ÉLECTRICITÉ GÉNÉRALE, 2 ÈME ANNEE, OPTION MECANIQUE GENERALE

Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.

Préliminaires

Objectifs Pédagogiques du Cours 🎯

Ce cours vise à doter le futur technicien en mécanique générale des compétences électriques essentielles pour intervenir de manière sécuritaire et efficace sur des équipements industriels. L’objectif principal est la compréhension fonctionnelle des systèmes en courant alternatif monophasé et triphasé. Au terme de cette formation, l’élève doit être capable d’identifier les grandeurs caractéristiques d’un réseau alternatif, de comprendre le rôle des composants passifs (résistances, bobines, condensateurs), d’analyser les notions de puissance, et de maîtriser les principes de raccordement et de mesure des systèmes triphasés, omniprésents dans les installations industrielles, des cimenteries du Kongo Central aux brasseries de Boma.

Approche Didactique et Méthodologique 💡

L’approche pédagogique est résolument pragmatique et expérimentale, en évitant les développements mathématiques complexes superflus pour un mécanicien. La transition cruciale du courant continu vers le courant alternatif s’effectue par une analogie didactique avec le mouvement circulaire uniforme. Cette méthode permet d’introduire intuitivement les concepts de période, de fréquence, de pulsation et de phase, en projetant un mouvement rotatif simple pour générer une sinusoïde. Chaque concept théorique sera immédiatement illustré par des manipulations en laboratoire et des schémas de câblage concrets, assurant une adéquation permanente entre la théorie et les applications pratiques rencontrées à l’atelier.

Matériel de Laboratoire Requis 🔬

La mise en œuvre de ce cours exige un laboratoire d’électricité équipé pour la sécurité et l’expérimentation. Le matériel indispensable inclut des alimentations stabilisées continues et alternatives (monophasées et triphasées) à tensions de sécurité, des multimètres, des pinces ampèremétriques, un oscilloscope pour la visualisation des signaux sinusoïdaux, ainsi que des wattmètres pour les mesures de puissance. Des modules didactiques comprenant des résistances, des inductances et des capacités de différentes valeurs sont nécessaires pour l’étude des circuits RLC. Enfin, des maquettes de couplage étoile-triangle et des petits moteurs asynchrones triphasés permettent de réaliser les montages pratiques essentiels au programme.

Partie I : Fondamentaux des Courants Alternatifs Sinusoïdaux

Cette partie introductive établit les bases indispensables à la compréhension du courant alternatif. Elle opère la transition conceptuelle depuis le courant continu, déjà étudié, vers les phénomènes périodiques qui régissent le monde de l’électrotechnique industrielle. La maîtrise de ces notions est fondamentale avant d’aborder l’analyse de circuits plus complexes.

Chapitre 1 : Du Mouvement Périodique au Signal Électrique

Ce chapitre utilise une approche analogique pour rendre accessible la nature du courant alternatif. Il s’agit de construire une représentation mentale solide du signal sinusoïdal, qui est la pierre angulaire de la distribution d’énergie électrique par le réseau de la SNEL (Société Nationale d’Électricité) à travers le pays.

1.1. Comparaison entre Courant Continu (CC) et Courant Alternatif (CA)

Les différences fondamentales entre les deux types de courant sont mises en évidence par des expériences simples. Cette section explore la direction du flux d’électrons, la constance ou la variation de la tension, et les applications typiques de chaque technologie, du circuit de commande en 24V CC à l’alimentation d’un tour d’usinage en 380V CA.

1.2. La Fonction Sinusoïdale comme Modèle Mathématique

L’étude de la fonction mathématique  est menée pour familiariser les élèves avec sa représentation graphique et ses caractéristiques. L’objectif est de montrer comment cette courbe décrit parfaitement la variation temporelle de la tension aux bornes d’une prise de courant domestique à Kinshasa ou ailleurs.

