Calcul de Charge et Sélection de Câble
Comprendre le Calcul de Charge et la Sélection de Câble
Le calcul précis de la charge électrique d'une installation et la sélection appropriée des câbles d'alimentation sont des étapes fondamentales pour garantir la sécurité, la fiabilité et l'efficacité énergétique. Un bilan de puissance correct permet de déterminer le courant total que l'installation va absorber. Ensuite, la sélection du câble doit se faire en respectant deux critères majeurs : la chute de tension maximale admissible pour assurer le bon fonctionnement des équipements, et le courant admissible (ampacité) du câble pour éviter toute surchauffe dangereuse. Des facteurs de correction (température, mode de pose, groupement) doivent être appliqués à l'ampacité de base du câble pour l'adapter aux conditions réelles d'installation.
Cet exercice vise à dimensionner le câble d'alimentation principal d'un nouvel atelier, en calculant la charge totale et en choisissant une section de câble appropriée.
Données de l'étude
- Réseau : Triphasé avec Neutre (3P+N)
- Tension entre phases (\(U\)) : \(400 \, \text{V}\)
- Tension entre phase et neutre (\(V\)) : \(230 \, \text{V}\)
- Fréquence (\(f\)) : \(50 \, \text{Hz}\)
- Longueur du câble PDL-TDG (\(L\)) : \(60 \, \text{m}\)
- Chute de tension maximale admissible pour ce câble principal (\(\Delta U_{\text{adm}\%}\)) : \(5\%\) de la tension nominale entre phases.
- Matériau des conducteurs : Cuivre
- Résistivité du cuivre à la température de service (\(\rho\)) : \(0.0175 \, \text{Ω.mm}^2/\text{m}\)
- Réactance linéique du câble (\(\lambda\)) : \(0.00008 \, \text{Ω/m}\) (par phase)
- Mode de pose du câble : Sur chemin de câbles perforé, avec un autre circuit de puissance (total 2 circuits). (Méthode de référence E selon normes)
- Température ambiante : \(35 \, \text{°C}\)
- Isolant du câble : PVC
- Charge 1 (Moteur triphasé M1) : Puissance utile \(P_{\text{utile,M1}} = 15 \, \text{kW}\), rendement \(\eta_1 = 0.90\), facteur de puissance \(\cos \varphi_1 = 0.82\) (inductif).
- Charge 2 (Éclairage) : Puissance active totale \(P_2 = 5 \, \text{kW}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_2 = 0.95\) (capacitif, dû aux ballasts électroniques). Supposée équilibrée sur les 3 phases.
- Charge 3 (Prises de courant) : Puissance apparente totale foisonnée \(S_3 = 10 \, \text{kVA}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_3 = 0.90\) (inductif). Supposée équilibrée.
- Charge 4 (Chauffage triphasé) : Puissance active \(P_4 = 8 \, \text{kW}\), facteur de puissance \(\cos \varphi_4 = 1\).
- Facteur de correction de température (\(k_T\)) pour PVC à \(35 \, \text{°C}\) (temp. de référence \(30 \, \text{°C}\)) : \(0.94\)
- Facteur de correction de groupement (\(k_G\)) pour 2 circuits sur chemin de câbles : \(0.80\)
- Courants admissibles de base (\(I_{Z0}\)) pour câbles Cu/PVC, méthode E, \(30 \, \text{°C}\) (valeurs typiques) :
- \(16 \, \text{mm}^2\): \(80 \, \text{A}\)
- \(25 \, \text{mm}^2\): \(105 \, \text{A}\)
- \(35 \, \text{mm}^2\): \(130 \, \text{A}\)
- \(50 \, \text{mm}^2\): \(160 \, \text{A}\)
- \(70 \, \text{mm}^2\): \(200 \, \text{A}\)
Schéma de Principe de l'Alimentation de l'Atelier
Schéma unifilaire simplifié de l'alimentation de l'atelier depuis le Point De Livraison (PDL).
