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Centrale DCC V3.4
ÉLECTROTECHNIQUE







      
      
      

GÉNÉRALITÉS
Un engin moteur utilise plusieurs sources d'alimentation pour fonctionner : 
• Électricité, 
• Gas-oil, 
• Air comprimé, 
 
Il utilise également plusieurs fluides pour fonctionner :  
• Air,
• Huile, 
• Eau, 
• Start Pilot.
Ainsi dans un engin moteur de nombreux appareils utilisent l’énergie électrique. 
 
Pour utiliser un engin moteur il faut mettre sous ou hors tension de nombreux circuits électriques. 
 
Pour bien comprendre le fonctionnement des engins moteurs, il est nécessaire d’avoir des notions : 
• Sur le courant électrique,  
• Sur la constitution d’un « circuit électrique », 
• Sur les puissances misent en jeu, 
• Sur le fonctionnement des différents appareils constituant ces circuits électriques.
 
Le courant électrique. 
 
Le courant électrique est défini par deux unités importantes : 
• La tension, notée U dont l'unité de mesure est le VOLT, 
• L’intensité, notée I dont l'unité de mesure est l'AMPÈRE. 

Ces deux unités sont liées par une formule, la loi d'OHM : U = RI.
 
La tension est égale à la résistance du circuit multiplié par l'intensité circulant dans le circuit. 
CONSTITUTION d'un CIRCUIT ÉLECTRIQUE
Un circuit électrique comprend toujours : 
1) Un générateur,
2) Un appareil de protection,
3) Un appareil d’interruption, 
4) Un récepteur, 
5) Des fils.
 
constitution d'un circuit electrique
Constitution d'un circuit électrique

1) Le Générateur
Le générateur fournit la tension nécessaire pour le fonctionnement du circuit à alimenter, il peut s'agir :
     • D'une batterie (courant continu),
     • De la caténaire (courant alternatif ou continu),
     • D'un alternateur (courant alternatif),
     • D'une génératrice (courant continu),
     • D'une dynamo (courant continu),
     • Des moteurs de traction (courant continu),
     • D'une pile (courant continu).
2) L'Appareil de protection :
Il s'agit soit :
• D'un fusible,
                  
                     
                       
     • Le rôle du fusible est de protéger le circuit en fixant une valeur limite d'intensité à ne pas dépasser. Au-delà de cette valeur, le fusible coupe l'alimentation du circuit (le fil à l'intérieur du fusible fond), et interrompt le passage du courant protégeant ainsi le circuit,
     • Lorsque le fusible entre en action (fil au centre fondu) cela est destructeur. Il faut remplacer le fusible,
     • Un fusible peut se trouver, soit sur un circuit basse tension soit sur un circuit haute tension.
• D'un disrupteur,
        
        
 • Le rôle du disrupteur est comme le fusible de protéger le circuit en fixant une valeur limite d'intensité à ne pas dépasser. Au-delà de cette valeur, le disrupteur coupe l'alimentation du circuit, et interrompt le passage du courant protégeant ainsi le circuit,

                                       
        

 • Lorsque le disrupteur entre en action cela n'est pas destructeur. Il suffit de réenclencher le disrupteur en appuyant sur le bouton vert, pour alimenter le circuit à nouveau. Il faut bien sûr avant de le réenclencher avoir trouvé la cause de son fonctionnement.
 • Un disrupteur se trouve sur un circuit basse tension.

• D'un disjoncteur
Le disjoncteur (DJ).
Les disjoncteurs sont utilisés pour mettre en service et hors service les engins moteurs. Ils sont capables de couper des intensités élevées et sont situés sur les circuits Haute Tension.
Ils sont également utilisés comme appareils de protection, capable de fonctionner à très grande vitesse, pour interrompre l'alimentation électrique en cas de défaut sur l'EM.

L'intensité et la tension captées à la caténaire ayant des caractéristiques très différentes, l'engin moteur possède deux disjoncteurs spécialisés en fonction de la tension d'alimentation.