1.3. Grandeurs Caractéristiques d’un Signal Périodique

Les définitions de la période (T), de la fréquence (f), de la pulsation (ω), de l’amplitude (Um, Im) et de la valeur instantanée (u, i) sont établies. Des exercices concrets de calcul, comme la détermination de la période d’un signal à partir de la fréquence du réseau de 50 Hz, ancrent ces notions dans la réalité.

Chapitre 2 : Représentation et Mesure des Grandeurs Alternatives

Ce chapitre introduit les outils permettant de manipuler et de quantifier les grandeurs sinusoïdales. Il établit un pont entre la représentation théorique et les valeurs pratiques mesurées par les appareils.

2.1. Notion de Phase et de Déphasage

Le concept de phase à l’origine et de déphasage (avance, retard, quadrature) entre deux grandeurs sinusoïdales de même fréquence est expliqué. Cette notion est cruciale pour comprendre le comportement des moteurs et des transformateurs. L’oscilloscope est utilisé pour visualiser concrètement ces déphasages.

2.2. La Valeur Efficace : Mesure de l’Effet Utile

La signification physique de la valeur efficace est introduite comme étant la valeur d’un courant continu qui produirait le même effet thermique. La relation fondamentale  est établie et son importance pratique est soulignée : c’est cette valeur que mesurent les voltmètres et ampèremètres en mode AC.

2.3. Appareils de Mesure en Courant Alternatif

Une présentation des technologies de mesure est effectuée. Les principes des appareils ferromagnétiques (robustes et économiques), électrodynamiques (précis, utilisés pour les wattmètres) et magnétoélectriques avec redresseur sont décrits, en insistant sur leur domaine d’application respectif.

Partie II : Analyse des Circuits Monophasés en Courant Alternatif

Cette partie se concentre sur l’étude du comportement des composants électriques de base lorsqu’ils sont soumis à une tension alternative sinusoïdale. La compréhension de ces circuits élémentaires est un prérequis indispensable à l’analyse des machines et des installations plus complexes.

Chapitre 3 : Le Circuit purement Résistif (R)

Le cas le plus simple est étudié pour établir une référence. Il correspond aux appareils qui transforment l’énergie électrique uniquement en chaleur, comme les fours de traitement thermique ou les fers à souder.

3.1. Loi d’Ohm en Courant Alternatif

La relation  reste valide en utilisant les valeurs efficaces. Il est démontré que dans une résistance pure, le courant et la tension sont toujours en phase, une observation fondamentale vérifiée à l’oscilloscope.

3.2. Puissance Active dans une Résistance

La notion de puissance active (P), mesurée en Watts (W), est introduite. Elle représente la puissance réellement consommée et transformée en travail ou en chaleur. La formule  est appliquée au contexte des circuits résistifs.

Chapitre 4 : Le Circuit purement Inductif (L)

Ce chapitre aborde le comportement des bobinages, qui sont au cœur des moteurs, transformateurs et électroaimants. Leur présence est une caractéristique majeure des équipements industriels.

4.1. Rôle d’une Inductance en Courant Alternatif

L’inductance s’oppose aux variations du courant, créant ainsi un déphasage. Il est démontré que dans une bobine parfaite, le courant est en retard de 90° (quadrature arrière) sur la tension.

4.2. Notion de Réactance Inductive ()

La réactance inductive , mesurée en Ohms (Ω), est définie comme l’opposition de la bobine au passage du courant alternatif. Son augmentation avec la fréquence est une propriété essentielle qui sera mise en évidence expérimentalement.

Chapitre 5 : Le Circuit purement Capacitif (C)

Ce chapitre étudie le condensateur, un composant utilisé pour le démarrage des moteurs monophasés, le filtrage de parasites ou l’amélioration du facteur de puissance.

5.1. Rôle d’une Capacité en Courant Alternatif

Le condensateur s’oppose aux variations de la tension, ce qui provoque un déphasage inverse à celui de la bobine. Il est démontré que dans un condensateur parfait, le courant est en avance de 90° (quadrature avant) sur la tension.