Questions à traiter
- Calculer la puissance active absorbée (\(P_{\text{abs,M1}}\)) et la puissance réactive (\(Q_1\)) du moteur M1.
- Calculer la puissance active (\(P_2\)) et la puissance réactive (\(Q_2\)) de l'éclairage.
- Calculer la puissance active (\(P_3\)) et la puissance réactive (\(Q_3\)) des prises de courant.
- Calculer la puissance active (\(P_4\)) et la puissance réactive (\(Q_4\)) du chauffage.
- Calculer la puissance active totale (\(P_{\text{tot}}\)), la puissance réactive totale (\(Q_{\text{tot}}\)), et la puissance apparente totale (\(S_{\text{tot}}\)) de l'atelier.
- Calculer le facteur de puissance global de l'atelier (\(\cos \varphi_{\text{tot}}\)).
- Calculer le courant total de ligne (\(I_{\text{ligne}}\)) absorbé par l'atelier.
- Déterminer la chute de tension maximale admissible en volts (\(\Delta U_{\text{adm, volts}}\)) pour le câble principal.
- Calculer la section minimale du câble (\(S_{\text{min, Vdrop}}\)) en \(\text{mm}^2\) pour respecter la chute de tension admissible.
- Calculer le courant admissible corrigé (\(I_Z\)) pour chaque section de câble normalisée fournie (\(16, 25, 35, 50, 70 \, \text{mm}^2\)).
- Choisir la section de câble normalisée appropriée (\(S_{\text{finale}}\)) en respectant à la fois le critère de chute de tension et le critère du courant admissible. Justifier le choix.
Correction : Calcul de Charge et Sélection de Câble
Question 1 : Puissances du Moteur M1 (\(P_{\text{abs,M1}}\), \(Q_1\))
Principe :
La puissance active absorbée par le moteur est sa puissance utile divisée par son rendement. La puissance réactive est ensuite déduite du facteur de puissance.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(P_{\text{utile,M1}} = 15 \, \text{kW}\)
- \(\eta_1 = 0.90\)
- \(\cos \varphi_1 = 0.82 \Rightarrow \sin \varphi_1 = \sqrt{1 - 0.82^2} \approx \sqrt{1 - 0.6724} = \sqrt{0.3276} \approx 0.5724\)
Calcul :
Question 2 : Puissances de l'Éclairage (\(P_2\), \(Q_2\))
Principe :
La puissance active \(P_2\) est donnée. La puissance réactive \(Q_2\) est calculée à partir de \(P_2\) et \(\cos \varphi_2\). Un \(\cos \varphi\) capacitif signifie que Q est négatif (fourni au réseau) ou que l'angle est négatif.
Formule(s) utilisée(s) :
Si \(\cos \varphi_2 = 0.95\) (capacitif), \(\varphi_2\) est négatif. \(\sin \varphi_2 = -\sqrt{1 - 0.95^2} \approx -0.3122\).
Données spécifiques :
- \(P_2 = 5 \, \text{kW}\)
- \(\cos \varphi_2 = 0.95\) (capacitif) \(\Rightarrow \sin \varphi_2 \approx -0.3122\)
Calcul :
Question 3 : Puissances des Prises de Courant (\(P_3\), \(Q_3\))
Principe :
La puissance apparente \(S_3\) et le \(\cos \varphi_3\) sont donnés. On calcule \(P_3\) et \(Q_3\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(S_3 = 10 \, \text{kVA}\)
- \(\cos \varphi_3 = 0.90\) (inductif) \(\Rightarrow \sin \varphi_3 = \sqrt{1 - 0.90^2} = \sqrt{0.19} \approx 0.4359\)
Calcul :
Question 4 : Puissances du Chauffage (\(P_4\), \(Q_4\))
Principe :
La puissance active \(P_4\) est donnée. Pour une charge purement résistive, \(\cos \varphi_4 = 1\), donc \(Q_4 = 0\).
