Magnétisme: notions fondamentales

Il y a des domaines dans le monde de l’électrotechnique que l’on peut difficilement comprendre sans aborder les notions élémentaires du magnétisme. Combinée avec l’électricité, cette discipline s’appelle l’électromagnétisme; deux composantes intimement liées et analogues en plusieurs points. Pour comprendre le fonctionnement intrinsèque des principales machines électriques, vous ne pouvez en aucun cas passer votre chemin sur cet article.

Aimants

II existe dans la nature des pierres qui ont la propriété principale d’attirer le fer. Ces pierres portent le nom de « magnétites » car leur découverte est originaire de la Magnésie, région de la Grèce où l’on trouve en abondance ce minéral noir si particulier. Cet « aimant naturel » est composé d’oxyde de fer qui a la particularité d’attirer … le fer (et d’autres métaux)!
On sait reproduire ce phénomène sur des matériaux de diverses formes que l’on appelle des aimants artificiels. Ces derniers sont utilisés pour des applications diverses et variées, des plus élémentaires aux plus exigeantes, du monde technologique qui nous environne.

L’aimant attire donc le fer à ses extrémités, là où l’attraction est la plus forte. Ces extrémités s’appellent les pôles (pôle Nord et pôle Sud).
On les appelle ainsi en raison de leur attraction naturelle vers les pôles géographiques terrestres. De là, découle le fonctionnement de la boussole qui est composée d’une aiguille aimantée montée librement sur un axe.

La boussole indique la direction du Nord géographique. Oui, mais non!
En fait, l’aiguille de la boussole est attirée par le pôle Nord magnétique de la terre, qui ne se situe pas exactement au niveau du pôle Nord géographique de notre planète mais décalé de plusieurs kilomètres. Comme vous le savez, la terre est un gros aimant qui génère un champ magnétique de son pôle Nord à son pôle Sud (le centre de la terre est une gigantesque boule de fer en fusion) et sur lequel l’aiguille aimantée de la boussole s’aligne pour indiquer le Nord (les deux aimants s’attirent).

Le pôle Nord de l’aiguille aimantée est souvent coloré en rouge et se dirige toujours vers le nord magnétique terrestre.

A présent, nous pouvons déjà citer la première loi du magnétisme:

Les pôles semblables de deux aimants se repoussent, les pôles contraires s’attirent.

Mais attendez une minute! Si cette loi est vraie, comment se fait-il que le pôle nord de l’aiguille soit attiré par le pôle nord terrestre ?

Et bien, en réalité … le pôle Nord magnétique terrestre est en fait un pôle Sud … mais chut, faut pas le répéter … Eh oui, le nom de « pôle Nord magnétique » est conservé par convention historique, il est nommé ainsi car ce pôle donne approximativement le Nord géographique … ça évite toute confusion et tout risque d’AVC dans les prochaines minutes!

Lignes de force

Les forces de répulsion et d’attraction sont modélisées par des lignes s’échappant toujours du pôle N vers le pôle S de l’aimant, comme indiqué sur le schéma ci-dessous:

Les lignes de forces représentent le champ magnétique (symbolisé B) de l’aimant. Elles empruntent tout l’espace en 3 dimensions autour de l’aimant.
Bien que l’image illustre le champ magnétique en 2 dimensions, les lignes de force jaillissent également de votre écran à partir du pôle N et y replongent vers le pôle S.
A mesure que l’on se rapproche de l’aimant, le champ magnétique devient de plus en plus intense et inversement.

Voici les règles fondamentales utiles à savoir: 

  • Les lignes de force ne se croisent jamais.
  • Elles ont tendance à emprunter toujours le chemin le plus court ou le plus facile.
  • Elles partent toujours d’un pôle Nord vers un Pôle Sud.
  • Elles exercent une force de répulsion entre elles.

Flux magnétique

Le flux magnétique représente l’ensemble des lignes de force qui traversent une surface. Il est symbolisé par la lettre grecque Φ (phi).

Il dépend essentiellement de trois facteurs:

  • l’intensité du champ magnétique (B)
  • l’aire de la surface traversée (A).
  • l’angle que forme la surface par rapport au champ magnétique.