5.2. Notion de Réactance Capacitive ()

La réactance capacitive , mesurée en Ohms (Ω), est définie comme l’opposition du condensateur au passage du courant alternatif. Sa diminution lorsque la fréquence augmente est une caractéristique fondamentale.

Partie III : Puissance et Systèmes Triphasés : Le Cœur de l’Industrie

Cette partie aborde les aspects énergétiques du courant alternatif et introduit les systèmes triphasés, qui constituent le standard pour la distribution de puissance et l’alimentation des machines industrielles de forte puissance, de la scierie de l’Équateur à l’usine de textile du Kasaï.

Chapitre 6 : Les Puissances en Régime Sinusoïdal

Ce chapitre clarifie les différentes notions de puissance, dont la compréhension est essentielle pour le dimensionnement des installations et la gestion de l’énergie.

6.1. Puissance Active, Réactive et Apparente

La distinction entre la puissance active (P, en W), la puissance réactive (Q, en VAR), consommée par les bobines et condensateurs, et la puissance apparente (S, en VA), qui est la puissance totale soutirée au réseau, est établie.

6.2. Le Facteur de Puissance ()

Le facteur de puissance est défini comme le rapport . Son importance capitale est soulignée : un mauvais facteur de puissance signifie qu’une part importante de l’énergie tirée du réseau n’est pas utile et pénalise l’ensemble de l’installation. Des exemples concrets sur la nécessité de le corriger dans une usine pour éviter les pénalités facturées par le fournisseur d’énergie sont discutés.

Chapitre 7 : Introduction aux Systèmes Triphasés

Cette section présente les avantages et la structure des réseaux qui alimentent la quasi-totalité de l’appareil productif du pays.

7.1. Production et Caractéristiques des Tensions Triphasées

Le principe de génération de trois tensions sinusoïdales de même amplitude et déphasées de 120° les unes par rapport aux autres est expliqué. La représentation vectorielle de ce système équilibré est introduite.

7.2. Couplage des Récepteurs : Étoile (Y) et Triangle (Δ)

Les deux modes de connexion fondamentaux des récepteurs triphasés sont décrits. Les relations entre tensions simples et composées () et entre courants de ligne et de phase () pour chaque couplage sont établies et vérifiées par la mesure.

Chapitre 8 : Puissance et Mesures en Triphasé

Ce chapitre finalise l’étude en appliquant les notions de puissance au contexte triphasé et en présentant les méthodes de mesure pratiques.

8.1. Puissance Absorbée par un Récepteur Triphasé

Les formules de calcul de la puissance active () et réactive en triphasé sont présentées. Des exercices d’application au calcul de la puissance d’un moteur d’atelier sont réalisés.

8.2. Méthodes de Mesure de la Puissance

Les schémas de câblage pour la mesure de la puissance en triphasé sont étudiés, en particulier la méthode des deux wattmètres pour les circuits équilibrés à trois fils, qui est une méthode très répandue en pratique.

Annexes

Les annexes fournissent des informations de référence rapide, essentielles pour les exercices et les applications en atelier.

Formulaire d’Électricité Générale 📝

Cette section regroupe l’ensemble des formules clés étudiées durant l’année, concernant les grandeurs sinusoïdales, les réactances, les puissances en monophasé et en triphasé.

Symboles Électriques Normalisés ⚡

Un tableau récapitulatif des symboles graphiques normalisés pour les composants (résistance, bobine, condensateur) et les appareils de mesure (voltmètre, ampèremètre, wattmètre) est fourni pour assurer la bonne lecture et réalisation des schémas.

Règles de Sécurité en Électricité ⚠️

Un rappel des règles fondamentales de sécurité est présenté : consignation d’une installation, utilisation des équipements de protection individuelle (EPI), vérification d’absence de tension (VAT), et conduite à tenir en cas d’accident d’origine électrique.