Normes et Circuits électriques appliqués aux systèmes frigorifiques : Schémathèque

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À la fin de ce chapitre, l’élève sera capable de : - lire et interpréter les symboles normalisés des composants électriques utilisés en réfrigération (IEC 60617, NF C 15-100) ; - réaliser un schéma manuel d’un circuit de compresseur avec relais d’intensité ou de tension, avec ou sans condensateur de démarrage ; - expliquer le principe du démarrage avec condensateur de fonctionnement et ses avantages ; - dessiner le schéma électrique complet d’un réfrigérateur domestique, d’un congélateur coffre et d’un climatiseur monosplit ; - mettre en œuvre les consignes de sécurité électrique (mise à la terre, protection différentielle, isolement) lors du montage et du dépannage. **Prérequis** : notions de base en électricité (tension, courant, résistance, loi d’Ohm, puissance), connaissance des appareils électroménagers (compresseur, évaporateur, condenseur, détendeur), lecture de schémas unifilaires, utilisation du multimètre et du testeur de continuité. --- ## Introduction contextualisée Au Cameroun, la chaîne du froid est essentielle pour la conservation des denrées périssables (poisson, viande, produits laitiers) et le confort thermique dans les habitats urbains. Les techniciens en maintenance frigorifique doivent donc maîtriser non seulement le cycle thermodynamique, mais aussi l’alimentation électrique des compresseurs, qui constitue le point critique de démarrage et de protection. Les normes IEC 60617 et NF C 15-100 définissent les symboles graphiques et les règles de câblage afin d’assurer l’interchangeabilité des pièces et la sécurité des installations. Ce chapitre présente, de façon progressive, les symboles, les schémas manuels, les différents types de relais de démarrage et les schémas complets des appareils les plus répandus sur le marché camerounais (réfrigérateurs top‑freezer, congélateurs coffre, climatiseurs monosplit). --- ## I. Leçon 21 – Symboles normalisés, schémas manuels, alimentation des compresseurs ### 1. Symboles normalisés des composants électriques > **Les symboles normalisés permettent une lecture universelle des schémas, indépendamment du fabricant.** | Composant | Symbole IEC 60617 | Description courte | |-----------|-------------------|--------------------| | Moteur asynchrone (compresseur) | ![Moteur] | Bobine statorique, rotor cage | | Relais d’intensité (current relay) | ![Relais I] | Contact qui s’ouvre quand le courant dépasse un seuil (protection contre surintensité) | | Relais de tension (voltage relay) | ![Relais V] | Contact qui s’ouvre quand la tension dépasse un seuil | | Condensateur de démarrage (start capacitor) | ![C start] | Capacitance élevée, seulement en phase de démarrage | | Condensateur de fonctionnement (run capacitor) | ![C run] | Capacitance modérée, reste en circuit pendant le fonctionnement | | Fusible | ![Fusible] | Protection contre les surintensités | | Disjoncteur thermique | ![Disjoncteur] | Coupure automatique en cas de surcharge prolongée | | Terre de protection | ![Terre] | Connexion à la masse de l’installation | *(Les images sont à remplacer par les symboles réels dans le support de cours.)* ### 2. Schéma manuel d’un circuit de compresseur Un schéma manuel représente les connexions physiques à réaliser sur un tableau ou un bornier. Il se lit de gauche à droite : alimentation → protection → commande → charge. **Étapes de réalisation** 1. Tracer les barres d’alimentation L (phase) et N (neutre) ou L1, L2, L3 pour un triphasé. 2. Placer le dispositif de protection (fusible ou disjoncteur) en série avec la phase. 3. Insérer le relais de commande (intensité ou tension) selon le type de démarrage choisi. 4. Ajouter le condensateur de démarrage en parallèle avec l’enroulement de démarrage du moteur, si prévu. 5. Connecter l’enroulement principal du compresseur entre la sortie du relais (ou directement) et le neutre (ou la deuxième phase). 