Lorsque la surface traversée est perpendiculaire au champ magnétique, le flux est maximal. Il est alors caractérisé par la formule suivante: \Phi = B . A
Si l’orientation de la surface change d’angle et que le champ reste uniforme, le flux diminue. Enfin, quand la surface est parallèle, le flux est nul.

Grandeurs et unités
Le champ magnétique B est normalement représenté sous forme de vecteur. Il est exprimé en Tesla (T)
Le flux magnétique Φ est exprimé en Weber (W).
L’aire de la surface est exprimée en .

Les moteurs asynchrones: fonctionnement

Les moteurs asynchrones constituent de nos jours les machines électriques les plus employées. Elles sont robustes, fiables, économiques et conviennent pour les applications les plus exigeantes de l’industrie (ascenseurs, pompes, etc.).
Le terme « asynchrone » signifie que la vitesse de rotation du moteur est inférieure à celle du champ tournant du réseau. Les moteurs asynchrones fonctionnant sur réseau alternatif triphasé sont de loin les plus utilisés. Dans cet article, découvrez en douceur le fonctionnement d’une telle machine.

Constitution (rappel)

Le moteur asynchrone comprend deux parties:

  • Le stator, partie fixe constituée d’un empilage de tôles assemblées en cylindre, à l’intérieur de laquelle sont insérées des bobines de cuivre. Le rôle du stator est de créer un champ magnétique tournant (vitesse de synchronisme).
  • Le rotor, partie mobile composée de barres de cuivre introduites dans des encoches et fixées de part et d’autre par des anneaux les court-circuitant (rotor à cage d’écureuil) ou composée d’un bobinage semblable à celui du stator, placé dans des encoches (rotor bobiné).

Nous ne parlerons que d’un seul type de rotor: le rotor à cage d’écureuil. On dit que ce rotor est à cage d’écureuil en raison de sa forme caractéristique.


Principe de fonctionnement

Notion d’électromagnétisme

Lorsqu’une bobine de fil de cuivre est parcourue par un courant (I), un champ magnétique (B) proportionnel à celui-ci est créé à l’intérieur de l’élément et se dirige vers l’extérieur.

En régime alternatif, le courant varie 50 fois par seconde. Le champ magnétique généré varie également.
La bobine se comporte alors comme un aimant et a la capacité d’attirer ou de repousser des éléments ferromagnétiques.
L’électro-aimant ainsi créé est pourvu de deux pôles (N et S) s’inversant cycliquement en fonction de la variation du courant.

Installons maintenant 3 bobines en cercle décalées géométriquement de 120° les unes des autres et alimentons-les en séquence triphasée (les 3 courants ne s’établissent pas au même moment, les champs magnétiques non plus).

 

 

Les flèches de couleur représentent le sens des champs magnétiques générés par les 3 bobines à mesure que leur courant respectif varie en amplitude et en séquence (figées à un instant t).

 

 

 

 

 

 

Lorsque l’on fait la somme vectorielle des champs magnétiques à chaque instant, le vecteur résultant représente le champ magnétique tournant correspondant à la vitesse de synchronisme du moteur.

 

 

 

Ces bobines sont ce que l’on appelle les enroulements du moteur. Ils sont au nombre minimum de 3,  géométriquement disposés dans le stator à 120° les uns des autres, placés dans des encoches et connectés respectivement aux 3 phases du réseau.
Chaque enroulement comporte 2 pôles (pôle N et pôle S), ce qui fait 1 paire de pôles.

Bien évidemment, on peut tout à fait avoir plus de 3 enroulements. Par exemple, il existe des moteurs comportant 12 enroulements disposés géométriquement à 30° les uns des autres dans le stator, soit 4 paires de pôles pour chaque phase.

Voici une formule permettant de déterminer la vitesse de synchronisme d’un moteur:

\eta= \frac{f}{p}      avec

η = vitesse de synchronisme en tours par seconde (tr/s)
f = fréquence d’alimentation en hertz (hz)
p = nombre de paire de pôles

Exemple: un moteur constitué de 4 paires de pôles par phase est alimenté par un réseau triphasé à fréquence 50Hz:

\eta= \frac{50}{4}  soit 12,5 tr/s 

La rotation des moteurs étant plutôt exprimée en tours par minute, nous aurons donc 750 tr/min

Et l’écureuil dans tout ça ?

