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Feuille d'entraînement : Conversion de puissance

10 questions · toutes filières · durée estimée environ 54 min

Énoncés

  1. Exercice 1CCINP Physique-Chimie PSI 2026, Q19· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 5 min

    Déterminer la relation qui lie , et , puis la valeur numérique de .

  2. Exercice 2E3A Physique-Chimie PSI 2026, Q25· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 6 min

    Rappeler l’équation de Maxwell-Faraday. En déduire l’expression de la tension aux bornes du secondaire en fonction de ainsi que et et qu’on désignera par le nom de loi de transformation des tensions.

  3. Exercice 3E3A Physique-Chimie PSI 2026, Q26· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 6 min

    Citer le théorème d’Ampère dans un tel milieu magnétique idéalisé et dans l’approximation des régimes quasi-stationnaires magnétiques. En déduire l’expression de l’intensité du courant circulant dans le secondaire en fonction de ainsi que et et qu’on désignera par le nom de loi de transformation des intensités.

  4. Exercice 4Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q5· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 5 min

    Donner la relation liant le couple et la dérivée de par rapport à . Que doit vérifier le couple moyen si l'on veut réaliser un moteur ? Peut-on alimenter le système par une tension constante ?

  5. Exercice 5Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q13· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    Justifier qu'il est légitime de négliger, dans l'air, le champ magnétique en dehors des minces entrefers d'épaisseur .

  6. Exercice 6Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q14· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 6 min

    On suppose dorénavant la perméabilité magnétique du rotor et du stator infinies. Montrer que l'intensité du champ magnétique en un point quelconque des deux entrefers est donnée par la relation .

  7. Exercice 7X-ENS Modelisation PSI 2026, Q45· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 5 min

    Écrire la relation entre le flux total de la phase à courant nul et la force contre électromotrice . À partir du schéma équivalent de la Figure 29, écrire la loi des mailles puis la réécrire sous forme complexe. La forme complexe sera notée de la façon suivante :

  8. Exercice 8CCINP Physique-Chimie PSI 2025, Q35· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 5 min

    Tracer l'allure de sur une période du convertisseur et déterminer en fonction de , sa valeur moyenne et sa valeur efficace .

  9. Exercice 9CentraleSupélec Physique-Chimie 1 PSI 2025, Q28· Application directe· Incontournable· ≈ 4 min

    Le schéma électrique d'une phase en fonctionnement alternateur est représenté en figure 8. On note et respectivement la résistance et la réactance synchrone du bobinage d'une phase définie par où désigne son inductance propre. En fonctionnement alternateur, écrire l'équation électrique relative à une phase faisant apparaître et ; on notera respectivement , et les représentations complexes de la force électromotrice, de la tension aux bornes de la phase et de l'intensité du courant circulant dans la phase.

  10. Exercice 10CentraleSupélec Physique-Chimie 1 PSI 2025, Q30· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 8 min

    Représenter l'allure du diagramme de Fresnel associé à l'équation électrique d'une phase obtenue en question Q28 en adoptant la tension pour origine des phases. En déduire l'expression ainsi que la valeur de puis la valeur de . On parle, dans cette situation, de chute de tension en charge. Interpréter.

Corrigés

  1. Exercice 1CCINP Physique-Chimie PSI 2026, Q19

    En régime permanent périodique de période T, le courant vérifie la condition aux limites temporelles :

    i_1(T) = i_1(0)

    Ce qui se traduit, par intégration de la dérivée temporelle de i_1(t) sur une période, par l'annulation de la tension moyenne aux bornes de l'inductance :

    \langle u_L \rangle = \frac{1}{T} \int_0^T L \frac{\mathrm{d}i_1}{\mathrm{d}t} \, \mathrm{d}t = \frac{L}{T} \big( i_1(T) - i_1(0) \big) = 0

    D'après les équations établies à la question Q18 :

    • sur l'intervalle [0, \, \alpha T] : u_L(t) = U ;
    • sur l'intervalle [\alpha T, \, T] : u_L(t) = U - E.

    Il vient ainsi :

    \begin{aligned} \int_0^T u_L(t) \, \mathrm{d}t &= \int_0^{\alpha T} U \, \mathrm{d}t + \int_{\alpha T}^T (U - E) \, \mathrm{d}t = 0 \\ \alpha T \cdot U + (1 - \alpha) T \cdot (U - E) &= 0 \\ U - (1 - \alpha) E &= 0 \end{aligned}

    On en déduit la relation fondamentale du hacheur parallèle (élévateur) :

    \boxed{E = \frac{U}{1 - \alpha}} \quad \text{soit} \quad \boxed{\alpha = 1 - \frac{U}{E}}

    Application numérique : Avec U = 12\text{ V} et E = 30\text{ V} :

    \alpha = 1 - \frac{12}{30} = 1 - 0{,}40
    \boxed{\alpha = 0{,}60}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  2. Exercice 2E3A Physique-Chimie PSI 2026, Q25

    L'équation de Maxwell-Faraday s'écrit sous forme locale :

    \vec{\mathrm{rot}}\,\vec{E} = -\frac{\partial \vec{B}}{\partial t}

    Par application du théorème de Stokes à un contour fermé orienté \Gamma bordant une surface ouverte \Sigma, on obtient la loi d'induction de Faraday pour la force électromotrice induite e :

    e = \oint_{\Gamma} \vec{E} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = -\iint_{\Sigma} \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} \cdot \mathrm{d}\vec{S} = -\frac{\mathrm{d}\Phi_{\text{tot}}}{\mathrm{d}t}

    où \Phi_{\text{tot}} est le flux magnétique total traversant le contour \Gamma.

    D'après la question Q24, en l'absence de fuites magnétiques, le même flux magnétique \Phi(t) = B(t)\,S traverse chaque section droite du tore.

    Pour les conducteurs parfaits (résistivité nulle), le champ électrique est nul au sein du fil conducteur (\vec{E} = \vec{0}). La circulation du champ électrique entre les bornes le long d'un contour fermé comprenant le bobinage et le segment reliant les bornes donne :

    • Au primaire (N_1 spires), en convention récepteur, la tension u_1(t) s'oppose à la force électromotrice induite e_1(t) :

      u_1(t) = -e_1(t) = N_1 \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}
    • Au secondaire (N_2 spires), en convention générateur, la tension u_2(t) est égale à la force électromotrice induite e_2(t) :

      u_2(t) = e_2(t) = N_2 \frac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}

      (les enroulements étant bobinés dans le même sens sur le tore, les spires sont homologues).

    En éliminant le terme \dfrac{\mathrm{d}\Phi}{\mathrm{d}t}, on obtient la loi de transformation des tensions :

    \boxed{u_2(t) = \frac{N_2}{N_1} u_1(t) = m\, u_1(t)}

    où m = \dfrac{N_2}{N_1} est le rapport de transformation du transformateur.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  3. Exercice 3E3A Physique-Chimie PSI 2026, Q26

    Dans le cadre de l'approximation des régimes quasi-stationnaires (ARQS), le courant de déplacement est négligeable et le théorème d'Ampère s'écrit pour le vecteur excitation magnétique \vec{H} :

    \oint_{\mathcal{C}} \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = I_{\text{libre, enlacé}}

    où \mathcal{C} est un contour fermé orienté et I_{\text{libre, enlacé}} la somme algébrique des courants libres traversant une surface s'appuyant sur \mathcal{C}.

    Le matériau magnétique étant supposé linéaire, homogène et isotrope :

    \vec{B} = \mu_0 \mu_r \vec{H} \iff \vec{H} = \frac{\vec{B}}{\mu_0 \mu_r}

    Le champ d'induction magnétique \vec{B} restant borné et la perméabilité relative étant idéalisée (\mu_r \to \infty), on a \vec{H} \approx \vec{0} dans le noyau ferromagnétique. La circulation de \vec{H} le long du contour \mathcal{C} fermé suivant la ligne moyenne du tore (de longueur 2\pi a) est donc nulle :

    \oint_{\mathcal{C}} \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = 0 \implies I_{\text{libre, enlacé}} = 0

    Sur la figure 7, le circuit primaire est en convention récepteur (le courant i_1(t) entre par la borne repérée) tandis que le secondaire débite dans une charge en convention générateur (le courant i_2(t) sort par la borne repérée). Compte tenu du sens identique d'enroulement des spires au primaire et au secondaire, les ampère-tours s'opposent :

    I_{\text{libre, enlacé}} = N_1 i_1(t) - N_2 i_2(t) = 0

    On en déduit la loi de transformation des intensités :

    \boxed{i_2(t) = \frac{N_1}{N_2} \, i_1(t) = \frac{1}{m} \, i_1(t)}

    avec m = \dfrac{N_2}{N_1} le rapport de transformation introduit à la question Q25.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  4. Exercice 4Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q5

    L'énergie électrostatique emmagasinée dans le condensateur sous la tension u s'écrit :

    \mathcal{E}_{\text{el}} = \frac{1}{2} C(\theta_{\mathrm{r}}) u^2

    En appliquant la formule fournie pour le couple électrostatique à tension u fixée, on obtient :