6. Effectuer la mise à la terre du châssis du compresseur via le symbole de terre. ### 3. Démarrage avec relais d’intensité #### 3.1 Principe Le relais d’intensité mesure le courant de l’enroulement de démarrage. Lorsque ce courant diminue en dessous d’un seuil réglé (généralement 0,2–0,3 × I_nom), le contact s’ouvre, coupant l’alimentation du condensateur de démarrage et laissant uniquement l’enroulement principal en circuit. #### 3.2 Schéma (sans condensateur de démarrage) ``` L ----[Fusible]----+----> Enroulement principal ---- N | +----> Enroulement de démarrage ---- N ``` > **>** Sans condensateur de démarrage, le relais d’intensité n’est pas nécessaire ; l’enroulement de démarrage est connecté directement. Le couple de démarrage est réduit ; utilisé uniquement pour les compresseurs à faible couple (ex. petits réfrigérateurs de bureau). #### 3.3 Schéma (avec condensateur de démarrage) ``` L ----[Fusible]----+----> Enroulement principal ---- N | +----[Relais I]----[C_start]----> Enroulement de démarrage ---- N ``` > **>** Le condensateur de démarrage crée un déphasage de ≈ 90° entre les deux enroulements, augmentant le couple de démarrage de 30 % à 50 %. #### 3.4 Exemple de réglage Un compresseur de 1/4 CV (≈ 180 W) sous 220 V monophasé a I_nom ≈ 0,82 A. Au démarrage verrouillé, le courant de l’enroulement de démarrage peut atteindre 3,5 A. Le relais d’intensité est réglé à 0,3 A (seuil d’ouverture). Ainsi, tant que le courant dépasse 0,3 A, le relais reste fermé et le condensateur reste en circuit ; lorsque le courant chute en dessous de 0,3 A (après ≈ 0,5 s), le relais s’ouvre, retirant le condensateur du circuit. ### 4. Démarrage avec relais de tension #### 4.1 Principe Le relais de tension surveille la tension aux bornes de l’enroulement de démarrage. Lorsque la tension dépasse un seuil réglé (généralement 1,1–1,2 × U_nom), le contact s’ouvre, retirant le condensateur de démarrage du circuit. #### 4.2 Schéma (sans condensateur de démarrage) ``` L ----[Fusible]----+----> Enroulement principal ---- N | +----> Enroulement de démarrage ---- N ``` > **>** Ce schéma est rarement utilisé seul car le couple de démarrage est insuffisant pour la plupart des compresseurs frigorifiques. #### 4.3 Schéma (avec condensateur de démarrage) ``` L ----[Fusible]----+----> Enroulement principal ---- N | +----[Relais V]----[C_start]----> Enroulement de démarrage ---- N ``` > **>** Le relais de tension s’ouvre lorsque la tension aux bornes du condensateur atteint ≈ 1,2 U_nom, ce qui se produit après que le moteur ait atteint près de 75 % de sa vitesse nominale. #### 4.4 Exemple de réglage Pour un compresseur de 1/2 CV (≈ 370 W) sous 220 V, U_nom = 220 V. Le relais de tension est réglé à 260 V. Au démarrage, la tension aux bornes du condensateur monte rapidement à ≈ 280 V → le relais s’ouvre, coupant le condensateur. --- ## II. Leçon 22 – Démarrage avec condensateur permanent ; schémas électriques des appareils ### 1. Démarrage avec condensateur permanent (run capacitor) > **Le condensateur de fonctionnement reste en circuit pendant tout le fonctionnement, améliorant le facteur de puissance et réduisant les courants de démarrage.** #### 1.1 Principe Un condensateur de valeur adaptée (entre 3 µF et 12 µF selon la puissance) est placé en série avec l’enroulement auxiliaire (enroulement de démarrage). Il crée un déphasage constant qui permet au moteur de démarrer sans relais ni condensateur de démarrage séparé. #### 1.2 Schéma type ``` L ----[Fusible]----+----> Enroulement principal ---- N | +----[C_run]----> Enroulement auxiliaire ---- N ``` > **>** Aucun dispositif de commutation n’est nécessaire ; le moteur démarre dès l’application de la tension. #### 1.3 Avantages et limites | Avantages | Limites | |-----------|---------| | Pas de pièce d’usure (relais, condensateur de démarrage) | Couple de démarrage inférieur à celui obtenu avec un relais + C_start (≈ 70 % du couple maximal) | | Facteur de puissance amélioré (cos φ ≈ 0,9) | Nécessite un dimensionnement précis du C_run pour éviter la surchauffe | | Moins de