Trois branches sont branchées entre le nœud A et la masse, comme représenté. Utilisez la méthode des nœuds pour trouver le courant I1 dans la branche 1, circulant vers le haut jusqu’au nœud A dans le sens de la flèche.
La source de tension Vₛ entre A et B a sa borne + en A, donc elle impose VA − VB = Vₛ. Utilisez la méthode des nœuds avec un super-nœud pour trouver le courant IR1 dans R1 dans le sens de la flèche.
Une charge RL = 15 Ω est branchée entre a et b. Remplacez le reste du circuit par son équivalent de Thévenin et trouvez le courant de charge IL.
V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 6 ΩRL = 15 Ω
IL = A
6.Thévenin et NortonDifficile
Trouvez le courant de Norton IN : le courant qui circule de a vers b si les bornes sont court-circuitées.
V1 = 36 VIs = 1 AR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 4 Ω
IN = A
7.Transitoires RC et RLMoyen
La bobine est parcourue par un courant permanent de 3 A. À t = 0, l’interrupteur ferme la boucle à travers R et la source est retirée, donc le courant de la bobine décroît à travers R. Trouvez la tension vR aux bornes de R à t = 1 ms.
i(0) = 3 AR = 47 ΩL = 22 mHt = 1 ms
vR = V
8.Transitoires RC et RLDifficile
Juste avant la fermeture de l’interrupteur à t = 0, le condensateur est chargé à 18 V avec la polarité indiquée. Trouvez la tension du condensateur vC à t = 25 ms.
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 18 Vt = 25 ms
vC = V
9.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
Un circuit RLC série avec L = 2 mH doit résonner à 60 Hz. Trouvez la capacité C nécessaire.
f0 = 60 HzL = 2 mH
C = µF
10.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
Un circuit RLC série est alimenté par une source de 24 V (efficace) dont la fréquence est réglée sur la fréquence de résonance du circuit. Trouvez la tension efficace VL aux bornes de la bobine.
V = 24 V (rms)R = 50 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VL = V
11.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
Un moteur monophasé absorbe 17 kW avec un facteur de puissance de 0,8 inductif sous 230 V. Trouvez le courant de ligne I.
P = 17 kWpf = 0,8V = 230 V
I = A
12.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
Une charge monophasée absorbe 10 kW avec un facteur de puissance de 0,7 inductif sous 400 V, 50 Hz. Un condensateur branché en parallèle relève le facteur de puissance à 0,95. Trouvez le nouveau courant de ligne Inew.
P = 10 kWpf1 = 0,7pf2 = 0,95V = 400 Vf = 50 Hz
Inew = A
13.Puissance triphaséeMoyen
Un moteur asynchrone triphasé fournit 37 kW de puissance mécanique utile à pleine charge. À cette charge, son rendement est de 94 % et son facteur de puissance vaut 0,8 (inductif). Le réseau a une tension composée de 400 V. Trouvez le courant de ligne IL.
Pout = 37 kWη = 94%cos φ = 0,8VL = 400 V
IL = A
14.Puissance triphaséeDifficile
Une charge triphasée équilibrée absorbe 150 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (inductif) sur un réseau de 400 V (tension composée), 50 Hz. Une batterie de condensateurs triphasée branchée en parallèle avec la charge doit relever le facteur de puissance global à 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Les condensateurs sont couplés en étoile (Y). Trouvez la capacité Cph de chaque condensateur, en µF.
P = 150 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 400 Vf = 50 Hz
Cph = µF
15.TransformateursMoyen
Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 10:1 a son enroulement primaire sous 2300 V. Une résistance de 12 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.
N1:N2 = 10:1V1 = 2300 VRL = 12 Ω
I1 = A
16.TransformateursDifficile
Un transformateur monophasé de 100 kVA a des pertes fer de 500 W et des pertes cuivre de 1250 W à charge nominale. À quelle charge Sη,max, en kVA, son rendement est-il maximal ?
S = 100 kVAPcore = 500 WPcu,fl = 1250 W
Sη,max = kVA
3Solutions
1.Résistances en série et en parallèle
Réponse: Req = 13,71 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.
R3 + R4 = 5 + 3 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Req = R1 + 5,714 = 8 + 5,714 = 13,71 Ω
Réponse
Req = 13,71 Ω
2.Résistances en série et en parallèle
Réponse: IR1 = 1,153 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.
R5 + R6 = 25 + 12 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 12,98 Ω
R3 + 12,98 = 42,98 Ω
R2 ∥ 42,98 = 15,81 Ω
Req = R1 + 15,81 = 5 + 15,81 = 20,81 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 = 24/20,81 = 1,153 A
Réponse
IR1 = 1,153 A
3.Méthode des nœuds
Réponse: I1 = 0,8622 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 − 10)/15 + (VA − (−24))/10 + (VA − 12)/12 = 0
Trouver VA
VA = (10/15 + (−24)/10 + 12/12) / (1/15 + 1/10 + 1/12) = −0,7333/0,25 = −2,933 V
Courant de branche
La flèche est orientée vers le haut dans la branche, vers le nœud A.
I1 = (10 − VA)/R1 = (10 − (−2,933))/15 = 0,8622 A
Réponse
I1 = 0,8622 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.