Le stator génère un courant électrique dans le rotor sans qu’aucune pièce n’entre en contact avec une autre: le truc tient de la magie, ou presque! c’est la magie de l’électromagnétisme:

Le rotor est installé au milieu du stator de manière à ce que les barres de cuivre qui le composent « coupent » les lignes de champ magnétique créées par les bobines.
Le champ tournant engendre alors une tension alternative dans les barres de métal. Ces barres étant court-circuitées par deux anneaux les reliant à leurs extrémités, la tension induite fait circuler des courants intenses (courants de Foucault).
Les barres portant ces courants sont soumises à des forces électromagnétiques importantes car elles sont situées dans le champ magnétique du stator. En conséquence, ces forces obligent le rotor à tourner dans le sens de rotation du champ.

A mesure que le rotor accélère, les barres coupent le champ magnétique plus lentement car la vitesse relative du champ tournant par rapport à celle du rotor diminue, ce qui a pour effet de réduire la tension induite dans celles-ci. Le courant circulant dans les barres diminue également. Réaction en chaîne, les forces qui agissent sur les barres s’affaiblissent à leur tour. Quand la vitesse du rotor rattrape celle du champ tournant dans le stator, les forces générant le couple de rotation diminuent et tombent à zéro (plus aucune coupure des lignes de champ par les barres) –> le moteur ralentit.
Durant son ralentissement, les barres coupent à nouveau le champ magnétique car les deux vitesses ne sont plus égales et le processus recommence. A cause de ce phénomène, le rotor ne parvient jamais à tourner durablement à la même vitesse que celle du champ mais il tourne très légèrement en-dessous.

En conséquence, la vitesse du rotor reste en permanence inférieure à celle du champ tournant du stator (vitesse de synchronisme) pour continuer de produire un courant et donc générer un couple qui permet la rotation de la machine.

Comme la vitesse du rotor n’est pas égale à la vitesse synchrone,  on dit que le moteur est asynchrone. La différence entre ces deux vitesses s’appelle le glissement.

Le glissement se calcule par la formule suivante:

g = \frac{\eta s - \eta}{\eta s}

ηs = vitesse de synchronisme en tours par seconde (tr/s)
η = vitesse du rotor en tours par seconde (tr/s)

La valeur obtenue peut être exprimée en % en multipliant le résultat obtenu par 100.

Lorsque le moteur n’entraîne aucune charge mécanique (à vide), le glissement est faible (de l’ordre de 0,1%). Le rotor tourne donc à vitesse voisine de celle du champ statorique.
Lorsque le moteur entraîne une charge, ce dernier ralentit. Les barres du rotor coupent le champ magnétique plus rapidement (la vitesse du champ restant fixe), la tension et les courants induits dans les barres augmentent de manière à produire un couple pour vaincre la charge mécanique à entraîner.

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Vous vendez votre bien immobilier ? Anticipez le diagnostic électrique !

Depuis 2009, pour toute transaction immobilière à caractère de vente, le diagnostic de votre installation électrique est obligatoire si cette dernière a été réalisée il y a plus de 15 ans.
Ce diagnostic, établi pour les logements privés, fait partie de toute la batterie de rapports techniques requis lors de la signature d’un acte authentique chez le notaire.

A quoi ça sert ?

 

Le diagnostic électrique vise a évaluer les risques potentiels que votre installation est susceptible de présenter à l’égard des personnes. En effet, les installations anciennes sont dangereuses et ne correspondent plus (ou quasiment plus) au niveau de sécurité recherché à l’heure actuelle.

A l’époque, les installations électriques n’étaient constituées principalement que de circuits simples (prises de courant et éclairage) et très peu d’appareils électriques étaient utilisés. Lorsque ces appareils existaient, ils étaient très peu gourmands en énergie donc peu puissants.

