Module 3 : Fondamentaux de l'électricité

Module 3 : Fondamentaux de l'électricité — Matériel d'étude EASA Part-66 Catégorie B1.4

Vue d'ensemble

Le Module 3 du programme EASA Part-66 (Annexe I au Règlement (UE) No 1321/2014, Annexe III) fournit les connaissances fondamentales de la théorie et de la pratique électriques requises pour le personnel de certification travaillant sur les aéronefs. Pour la Catégorie B1.4 (hélicoptères à moteurs à turbine), ce module couvre les principes fondamentaux de l'électricité, de la théorie atomique de base jusqu'à la génération de courant alternatif complexe et les dispositifs à semi-conducteurs. Le module est structuré en 14 sous-thèmes (3.1 à 3.14), chacun traitant d'un domaine spécifique des fondamentaux électriques.

Les niveaux de connaissances pour ce module vont du Niveau 1 (aperçu) pour les concepts de base au Niveau 3 (théorie détaillée) pour les domaines critiques tels que les génératrices à courant continu, les génératrices à courant alternatif, les transformateurs et les dispositifs à semi-conducteurs. Ce matériel d'étude synthétise les connaissances essentielles requises pour la licence B1.4, avec un accent particulier sur les applications spécifiques aux hélicoptères telles que les systèmes 28 V CC, la génération 400 Hz CA, les démarreurs-génératrices et les systèmes de batteries.

3.1 Théorie des électrons et électrostatique

Structure atomique et charge

Toute matière est constituée d'atomes contenant trois particules primaires :

L'unité fondamentale de charge est le coulomb (C), où un coulomb équivaut à environ 6,24 × 10¹⁸ électrons. La charge d'un seul électron est d'environ −1,602 × 10⁻¹⁹ C.

Conducteurs, isolants et semi-conducteurs

Les matériaux sont classés selon leur capacité à conduire le courant électrique :

Le silicium est le matériau semi-conducteur le plus couramment utilisé pour les diodes de puissance dans les alternateurs d'aéronefs en raison de sa tolérance élevée à la température et de son faible courant de fuite.

Principes électrostatiques

La relation entre la charge (Q), la capacité (C) et la tension (V) est :

Q = C × V

3.2 Terminologie électrique et circuits à courant continu

Unités fondamentales

Loi d'Ohm

La relation fondamentale entre la tension, le courant et la résistance :

V = I × R

Où :

Exemple de calcul : Une électrovanne dans un système 28 V CC a une résistance de bobine de 14 Ω. Le courant consommé est :

I = V / R = 28 V / 14 Ω = 2 A

Puissance électrique

La puissance est le taux auquel l'énergie électrique est convertie en une autre forme. Dans les circuits à courant continu :

P = V × IFormes alternatives utilisant la substitution de la loi d'Ohm :

Exemple de calcul : Un système 28 V DC avec une charge consommant 10 A dissipe :

P = 28 V × 10 A = 280 W

Exemple de calcul : Une charge avec 24 V à ses bornes et une résistance de 12 Ω dissipe :

P = V² / R = 24² / 12 = 576 / 12 = 48 W

Résistance et conducteurs

La résistance d'un conducteur dépend de :

R = ρ × L / A

Exemple : Si un fil a une résistance de 0,5 Ω et que sa longueur est doublée (avec la même section transversale et le même matériau), la nouvelle résistance devient 1,0 Ω.

Une barre bus avec une résistance de 0,001 Ω indique une excellente conductivité, comme attendu pour un composant de distribution d'énergie.

Résistance interne et FEM

Chaque source de tension possède une résistance interne. La relation entre la FEM générée (E), la tension aux bornes (V), le courant de charge (I) et la résistance interne (r) est :

E = V + (I × r)

Exemple : Un générateur 28 V DC avec une résistance interne de 0,01 Ω délivrant 150 A à ses bornes a une FEM générée de :

E = 28 V + (150 A × 0,01 Ω) = 28 + 1,5 = 29,5 V

Exemple : Une batterie 24 V avec une résistance interne de 0,02 Ω délivrant 200 A à un moteur de démarreur subit une chute de tension interne de :

V_chute = 200 A × 0,02 Ω = 4 V

Cette chute interne réduit la tension aux bornes lors des appels de courant élevés, ce qui est critique pour le fonctionnement du moteur de démarreur.

