ANALYSE DES MACHINES ÉLECTRIQUES (partie 2/3)

## Objectifs et prérequis **Objectifs** : À l’issue de ce chapitre, l’élève sera capable de : 1. Réaliser les mesures de tension, d’intensité, de résistance et de capacité avec un multimètre numérique et interpréter les résultats. 2. Identifier les caractéristiques techniques d’un transformateur (tension primaire/secondaire, puissance nominale, rapport de transformation, classe d’isolation) à partir de sa plaque signalétique et de ses schémas. 3. Effectuer les tests de continuité, d’isolement et de résistance d’enroulement sur un compresseur frigorifique monophasé et sur un moteur électrique triphasé, en appliquant les procédures de sécurité habituelles en atelier. 4. Rédiger un compte‑rendu de mesure conforme aux normes du MINESEC (tableau de relevés, calcul d’erreur relative, conclusion). **Prérequis** : - Notions de base en électricité : loi d’Ohm, puissance (P = UI), concept de tension alternative et continue. - Utilisation d’un multimètre (fonctions V, A, Ω, capacité). - Lecture d’un schéma électrique simple (symboles de bobine, de condensateur, de moteur). - Règles de sécurité élémentaires (port de gants isolants, mise à la terre, vérification de l’absence de tension avant toute manipulation). --- ## Introduction contextualisée Dans les installations industrielles camerounaises, les transformateurs assurent l’adaptation de la tension du réseau (220 V monophasé ou 380 V triphasé) aux besoins des machines (moteurs, compresseurs, éclairage). Leur bon fonctionnement dépend d’une caractérisation précise et d’un suivi régulier des enroulements. Les techniciens de maintenance doivent donc maîtriser les mesures électriques de base et les tests d’enroulement afin de détecter précocement les défauts (court‑circuit, surtension, dégradation de l’isolation) qui peuvent entraîner des arrêts de production coûteux. Ce chapitre s’appuie sur des situations réelles rencontrées dans les ateliers de réfrigération des grandes surfaces de Yaoundé et les usines de transformation agroalimentaire de Douala. --- ## I. TP 9 : Mesures électriques – Tension, intensité, résistance, capacité ### 1. Notions et définitions - **Tension (U)** : différence de potentiel entre deux points, exprimée en volts (V). - **Intensité (I)** : débit de charge électrique traversant une section, exprimée en ampères (A). - **Résistance (R)** : opposition au passage du courant, exprimée en ohms (Ω). - **Capacité (C)** : aptitude d’un composant à stocker de la charge électrique, exprimée en farads (F) ; en pratique on utilise les microfarads (µF) ou les nanofarads (nF). > **>** La loi d’Ohm s’écrit : \(U = R \times I\). ### 2. Matériel de mesure | Instrument | Fonction principale | Plage typique (atelier) | |------------|--------------------|--------------------------| | Multimètre numérique | Tension continue/alternative, intensité, résistance, capacité | 0‑600 V AC/DC, 0‑10 A, 0‑20 MΩ, 0‑200 µF | | Pinze ampèremétrique | Mesure d’intensité sans rupture du circuit | 0‑600 A AC | | LCR‑mètre (optionnel) | Mesure précise de L, C, R | 0‑100 H, 0‑2 mF, 0‑100 MΩ | ### 3. Procédure de mesure pas à pas 1. **Vérification de l’appareil** – sélectionner la fonction voulue, choisir la plage supérieure à la valeur attendue, vérifier que les pointes de test sont propres et bien enfichées. 2. **Mise sous tension sécurisée** – s’assurer que le circuit est sous tension uniquement si la mesure le nécessite (ex. tension d’alimentation). Utiliser des gants isolants et se tenir à distance des parties sous tension. 