Les normes ont changé pour se calquer sur notre mode de vie actuel qui impose l’utilisation d’appareils domestiques de plus en plus nombreux et énergivores. Le diagnostic de votre installation électrique (celle que vous allez céder à un éventuel acquéreur!) est établi suivant le fascicule de documentation FD C16-600. Il a pour but de définir le contenu, la méthodologie et les modalités de réalisation de l’évaluation de l’état des installations électriques existantes des immeubles à usage d’habitation.
Ce fascicule se différencie des normes par son caractère essentiellement informatif et en aucun cas, il ne s’agit d’un contrôle de conformité de l’installation électrique vis-à-vis de la réglementation actuelle.

Il s’agit uniquement d’une information portée à votre acquéreur sur le bien qu’il va acheter et non pas d’une obligation de remise à niveau en cas de non-conformités constatées dans le rapport (que ce soit de votre part ou de la sienne). Néanmoins, ce bout de papier reste obligatoire!

Installations concernées

 

Le diagnostic concerne l’installation électrique des parties privatives du logement et de ses dépendances. Le contrôle part du disjoncteur général de branchement jusqu’aux circuits terminaux (prises de courant, points lumineux, raccordement terminal des appareils fixes) et a pour objet d’identifier par des contrôles visuels, des essais et des mesures les défauts pouvant compromettre la sécurité des personnes.

habilitations electriquesTous les éléments visibles et visitables de l’installation au moment du diagnostic seront inspectés. Le contrôleur vérifiera visuellement et par le biais de mesures l’ensemble de votre logement, la totalité des locaux devra donc être accessible.

A la fin de sa visite, le contrôleur rédigera un rapport qu’il vous adressera. Ce compte-rendu identifiera les non-conformités (s’il y a) et la nature du risque encouru pour chacune d’elles.

Pourquoi anticiper ?

 

Il est essentiel que vous sachiez anticiper le diagnostic avant la venue du technicien et ce, pour plusieurs raisons:

  1. Si vous savez détecter des non-conformités, vous pourrez en traiter quelques-unes (voire la totalité). Ceci aura pour effet d’obtenir peut-être un rapport sans anomalie.
  2. Un diagnostic électrique dans lequel il y aura peu d’anomalies vous apportera un atout précieux pour négocier votre bien au meilleur prix,
  3. Vous êtes un(e) super héros et vous protégerez à votre hauteur le(s) futur(es) propriétaire(s) de votre cher « home sweet home »… Ce sera votre satisfaction pour avoir participé à la sécurité des biens et des personnes :).

Comment faire pour anticiper ?

 

Il y a 11 points de contrôle que le technicien effectuera. Ces points concernent essentiellement les circuits basse tension raccordés en aval de l’AGCP (appareil général de commande et de protection), qui n’est rien d’autre que votre disjoncteur général situé en tête de votre installation.

Les circuits de télécommunication et ceux alimentés en très basse tension sont exclus sauf dans le cas de locaux où il y a présence d’eau (salle de bains, piscine …), la sécurité étant renforcée au vu des risques d’électrisation ou d’électrocution que présentent ces lieux.

Parmi ces 11 fiches de contrôle définies par la norme, voici quelques exemples de point d’inspection:

  • La présence et l’accessibilité de l’AGCP de l’installation,
  • La présence à l’origine de l’installation d’au moins un dispositif différentiel (DDR),
  • Absence de matériels présentant des risques de contacts directs
  • La valeur requise de la prise de terre et les mises à la terre des différents appareils,
  • La présence de dispositifs de protection en adéquation avec la section des conducteurs de chaque circuit,
  • etc…

Pour chaque point, un contrôle minutieux sera réalisé par le vérificateur.

Afin de vous permettre d’anticiper au maximum les anomalies, vous devez donc comprendre, connaître et traiter ces 11 fiches.

Fiches bientôt téléchargeables…

Comment mesurer une prise de terre ?

Mesurer une prise de terre est indispensable pour déterminer le niveau de protection contre les risques d’électrocution dans une habitation. Maison neuve ou rénovée, l’importance d’une bonne prise de terre reste capitale pour maintenir la sécurité des personnes et contribuer au bon fonctionnement d’une installation électrique.

L’objectif de la mesure:

La mesure de la prise de terre devra être réalisée avant de mettre sous tension, pour la première fois, une installation électrique. Sans elle, le CONSUEL ne pourra vous délivrer son attestation de mise en service, l’installation d’une prise de terre étant obligatoire  (voir mon article dédié: « La prise de terre … Kézako ?« ).