Le disjoncteur monophasé DJ(M) se trouve sur la toiture de l'engin moteur, tandis que le disjoncteur continu DJ(C) se trouve à l'intérieur de l'engin moteur dans les compartiments haute tension.
3) L'appareil d'interruption :
L'interrupteur
Le rôle de l'interrupteur est de mettre sous ou hors tension un circuit électrique. L'interrupteur possède un pouvoir de coupure, c'est-à-dire, qu'il peut mettre sous ou hors tension un circuit consommant du courant.
Il doit se situer en série avec l'appareil à commander.

Nota :
• Lorsque le récepteur est alimenté, on dit que le circuit est fermé.
• Lorsque le récepteur n'est pas alimenté, on dit que le circuit est ouvert.

Il existe de nombreux types d'appareils d'interruption utilisés dans les locomotives. Le choix d'un interrupteur réside dans l'utilisation que l'on veut en faire comme :
• Les interrupteurs, ouverts ou fermés au repos,
• Les interrupteurs, simple ou bipolaire,
• Les interrupteurs à levier,
• Les interrupteurs à rappel par ressort,
• Les interrupteurs rotatif,
• Les boutons poussoirs, à accrochage ou pas. 

Les contacteurs
Le rôle du contacteur est de permettre la mise sous ou hors tension d'un circuit électrique. Le contacteur ne possède pas de pouvoir de coupure, il doit être manoeuvré à vide. C'est-à-dire qu'avant de le manoeuvrer il faut au préalable avoir coupé le courant par un autre moyen. (exemple HMC commutateur Mono-Continu voir technique).
Il doit se situer en série avec le circuit à alimenter.
Ils peuvent être :
• Electromagnétiques,
• Electropneumatiques,
• A cames,

4) Les récepteurs
Le récepteur est l'appareil à alimenter donc à commander. Il peut s'agir :
• De lampe,
• De moteur,
• De relais,
• De thyristor, 
• De résistance (Radiateur, réchauffage gas-oil...). 
• ....
5) Les fils
Les fils servent de liaison pour relier les appareils les uns aux autres formant ainsi, un circuit électrique complet.
En fonction du circuit à alimenter, la section des fils doit être en adéquation. Alimenter une lampe de quelques watts et alimenter un moteur électrique de plusieurs milliers de watts nécessite des sections de câbles nettement différents.
CONTRÔLE d'un CIRCUIT ÉLECTRIQUE
Lors de la mise en service d'un circuit électrique, il peut être important de contrôler en permanence, la tension et l'intensité du circuit, par exemple :
• Contrôler la tension d'alimentation des moteurs de traction,
• Contrôler l'intensité dans les moteurs de traction,
• Contrôler la tension batterie de l'engin moteur,
• Contrôler la tension d'alimentation caténaire,
• ....

Pour réaliser ces contrôles on utilise deux appareils de mesure :
• Un voltmètre pour contrôler la tension en Volt, Symbole : V
• Un ampèremètre pour contrôler l'intensité en Ampère, Symbole : A.

On peut au choix sur un circuit, brancher un voltmètre ou un ampèremètre ou les deux en même temps.

Le voltmètre
Le voltmètre se branche en parallèle avec l'appareil à contrôler ou à mesurer,

L'ampèremètre
L'ampèremètre se branche en série avec l'appareil à contrôler ou à mesurer.
MESURER les EFFETS du COURANT dans les RÉCEPTEURS
Les effets du courant se produisent dans les récepteurs :
• Lampes : Eclairage,
• Radiateur : Production de chaleur,
• Moteur : Mise en rotation.

Les effets du courant dans les récepteurs sont liés à la quantité d'électricité qui les traverse.

L'ampèremètre est l'appareil qui sert à mesurer le courant dans un circuit et se mesure en ampère.
INFLUENCE des ÉLÉMENTS d'un CIRCUIT sur l'INTENSITÉ
Influence du générateur sur l'intensité.
L'intensité dépend de la tension du générateur, elle varie dans les mêmes proportions que la tension.
Influence d'un récepteur sur l'intensité. 
 Les récepteurs ne se laissent pas traverser aussi facilement les uns que les autres par le courant, ils s'opposent au passage du courant. Cette opposition au passage du courant s'appelle la résistance électrique, ou plus simplement résistance (R). 
La résistance se mesure en OHM (Ω) 

L’intensité est la même tout le long du circuit. Elle dépend : 
• De la tension du générateur : 
    • Plus la tension est grande, plus l’intensité du courant est grande, 
    • Plus la tension est petite, plus l’intensité du courant est petite.