Données spécifiques :
- \(P_4 = 8 \, \text{kW}\)
- \(\cos \varphi_4 = 1\)
Calcul :
Question 5 : Puissances totales (\(P_{\text{tot}}\), \(Q_{\text{tot}}\), \(S_{\text{tot}}\))
Principe :
Sommation des puissances actives et réactives, puis calcul vectoriel de la puissance apparente totale.
Formule(s) utilisée(s) :
Calcul :
Nous arrondirons \(P_{\text{tot}} \approx 38.67 \, \text{kW}\), \(Q_{\text{tot}} \approx 14.35 \, \text{kVAR}\), \(S_{\text{tot}} \approx 41.24 \, \text{kVA}\).
- Puissance active totale : \(P_{\text{tot}} \approx 38.67 \, \text{kW}\)
- Puissance réactive totale : \(Q_{\text{tot}} \approx 14.35 \, \text{kVAR}\)
- Puissance apparente totale : \(S_{\text{tot}} \approx 41.24 \, \text{kVA}\)
Question 6 : Facteur de puissance global (\(\cos \varphi_{\text{tot}}\))
Principe :
Le facteur de puissance global est le rapport \(P_{\text{tot}} / S_{\text{tot}}\).
Formule(s) utilisée(s) :
Calcul :
\(\varphi_{\text{tot}} = \arccos(0.9375) \approx 20.35^\circ\). \(\sin \varphi_{\text{tot}} = \sin(20.35^\circ) \approx 0.3477\). (Q > 0, donc inductif globalement)
Question 7 : Courant total de ligne (\(I_{\text{ligne}}\))
Principe :
Calcul du courant de ligne triphasé à partir de \(S_{\text{tot}}\) et \(U\).
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(S_{\text{tot}} \approx 41243.5 \, \text{VA}\)
- \(U = 400 \, \text{V}\)
Calcul :
Nous arrondirons à \(I_{\text{ligne}} \approx 59.53 \, \text{A}\).
Question 8 : Chute de tension maximale admissible en volts (\(\Delta U_{\text{adm, volts}}\))
Principe :
Calcul de la valeur absolue de la chute de tension admissible.
Formule(s) utilisée(s) :
Données spécifiques :
- \(\Delta U_{\text{adm}\%} = 5\%\)
- \(U = 400 \, \text{V}\)
Calcul :
Question 9 : Section minimale du câble (\(S_{\text{min, Vdrop}}\)) pour la chute de tension
Principe :
Utilisation de la formule de la chute de tension triphasée pour isoler la section \(S\).
\(\cos \varphi_{\text{tot}} \approx 0.9375\), \(\sin \varphi_{\text{tot}} \approx 0.3477\).
Formule(s) utilisée(s) :
La formule correcte pour isoler S est : \(S = \frac{\sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \rho \cos\varphi_{\text{tot}}}{\Delta U_{\text{adm,volts}} - \sqrt{3} \cdot I_{\text{ligne}} \cdot L \cdot \lambda \sin\varphi_{\text{tot}}}\)
Données spécifiques :
- \(L = 60 \, \text{m}\)
- \(I_{\text{ligne}} \approx 59.53 \, \text{A}\)
- \(\rho = 0.0175 \, \text{Ω.mm}^2/\text{m}\)
- \(\lambda = 0.00008 \, \text{Ω/m}\)
- \(\cos \varphi_{\text{tot}} \approx 0.9375\)
- \(\sin \varphi_{\text{tot}} \approx 0.3477\)
- \(\Delta U_{\text{adm,volts}} = 20 \, \text{V}\)
Calcul :
Terme numérateur (partie résistive) :
Terme de chute de tension due à la réactance :
Section minimale :
Question 10 : Courant admissible corrigé (\(I_Z\)) pour les sections normalisées
Principe :
Calculer \(I_Z = I_{Z0} \cdot k_T \cdot k_G\) pour chaque section normalisée pertinente.
\(k_T = 0.94\), \(k_G = 0.80\). Donc \(k_T \cdot k_G = 0.94 \cdot 0.80 = 0.752\).