Lois de Kirchhoff

Loi des courants de Kirchhoff (LCK) : La somme des courants entrant dans un nœud est égale à la somme des courants sortant de ce nœud.

Loi des tensions de Kirchhoff (LTK) : La somme algébrique de toutes les chutes et élévations de tension autour de toute boucle fermée est égale à zéro.

3.3 Équipements de test électrique et mesures

Multimètres

Un multimètre combine plusieurs fonctions de mesure :

Note de sécurité critique : Un ampèremètre ne doit jamais être connecté en parallèle — cela crée un court-circuit. Un ohmmètre ne doit jamais être utilisé sur un circuit sous tension.

Ampèremètres à pince

Pour mesurer le courant dans un circuit sous tension sans l'interrompre, un ampèremètre à pince (pince ampèremétrique) est utilisé. Il mesure le champ magnétique autour du conducteur et affiche le courant correspondant. C'est la méthode correcte pour le dépannage de circuits sous tension où l'interruption du circuit n'est pas autorisée.

Mégohmmètre (Megger)

Le mégohmmètre mesure la résistance d'isolement en mégohms (MΩ). Considérations clés :

FréquencemètresUn **fréquencemètre** est utilisé pour mesurer la fréquence d'un signal alternatif. Cela est essentiel lors de la vérification de la sortie d'un générateur, généralement **400 Hz** dans les systèmes d'aéronefs.

Test de continuité

Un test de continuité utilisant la fonction ohmmètre d'un multimètre doit indiquer :

Phasemètres (indicateurs de rotation de phase)

Un phasemètre vérifie la séquence de phases d'un système triphasé. Lorsqu'il est connecté avec les fils dans l'ordre A-B-C, une rotation dans le sens horaire indique que la séquence est correcte. Une séquence de phases incorrecte peut entraîner la rotation des moteurs triphasés dans le mauvais sens.

3.4 Batteries

Batteries au plomb-acide

Les batteries au plomb-acide sont couramment utilisées dans les applications d'hélicoptères. Caractéristiques principales :

Mesure de la densité relative :

L'état de charge (SOC) d'une batterie au plomb-acide est déterminé en mesurant la densité relative (SG) de l'électrolyte à l'aide d'un densimètre :

Exemple de calcul : Une batterie avec une densité relative à pleine charge de 1,28 et une densité relative à décharge de 1,12, mesurée à 1,20 :

SOC = (SG_mesurée − SG_déchargée) / (SG_chargée − SG_déchargée) × 100 %

SOC = (1,20 − 1,12) / (1,28 − 1,12) = 0,08 / 0,16 = 50 %

Évaluation du SOC basée sur la tension :

Une batterie au plomb-acide de 24 V entièrement chargée a une tension aux bornes en circuit ouvert d'environ 25,2 V. C'est la condition saine à vide. La tension nominale de 24 V est la valeur nominale, tandis que 28 V est la tension du bus système pendant la charge.

Capacité de la batterie et état de charge

La capacité de la batterie est mesurée en ampères-heures (Ah). L'état de charge après un événement de décharge est calculé comme suit :

SOC = (Capacité − Décharge) / Capacité × 100 %

Exemple : Une batterie de 25 Ah fournit 400 A pendant 30 secondes lors d'un démarrage moteur :

Décharge = 400 A × (30 / 3600) h = 400 × 0,00833 = 3,33 Ah

SOC = (25 − 3,33) / 25 × 100 % = 21,67 / 25 × 100 % = 86,7 %

Charge de la batterie dans les systèmes en parallèle

Lorsqu'une batterie est connectée en parallèle avec un générateur ou une unité de puissance au sol (GPU) :

3.5 Génératrices et moteurs à courant continu

Principes des génératrices à courant continu

Une génératrice à courant continu convertit l'énergie mécanique en énergie électrique par induction électromagnétique. La tension de sortie est proportionnelle à :

FEM générée : E = V + (I × R_interne)

