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Leçon 2 — Électricité : courants forts/faibles, transformateurs, lois fondamentales

Bases théoriques indispensables pour le BTS Électrotechnique — lois, transformateurs, régimes monophasé/triphasé.

Objectifs de la leçon

Maîtriser les lois fondamentales de l'électricité (Ohm, Kirchhoff, Joule)
Distinguer courants forts et courants faibles : domaines, tensions, réglementations
Analyser le fonctionnement d'un transformateur monophasé et triphasé
Calculer puissances actives, réactives et apparentes en régime alternatif sinusoïdal
Identifier les réseaux de distribution BT/HTA (NF C 15-100, NF C 13-200)
Appliquer les règles de sécurité électrique (habilitations, distances de sécurité)

1. Courants forts vs courants faibles — définitions et domaines

Critère	Courants forts (CF)	Courants faibles (Cfa)
Tension typique	230 V / 400 V (BT) — jusqu'à 63 kV (HTA)	5 V, 12 V, 24 V, 48 V (TBTS)
Courant typique	10 A à plusieurs kA	mA à quelques A
Applications	Éclairage, moteurs, chauffage, distribution	Informatique, téléphonie, domotique, sécurité
Norme principale	NF C 15-100 (installations BT)	NF C 15-100 §7 + DTU 86.1 (VDI)
Risque principal	Électrisation, électrocution, incendie	Perturbations électromagnétiques (CEM)
Habilitation requise	B2V, BR, BC (travaux BT)	Non obligatoire mais recommandé (B0)

Selon la norme NF C 18-510 (habilitation électrique, arrêté du 26 avril 2012) : « Toute personne travaillant au voisinage de pièces nues sous tension doit être habilitée par son employeur, après formation et évaluation des compétences. »
Source : INRS — Prévention du risque électrique

2. Lois fondamentales de l'électricité

2.1 Loi d'Ohm

La loi d'Ohm relie tension, courant et résistance :

U = R × I — tension en volts (V), résistance en ohms (Ω), courant en ampères (A)
En alternatif : U = Z × I — Z = impédance complexe (Ω), tenant compte de R, L, C

2.2 Lois de Kirchhoff

Loi des nœuds (LCK) : la somme algébrique des courants entrant dans un nœud est nulle — ΣI = 0
Loi des mailles (LTK) : la somme algébrique des tensions dans une maille fermée est nulle — ΣU = 0

2.3 Effet Joule

L'énergie dissipée par effet Joule dans un conducteur de résistance R parcouru par un courant I pendant une durée t :

P = R × I² (puissance dissipée en watts)
W = R × I² × t (énergie en joules = watt-secondes)

2.4 Puissances en courant alternatif sinusoïdal

Grandeur	Symbole	Formule	Unité
Puissance active	P	P = U·I·cos φ	Watt (W)
Puissance réactive	Q	Q = U·I·sin φ	Volt-Ampère Réactif (VAr)
Puissance apparente	S	S = U·I = √(P²+Q²)	Volt-Ampère (VA)
Facteur de puissance	cos φ	cos φ = P/S	Sans dimension [0;1]

Un facteur de puissance faible (cos φ < 0,8) entraîne des pénalités tarifaires ENEDIS. La compensation de l'énergie réactive par condensateurs permet d'améliorer cos φ et de réduire la facture électrique.

3. Le transformateur — principe et calculs

Le transformateur est un dispositif statique qui transfère l'énergie électrique d'un circuit à un autre par induction électromagnétique, sans contact galvanique, en modifiant la tension et le courant.

3.1 Relations fondamentales du transformateur idéal

Relation	Formule	Signification
Rapport de transformation	m = N2/N1 = U2/U1	N = nombre de spires, U = tension
Conservation de la puissance	U1·I1 = U2·I2	Pas de perte dans le transfo idéal
Courant secondaire	I2 = I1 × (N1/N2) = I1/m	Si m < 1 (abaisseur), I2 > I1

3.2 Types de transformateurs en BTS ET

Transformateur de puissance HTA/BT : distribution publique 20 kV → 400 V (ENEDIS)
Transformateur de séparation : sécurité TBTS (Très Basse Tension de Sécurité, < 50 V)
Transformateur torique : faibles fuites magnétiques, audio/médical
Auto-transformateur : 1 seul enroulement avec prise — économique mais pas de séparation galvanique
Transformateur triphasé : 3 enroulements primaires + 3 secondaires, couplages D/Y (étoile/triangle)

3.3 Pertes dans un transformateur réel

Pertes fer (Pfer) : pertes par hystérésis + courants de Foucault dans le noyau — mesurées à vide
Pertes cuivre (Pcu) : pertes par effet Joule dans les bobinages — mesurées en court-circuit
Rendement : η = Ps / Pe = P2 / (P2 + Pfer + Pcu) — typiquement 97–99 % pour les grands transformateurs

