 1
R
D2, la résistance R et ensuite par la diode D3.
2
1
2
LLorsque la borne 2 est positive par rapport l b
2 t
iti
t
D
D
à la borne 1, le courant passe par la diode D4, la résistance R et ensuite par la diode D1.
3
4
U
On peut donc remarquer que le courant qui passe dans la résistance a toujours le même sens
passe dans la résistance a toujours le même sens.
t
UR
IR
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UR
IR
t
87
11. Diodes et redresseurs
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
Dans ce cas, on ajoute une capacité en parallèle avec la résistance. Cette j
ié
llèl
l éi
capacité a pour but de diminuer les variations de tension aux bornes de la résistance afin d’avoir un courant plus ou moins continu.
U
D2
D1
t
R
UR
D3
C
b
d
c
D4
a
t
La capacité se charge lorsque la tension du réseau est supérieure à la tension de la capacité (a‐b et c‐d) et se décharge lorsque la tension du réseau est inférieure à la tension de la capacité (b‐c).
à la tension de la capacité (b
c).
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Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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12. Le thyristor
12.1. Description
Le thyristor se comporte comme une diode réglable. En situation normale il est h
d d é l bl
l l
bloqué aussi bien dans le sens passant que dans le sens inverse. La couche P du milieu possède une borne g (gâchette) qui permet l’allumage (ou la conduction) d th i t
du thyristor.
Pour rendre le thyristor en conduction, il faut appliquer une impulsion positive à sa gâchette.
appliquer une impulsion positive à sa gâchette.
Une fois la conduction obtenue g ne joue plus le moindre rôle et le thyristor perd sa capacité de blocage.
Pour que le thyristor retrouve ses propriétés de blocage il faut annuler le courant entre l’anode et la cathode ou inverser leur polarité. Licence européenne – Formation générale – Technologie des trains : Electricité générale
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90
12. Le thyristor
12.1. Description
Le thyristor représente, dans la construction d’une locomotive moderne, un accessoire essentiel aussi bien dans le domaine de la traction que pour le freinage et l’alimentation des auxiliaires.
g
Le thyristor comporte une cathode (c) (couche N) une anode (a) (
(couche P), et une gâchette (g) qui est reliée à la couche P h )
â h
( )
lé àl
h
du milieu.
Si la tension à l’anode devient négative le thyristor se comporte alors comme un isolateur.
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91
12. Le thyristor
12.2. Courbe caractéristique – polarisation inverse
Polarisation inverse
Polarisation
inverse
On constate que le thyristor a un comportement identique à celui d’une diode inversement polarisée. Le courant est bloqué ; seul un très faible courant de fuite circule entre l’anode et la cathode. Pour une certaine tension Vi, on obtient le claquage du thyristor.
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92
12. Le thyristor
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
Polarisation directe
Lorsque l’on polarise le thyristor en sens direct et que l’on n’envoie aucune impulsion à la gâchette, on n’obtient qu’un très faible courant de fuite, q
comme en polarisation inverse.
Au‐dessus d’une certaine tension VD, on constate A
d
d’
t i t i VD
t t
une chute de tension brusque aux bornes du thyristor accompagnée d’une forte augmentation de courant. Dès ce moment, le comportement du thyristor est comparable à celui d’une diode polarisée.
Une fois l
Une
fois l’état
état de conduction acquis, l
de conduction acquis l’influence
influence de la gâchette g sur la de la gâchette g sur la
caractéristique du thyristor devient nulle. Le thyristor classique ne peut reprendre ses propriétés de blocage qu’après annulation ou inversion de la tension à ses b
bornes (anode et cathode).
(
d t th d )
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93
12. Le thyristor
12.4. Caractéristiques
Caractéristiques d’un thyristor classique
q
y
q
Le thyristor est limité par un certain nombre de conditions telles que :
• la tension bloquée dans le sens direct est de 2000 V maximum ;
• la tension bloquée dans le sens inverse est de 4500 V maximum ;
• l’intensité maximale admissible dans le sens direct est de 1500 A ;
• la vitesse d’accroissement du courant principal après l’allumage est limitée ;
limitée ;
• le temps de recouvrement (polarisation (anode‐cathode) en sens inverse pour l’éteindre) est d’environ 25 μsec.