• De la résistance des récepteurs : 
    • Plus la résistance est grande, plus l’intensité du courant est petite, 
    • Plus la résistance est petite, plus l’intensité du courant est grande.
 
Influence simultanée du générateur et du récepteur sur l'intensité. 
 
Cette influence est donnée par la loi d'OHM. Elle montre que I (intensité) dépend à la fois de U (tension) et de R (résistance).

Loi d'OHM : U = R . I ou I = U /R ou R = U / I.
Exemple : calculons I dans un circuit avec :
• U = 12 volts,
• R =   3 Ω.
                                                                                  
Exemple : calculons I dans un circuit avec :
• U = 12 volts,
• R =   3 Ω.

calcul de i
                                         
calcul de i
Calcul de I avec : U=12v et R=3Ω
                                                                                                        
Calcul de I avec : U=24v et R=4Ω

Résultat :
I = U / R = 12 / 3 = 4A
I = 4A
                                                                                                          
Résultat :
I = U / R = 24 / 4 = 6A
I = 6A
COMMENT FAIRE VARIER l'INTENSITÉ dans un CIRCUIT
Il peut être utile dans les montages de pouvoir régler l'intensité qui circule dans ce circuit On utilise pour cela différente solution :
1) Par la variation de la tension du générateur,
2) Par la variation de la résistance du circuit,
3) Par le shuntage d'un récepteur,
4) Par modification du montage des récepteurs.
1) Par la variation de la tension du générateur.
La variation de la tension du générateur est réalisée : 
• Soit en remplaçant le générateur par un autre de tension différente, 
• Soit en utilisant un générateur à tension variable : transformateur à prises multiples, dynamo, etc... (Sur certaines locomotives diesel-électrique),
• Par le changement de couplage (parallèle ou série pour les moteurs de traction par exemple) dans le cas de récepteurs identiques, 
• Par le shuntage d’un récepteur monté en série avec d’autres.
 
2) Par la variation de la résistance du circuit.
Dans un montage en série la résistance totale du circuit est égale à la somme des résistances des récepteurs. 
 
Pour faire varier l'intensité dans un récepteur il suffit d'ajouter ou de retirer des récepteurs montés en série avec celui-ci. 

Dans un circuit série, les valeurs des résistances s'additionnent.
calcul de l'intensite
                                               
calcul de l'intensite
                                                                            I = U/R : 24/(4 + 8) = 2A                                                                                                   I = U/R : 24/(4 +2 +2) = 3A 
3) Par le shuntage d'un récepteur.
Dans un montage en série, il peut être utile de shunter ou court-circuiter un récepteur. (Shuntage des inducteurs des moteurs de traction, shuntage de résistance pour augmenter la tension dans un circuit...).

Le shuntage peut se faire en utilisant deux méthodes :
• Shunter le récepteur avec un autre récepteur, (l’intensité augmente dans les récepteurs non shuntés et diminue dans le récepteur shunté),
• Shunter un récepteur en cour-circuitant ce récepteur (Dans ce cas le court-circuit n'est pas destructeur, celui-ci ne fonctionne plus et l'intensité augmente dans les autres récepteurs. Cette augmentation d'intensité est normale puisque le récepteur court-circuité n'est plus en service. 
shuntage par resistance
                                    
shuntage par court-circuit
                                                                    Shuntage par résistance                                                                                             Shuntage en court-circuitant le récepteur

Variation de l'intensité dans les récepteurs électriques par shuntage d'un récepteur.
Plus la résistance du shunt, c'est à dire la résistance mise en parallèle avec le récepteur, est faible, plus l'intensité augmente dans le récepteur non shunté et plus elle diminue dans le récepteur shunté. 
La limite est la résistance nulle du shunt, c'est à dire le court-circuitage, qui amène l'intensité à 0 dans le récepteur court-circuité et l'intensité maximum dans le récepteur non shunté. Le court-circuitage est donc une forme particulière du shuntage.
 
