Réseaux électriques et machines électriques : pack de révision

Formulaires, étapes clés de la méthode pour chaque thème et 10 exercices, avec les corrigés complets à la fin.

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1Formules et méthodes

Puissance triphasée

Couplage en étoile (Y)
VL = √3·Vph, IL = Iph
Couplage en triangle (Δ)
VL = Vph, IL = √3·Iph
Puissance active totale
P = √3·VL·IL·cos φ = 3·Iph²·R
Puissances apparente et réactive
S = √3·VL·IL, Q = P·tan φ
Condensateurs de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(3ωV²)
Tension aux bornes de chaque condensateur
Δ : VL Y : VL/√3
Puissance absorbée par le moteur
Pin = Pout/η

Transformateurs

Rapport de transformation
a = N1/N2 = V1/V2
Rapport des courants
I1/I2 = N2/N1 = 1/a
Courant nominal
I = S/V
Impédance ramenée
Z1′ = a²·ZL
Pertes cuivre à charge partielle
Pcu = x²·Pcu,fl
Rendement
η = x·S·pf/(x·S·pf + Pcore + x²·Pcu,fl)
Rendement maximal
x = √(Pcore/Pcu,fl)

Puissance alternative et facteur de puissance

Puissance active
P = V·I·cos φ
Puissance réactive
Q = V·I·sin φ
Puissance apparente
S = V·I = √(P² + Q²)
Facteur de puissance
pf = cos φ = P/S
Condensateur de compensation
QC = P(tan φ1 − tan φ2), C = QC/(ωV²)

Impédance et phaseurs en alternatif

Impédances
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsation
ω = 2πf
Module et argument
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Loi d’Ohm en phaseurs
V = I·Z

Méthode

  1. Convertissez la fréquence : ω = 2πf.
  2. Trouvez chaque réactance : XL = ωL et XC = 1/(ωC).
  3. Additionnez les impédances comme des résistances, avec Z = R + jX.
  4. Trouvez le module |Z| = √(R² + X²) et l’argument φ = atan(X/R), puis appliquez la loi d’Ohm avec les phaseurs.

Moteurs à courant continu

Circuit d’induit
V = E + IaRa
F.c.é.m. et couple
E = k·ω, T = k·Ia
Vitesse
ω = 2π·n/60, ω = (V − IaRa)/k
Vitesse à vide et couple de blocage
ω0 = V/k, Tstall = k·V/Ra
Puissances
Pin = V·Ia, Pdev = E·Ia = T·ω, Pout = Pdev − Prot
Démarrage
Istart = V/(Ra + Rst)
Variation de vitesse
SR = (n0 − nFL)/nFL
Puissance développée maximale
Pmax = V²/(4Ra)
Entraînement par hacheur
Va = D·Vdc

Méthode

  1. Dessinez le circuit d’induit : l’alimentation V, la résistance Ra et la f.c.é.m. E en série.
  2. Utilisez V = E + Ia·Ra pour relier tension, courant et f.c.é.m.
  3. Utilisez E = k·ω pour la vitesse et T = k·Ia pour le couple, avec ω = 2π·n/60.
  4. Pour la puissance et le rendement, partez de V·Ia, soustrayez les pertes Joule Ia²·Ra, puis les pertes mécaniques.

2Exercices

1.Puissance triphaséeMoyen
ABCVL​ = 480 VZ = 3 + j4 Ωpar phase

Une charge équilibrée couplée en triangle (Δ), d’impédance 3 + j4 Ω par phase, est branchée sur un réseau triphasé équilibré de tension composée 480 V. Trouvez la puissance active totale P absorbée par la charge, en kW.

VL = 480 VZ = 3 + j4 Ω par phase
P = kW
2.Puissance triphaséeDifficile
P = 75 kWφ1​S1​Q2​QC​ = ?

Une charge triphasée équilibrée absorbe 75 kW avec un facteur de puissance de 0,65 (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 0,98 (inductif). La puissance active reste la même. Trouvez la puissance réactive totale QC que doit fournir la batterie de condensateurs, en kvar.