Calculs :
- \(16 \, \text{mm}^2 \Rightarrow I_Z = 60.16 \, \text{A}\)
- \(25 \, \text{mm}^2 \Rightarrow I_Z = 78.96 \, \text{A}\)
- \(35 \, \text{mm}^2 \Rightarrow I_Z = 97.76 \, \text{A}\)
- \(50 \, \text{mm}^2 \Rightarrow I_Z = 120.32 \, \text{A}\)
- \(70 \, \text{mm}^2 \Rightarrow I_Z = 150.40 \, \text{A}\)
Question 11 : Choix de la section finale (\(S_{\text{finale}}\)) et justification
Principe :
La section finale doit satisfaire deux conditions : 1. \(S_{\text{finale}} \ge S_{\text{min, Vdrop}}\) (critère de chute de tension) 2. Le courant admissible corrigé \(I_Z\) pour \(S_{\text{finale}}\) doit être \(\ge I_{\text{ligne}}\) (critère d'ampacité). On choisit la plus petite section normalisée qui satisfait les deux critères.
Données :
Analyse et Choix :
Vérifions les sections normalisées à partir de la plus petite pertinente :
La section de \(16 \, \text{mm}^2\) satisfait les deux critères. C'est la plus petite section normalisée (parmi celles pour lesquelles \(I_{Z0}\) a été donné) qui convient.
Quiz Rapide : Testez vos connaissances (Récapitulatif)
1. Pour dimensionner un câble, quel critère conduit généralement à la plus grande section requise entre la chute de tension et l'ampacité ?
2. Le rendement d'un moteur électrique (\(\eta\)) est le rapport entre :
3. Si la température ambiante d'installation d'un câble augmente significativement, son courant admissible corrigé :
Glossaire
- Bilan de Puissance
- Sommation des puissances (actives et réactives) de toutes les charges d'une installation pour déterminer la puissance totale requise.
- Coefficient de Simultanéité (\(k_s\))
- Facteur appliqué à la somme des puissances installées pour estimer la puissance maximale réellement appelée, considérant que toutes les charges ne fonctionnent pas simultanément à pleine capacité.
- Courant d'Emploi (\(I_B\))
- Courant maximal que le circuit est susceptible de transporter en service normal, après application des facteurs de foisonnement ou de simultanéité.
- Courant Admissible (\(I_Z\))
- Courant maximal qu'un câble peut transporter en continu dans des conditions d'installation spécifiées sans que sa température limite ne soit dépassée.
- Chute de Tension (\(\Delta U\))
- Différence de tension entre l'origine et l'extrémité d'un circuit électrique, due à l'impédance du câble et au courant qui le parcourt.
- Section d'un Câble (\(S\))
- Aire de la section transversale de l'âme conductrice d'un câble, exprimée en \(\text{mm}^2\).
- Résistivité (\(\rho\))
- Mesure de la capacité d'un matériau à s'opposer au flux de courant électrique. Unité : \(\text{Ω.m}\) ou \(\text{Ω.mm}^2/\text{m}\).
- Réactance Linéique (\(\lambda\))
- Partie inductive de l'impédance d'un câble par unité de longueur. Unité : \(\text{Ω/m}\).
- Facteur de Puissance (\(\cos \varphi\))
- Rapport entre la puissance active et la puissance apparente dans un circuit AC.
- Puissance Active (\(P\))
- Puissance réellement consommée ou produite dans un circuit AC. Unité : Watt (\(\text{W}\)).
- Puissance Réactive (\(Q\))
- Puissance échangée entre la source et les éléments réactifs (bobines, condensateurs) d'un circuit AC. Unité : Voltampère réactif (\(\text{VAR}\)).
- Puissance Apparente (\(S\))
- Produit des valeurs efficaces de la tension et du courant dans un circuit AC. Unité : Voltampère (\(\text{VA}\)). \(S = \sqrt{P^2 + Q^2}\).
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