3.1) Shuntage par court-circuit d'une ou plusieurs résistances
Reprenons notre schéma et modifions-le. On insère dans le circuit 2 interrupteurs en parallèles (aux bornes) des deux résistances.
Shuntage d'un recepteur
Mise en parallèle de deux interrupteurs aux bornes de 2 résistances

Calculons l'intensité dans le circuit :
Les deux interrupteurs sont ouverts, le courant passe donc par les trois résistances. L'intensité est égale à : I=U/R : I=24/(4+2+2) = 3A.

Fermons l'interrupteur Z1.
shuntage d'un recepteur
Z1 est fermé
Calculons l'intensité dans le circuit :
L'interrupteur Z1 est fermé et l'interrupteur 2 est ouvert.
Le récepteur de 2Ω est shunté ou court-circuité par l'interrupteur Z1.
Le courant ne passe plus par ce récepteur puisque Z1 offre un passage au courant moins résistif (la courant choisi toujours le chemin le plus facile).

L'intensité est égale à : I=U/R : I=24/(4+2) = 4A.

Fermons l'interrupteur Z2. (Z1 toujours fermé).
shuntage de deux recepteurs
Z1 et Z2 sont fermés

Calculons l'intensité dans le circuit :
Les interrupteurs Z1 et Z2 sont fermés.
Les récepteurs de 2Ω sont shuntés ou court-circuités par les interrupteurs Z1 et Z2.
Le courant ne passe plus par ces récepteurs puisque Z1 et Z2 offrent un passage au courant moins résistif (le courant choisi toujours le chemin le plus facile).

L'intensité est égale à : I=U/R : I=24/(4) = 6A
En agissant ainsi on peut faire varier l'intensité dans les récepteurs.
Application au métier :
• Transformateur (enroulements au lieu de résistances),
• Shuntage des inducteurs des moteurs de traction (enroulements au lieu de résistances).
3.2) Shuntage par mise en parallèle d'une résistance sur une autre résistance.

schema avec possibilite de mise en parallele
Schéma avec possibilité de mise en parallèle

shuntage par résistance
Shuntage par une résistance

Lorsque l'on ferme l'interrupteur Z1 le récepteur 3 est mis en parallèle avec le récepteur 2. Que se passe t-il ?
• L'intensité totale circule dans le récepteur 1,
• Après avoir traversé le récepteur 1, l'intensité se divise en 2 (2 branches en parallèle) :
     • L'intensité i1 circule dans le récepteur 2,
     • Et l'intensité i2 circule dans le récepteur 3,
     • Dans ce cas on peut calculer une résistance équivalente pour le récepteur 2 et 3 : Calcul : Re = ((Récepteur 2 * Récepteur 3) / (Récepteur 2 + Récepteur 3)) = ((4*4)/(4+4)) = 2 Ω,
       (Cette formule ne fonctionne que pour deux résistances).
resistance equivalente
Récepteur équivalent

Calculons l'intensité dans le circuit :
• Avant le shuntage elle était de : I = U / R = 24 / 6 = 4 A,

• Après le shuntage : I = U / Re = 24 / 4 = 6 A, on a bien augmenté l'intensité dans le circuit.
Si le circuit possède plus de deux résistances en parallèle il faut obligatoirement utiliser la formule suivante :
     • (1/Re) = (1/R1) + (1/R2) + (1/R3)

Cette formule peut être également utilisée pour deux résistances. Reprenons notre montage.
     • (1/Re) = (1/R1) + (1/R2) = ((1/4) + (1/4)) = (0.25 + 0.25) = 0.5 : donc 1/Re = (1 / 0.5)

•Re = 2 Ω
4) Par modification du montage des récepteurs.
Trois types de montage sont utilisés: 
1) Le montage série, 
2) Le montage parallèle, 
3) Le montage série-parallèle, 