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94
12. Le thyristor
12.5. Exemple de fonctionnement
On voit que le thyristor entre en conduction lorsqu’on applique une impulsion positive à sa gâchette (g+) et lorsqu’ilil est polarisé en sens direct.
positive à sa gâchette (g+) et lorsqu
est polarisé en sens direct
Il s’éteint lorsqu’il est polarisé en sens inverse.
Remarque
Comme en courant continu le courant ne s’inverse jamais, il faudra un circuit auxiliaire aussi appelé circuit d’extinction
auxiliaire, aussi appelé circuit d
extinction, afin d
afin d’éteindre
éteindre le thyristor.
le thyristor
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Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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96
13. Le transformateur
13.1. Généralités
Dans une centrale électrique, la tension généralement produite est de 15 kV. q ,
g
p
Cette tension peut être transformée en 72 kV, 150 kV ou 400 kV. Cette transformation permet de transporter l’énergie électrique sous haute tension et faible intensité ce qui a pour avantage de diminuer les pertes par effet Joule lors
faible intensité, ce qui a pour avantage de diminuer les pertes par effet Joule lors du transport d’énergie sur de longues distances.
Dans la sous‐station, le transformateur permet de diminuer la tension à des a s a sous stat o , e t a s o ateu pe et de d
ue a te s o à des
valeurs utilisables pour l’alimentation de la caténaire.
Les engins de traction qui peuvent circuler sur des lignes où la tension caténaire est 25kV ~ sont équipés d’un transformateur afin de diminuer la tension à des valeurs qui sont nécessaires pour la traction, le chauffage, l’éclairage.
Le transformateur est un appareil statique qui peut ‘‘transformer’’ la tension alternative par couplage magnétique (induction).
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13. Le transformateur
13.2. Constitution - Caractéristiques
Un transformateur est composé d’un noyau fermé en tôles de fer doux autour duquel au moins deux
autour duquel au moins deux enroulements sont bobinés.
L’enroulement connecté à la tension d’ li
d’alimentation est appelé ‘‘l’enroulement primaire (P)’’.
t ti
t
lé ‘‘l’
l
t i i (P)’’
L’autre enroulement qui peut être connecté à la charge est appelé ‘‘l’enroulement secondaire (S)’’.
( )
Si la tension secondaire est plus élevée que la tension primaire, on parle d’un transformateur élévateur de tension.
Si l t i
Si la tension secondaire est plus petite que la tension primaire, on parle d’un d i
t l
tit
l t i
i i
l d’
transformateur réducteur de tension.
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13. Le transformateur
13.2. Constitution - Caractéristiques
Fonctionnement à vide
Si la tension alternative est connectée à l’enroulement primaire et qu’aucune charge n’est
charge n
est connectée à l
connectée à l’enroulement
enroulement secondaire, le transformateur secondaire le transformateur
fonctionne à vide.
Dans ce cas, il y a un courant presque nul dans l’enroulement primaire égal au courant d’alimentation. Ce courant produit l’énergie pour compenser les pertes dans le circuit magnétique.
Fonctionnement en charge
h
Si on connecte une charge à l’enroulement secondaire, le transformateur est chargé. La puissance au primaire est égale à celle du secondaire moins les pertes g
p
p
g
p
de cuivre, les pertes de fer et les pertes par effet joule (chaleur).
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13. Le transformateur
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
Rapport entre tension, courant, spires et puissance Rapport
entre tension courant spires et puissance
La f.é.m. par spire dans le secondaire est égale à la f.é.m. par spire dans le primaire :
Vu que la différence entre la f.é.m. et la tension à vide est très faible, on a :
on appelle :
= rapport de transformation.
= rapport des enroulements.
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100
13. Le transformateur
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
Rapport entre tension, courant, spires et puissance Puisque la puissance au primaire est égale à la puissance au secondaire, on peut donc écrire que :
P = Up . Ip = Us .Is par conséquent, on peut écrire :
Applications
A côté du transformateur haute tension, on fait usage de transformateurs qui permettent la mesure des tensions et courants dans les circuits de puissance. Les différents appareils de mesure indiquent les valeurs de tension et courant fournis par les enroulements secondaires.