    \Gamma = \left.\frac{\partial \mathcal{E}_{\mathrm{el}}}{\partial \theta_{\mathrm{r}}}\right|_{u} = \frac{1}{2} \frac{\mathrm{d}C}{\mathrm{d}\theta_{\mathrm{r}}} u^2
    \boxed{\Gamma = \frac{1}{2} \frac{\mathrm{d}C}{\mathrm{d}\theta_{\mathrm{r}}} u^2}

    Pour un fonctionnement en moteur dans le sens direct (\Omega = \dot{\theta}_{\mathrm{r}} > 0), la puissance mécanique moyenne développée par le couple doit être strictement positive :

    \langle \mathcal{P}_{\mathrm{m}} \rangle = \langle \Gamma \Omega \rangle = \langle \Gamma \rangle \Omega > 0

    Le couple moyen doit donc impérativement vérifier :

    \boxed{\langle \Gamma \rangle > 0}

    Si le système était alimenté par une tension constante u = U_{\text{cst}}, le couple moyen sur une période angulaire T_{\theta} = \pi de la capacité s'écrirait :

    \langle \Gamma \rangle = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \Gamma(\theta_{\mathrm{r}}) \, \mathrm{d}\theta_{\mathrm{r}} = \frac{U_{\text{cst}}^2}{2\pi} \int_{0}^{\pi} \frac{\mathrm{d}C}{\mathrm{d}\theta_{\mathrm{r}}} \, \mathrm{d}\theta_{\mathrm{r}} = \frac{U_{\text{cst}}^2}{2\pi} \Big[ C(\pi) - C(0) \Big]

    Or, d'après la question précédente, la fonction C(\theta_{\mathrm{r}}) est \pi-périodique, donc C(\pi) = C(0), ce qui donne :

    \langle \Gamma \rangle = 0

    On ne peut donc pas alimenter le système par une tension constante pour faire tourner le moteur de manière continue.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  5. Exercice 5Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q13

    Le stator et le rotor sont constitués de fer doux de perméabilité magnétique relative très élevée (\mu_{\mathrm{r}} \gg 1, typiquement 10^3 à 10^4).

    Dans le fer doux, l'excitation magnétique vaut \vec{H}_{\text{fer}} = \frac{\vec{B}}{\mu_0 \mu_{\mathrm{r}}} \approx \vec{0}, de sorte que le fer se comporte comme un quasi-équipotentiel pour le potentiel scalaire magnétique V_{\mathrm{m}} (défini par \vec{H} = -\vec{\nabla} V_{\mathrm{m}} hors des courants). La différence de potentiel magnétique \Delta V_{\mathrm{m}} entre le stator et le rotor est imposée par les ampères-tours des bobinages statoriques d'après le théorème d'Ampère :

    \oint \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = 2 N i

    Dans l'air (\mu = \mu_0), le champ magnétique s'écrit B = \mu_0 H \sim \mu_0 \frac{\Delta V_{\mathrm{m}}}{d_{\text{air}}}, où d_{\text{air}} est l'épaisseur d'air séparant le stator et le rotor le long d'une ligne de champ :

    • Au niveau des entrefers minces, la distance parcourue dans l'air est d_{\text{air}} = e, d'où un champ intense :

      B_{\mathrm{entrefer}} \sim \frac{\mu_0 \Delta V_{\mathrm{m}}}{e}
    • En dehors de ces entrefers, les surfaces en regard sont séparées par une distance de l'ordre de la taille du rotor, d_{\text{air}} \sim R :

      B_{\text{hors}} \sim \frac{\mu_0 \Delta V_{\mathrm{m}}}{R}

    Comme e \ll R, le rapport des champs magnétiques vérifie :

    \frac{B_{\text{hors}}}{B_{\mathrm{entrefer}}} \sim \frac{e}{R} \ll 1

    En termes de circuit magnétique (théorème d'Hopkinson), la réluctance d'un tube de flux dans l'air \mathcal{R} = \frac{d_{\text{air}}}{\mu_0 S} est proportionnelle à la longueur traversée dans l'air : elle est donc considérablement plus grande pour tout chemin passant hors de l'entrefer que pour le chemin direct à travers l'entrefer mince.

    \boxed{\text{Le flux magnétique se canalise dans les entrefers et le champ dans l'air est négligeable ailleurs.}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  6. Exercice 6Mines-Ponts Physique 2 PSI 2026, Q14

    Considérons une ligne de champ moyenne fermée \mathcal{C}, orientée dans le sens du champ magnétique, qui traverse successivement :

    • le pôle saillant supérieur du stator ;
    • l'entrefer supérieur d'épaisseur e ;
    • le rotor ;
    • l'entrefer inférieur d'épaisseur e ;
    • le pôle saillant inférieur du stator, puis la culasse statorique pour se refermer.