P = 75 kWpf1 = 0,65pf2 = 0,98VL = 480 Vf = 60 Hz
QC = kvar
3.TransformateursMoyen
RL​ = 4 Ω2014600 VV2​I1​ = ?I2​

Un transformateur parfait de rapport N₁:N₂ = 20:1 a son enroulement primaire sous 4600 V. Une résistance de 4 Ω est branchée aux bornes de l’enroulement secondaire. Trouvez le courant primaire I1.

N1:N2 = 20:1V1 = 4600 VRL = 4 Ω
I1 = A
4.TransformateursDifficile
pf 0,8100 kVA, 50% charge

Un transformateur monophasé de 100 kVA a des pertes fer de 300 W et des pertes cuivre de 450 W à charge nominale. Il fournit 50 % de sa puissance apparente nominale avec un facteur de puissance de 0,8 (inductif). Trouvez les pertes totales Ploss en watts à cette charge.

S = 100 kVAPcore = 300 WPcu,fl = 450 Wx = 0,5pf = 0,8
Ploss = W
5.Puissance alternative et facteur de puissanceMoyen
240 VR + jXP = 2184 W13 A

Une charge inductive absorbe 13 A et 2184 W sur une alimentation monophasée de 240 V (efficace). Modélisez-la par une résistance R en série avec une réactance X. Trouvez R.

V = 240 VI = 13 AP = 2184 W
R = Ω
6.Puissance alternative et facteur de puissanceDifficile
50 V1000 HzRs​ = 4 ΩXs​ = j10 ΩZL​ = ?

Une source de 50 V (efficace), 1000 Hz a une impédance interne Zs = 4 + j10 Ω. L’impédance de charge ZL peut être choisie librement. La charge donnant la puissance maximale est constituée d’une résistance en série avec un condensateur. Trouvez la capacité C.

Vs = 50 V (rms)f = 1000 HzZs = 4 + j10 Ω
C = µF
7.Impédance et phaseurs en alternatifMoyen
230 V200 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 10 µFI

Un circuit RLC série est alimenté sous 230 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez la puissance active P prélevée sur l’alimentation.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 10 µF
P = W
8.Impédance et phaseurs en alternatifDifficile
230 V200 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Un circuit RLC série est alimenté sous 230 V (efficaces), 200 Hz. Trouvez la fréquence de résonance f0 du circuit.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 100 mHC = 10 µF
f0 = Hz
9.Moteurs à courant continuMoyen
T (N·m)n (rpm)4,8 N·mn0​n = ?

Un moteur à courant continu (k = 0,8 N·m/A, Ra = 1,5 Ω) est alimenté sous 120 V et entraîne une charge de couple 4,8 N·m. Trouvez sa vitesse n en rpm.

V = 120 Vk = 0,8 N·m/ARa = 1,5 ΩT = 4,8 N·m
n = rpm
10.Moteurs à courant continuDifficile
+−220 VRa​ = 1,2 ΩIa​: 10 → 5 AM+−En = ?T

Un moteur à courant continu à excitation indépendante, alimenté sous 220 V (Ra = 1,2 Ω), tourne à 1500 rpm avec un courant d’induit de 10 A. La charge change et le courant devient 5 A, le champ restant inchangé. Trouvez la nouvelle vitesse n2.

V = 220 VRa = 1,2 Ωn1 = 1500 rpmIa1 = 10 AIa2 = 5 A
n2 = rpm

3Solutions

1.Puissance triphasée

Réponse: P = 82,94 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.

Tension simple

Vph = VL = 480 V

Courant de phase

|Z| = √(3² + 4²) = 5 Ω
Iph = 480/5 = 96 A

Puissance active totale

Seule la partie résistive de chaque impédance absorbe de la puissance active.

P = 3·Iph²·R = 3·96²·3 = 82,94 kW

Réponse

P = 82,94 kW

Vérification : cos φ = R/|Z| = 0,6, et √3·VL·IL·cos φ donne la même puissance.