Aussi, il peut être fort utile de la mesurer lorsque vous achetez un bien déjà édifié depuis plusieurs années, pour savoir si la sécurité des personnes est assurée. Toute valeur sortant des critères requis devra vous inciter à prendre des dispositions complémentaires.

Mesurer une prise de terre, c’est aussi contrôler que les courants de défaut pourront s’écouler dans la terre sans que la tension de contact n’excède 50V (Tension Limite de Sécurité fixée par la norme).

La résistivité du terrain:

La résistivité d’un terrain, c’est la résistance de ce terrain face à la circulation d’un courant. Elle s’exprime en ohm.mètre (Ω.m).

Elle peut être très variable selon le type de terrain , la région, les saisons, le taux d’humidité etc…  Par exemple, le gel ou la sécheresse augmentent cette fameuse résistivité. Aussi, un terrain rocailleux n’aura pas la même résistivité qu’un terrain argileux.

La bonne valeur d’une prise de terre:

La prise de terre doit être associée à un dispositif de coupure automatique de l’alimentation. En d’autres termes, il est nécessaire de disposer d’un dispositif différentiel, qui formera le partenaire indissociable de celle-ci. Dans le cas d’une défaillance ou de l’ absence de l’un ou l’autre, la protection des personnes contre les risques d’électrocution ne sera plus assurée.
Pour faire simple, le dispositif différentiel est un appareil qui permet de « surveiller » les courants qui entrent et qui sortent dans votre installation… Ces courants sont égaux tant que l’installation est exempte de défaut (le courant qui entre est le même que celui qui sort). Par contre, si ces deux courants sont différents, cela veut dire qu’une certaine quantité s’est enfuie par la terre (courant de défaut) en raison de la vétusté ou de la défectuosité d’un appareil électrique (fer à repasser, machine à laver, réfrigérateur etc..). Dans ce cas, le différentiel coupe automatiquement l’électricité avant que cela ne soit dangereux pour les personnes.

Si le courant de défaut perdurait, la tension de contact sur la masse métallique de l’appareil en défaut pourrait être très dangereuse (>50V).

En fonction de la sensibilité du dispositif différentiel (exprimée en mA) et de la valeur de la tension limite de sécurité (50V) , les valeurs de prise de terre à obtenir seront les suivantes:

  • Sensibilité de 30 mA = 1667 Ω
  • Sensibilité de 300 mA = 167 Ω
  • Sensibilité de 500 mA = 100 Ω
  • Sensibilité de 650 mA = 76 Ω

Un petit calcul permet de comprendre le raisonnement:

Ce que l’on cherche à obtenir, c’est avant tout la sécurité des personnes. On sait qu’une tension alternative dans des conditions sèches n’est pas dangereuse pour le corps humain tant que cette dernière n’excède pas 50V. Donc, cette donnée d’entrée sera un élément incontournable pour notre calcul. Cette tension, on la nomme Ul (tension limite)

Si on applique la loi d’ohm et que l’on souhaite déterminer la résistance maximum que la prise de terre doit offrir pour un différentiel de sensibilité 500mA placé en tête de l’installation, on pose l’équation de la manière suivante:

U=RI (formule de départ) avec:
U=50V(tension limite)
R= Résistance de la prise de terre
I= Sensibilité (en A) du dispositif différentiel

On transforme la formule de manière à chercher R, ce qui donne:

R= U/I, soit  R= 50V / 0,5A

Alors, R= 100 Ω max.

Principe de mesure d’une prise de terre

Il existe plusieurs méthodes pour mesurer une prise de terre; je ne vous parlerai que de celle qui offre une très bonne fiabilité.

D’un point de vue théorique, on peut réaliser une prise de terre à l’aide d’un piquet planté dans le sol. Si un courant de défaut s’écoule, il traversera d’abord la résistance de contact établie entre le piquet et le sol. Ensuite, le courant rencontrera les résistances des couches de terrain avoisinantes qui, placées naturellement en parallèle les unes aux autres, formeront une résistance équivalente ayant une valeur quasi nulle.