3. **Réalisation de la mesure** – placer les pointes en parallèle pour la tension, en série pour l’intensité (ou utiliser la pinze), aux bornes du composant pour la résistance et la capacité. 4. **Lecture et enregistrement** – noter la valeur affichée, l’unité, la plage utilisée et le signe éventuel (pour la tension alternative, indiquer la valeur efficace). 5. **Calcul de l’erreur relative** – \(\varepsilon = \frac{|V_{mes} - V_{ref}|}{V_{ref}} \times 100\%\), où \(V_{ref}\) est la valeur nominale ou la valeur de référence fournie par le fabricant. ### 4. Exemple chiffré (atelier) Un technicien mesure la tension d’alimentation d’un moteur monophasé de 220 V AC. Le multimètre, en plage 600 V AC, indique 215 V. - Erreur relative : \(\varepsilon = \frac{|215-220|}{220}\times100 = 2,27\%\). - Comme l’erreur est inférieure à 5 % (tolérance habituelle pour les mesures de tension en atelier), le résultat est considéré comme conforme. ### 5. Normes et sécurité - NF C 15-100 (installations électriques basse tension) – exigences de protection contre les contacts directs. - Porter des lunettes de protection lorsqu’on manipule des condensateurs pouvant se décharger brusquement. - Toujours décharger les condensateurs avant de mesurer leur capacité (court‑circuit via une résistance de 10 kΩ pendant 5 s). --- ## II. TP 10 : Identification et lecture des caractéristiques d’un transformateur ### 1. Structure d’un transformateur de puissance - **Noyau magnétique** : tôles d’acier au silicium, empilées, réduisant les pertes par hystérésis et courants de Foucault. - **Enroulements** : bobinage primaire (connecté au réseau) et secondaire (alimentation de la charge), en fil de cuivre émaillé. - **Isolation** : vernis, papier kraft, ou résine époxy selon la classe (A, E, B, F, H). - **Plaque signalétique** : indique les données nominales. ### 2. Lecture de la plaque signalétique | Élément | Signification | Exemple (transformateur 5 kVA) | |---------|----------------|--------------------------------| | **U₁** | Tension primaire (V) | 220 V | | **U₂** | Tension secondaire (V) | 12 V | | **S** | Apparent power (kVA) | 5 kVA | | **f** | Fréquence (Hz) | 50 Hz | | **Classe d’isolation** | Température maximale admissible | Classe B (130 °C) | | **Rapport de transformation (n)** | \(n = U₁/U₂\) | 220/12 ≈ 18,33 | | **Courant nominal primaire (I₁)** | \(I₁ = S/(√3·U₁)\) pour triphasé, \(I₁ = S/U₁\) pour monophasé | \(I₁ = 5000/220 ≈ 22,7 A\) (monophasé) | | **Courant nominal secondaire (I₂)** | \(I₂ = S/U₂\) | \(I₂ = 5000/12 ≈ 416,7 A\) | > **>** Le rapport de transformation détermine le facteur de changement de tension : \(U₂ = U₁ / n\). ### 3. Méthode d’identification en atelier 1. **Inspection visuelle** – repérer la plaque, noter les inscriptions, vérifier l’état du boîtier (pas de traces de surchauffe, d’huile ou de corrosion). 2. **Mesure de la résistance d’enroulement** – avec un ohmmètre, mesurer entre les bornes du primaire et entre celles du secondaire (valeurs typiques : quelques ohms pour le primaire, fractions d’ohm pour le secondaire selon la puissance). 3. **Vérification de l’isolement** – appliquer une tension de test (500 V DC) entre enroulement et masse à l’aide d’un mégohmmètre ; la résistance d’isolement doit être > 1 MΩ pour les transformateurs de basse tension. 