Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I3 dans la branche 3, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.
La source de courant est réglée jusqu’à ce que le potentiel du nœud A vaille VA = 11 V. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant de la source Is (sens indiqué).
Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.
V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 Ω
Vth = V
6.Thévenin et NortonDifficile
Trouvez la tension de Thévenin Vth vue des bornes a–b.
V1 = 6 VIs = 6 AR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 15 Ω
Vth = V
7.Transitoires RC et RLMoyen
La bobine n’est parcourue par aucun courant avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0. Trouvez la tension vL aux bornes de la bobine à t = 1 ms.
Vs = 5 VR = 47 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vL = V
8.Transitoires RC et RLDifficile
L’interrupteur est fermé depuis longtemps, donc le circuit est en régime permanent. À t = 0, l’interrupteur s’ouvre. Trouvez le courant i2 dans R2 à t = 750 ms.
Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 10 kΩC = 220 µFt = 750 ms
i2 = mA
9.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
Un circuit RLC série est alimenté sous 12 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez le facteur de puissance cos φ du circuit.
V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
Un circuit RLC série est alimenté sous 100 V (efficaces), 100 Hz. Trouvez le courant efficace I.
V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 47 µF
I = A
11.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Un moteur monophasé absorbe 40 kW avec un facteur de puissance de 0,65 inductif sous 230 V. Trouvez le courant de ligne I.
P = 40 kWpf = 0,65V = 230 V
I = A
12.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Un transformateur monophasé de 150 kVA alimente une charge de 42 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif. Quelle puissance active supplémentaire ΔP peut-on ajouter sous forme de charge résistive (facteur de puissance unitaire) avant que le transformateur atteigne sa puissance nominale en kVA ?
Smax = 150 kVAP1 = 42 kWpf1 = 0,8
ΔP = kW
13.Puissance triphaséeMoyen
Une charge triphasée équilibrée absorbe un courant de ligne de 40 A sur un réseau de tension composée 480 V. Le facteur de puissance vaut 0,88 (inductif). Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.
VL = 480 VIL = 40 Acos φ = 0,88
P = kW
14.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 250 kW avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif) sur un réseau de 480 V (tension composée), 60 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,95 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.
P = 250 kWpf1 = 0,8pf2 = 0,95VL = 480 Vf = 60 Hz
Cph = µF
15.TransformateursMoyen
Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 2:1 a son enroulement primaire sous 460 V. Une résistance de 4 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.
N1:N2 = 2:1V1 = 460 VRL = 4 Ω
I1 = A
16.TransformateursDifficile
Un transformateur monophasé de 50 kVA a des pertes fer de 300 W et des pertes cuivre de 600 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?
S = 50 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 600 W
Sη,max = kVA
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR2 = 0,4103 A
Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.
Regrouper les résistances depuis l’extrémité
Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.
R3 + R4 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 3·4/(3+4) = 1,714 Ω
Req = R1 + 1,714 = 15 + 1,714 = 16,71 Ω
Courant fourni par la source
La source ne voit que Req, donc la loi d’Ohm donne le courant qu’elle fournit. Ce courant traverse R₁.
IR1 = V1/Req = 12/16,71 = 0,7179 A
Courant dans R₂
Retranchez la chute de tension dans R₁ pour obtenir la tension au nœud A, qui est la tension aux bornes de R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0,7179·15 = 1,231 V
IR2 = VA/R2 = 1,231/3 = 0,4103 A
Réponse
IR2 = 0,4103 A
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 12,91 Ω
Résistances en série et en parallèle : en série, le même courant traverse chaque résistance et R = R₁ + R₂ + …. En parallèle, chaque résistance a la même tension et 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Un réseau en échelle se réduit paire par paire jusqu’à une seule résistance équivalente.
Regrouper les résistances depuis l’extrémité
Commencez par l’extrémité la plus éloignée de la source et remontez vers elle. Des résistances parcourues par le même courant sont en série ; des résistances entre les deux mêmes nœuds sont en parallèle.
R5 + R6 = 5 + 25 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 15 Ω
R3 + 15 = 40 Ω
R2 ∥ 40 = 10,91 Ω
Req = R1 + 10,91 = 2 + 10,91 = 12,91 Ω
Réponse
Req = 12,91 Ω
3.Méthode des nœuds
Réponse: I3 = 2,087 A
Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.
Loi des nœuds en A
Prenez le fil du bas comme masse. Chaque branche emporte depuis A un courant (VA − Vk)/Rk, où Vk est la tension de sa source (zéro pour une simple résistance). La somme des courants sortant de A est nulle.