A partir de cette limite, quel que soit le courant de défaut, le potentiel sera nul: c’est ce qu’on cherche à obtenir pour avoir une bonne prise de terre.

La méthode de mesure est celle des 62%.

Cette méthode est réalisable dans un endroit où des piquets peuvent être enfoncés dans le sol.

mesurer-prise-de-terrePour ça, il vous faut un appareil de mesure que l’on appelle un télluromètre (muni de 2 piquets auxiliaires).

est la prise de terre à mesurer.

L’appareil envoie un courant alternatif à travers la prise auxiliaire (1er piquet placé pour l’exemple à 30m de E) , le retour du courant se faisant par la prise de terre E.

On mesure la tension entre E et H grâce à la prise auxiliaire (2ème piquet placé à environ 18m de E).

L’appareil applique ensuite la loi d’ohm: U=RI et affiche la résistance recherchée.

La barrette de mesure

Vous avez probablement aperçu chez vous un dispositif de coupure faisant la jonction entre votre « prise de terre » (conducteur enfoui dans le sol) et le conducteur de protection principal de votre installation.

barrette mesure prise terre

C’est une barrette de mesure. Elle n’a d’utilité que pour permettre la mesure de votre prise de terre et doit être manœuvrée uniquement lorsque votre installation électrique est hors-tension.

En effet, pour réaliser une mesure fiable, cette dernière doit être ouverte pour ne mesurer que la prise de terre de votre habitation et elle seule. Barrette fermée, la mesure n’est pas significative puisque tous les appareils électriques comportant une masse métallique y sont reliés (y compris des canalisations d’eau ou de gaz), ce qui aurait pour effet de fausser la mesure et de voir s’afficher sur l’appareil une excellente valeur, qui ne serait pas celle de votre prise de terre « réelle ».

De plus, son ouverture permet de s’affranchir des résistances de « fait » (canalisations d’eau ou de gaz, déjà implantées dans le sol, elles-mêmes raccordées à la prise de terre : voir mon article invité sur le blog « Electricite comme un pro » de Laurent Lainé)

Exemple:

Ma prise de terre est un piquet enfoncé dans le sol.

Je décide d’effectuer la mesure « barrette fermée ». Une canalisation d’eau arrive chez moi et j’ai pris le soin de la raccorder à la liaison équipotentielle principale (LEP), comme l’impose la NF C15-100. 
Je plante mes piquets et je lance ma mesure. Le résultat affiché est de 50Ω.
Pris de doutes, je refais la mesure barrette ouverte cette fois. Je trouve 130Ω !

Comment expliquer une telle différence ?

Simplement par le fait que lors de la mesure barrette fermée, le courant injecté par l’appareil a choisi le trajet le moins résistant (créé par la canalisation d’eau en cuivre enfouie dans le sol). La valeur mesurée a donc été satisfaisante dans une installation protégée par un dispositif différentiel 500mA (R max= 100Ω).

Lorsque j’ai relancé la mesure barrette ouverte, la liaison à la canalisation d’eau a été séparée de la prise de terre. Il s’est avéré que la résistance « réelle » constituée par ma prise de terre était plus élevée et donc plus « résistante ». Les conséquences sont alors catastrophiques puisque la valeur réelle est de 120Ω; supérieure à la valeur maximale requise. La protection ne sera plus assurée en cas de contact indirect (électrisation voire électrocution), surtout si la canalisation d’eau est remplacée, sans préavis, par un modèle en matière isolante…

En résumé, mesurer une résistance de prise de terre barrette ouverte permet de s’affranchir d’un tel désastre!

Il est néanmoins essentiel de préciser que la boucle à fond de fouille reste le mode de réalisation le plus sûr au vu de l’emprise au sol de celle-ci (obligatoire pour les constructions neuves et les établissements soumis au code du travail), si bien que la mesure peut même être réalisée barrette fermée.

Le piquet de terre est un moyen de réalisation pratique lors d’une rénovation, le seul inconvénient est que la valeur de la prise de terre « réelle » peut être importante, d’où l’utilité de la mesurer barrette ouverte.

Bientôt, une vidéo sera disponible pour vous montrer la réalisation de la mesure avec un telluromètre!

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