4. **Essai de rapport de tension** – alimenter le primaire avec une tension connue (ex. 220 V AC) et mesurer la tension secondaire ; comparer au rapport théorique. ### 4. Exemple de calcul (atelier) Un transformateur monophasé de 2 kVA porte les indications suivantes : U₁ = 230 V, U₂ = 24 V, f = 50 Hz. - Rapport de transformation : \(n = 230/24 ≈ 9,58\). - Courant nominal primaire : \(I₁ = S/U₁ = 2000/230 ≈ 8,70 A\). - Courant nominal secondaire : \(I₂ = S/U₂ = 2000/24 ≈ 83,33 A\). Si la mesure réelle donne U₂ = 22,8 V sous charge nulle, l’erreur de tension est \(\varepsilon = |22,8-24|/24 ×100 = 5 %\), toujours dans la tolérance habituelle (±10 % à vide). ### 5. Normes et sécurité - IEC 60076‑1 (transformateurs de puissance) – définitions des caractéristiques et essais. - Lors de l’essai de tension secondaire, s’assurer que le primaire est protégé par un disjoncteur adapté au courant nominal. - Ne jamais toucher les enroulements sous tension ; utiliser des pinces isolées pour les connexions de test. --- ## III. TP 11 : Tests des enroulements sur un compresseur frigorifique (monophasé) et un moteur électrique (triphasé) ### 1. Objectifs des tests - Détecter les courts‑circuits entre spires ou entre enroulement et masse. - Vérifier la continuité de chaque enroulement. - Mesurer la résistance d’isolement pour garantir la sécurité d’exploitation. ### 2. Matériel nécessaire - Multimètre numérique (fonction Ω et capacité). - Mégaohmmètre (500 V DC) pour l’isolement. - Pinze ampèremétrique (facultatif, pour vérifier le courant de démarrage). - Jeu de clés isolées, gants de protection, lunettes de sécurité. ### 3. Procédure de test sur un compresseur frigorifique monophasé | Étape | Action | Résultat attendu | |-------|--------|------------------| | 1 | Débrancher l’alimentation, vérifier l’absence de tension avec le multimètre en fonction V AC. | 0 V | | 2 | Placer les pointes du multimètre entre les deux bornes d’alimentation du compresseur (enroulement de fonctionnement). | Résistance typique 2‑15 Ω (selon puissance). | | 3 | Mesurer entre chaque borne d’alimentation et la masse du boîtier (vis de fixation). | Résistance > 1 MΩ (isolement bon). | | 4 | Mesurer la capacité du condensateur de démarrage (souvent en parallèle avec l’enroulement de fonctionnement). | Valeur conforme à l’étiquette (ex. 12 µF ±10 %). | | 5 | Remettre sous tension, mesurer le courant de démarrage avec la pinze (pointe sur le fil d’alimentation). | Courant de pointe 5‑8 × Iₙ pendant < 0,5 s, puis stabilisation à Iₙ. | > **>** Une résistance d’enroulement anormalement basse (< 0,5 Ω) indique un court‑circuit partiel. ### 4. Procédure de test sur un moteur électrique triphasé | Étape | Action | Résultat attendu | |-------|--------|------------------| | 1 | Couper l’alimentation, vérifier l’absence de tension (V AC) entre chaque paire de bornes (U‑V, V‑W, W‑U). | 0 V | | 2 | Mesurer la résistance entre chaque paire de bornes (U‑V, V‑W, W‑U) avec l’ohmmètre. | Valeurs proches (ex. 0,8‑1,2 Ω) ; différence < 10 % indique un enroulement équilibré. | | 3 | Mesurer la résistance entre chaque borne et la masse du châssis. | > 1 MΩ (isolement correct). | | 4 | Effectuer un test de séquence de phases avec un phasemètre ou en alimentant le moteur à basse tension (ex. 36 V triphasé) et en observant le sens de rotation. | Rotation conforme au schéma de connexion (horaire ou anti‑horaire selon le câblage). | | 5 | Remettre sous tension nominale, mesurer le courant de ligne avec la pinze sur chaque conducteur. | Courants équilibrés (écart < 5 %). | > **>** Un déséquilibre de courant > 10 % signale soit un enroulement endommagé, soit une mauvaise connexion. ### 5. Exemple chiffré (compresseur) Un compresseur de 1/2 CV (≈ 370 W) présente les mesures suivantes : - Résistance entre bornes d’alimentation : 6,8 Ω. - Résistance entre borne et masse : 2,3 MΩ. - Capacité du condensateur de démarrage : 10,4 µF (étiquette : 12 µF ±10 %). Calcul du courant nominal théorique (monophasé) : \(Iₙ = P/U = 370/220 ≈ 1,68 A\). Le courant de démarrage mesuré à la pinze atteint 9 A pendant 0,3 s, puis se stabilise à 1,7 A – conforme aux valeurs attendues (courant de pointe ≈ 5‑6 × Iₙ). ### 6. Normes et sécurité - NF EN 60335‑2‑34 (sécurité des compresseurs frigorifiques). - IEC 60034‑1 (moteurs électriques rotatifs – essais et caractéristiques). - Toujours travailler sous tension nulle pour les mesures de résistance et d’isolement ; utiliser un dispositif de verrouillage‑étiquetage (Lockout/Tagout) avant toute intervention. - Porter des gants isolants de classe 0 (≤ 1000 V) lorsqu’on manipule les bornes d’alimentation. --- ## Synthèse du chapitre - **Mesures électriques** : tension, intensité, résistance, capacité → loi d’Ohm, utilisation du multimètre, calcul d’erreur relative. - **Transformateur** : lecture de la plaque signalétique, rapport de transformation, courants nominaux, essais de résistance d’enroulement et d’isolement. - **Tests d’enroulements** : compresseur monophasé (résistance, capacité, courant de démarrage) et moteur triphasé (résistance entre phases, isolement, équilibrage des courants, séquence de phases). - **Sécurité** : mise à zéro, EPI, verrouillage‑étiquetage, respect des normes NF C 15‑100, IEC 60076, IEC 60034‑1, NF EN 60335‑2‑34. - **Documents attendus** : tableau de relevés, calcul d’erreur relative, conclusion de conformité ou de non‑conformité, proposition d’action corrective. --- ## Glossaire - **Tension efficace (U)** : valeur RMS d’une tension alternative, exprimée en volts (V). - **Intensité (I)** : courant électrique traversant un conducteur, exprimé en ampères (A). - **Résistance (R)** : opposition au passage du courant, mesurée en ohms (Ω). - **Capacité (C)** : aptitude d’un composant à stocker de la charge, mesurée en farads (F) (souvent µF ou nF). - **Rapport de transformation (n)** : rapport entre tension primaire et tension secondaire d’un transformateur. - **Courant nominal (Iₙ)** : courant auquel un appareil est conçu pour fonctionner en continu. - **Résistance d’isolement** : résistance entre un enroulement et la masse, indicative de l’état de l’isolation. - **Courant de pointe** : courant transitoire au démarrage d’un moteur ou d’un compresseur, généralement plusieurs fois le courant nominal. - **Verrouillage‑étiquetage (Lockout/Tagout)** : procédure de mise en sécurité d’une installation avant intervention. - **Classe d’isolation** : catégorie définissant la température maximale admissible de l’isolation (A, E, B, F, H selon IEC 60085). --- ## Exercices d'application corrigés ### Exercice 1 – Mesure de tension et calcul d’erreur **Situation** : Dans un atelier de maintenance à Yaoundé, un technicien mesure la tension d’alimentation d’un éclairage de secours. Le multimètre, en plage 600 V AC, indique 202 V alors que la tension nominale du réseau est 230 V. **Demande** : 1. Calculer l’erreur relative de la mesure. 2. Indiquer si la mesure est acceptable selon une tolérance de ±5 %. **Corrigé** : 1. \(\varepsilon = \frac{|202-230|}{230}\times100 = \frac{28}{230}\times100 ≈ 12,17\%\). 