Les courants sous haute tension qui passent dans le circuit de puissance sont donc séparés électriquement des faibles courants sous tension très basse qui traversent les circuits de mesure
traversent les circuits de mesure.
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101
Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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102
14. Circuit filtre
Les sous‐stations de traction reçoivent l’énergie des producteurs d’électricité sous haute tension alternative (de 15kV à 150kV) et la transforme en tension continue de 3kV.
de 3kV. Quoique cette tension ne change pas de polarité, on va toujours constater la présence d’une petite variation de tension avec une fréquence de 50Hz.
D autre part, sur beaucoup de locomotives et engins de traction, les moteurs de D’autre
part sur beaucoup de locomotives et engins de traction les moteurs de
traction sont alimentés par hacheur électronique ; cet équipement admet la tension aux bornes des moteurs de traction à intervalle très faible. C’est pourquoi un équipement de démarrage par hacheur est très inductif : il existe toujours des é i
t d dé
h h
t t è i d tif il i t t j
d
surtensions à l’entrée du circuit qui ont une influence néfaste.
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103
14. Circuit filtre
Il est nécessaire de prévoir un filtre d’entrée sur les engins moteurs munis d’ un équipement de démarrage par hacheur électronique. Le rôle du filtre d’entrée
d
entrée (L
(L‐C)
C) consiste à limiter les surtensions à l
consiste à limiter les surtensions à l’entrée
entrée du hacheur. du hacheur.
Ces surtensions peuvent provenir de :
‐ de la ligne caténaire ;
‐ du hacheur lui‐même chaque fois que l’interrupteur s’ouvre ; il interrompt un circuit à forte self induction Chaque fois le courant a
interrompt un circuit à forte self‐induction. Chaque fois le courant a tendance à persister. A l’entrée du hacheur, il y a chaque fois accumulation d’une grande quantité d’électricité, en d’autres mots il y a apparition d’une surtension.
’
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104
14. Circuit filtre
La présence de la self‐induction L amorti le courant de la caténaire, la capacité C fonctionne comme
la capacité C fonctionne comme une source de courant idéale.
IlIl est important que les circuits de i
l
i i d
voie de la signalisation ne soient pas perturbés par des variations de tension provenant des circuits de retour du courant de traction vers la sous‐station de traction.
Les deux circuits font usage des mêmes rails comme circuit de retour.
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105
Agenda
11. Diodes et redresseurs
11 1 D
11.1. Description –
i ti
caractéristiques
té i ti
11.2. Exemple de fonctionnement
11.3. Le pont redresseur – principe
11 4 P t d
11.4. Pont redresseur avec filtrage capacitif
filt
itif
12. Le thyristor
12.1. Description
12 2 C b
12.2. Courbe caractéristique –
éi i
polarisation inverse
l i i i
12.3. Courbe caractéristique – polarisation directe
12.4. Caractéristiques
12.5. Exemple de fonctionnement
l d f
13. Le transformateur
13.1. Généralités
13.2. Constitution – caractéristiques
13.3. Rapport entre tension, courant, spires et puissance
14. Circuit filtre
15. Circuit PLC
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106
15. Circuit PLC
PLC est l’abréviation
PLC est l
abréviation de Programmable Logic Controller.
de Programmable Logic Controller
L’appellation française courante est : « Appareil de commande à logique programmable ».
Un PLC réagit un peu à l’image d’un homme :
 il observe (entrée des données) ;
 assimile (traitement des données pour information) ;  diffuse les données(sortie des données). diff
l d
é ( ti d d
é )
Les signaux d’entrée et de sortie sont généralement binaires (binaire : n’utilisant que 2 symboles 1 et 0) Les types de signaux d’entrée
que 2 symboles 1 et 0). Les types de signaux d
entrée à sélectionner, de à sélectionner de
traitements à effectuer et de sorties à commander sont consignés dans le programme. Ce programme est entré dans la mémoire du PLC. Licence européenne – Formation générale – Technologie des trains : Electricité générale
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107
15. Circuit PLC
Le PLC est un micro
Le
PLC est un micro‐
ordinateur adapté pour la commande de machines et d’installations. Par exemple : la porte Par
exemple : la porte
d’about ABB des automotrices série 96.
Licence européenne – Formation générale – Technologie des trains : Electricité générale
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