points de connexion → meilleure fiabilité | Sensible aux surtensions ; nécessite une protection contre les surtensions transitoires | #### 1.4 Exemple de dimensionnement Un compresseur de 1/3 CV (≈ 250 W) sous 220 V monophasé nécessite un facteur de puissance de 0,9. La puissance apparente S = P / cos φ = 250 W / 0,9 ≈ 278 VA. Le courant apparent I = S / U = 278 VA / 220 V ≈ 1,26 A. La réactance du condensateur Xc = U / I = 220 V / 1,26 A ≈ 174 Ω. La capacité C = 1 / (2πf Xc) = 1 / (2π·50·174) ≈ 18,3 µF. On choisit la valeur commerciale la plus proche : **C_run = 18 µF** (tension nominale ≥ 440 V). ### 2. Schéma électrique d’un réfrigérateur domestique (type top‑freezer) > **Le schéma comprend l’alimentation du compresseur, du ventilateur de condenseur, du dégivrage, de l’éclairage intérieur et du thermostat.** #### 2.1 Blocs fonctionnels - **Alimentation** : 220 V / 50 Hz, protection par disjoncteur 10 A différentiel 30 mA. - **Compresseur** : démarrage avec relais d’intensité + C_start (ou C_run selon modèle). - **Ventilateur de condenseur** : moteur asynchrone monophasé, alimenté directement via un contact du thermostat. - **Dégivrage** : résistance chauffante (≈ 150 W) commandée par un timer ou un capteur de givre. - **Éclairage intérieur** : lampe LED 5 W, interrupteur de porte. - **Thermostat** : détecte la température du compartiment frais et commande le compresseur. #### 2.2 Schéma simplifié (texte) ``` L ----[Disjoncteur 10A]----+----> [Thermostat]----+----> [Compresseur]---- N | | +----> [Ventilateur condenseur]---- N | +----> [Lampe LED]----[Interrupteur porte]---- N | +----> [Timer de dégivrage]----> [Résistance dégivrage]---- N N --------------------------------------------------------------- N ``` > **>** Tous les appareils métalliques sont reliés à la terre de protection. ### 3. Schéma électrique d’un congélateur coffre > **Le congélateur coffre possède généralement un seul compresseur, un ventilateur de condenseur et un système de dégivrage par arrêt du compresseur (dégivrage par arrêt).** #### 3.1 Particularités - Pas d’éclairage intérieur (ou lampe très faible). - Le thermostat agit sur la température du compartiment uniquement (souvent -18 °C). - Le dégivrage se fait par arrêt du compresseur pendant 20‑30 min toutes 6‑8 h, puis reprise automatique. #### 3.2 Schéma simplifié ``` L ----[Disjoncteur 10A]----+----> [Thermostat]----+----> [Compresseur]---- N | | +----> [Ventilateur condenseur]---- N | N --------------------------------------------------------------- N ``` > **>** Le dégivrage est obtenu par arrêt du compresseur commandé par le thermostat (ou un timer) pendant 20‑30 min toutes 6‑8 h. ### 4. Schéma électrique d’un climatiseur monosplit (type mural) > **Le monosplit regroupe une unité intérieure (évaporateur, ventilateur, filtre) et une unité extérieure (compresseur, condenseur, ventilateur). Le câblage comprend l’alimentation, les signaux de commande (télécommande infrarouge ou filaire) et la protection.** #### 4.1 Unité intérieure - **Alimentation** : 220 V / 50 Hz, protégée par un disjoncteur 6 A. - **Ventilateur d’évaporateur** : moteur asynchrone monophasé, commande via le thermostat d’ambiance. - **Résistance chauffante (mode chauffage)** : optionnelle, commandée par le même thermostat. - **Filtre électrostatique** : passive, pas d’alimentation. #### 4.2 Unité extérieure - **Compresseur** : démarrage avec relais d’intensité + C_start (ou C_run selon gamme). - **Ventilateur de condenseur** : moteur monophasé, alimenté en parallèle avec le compresseur via un contacteur lié au compresseur (ou via le relais de surcharge). - **Pressostat de basse pression** : coupe le compresseur en cas de manque de fluide frigorigène. - **Pressostat de haute pression** : coupe le ventilateur de condenseur si la pression dépasse la limite de sécurité. - **Fourchette de dégivrage** : résistance chauffante autour du condenseur, commandée par un thermostat de dégivrage (en mode pompe à chaleur). #### 4.3 Schéma de connexion entre les unités ``` [Unité