(VA − 18)/8 + (VA − (−18))/4 + (VA − 10)/5 = 0
Trouver VA
VA = (18/8 + (−18)/4 + 10/5) / (1/8 + 1/4 + 1/5) = −0,25/0,575 = −0,4348 V
Courant de branche
La flèche est orientée vers le haut dans la branche, vers le nœud A.
I3 = (10 − VA)/R3 = (10 − (−0,4348))/5 = 2,087 A
Réponse
I3 = 2,087 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.
4.Méthode des nœuds
Réponse: Is = 5,95 A
Méthode des nœuds : choisissez un nœud de référence, nommez les potentiels inconnus, écrivez la loi des nœuds de Kirchhoff à chaque nœud inconnu avec la loi d’Ohm (I = ΔV/R), puis résolvez le système obtenu.
Loi des nœuds en A
VA est connu, donc cette équation donne VB.
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + (VA − VB)/R3 = 0
(11 − 12)/30 + 11/10 = (VB − 11)/8
1,067 = (VB − 11)/8 → VB = 19,53 V
Loi des nœuds en B
Les courants sortant de B par les résistances sont égaux au courant injecté dans B par les sources.
Is = (VB − VA)/R3 + VB/R4 = (19,53 − 11)/8 + 19,53/4 = 5,95 A
Réponse
Is = 5,95 A
5.Thévenin et Norton
Réponse: Vth = 1,8 V
Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.
Trouver Rth avec toutes les sources éteintes
Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.
R1 ∥ R2 = 8·2/(8+2) = 1,6 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,6 + 20 = 21,6 Ω
Trouver Vth, la tension à vide
Avec a–b ouverts, aucun courant ne traverse R₃, donc aucune chute de tension et V_b = V_A. R₁ et R₂ forment un pont diviseur.
Vth = V1·R2/(R1+R2) = 9·2/(8+2) = 1,8 V
6.Thévenin et Norton
Réponse: Vth = 138,8 V
Théorème de Thévenin : tout réseau linéaire à deux bornes se comporte comme une seule source de tension Vth en série avec une résistance Rth. Le théorème de Norton donne le même réseau sous forme d’une source de courant IN = Vth/Rth en parallèle avec Rth.
Trouver Rth avec toutes les sources éteintes
Remplacez les sources de tension par des courts-circuits et les sources de courant par des circuits ouverts, puis regardez le circuit depuis a–b.
R1 ∥ R2 = 12·20/(12+20) = 7,5 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 7,5 + 15 = 22,5 Ω
Trouver Vth, la tension à vide
Avec a–b ouverts, le seul chemin pour Iₛ passe par R₃ vers le nœud A. Trouvez V_A par superposition de V₁ et Iₛ, puis ajoutez la chute de tension dans R₃.
VA = V1·R2/(R1+R2) + Is·(R1∥R2) = 3,75 + 6·7,5 = 48,75 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 48,75 + 6·15 = 138,8 V
7.Transitoires RC et RL
Réponse: vL = 0,5904 V
Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.
Constante de temps et courant final
Longtemps après la fermeture, la bobine se comporte comme un court-circuit, donc le courant final est fixé par R seule.
τ = L/R = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms
i(∞) = Vs/R = 5/47 = 0,1064 A
Tension aux bornes de la bobine
À t = 0, toute la tension d’alimentation apparaît aux bornes de la bobine ; elle décroît ensuite jusqu’à zéro.
vL(t) = Vs·e−t/τ = 5·e−1/0,4681 = 0,5904 V
Réponse
vL = 0,5904 V
8.Transitoires RC et RL
Réponse: i2 = 0,8533 mA
Régimes transitoires du premier ordre : dans un circuit avec un condensateur ou une bobine, chaque tension et chaque courant passe exponentiellement de sa valeur initiale à sa valeur finale : x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, avec τ = RC ou τ = L/R. Après environ 5τ, le circuit est stabilisé.
Tension initiale du condensateur
En régime permanent, le condensateur est un circuit ouvert, donc R₁ et R₂ forment un diviseur de tension. La tension du condensateur ne peut pas varier brusquement à l’ouverture de l’interrupteur.
vC(0) = 24·10/(10 + 10) = 12 V
Constante de temps après l’ouverture de l’interrupteur
τ = R2·C = 10·220 = 2200 ms
Décharge
vC(t) = 12·e−750/2200 = 8,533 V
i2 = vC/R2 = 8,533/10 = 0,8533 mA
Réponse
i2 = 0,8533 mA
9.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: cos φ = 0,6001
Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.
Réactances
XL = 125,7 Ω, XC = 72,34 Ω
Impédance
|Z| = √(40² + (53,32)²) = 66,66 Ω
Facteur de puissance
cos φ = R/|Z| = 40/66,66 = 0,6001
Le circuit est inductif, donc le facteur de puissance est inductif (courant en retard).