2. L’erreur dépasse 5 % → la mesure n’est **pas** acceptable. Le technicien doit vérifier le réglage du multimètre (plage, calibrage) ou contrôler la présence d’une chute de tension dans le câblage d’alimentation. ### Exercice 2 – Identification d’un transformateur **Situation** : Un transformateur de puissance utilisé dans une boulangerie de Douala porte les indications suivantes : U₁ = 400 V, U₂ = 230 V, S = 10 kVA, f = 50 Hz, classe d’isolation F. **Demande** : a) Déterminer le rapport de transformation n. b) Calculer le courant nominal primaire et secondaire (supposer un couplage monophasé des deux côtés). c) Vérifier si le courant secondaire mesuré à 45 A est conforme. **Corrigé** : a) \(n = U₁/U₂ = 400/230 ≈ 1,739\). b) Courant primaire : \(I₁ = S/U₁ = 10000/400 = 25 A\). Courant secondaire : \(I₂ = S/U₂ = 10000/230 ≈ 43,48 A\). c) Le courant mesuré (45 A) dépasse le courant nominal secondaire de ≈ 3,5 %. Cette légère surcharge peut être tolérée en pointe, mais un fonctionnement continu à ce niveau provoquerait une surchauffe. Il convient de vérifier la charge réelle et, si nécessaire, de réduire la puissance installée ou de remplacer le transformateur par un modèle de capacité supérieure. ### Exercice 3 – Test d’enroulement d’un moteur triphasé **Situation** : Un moteur de 2,2 kW, 380 V triphasé, présente les mesures de résistance suivantes (entre paires de bornes) : R_UV = 0,92 Ω, R_VW = 0,88 Ω, R_WU = 0,95 Ω. La résistance entre chaque borne et la masse est > 2 MΩ. **Demande** : 1. Apprécier l’équilibrage des enroulements. 2. Déduire l’état probable du moteur. **Corrigé** : 1. Moyenne des résistances : \(R_{moy} = (0,92+0,88+0,95)/3 = 0,9167 Ω\). Écarts relatifs : - UV : \(|0,92-0,9167|/0,9167 ≈ 0,36 %\) - VW : \(|0,88-0,9167|/0,9167 ≈ 3,9 %\) - WU : \(|0,95-0,9167|/0,9167 ≈ 3,6 %\) Tous les écarts sont inférieurs à 5 % → les enroulements sont bien équilibrés. 2. La résistance d’isolement élevée (> 2 MΩ) exclut un défaut de masse. Le moteur présente donc des enroulements intacts et équilibrés ; il est probablement en bon état de fonctionnement, sous réserve d’un essai à charge (courant de ligne, température). --- ## Erreurs fréquentes et règles de sécurité | N° | Erreur fréquente | Conséquence | Règle de sécurité / bonne pratique | |----|------------------|-------------|------------------------------------| | 1 | Mesurer la tension avec le multimètre en fonction **Ω** (résistance) au lieu de **V**. | Lecture erronée, risque de dommages à l’appareil. | Toujours vérifier la fonction sélectionnée avant de toucher les pointes de test. | | 2 | Oublier de décharger un condensateur avant de mesurer sa capacité. | Décharge soudaine pouvant blesser l’opérateur ou endommager le multimètre. | Utiliser une résistance de décharge (10 kΩ, 5 W) pendant au moins 5 s avant toute mesure de capacité. | | 3 | Effectuer un test d’isolement avec le mégohmmètre alors que le circuit est encore sous tension. | Risque de choc électrique, détérioration du mégohmmètre. | S’assurer de l’absence de tension (vérifier avec un voltmètre) et appliquer le verrouillage‑étiquetage avant le test d’isolement. | | 4 | Interpréter une légère différence de résistance entre enroulements comme un défaut alors qu’elle provient de la chauffe des pointes de test. | Remplacement inutile d’un bon équipement. | Laisser les pointes de test en contact quelques secondes pour stabiliser la température, ou utiliser une méthode à quatre points (Kelvin) pour les faibles résistances. | | 5 | Ne pas porter de gants isolants lors de la manipulation des bornes d’alimentation d’un transformateur sous tension. | Risque de choc sévère ou électrocution. | Porter systématiquement des gants de classe 0 (≤ 1000 V) et des lunettes de protection lorsqu’on travaille sous tension ou à proximité de parties sous tension. | | 6 | Utiliser une pinze ampèremétrique sur un conducteur dont le diamètre dépasse la capacité de la pince, entraînant une mesure sous‑estimée. | Diagnostic erroné de surcharge ou de sous‑charge. | Vérifier la plage de la pince (ex. 0‑600 A) et choisir un adaptateur ou une pince à grande ouverture si nécessaire. | --- *Fin du cours.*