intérieure]---(câble d'alimentation 3G2,5)---[Unité extérieure] ``` Le câble comporte : - **Phase (L)** : alimente compresseur + ventilateur extérieur. - **Neutre (N)** : commun aux deux unités. - **Terre (PE)** : reliée aux châssis des deux unités. - **Fil de commande** : généralement un conducteur 0,5 mm² pour le signal ON/OFF et la température de consigne (protocole propriétaire ou Modbus). > **>** Le respect de la section du câble (minimum 2,5 mm² pour 16 A) évite la surchauffe et la chute de tension excessive. --- ## III. ACTIVITES D’INTEGRATION L’objectif de cette activité est de mettre en pratique les connaissances acquises en réalisant, sur un banc d’essai, le câblage complet d’un réfrigérateur top‑freezer avec relais d’intensité et condensateur de démarrage, puis de mesurer les courants de démarrage et de fonctionnement à l’aide d’un pince‑ampèremètre. **Consignes** 1. Préparer le schéma unifilaire sur papier à partir des symboles normalisés. 2. Réaliser le câblage sur le bornier du banc, en respectant les couleurs de conducteur (phase = marron, neutre = bleu, terre = vert/jaune). 3. Effectuer un test de continuité et d’isolement avant mise sous tension. 4. Mesurer le courant de pointe au démarrage (durée < 1 s) et le courant stabilisé en régime permanent. 5. Comparer les valeurs mesurées avec les valeurs théoriques calculées à partir de la puissance nominale du compresseur. 6. Rédiger un rapport incluant le schéma, les relevés, l’analyse des écarts et les propositions de réglage du relais d’intensité si nécessaire. Cette activité développe les compétences suivantes : lecture de schéma, câblage conforme aux normes, utilisation d’instruments de mesure, analyse de résultats et rédaction de compte‑rendu technique. --- ## Synthèse du chapitre - **Symboles normalisés** : IEC 60617, NF C 15-100 → lecture universelle des schémas. - **Relais d’intensité** : ouvre son contact quand le courant de l’enroulement de démarrage tombe en dessous d’un seuil réglé, coupant ainsi le condensateur de démarrage. - **Relais de tension** : coupe le condensateur de démarrage quand la tension aux bornes dépasse un seuil. - **Condensateur de démarrage** : crée un déphasage de ≈ 90°, augmente le couple de démarrage de 30‑50 %. - **Condensateur de fonctionnement (run)** : reste en circuit, améliore le facteur de puissance (cos φ ≈ 0,9) et réduit le courant de démarrage. - **Schémas d’appareils** : réfrigérateur (compresseur + ventilateur + dégivrage + éclairage), congélateur coffre (compresseur + ventilateur + dégivrage par arrêt), climatiseur monosplit (unité intérieure + extérieure, câblage 3G2,5 + fil de commande). - **Sécurité** : protection différentielle 30 mA, mise à la terre, section de câble adaptée, vérification d’isolement avant mise sous tension. - **Formule de dimensionnement du condensateur de fonctionnement** : \[ C = \frac{I}{2\pi f U} = \frac{P}{2\pi f U^{2}\cos\phi} \] où \(P\) = puissance active (W), \(U\) = tension (V), \(f\) = fréquence (Hz), \(\cos\phi\) = facteur de puissance souhaité. --- ## Glossaire | Terme | Définition | |-------|------------| | Relais d’intensité | Dispositif qui ouvre un contact lorsque le courant traversant une bobine diminue en dessous d’un seuil réglé (utilisé pour retirer le condensateur de démarrage après le lancement du moteur). | | Relais de tension | Dispositif qui ouvre ou ferme un contact lorsque la tension à ses bornes dépasse ou tombe en dessous d’un seuil réglé. | | Condensateur de démarrage (C_start) | Condensateur de forte valeur, uniquement en circuit pendant la phase de démarrage du moteur asynchrone. | | Condensateur de fonctionnement (C_run) | Condensateur de valeur modérée, resté en circuit pendant tout le fonctionnement du moteur. | | Facteur de puissance (cos φ) | Rapport entre la puissance active et la puissance apparente ; indique l’efficacité de l’utilisation du courant. | | Disjoncteur différentiel | Dispositif de protection qui coupe l’alimentation lorsqu’un courant de fuite dépasse un seuil (souvent 30 