Réponse
cos φ = 0,6001
10.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: I = 2,718 A
Circuits alternatifs et phaseurs : résistances, bobines et condensateurs ont pour impédances R, jωL et 1/(jωC), avec ω = 2πf. En série, les impédances s’additionnent comme des résistances, mais en nombres complexes. Courant et tension efficaces suivent la loi d’Ohm avec |Z|.
Réactances
ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω
Impédance
En série, les impédances s’additionnent comme des nombres complexes : Z = R + j(XL − XC).
Le même courant traverse tous les éléments d’un circuit série.
I = V/|Z| = 100/36,79 = 2,718 A
Réponse
I = 2,718 A
11.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: I = 267,6 A
Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.
Courant de ligne
Seule la partie active de la puissance fournit un travail, donc divisez par le facteur de puissance.
I = P/(V·cos φ) = 40000/(230·0,65) = 267,6 A
Réponse
I = 267,6 A
12.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: ΔP = 104,7 kW
Puissance en alternatif : la puissance apparente S = V·I (VA) se partage entre la puissance active P = S·cos φ (W), qui fournit un travail utile, et la puissance réactive Q = S·sin φ (var), qui fait des allers-retours entre source et charge. Le facteur de puissance est cos φ. Un condensateur en parallèle fournit la puissance réactive sur place, donc le courant de ligne baisse pour la même puissance active.
Puissance réactive de la charge existante
Q1 = 42·tan(arccos 0,8) = 31,5 kvar
Plus grande puissance active totale
À pleine charge nominale, S = Smax, et Q n’est pas modifiée par la charge résistive.
P = √(Smax² − Q1²) = √(150² − 31,5²) = 146,7 kW
Puissance active supplémentaire
ΔP = 146,7 − 42 = 104,7 kW
Réponse
ΔP = 104,7 kW
13.Puissance triphasée
Réponse: P = 29,26 kW
Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ.
Puissance apparente
S = √3·VL·IL = √3·480·40 = 33,26 kVA
Puissance active
P = S·cos φ = 33,26·0,88 = 29,26 kW
Réponse
P = 29,26 kW
14.Puissance triphasée
Réponse: Cph = 1213 µF
Systèmes triphasés équilibrés : en couplage étoile (Y), la tension composée vaut √3 fois la tension simple, VL = √3·Vph, et le courant de ligne est égal au courant de phase. En couplage triangle (Δ), la tension composée est égale à la tension de phase et le courant de ligne vaut √3 fois le courant de phase, IL = √3·Iph. La puissance totale vaut trois fois la puissance d’une phase : P = 3·Vph·Iph·cos φ = √3·VL·IL·cos φ. Compensation du facteur de puissance : les condensateurs fournissent localement de la puissance réactive, QC = P·(tan φ1 − tan φ2). Chacun des trois condensateurs fournit QC/3 = V²·ω·C, où V est la tension aux bornes de ce condensateur : VL dans une batterie en triangle, VL/√3 dans une batterie en étoile.
Puissance réactive avant et après
La puissance active ne change pas ; chaque facteur de puissance fixe donc la puissance réactive : Q = P·tan φ.
Q1 = 250·tan(acos 0,8) = 250·0,75 = 187,5 kvar
Q2 = 250·tan(acos 0,95) = 250·0,3287 = 82,17 kvar
Puissance réactive fournie par les condensateurs
QC = Q1 − Q2 = 105,3 kvar
Capacité par phase
Dans une batterie en étoile, chaque condensateur est branché entre une phase et le point neutre.
Transformateur parfait : les tensions sont dans le rapport des nombres de spires et les courants dans le rapport inverse : V₁/V₂ = N₁/N₂ = a et I₁/I₂ = N₂/N₁ = 1/a ; la puissance absorbée est donc égale à la puissance fournie, V₁·I₁ = V₂·I₂. Une impédance de charge Z au secondaire est vue comme a²·Z depuis le primaire.
Tension et courant secondaires
V2 = 460/2 = 230 V
I2 = 230/4 = 57,5 A
Courant primaire
Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/2 = 28,75 A
Réponse
I1 = 28,75 A
Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 16 Ω, et 460/16 donne le même courant.
16.Transformateurs
Réponse: Sη,max = 35,36 kVA
Pertes d’un transformateur : les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault) dépendent de la tension et sont les mêmes quelle que soit la charge. Les pertes cuivre dans les enroulements varient comme le carré du courant : à une fraction x de la charge nominale, elles valent x²·Pcu,fl. Rendement η = Pout/(Pout + Pcore + Pcu), avec Pout = x·S·pf. Le rendement est maximal pour la charge à laquelle les pertes cuivre égalent les pertes fer.