Les changements de couplage des moteurs de traction par exemple permettent un réglage de la vitesse des locomotives.
4.1) Montage en série : 
• Les récepteurs sont montés les uns à la suite des autres et l'intensité dans le circuit, donc dans chaque récepteur dépend de la somme des résistances des récepteurs qui sont en service,
• Il suffit d'une seule coupure ou d'un mauvais contact pour que le circuit soit ouvert et que les récepteurs s'arrêtent,
• L'intensité dans le circuit, donc dans chaque récepteurs, dépend de la somme des résistances des récepteurs qui sont en service,
• L'intensité dans chaque récepteur est égale à la tension aux bornes de chaque récepteur divisé par la résistance d'un récepteur, 
• La tension la plus élevée se trouve aux bornes du récepteur ayant la résistance la plus grande, 
• La somme des tensions aux bornes de chaque récepteur est égale à la tension du générateur.

Dans un circuit série :
• L'intensité est la même dans chaque récepteur (en tout point du circuit),
• La tension se divise.
tension et intensité dans un circuit serie
Tension et intensité dans un circuit série

4.2) Montage parallèle : 
Ce montage possède les propriétés de chacun des deux montages étudiés précédemment. Dans chaque branche il existe un montage en série et les branches sont montées en parallèle.
 
• Le courant fourni par le générateur se répartit en plusieurs branches pour revenir sur une seule branche avant le moins du générateur,
• Les récepteurs sont donc traversés chacun par une partie du courant fourni par le générateur,
• L'intensité fournie par le générateur se partage dans chacune des branches du montage en parallèle pour se retrouver en totalité avant le moins du générateur,
• Un ampèremètre situé sur le fil commun aux branches du montage en parallèle indique l'intensité totale, c'est-à-dire la somme des intensités des courants de chaque branche, 
• Si on branche un voltmètre aux bornes des résistances, la tension est égale à la valeur de la résistance (R) multiplié par la valeur de l'intensité (I) dans la branche,
• L'intensité est égale à la tension aux bornes de chaque récepteur divisée par la résistance du récepteur, 
• La mise hors service d'une branche n'a aucun effet sur le fonctionnement des autres branches. 

Dans un circuit parallèle :
• L'intensité se divise,
• La tension est identique aux bornes de chaque récepteur. 
tension et intensite circuit parallele
Tension et intensité dans un circuit parallèle
4.3) Montage série-parallèle :
Montage série-parallèle :
Sur les locomotives il est possible de passer d'un couplage série à un couplage parallèle (BB17000, BB25500) ou d'un couplage série à un couplage série-parallèle pour les moteurs de traction (BB9300, BB25200, CC7100).
Les changements de couplage des moteurs de traction par exemple permettent un réglage de la vitesse des locomotives.

Variation de l'intensité dans les récepteurs par modification du montage des récepteurs : 
• Lorsque l'on dispose de plusieurs récepteurs identiques et que l'on désire que les variations de l'intensité soient identiques dans chaque récepteur, on peut modifier le montage des récepteurs, 
• Chaque montage est appelé couplage,
• Les modifications de montage sont appelées changement de couplage, 
• Les fils et les interrupteurs nécessaires pour réaliser tous les couplages sont montés d'une manière permanente entre les récepteurs.
tension et intensite circuit serie parallele
Tension et intensité dans un circuit série-parallèle

4.4) Changement de couplage :
Schéma général.

changement de couplage
Changement de couplage

• Couplage série, 
 les 4 résistances se trouvent en série : Fermeture des interrupteurs Z1, Z9, Z10, Z11, Z8, les autres interrupteurs sont ouverts.
• Couplage parallèle, 
 les 4 résistances se trouvent en parallèle : Fermeture des interrupteurs Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6, Z7, Z8,  les autres interrupteurs sont ouverts.
• Couplage série-parallèle,
 les 4 résistances se trouvent en série-parallèle 2 à 2 : Fermeture des interrupteurs Z1, Z9, Z6, Z3, Z11, Z8,  les autres interrupteurs sont ouverts.

                                                                                                                                                                                                                                                
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