mA). | | Pressostat | Interrupteur actionné par la pression d’un fluide (frigorigène ou air) ; utilisé pour la protection du compresseur ou du ventilateur de condenseur. | | Dégivrage par arrêt | Technique de dégivrage où le compresseur est arrêté pendant une période déterminée pour permettre la fonte du givre sur l’évaporateur. | | Terre de protection | Conducteur relié à la masse de l’installation, destiné à évacuer les courants de défaut et à garantir la sécurité des personnes. | | Section de câble | Aire conductrice d’un câble, exprimée en mm² ; détermine sa capacité à transporter un courant sans surchauffe excessive. | --- ## Exercices d’application corrigés ### Exercice 1 – Dimensionnement du condensateur de fonctionnement **Énoncé** : Un compresseur de réfrigérateur de 1/5 CV (≈ 150 W) fonctionne sous 230 V monophasé, fréquence 50 Hz. On souhaite obtenir un facteur de puissance de 0,95. Calculer la valeur du condensateur de fonctionnement à installer. **Corrigé** 1. Puissance active : \(P = 150\) W. 2. Courant apparent souhaité : \(S = \frac{P}{\cos\phi} = \frac{150}{0,95} = 157,9\) VA. 3. Courant apparent : \(I = \frac{S}{U} = \frac{157,9}{230} = 0,687\) A. 4. Réactance du condensateur : \(X_c = \frac{U}{I} = \frac{230}{0,687} = 334,8\) Ω. 5. Capacité : \(C = \frac{1}{2\pi f X_c} = \frac{1}{2\pi \times 50 \times 334,8} = 9,52\) µF. On choisit la valeur commerciale la plus proche : **C_run = 10 µF** (tension nominale ≥ 440 V). ### Exercice 2 – Analyse d’un schéma de climatiseur monosplit **Énoncé** : Sur le schéma fourni d’un climatiseur monosplit, repérer les éléments suivants : a) Le dispositif qui protège le compresseur contre une surcharge de courant. b) Le composant qui assure le déphasage nécessaire au démarrage du compresseur lorsqu’un relais d’intensité est utilisé. c) Le câble qui relie l’unité intérieure à l’unité extérieure et indique sa section minimale recommandée pour un courant de 16 A. **Corrigé** a) Le **disjoncteur thermique** (ou relais de surcharge) placé en série avec la phase du compresseur. b) Le **condensateur de démarrage (C_start)**, placé **en série** avec l’enroulement de démarrage du compresseur. c) Le câble d’alimentation est un **3G2,5** (3 conducteurs de 2,5 mm² : phase, neutre, terre). Selon la norme NF C 15-100, pour un courant de 16 A en installation intérieure, la section minimale est de 2,5 mm², donc le câble 3G2,5 est conforme. --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Oublier de connecter la terre de protection sur le châssis du compresseur. | Risque de choc électrique en cas de défaut d’isolement. | > Toujours vérifier la continuité terre‑châssis avec un ohmmètre avant mise sous tension. | | 2 | Utiliser un condensateur de démarrage sous‑dimensionné (valeur trop faible). | Couple de démarrage insuffisant → le compresseur ne démarre pas ou surchauffe. | > Respecter la valeur calculée ou celle indiquée par le fabricant ; vérifier la tolérance (±10 %). | | 3 | Placer le relais d’intensité en parallèle avec l’enroulement principal au lieu de en série. | Le relais ne mesure pas le courant de démarrage → protection absente. | > Le relais d’intensité doit être en série avec l’enroulement de démarrage. | | 4 | Négliger la vérification de l’isolement entre les conducteurs et la terre avant de mettre sous tension. | Courant de fuite pouvant déclencher le différentiel ou provoquer un choc. | > Effectuer un test d’isolement (mégaohmmètre) : valeur > 1 MΩ pour les circuits de puissance. | | 5 | Utiliser un câble d’alimentation de section trop faible (ex. 1,5 mm² pour 16 A). | Surchauffe du câble, chute de tension, risque d’incendie. | > Respecter les tables de section : pour 16 A en cuivre, section minimale 2,5 mm². | | 6 | Modifier le réglage du relais d’intensité sans mesurer le courant de pointe. | Risque de déclenchement intempestif ou de non‑déclenchement en surcharge. | > Mesurer le courant de pointe avec une pince‑ampèremètre avant de fixer le seuil du relais (généralement 2–3 × I_nom). | --- *Fin du cours.*