2.Puissance triphasée

Réponse: QC = 72,46 kvar

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 = 75·tan(acos 0,65) = 75·1,169 = 87,68 kvar
Q2 = 75·tan(acos 0,98) = 75·0,2031 = 15,23 kvar

Puissance réactive fournie par les condensateurs

QC = Q1 − Q2 = 72,46 kvar

Réponse

QC = 72,46 kvar
3.Transformateurs

Réponse: I1 = 2,875 A

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 = 4600/20 = 230 V
I2 = 230/4 = 57,5 A

Courant primaire

Un transformateur parfait n’a pas de pertes : V₁·I₁ = V₂·I₂.

I1 = I2/20 = 2,875 A

Réponse

I1 = 2,875 A

Vérification : la charge vue du primaire vaut a²·RL = 1600 Ω, et 4600/1600 donne le même courant.

4.Transformateurs

Réponse: Ploss = 412,5 W

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.

Pertes cuivre à cette charge

Pcu = x²·Pcu,fl = 0,25·450 = 112,5 W

Pertes totales

Les pertes fer sont les mêmes quelle que soit la charge.

Ploss = 300 + 112,5 = 412,5 W

Réponse

Ploss = 412,5 W

Le rendement à cette charge vaut η = 98,98%.

5.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: R = 12,92 Ω

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.

Résistance d’après la puissance active

R = P/I² = 2184/13² = 12,92 Ω

Réponse

R = 12,92 Ω
6.Puissance alternative et facteur de puissance

Réponse: C = 15,92 µF

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.

Adaptation conjuguée

La réactance de la charge compense celle de la source, et la résistance de la charge est égale à celle de la source.

ZL = Zs* = 4 − j10 Ω

Capacité

XC = 10 Ω → C = 1/(2π·1000·10) = 15,92 µF

Réponse

C = 15,92 µF
7.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: P = 35,39 W

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 = 251,3 Ω, XC = 79,58 Ω

Impédance

|Z| = √(20² + (171,7)²) = 172,9 Ω

Puissance active

Les bobines et les condensateurs ne font que stocker et restituer de l’énergie ; la résistance absorbe toute la puissance active.

I = 230/172,9 = 1,33 A
P = I²·R = 1,33²·20 = 35,39 W

Réponse

P = 35,39 W
8.Impédance et phaseurs en alternatif

Réponse: f0 = 159,2 Hz

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 inductive et capacitive s’annulent : ωL = 1/(ωC). La fréquence d’alimentation n’intervient pas.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·10·10⁻⁶)) = 159,2 Hz

Réponse

f0 = 159,2 Hz
9.Moteurs à courant continu

Réponse: n = 1325 rpm

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

Courant d’induit

Ia = T/k = 4,8/0,8 = 6 A

F.c.é.m. et vitesse

E = 120 − 6·1,5 = 111 V
ω = E/k = 138,8 rad/s → n = 1325 rpm

Réponse

n = 1325 rpm
10.Moteurs à courant continu

Réponse: n2 = 1543 rpm

Moteur à courant continu : l’induit est une résistance Ra en série avec la force contre-électromotrice E, donc V = E + Ia·Ra. La force contre-électromotrice croît avec la vitesse, E = k·ω, et le couple avec le courant, T = k·Ia, avec la même constante de moteur k (V·s/rad = N·m/A) en unités SI. Convertissez les vitesses avec ω = 2π·n/60. La puissance développée est E·Ia = T·ω ; la puissance d’entrée est V·Ia, et la différence correspond aux pertes par effet Joule Ia²Ra et aux pertes mécaniques. La vitesse diminue linéairement avec le couple, ω = V/k − Ra·T/k², de la vitesse à vide V/k jusqu’à zéro au couple de blocage k·V/Ra. À l’arrêt, E = 0, donc le courant de démarrage V/Ra est élevé, sauf si une résistance le limite.

F.c.é.m. avant et après

E1 = 220 − 10·1,2 = 208 V
E2 = 220 − 5·1,2 = 214 V

Nouvelle vitesse

n2 = 1500·214/208 = 1543 rpm

Réponse

n2 = 1543 rpm

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