4. Réseau triphasé — essentiel pour le BTS ET

Le réseau triphasé est la norme pour la distribution d'énergie industrielle en France. Il utilise 3 phases décalées de 120° :

Tension simple (entre une phase et le neutre) : U = 230 V en France
Tension composée (entre deux phases) : V = 400 V = U × √3 ≈ 230 × 1,732
Couplage étoile (Y) : neutre accessible, tension de phase 230 V — pour charges monophasées
Couplage triangle (Δ) : pas de neutre, tension de ligne 400 V — pour moteurs industriels

Puissance triphasée équilibrée : P = √3 × U × I × cos φ (U = tension composée)

5. Distribution BT/HTA — normes françaises

Domaine	Tension	Norme	Application
TBTS/TBTP	< 50 V AC / 120 V DC	NF C 15-100 §414	Éclairage jardin, jouets, médical
Basse Tension (BT)	50 V – 1 000 V AC	NF C 15-100	Installations domestiques et tertiaires
Haute Tension A (HTA)	1 – 50 kV	NF C 13-200	Postes HTA/BT industrie, distribution
Haute Tension B (HTB)	> 50 kV	NF C 13-100	Transport énergie (RTE)

La norme NF C 15-100 (2002 + amendements 2008/2015) est la référence obligatoire pour toutes les installations électriques basse tension en France. Elle définit les sections de câbles, les protections différentielles (30 mA, 300 mA), les schémas de liaison à la terre (TT, TN, IT) et les distances de sécurité.
Source : AFNOR — NF C 15-100

6. Schémas de liaison à la terre (SLT)

SLT	Principe	Application	Avantage
TT	Neutre direct à la terre, masses raccordées à une terre indépendante	Habitations, tertiaire France	Simple, protection par IDR 30 mA
TN-S	Neutre et PE séparés, reliés à la même terre source	Industrie, immeubles modernes	Courant de défaut élevé → déclenchement rapide
TN-C	Neutre et PE confondus (PEN)	Installations anciennes	Économique mais interdit en neuf depuis 1991
IT	Neutre isolé ou impédant	Blocs opératoires, data centers	1er défaut ne coupe pas = continuité de service

Exercice d'application — transformateur

Un transformateur monophasé 230V/48V alimente une charge de 960 W avec cos φ = 0,9.

Calculez : (1) le rapport de transformation m ; (2) le courant secondaire I2 ; (3) le courant primaire I1 (transfo idéal) ; (4) la puissance apparente S.

Solutions : m = 48/230 ≈ 0,209 | I2 = P/(U2·cosφ) = 960/(48×0,9) ≈ 22,2 A | I1 = I2×m ≈ 4,64 A | S = P/cosφ = 960/0,9 ≈ 1067 VA

Astuce épreuve E3 : Les calculs de puissances (P, Q, S, cos φ) et de transformateurs représentent environ 30 % des points de l'épreuve Mathématiques + Sciences Physiques (E3, coef. 4). Maîtrisez le triangle des puissances et la formule P = √3·U·I·cosφ par cœur. Un oubli du √3 en triphasé est l'erreur la plus fréquente aux examens.

Attention cosφ vs η (rendement) : Le facteur de puissance cosφ n'est PAS le rendement du transformateur. cosφ mesure l'écart entre puissance active et apparente (lié au déphasage). η mesure les pertes fer + cuivre. Un transfo peut avoir η = 99 % mais cosφ = 0,7 selon la charge.

Synthèse — points clés

CF (≥ 50 V) vs Cfa (< 50 V TBTS) : réglementations et risques différents
Loi d'Ohm : U = Z·I | Kirchhoff : ΣI = 0 (nœuds) + ΣU = 0 (mailles)
Puissances : P = UI cosφ | Q = UI sinφ | S = UI | triangle P²+Q² = S²
Transformateur idéal : m = N2/N1 = U2/U1 | I1/I2 = N2/N1
Réseau triphasé : 230 V (simple) / 400 V (composée = 230×√3)
SLT : TT (France habitation) / TN-S (industrie) / IT (médical, continuité)
Normes : NF C 15-100 (BT) | NF C 13-200 (HTA) | NF C 18-510 (habilitations)

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📚 Programme du cours

1

Leçon 1 — Référentiel BTS ET : 4 blocs de compétences (Études, Réalisation, Veille, Gestion)
2

Leçon 2 — Électricité : courants forts/faibles, transformateurs, machines tournantes
🔒

Leçon 3 — Distribution BT/HTA (NF C 15-100, NF C 13-200, schémas TT/TN/IT)
🔒

Leçon 4 — Automatismes API + variateurs + énergies renouvelables (PV, éolien)
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Leçon 5 — Domotique KNX, smart grid, IoT industriel + prépa épreuves E4/E5/E6
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Examen blanc — BTS Électrotechnique (25 questions)
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