Régulation de tension :

La régulation de tension est définie comme suit :

% Régulation = (V_à vide − V_pleine charge) / V_pleine charge × 100 %

Exemple : Une génératrice nominale de 28 V, 100 A. À une charge de 80 A, la tension est de 30 V. Avec le régulateur réglé pour 28 V à la charge nominale :

% Régulation = (30 − 28) / 28 × 100 % = 2/28 × 100 % = 7,14 %

Types de génératrices à courant continu| Type | Connexion du champ | Caractéristiques | Applications |

|------|-------------------|------------------|--------------|

| Série | Champ en série avec l'induit | Couple de démarrage élevé ; mauvaise régulation de vitesse | Moteurs de démarreur |

| Shunt (dérivation) | Champ en parallèle avec l'induit | Bonne régulation de vitesse ; faible couple de démarrage | Applications à vitesse constante |

| Compound (composé) | Champs série et shunt | Couple de démarrage élevé + vitesse stable | Démarreurs-génératrices |

Démarreurs-Génératrices

Les moteurs à pistons d'hélicoptères utilisent couramment des machines compound pour la fonction démarreur-génératrice :

L'électrovanne (contacteur) dans le circuit de démarrage utilise un faible courant de commande pour fermer des contacts de puissance, transportant le courant de démarrage élevé (typiquement 200–400 A).

Contrôle et Protection de la Génératrice

Régulateur de tension :

Mode de défaillance : Si le régulateur tombe en panne avec un courant de champ maximal, la tension de sortie dépassera la valeur régulée, pouvant causer des dommages par surtension au système électrique.

Relais de coupure de courant inverse (RCC) :

3.6 Théorie du Courant Alternatif

Fondamentaux de la Forme d'Onde AC

Fréquence (f) : Le nombre de cycles complets par seconde, mesuré en hertz (Hz). Les systèmes d'aéronefs utilisent typiquement 400 Hz.

Période (T) : Le temps pour un cycle complet :

T = 1 / f

Exemple : Pour un système à 400 Hz :

T = 1 / 400 = 0,0025 s = 2,5 ms

Systèmes Triphasés

Dans un système triphasé :

Connexion en étoile :

V_ligne = √3 × V_phase

Exemple : Avec une tension de phase de 115 V AC :

V_ligne = 1,732 × 115 = 199,2 V ≈ 200 V AC

Fréquence de la Génératrice AC

La fréquence d'une génératrice AC est déterminée par :

f = (P × N) / 120

Où :

Exemple : Un alternateur à 4 pôles produisant 400 Hz :

N = (f × 120) / P = (400 × 120) / 4 = 48 000 / 4 = 12 000 tr/min

3.7 Transformateurs

Principes des Transformateurs

Un transformateur transfère l'énergie électrique entre les circuits par inductance mutuelle. Pour un transformateur idéal :

V_p / V_s = N_p / N_s

Où :

Exemple 1 : Un transformateur avec un rapport de transformation de 10:1 (primaire vers secondaire), tension primaire 115 V AC :

V_s = V_p × (N_s / N_p) = 115 × (1/10) = 11,5 V AC

Exemple 2 : Un transformateur avec 1000 spires primaires et 250 spires secondaires, tension primaire 115 V AC :

V_s = 115 × (250 / 1000) = 115 × 0,25 = 28,75 V AC

Applications des Transformateurs dans les Aéronefs

Condensateurs

Un condensateur stocke de l'énergie dans un champ électrique entre ses plaques. Propriétés clés :

Connexion en série :

1/C_total = 1/C₁ + 1/C₂

Exemple : Deux condensateurs de 100 µF en série :

C_total = 1 / (1/100 + 1/100) = 1 / (0,02) = 50 µF

Connexion en parallèle :

C_total = C₁ + C₂

Inductances

Une inductance stocke de l'énergie dans un champ magnétique. L'inductance est mesurée en henrys (H).

Diodes de roue libre :

Lorsqu'une charge inductive (telle qu'une bobine de relais) est mise hors tension, l'effondrement du champ magnétique induit une pointe de haute tension. Une diode de roue libre connectée en parallèle avec la charge inductive fournit un chemin pour le courant lorsque l'interrupteur s'ouvre, supprimant la pointe de tension et protégeant les composants de commutation.