4.Méthode des nœuds
Réponse: IR1 = 0,2759 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.
Former un super-nœud
La source de tension entre A et B est parcourue par un courant inconnu, donc on ne peut pas écrire la loi des nœuds séparément en A ou en B. Englobez A, B et la source dans un super-nœud : le courant qui y entre est égal au courant qui en sort.
VB = VA − 9
(VA − V1)/R1 + VA/R2 + VB/R3 = Is
Résoudre
(VA − 9)/25 + VA/2 + (VA − 9)/25 = 0,5
VA·(1/25 + 1/2 + 1/25) = 0,5 + 9/25 + 9/25 = 1,22
VA = 1,22/0,58 = 2,103 V
VB = −6,897 V
Courant dans R₁
IR1 = (V1 − VA)/R1 = (9 − 2,103)/25 = 0,2759 A
Réponse
IR1 = 0,2759 A
Un résultat négatif signifie que le courant réel circule à l’opposé de la flèche.
5.Thévenin et Norton
Réponse: IL = 0,5732 A
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 = 2·5/(2+5) = 1,429 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,429 + 6 = 7,429 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) = 18·5/(2+5) = 12,86 V
Brancher la charge sur l’équivalent de Thévenin
La source de Thévenin et R_th en série se comportent exactement comme le circuit d’origine en a–b, donc la charge voit une simple boucle série.
IL = Vth/(Rth + RL) = 12,86/(7,429 + 15) = 0,5732 A
6.Thévenin et Norton
Réponse: IN = 3,769 A
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 = 3·2/(3+2) = 1,2 Ω
Rth = (R1 ∥ R2) + R3 = 1,2 + 4 = 5,2 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) = 14,4 + 1·1,2 = 15,6 V
Vth = VB = VA + Is·R3 = 15,6 + 1·4 = 19,6 V
Équivalent de Norton
Une source de Norton est le même circuit vu comme une source de courant en parallèle avec R_th. Son courant est le courant de court-circuit en a–b.
IN = Vth/Rth = 19,6/5,2 = 3,769 A
7.Transitoires RC et RL
Réponse: vR = 16,65 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
τ = L/R = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms
Décroissance du courant
i(t) = 3·e−1/0,4681 = 0,3543 A
vR = R·i = 47·0,3543 = 16,65 V
Réponse
vR = 16,65 V
8.Transitoires RC et RL
Réponse: vC = 12,64 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.
Valeur initiale, valeur finale, constante de temps
La tension d’un condensateur ne peut pas sauter : elle part de sa valeur stockée et tend vers la tension de la source.
vC(0) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 47 µF = 47 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ
Tension à l’instant donné
vC(25) = 5 + (13)·e−25/47 = 12,64 V
Réponse
vC = 12,64 V
9.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: C = 3518 µF
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|.
Condition de résonance
À la résonance, les réactances inductive et capacitive s’annulent : ωL = 1/(ωC).
ω₀ = 2π·60 = 377 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(377²·0,002) = 3518 µF
Réponse
C = 3518 µF
10.Impédance et phaseurs en alternatif
Réponse: VL = 49,51 V
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|.
Résonance
À la résonance, les réactances s’annulent, donc l’impédance se réduit à R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,05·4,7·10⁻⁶) = 2063 rad/s
I = V/R = 24/50 = 0,48 A
Tension aux bornes de la bobine
XL = ω₀L = 2063·0,05 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 0,48·103,1 = 49,51 V
Réponse
VL = 49,51 V
Cela fait Q = 2,063 fois la tension d’alimentation.
11.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: I = 92,39 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) = 17000/(230·0,8) = 92,39 A
Réponse
I = 92,39 A
12.Puissance alternative et facteur de puissance
Réponse: Inew = 26,32 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.
Puissance réactive avant et après
La puissance active P ne change pas ; seule la puissance réactive prélevée sur le réseau change.
Q1 = P·tan φ1 = 10·tan(45,57°) = 10,2 kvar
Q2 = P·tan φ2 = 10·tan(18,19°) = 3,287 kvar
QC = Q1 − Q2 = 6,915 kvar
Nouveau courant de ligne
Inew = P/(V·cos φ2) = 10000/(400·0,95) = 26,32 A
Réponse
Inew = 26,32 A
13.Puissance triphasée
Réponse: IL = 71,02 A
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 électrique absorbée
Pin = Pout/η = 37/0,94 = 39,36 kW
Courant de ligne
IL = Pin/(√3·VL·cos φ) = 39362/(√3·400·0,8) = 71,02 A
Réponse
IL = 71,02 A
14.Puissance triphasée
Réponse: Cph = 2883 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 = 150·tan(acos 0,65) = 150·1,169 = 175,4 kvar
Q2 = 150·tan(acos 0,98) = 150·0,2031 = 30,46 kvar
Puissance réactive fournie par les condensateurs
QC = Q1 − Q2 = 144,9 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 = 2300/10 = 230 V
I2 = 230/12 = 19,17 A
Courant primaire
Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.
I1 = I2/10 = 1,917 A
Réponse
I1 = 1,917 A
Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 1200 Ω, et 2300/1200 donne le même courant.
16.Transformateurs
Réponse: Sη,max = 63,25 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.