3.9 Dispositifs à semi-conducteurs

Principes fondamentaux des diodes

Une diode est un dispositif à semi-conducteur qui permet au courant de circuler dans un seul sens :

Le silicium est le matériau standard pour les diodes de puissance dans les alternateurs d'aéronefs en raison de sa tolérance élevée à la température et de son faible courant de fuite.

Diodes Zener

Une diode Zener est conçue pour fonctionner en claquage inverse et maintient une tension presque constante. Cela la rend idéale pour :

Symbole schématique : Similaire à une diode classique mais avec une ligne de cathode incurvée (en forme de « S »).

Applications des semi-conducteurs

3.10 Moteurs à courant continu

Principes des moteurs

Un moteur à courant continu convertit l'énergie électrique en énergie mécanique. L'interaction entre le champ magnétique et le courant d'induit produit un couple.

Moteurs à excitation série

Caractéristiques :

Application : Moteurs de démarrage — à l'arrêt, le courant d'appel est élevé, produisant un couple de démarrage très élevé essentiel pour le lancement des moteurs à pistons.

Moteurs à excitation shunt

Caractéristiques :

Application : Applications à vitesse constante où des variations de charge sont attendues.

Moteurs à excitation compound

Caractéristiques :

Application : Démarreurs-générateurs dans les moteurs à pistons d'hélicoptères.

3.11 Génératrices à courant alternatif (Alternateurs)

Production de courant alternatif triphasé

Les alternateurs d'aéronefs produisent généralement une puissance triphasée à 400 Hz et 115 V CA de tension de phase (200 V entre phases en connexion étoile).

Relations de phase

Dans un système triphasé, les trois phases sont séparées par 120 degrés électriques. La séquence de phases (A-B-C) est essentielle pour :

Systèmes d'allumage à magnétoUn **magnéto** utilise un aimant permanent rotatif pour induire une tension alternative dans la bobine primaire, qui est ensuite élevée par un transformateur pour produire l'étincelle d'allumage. Le **condensateur** dans le circuit du magnéto absorbe l'énergie lorsque les contacts du rupteur s'ouvrent, empêchant la formation d'arcs électriques et permettant au courant primaire de chuter rapidement, induisant une haute tension dans la bobine secondaire.

3.12 Câblage et Dispositifs de Protection

Protection des Circuits

Les disjoncteurs sont des dispositifs de protection qui se déclenchent en cas de courant excessif, empêchant ainsi d'endommager le câblage et l'équipement. Principes clés :

Liaison Électrique (Bonding)

La liaison électrique assure la continuité électrique entre les composants métalliques pour :

Valeurs de résistance acceptables :

Pratiques de Câblage

Les paires torsadées blindées sont utilisées dans le câblage audio et des capteurs des hélicoptères pour :

Test de Résistance d'Isolement

3.13 Instruments de Test et Dépannage

Dépannage Systématique

Lorsqu'un composant ne fonctionne pas :

Techniques de Mesure

Relations Courantes Entre les Concepts

Loi d'Ohm et Triangle de Puissance

La relation entre la tension, le courant, la résistance et la puissance constitue le fondement de toute analyse de circuit :

V = I × R et P = V × I

Ces formules se combinent pour donner :

Fonctionnement en Parallèle du Générateur et de la Batterie

Dans un système CC d'hélicoptère :

Relations du Transformateur et du Générateur

Indicateurs d'État de Charge de la Batterie

Points Typiques d'ExamenPour l'examen EASA Part-66 Module 3 au niveau B1.4, les candidats doivent se concentrer sur :

Références réglementaires

Ce matériel d'étude est conforme à :

Les niveaux de connaissances pour les sujets du Module 3 vont du Niveau 1 (aperçu général) au Niveau 3 (théorie détaillée), les sujets les plus critiques pour le personnel de certification B1.4 étant les génératrices à courant continu, les génératrices à courant alternatif, les transformateurs, les batteries et les dispositifs à semi-conducteurs.