    Appliquons le théorème d'Ampère au champ d'excitation magnétique \vec{H} le long de ce contour \mathcal{C} :

    \oint_{\mathcal{C}} \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = I_{\text{enlacé}}

    1. Circulation dans le fer doux :
    Dans le rotor et le stator en fer doux, \vec{B} = \mu \vec{H}. Le champ magnétique \vec{B} y restant d'intensité finie, l'hypothèse d'une perméabilité magnétique infinie (\mu \to \infty) entraîne :

    \vec{H}_{\text{fer}} = \vec{0} \implies \int_{\text{fer}} \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = 0

    2. Circulation dans les entrefers :
    Dans l'air assimilé au vide, \vec{B}_{\mathrm{a}} = \mu_0 \vec{H}_{\mathrm{a}}, soit \vec{H}_{\mathrm{a}} = \dfrac{\vec{B}_{\mathrm{a}}}{\mu_0}.
    Les entrefers étant très minces (e \ll R), le champ y est quasi uniforme, radial et dirigé colinéairement à la normale aux parois. Par symétrie du dispositif, le champ a la même intensité B_{\mathrm{a}} dans chacun des deux entrefers. La circulation de \vec{H} sur les deux entrefers de même épaisseur e vaut donc :

    \int_{\text{entrefers}} \vec{H} \cdot \mathrm{d}\vec{\ell} = 2 H_{\mathrm{a}} e = 2 \frac{B_{\mathrm{a}}}{\mu_0} e

    3. Courant enlacé :
    Le contour \mathcal{C} enlace les deux enroulements statoriques connectés en série. D'après le sens des spires indiqué sur la figure 4, les forces magnétomotrices des deux bobines de N spires s'additionnent le long de la ligne de champ. Le courant total algébrique enlacé est donc :

    I_{\text{enlacé}} = N i + N i = 2 N i

    En égalant circulation et courant enlacé :

    2 \frac{B_{\mathrm{a}}}{\mu_0} e = 2 N i

    On en déduit l'intensité du champ magnétique en tout point de l'entrefer :

    \boxed{B_{\mathrm{a}} = \frac{\mu_0 N i}{e}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  7. Exercice 7X-ENS Modelisation PSI 2026, Q45

    1. Relation entre le flux et la force contre-électromotrice :

    D'après la loi de Faraday (loi de l'induction électromagnétique), la force électromotrice induite dans la phase à courant nul est reliée au flux total \phi_t(t) par :

    \boxed{e(t) = -\frac{\mathrm{d}\phi_t(t)}{\mathrm{d}t}}

    Remarque : selon la convention d'orientation choisie pour la normale à la phase par rapport au sens de parcours de la maille, certains auteurs écrivent e(t) = \frac{\mathrm{d}\phi_t}{\mathrm{d}t} en convention récepteur.

    2. Loi des mailles :

    Sur le schéma de la Figure 29 :

    • la tension d'alimentation v(t) est fléchée vers le haut ;
    • le courant i(t) circule de gauche à droite dans l'inductance L_s, ce qui donne en convention récepteur une tension u_L(t) = L_s \frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t} orientée de droite à gauche ;
    • la force contre-électromotrice e(t) est fléchée vers le haut.

    En parcourant la maille dans le sens horaire :

    v(t) - L_s \frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t} - e(t) = 0

    soit la relation temporelle :

    \boxed{v(t) = e(t) + L_s \frac{\mathrm{d}i(t)}{\mathrm{d}t}}

    3. Écriture sous forme complexe :

    En régime sinusoïdal permanent de pulsation \omega, l'opération de dérivation temporelle correspond à la multiplication par \mathrm{j}\omega. En adoptant la notation imposée x(t) \rightarrow \underline{X}(\omega), la loi des mailles devient :

    \boxed{\underline{V}(\omega) = \underline{E}(\omega) + \mathrm{j} L_s \omega \underline{I}(\omega)}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  8. Exercice 8CCINP Physique-Chimie PSI 2025, Q35

    D'après le schéma du pont en H (figure 7), la tension aux bornes de la charge est orientée de sorte que :

    u_{\text{ch}}(t) = V_{\text{gauche}} - V_{\text{droite}}

    Les interrupteurs d'un même bras fonctionnent de façon complémentaire sur une période T :

    • Bras gauche : \text{K}_1 est fermé sur \left[\frac{T}{12},\,\frac{7T}{12}\right] (alors V_{\text{gauche}} = U), et \text{K}_3 est fermé sur \left[\frac{7T}{12},\,\frac{13T}{12}\right] (alors V_{\text{gauche}} = 0).
    • Bras droit : \text{K}_4 est fermé sur \left[-\frac{T}{12},\,\frac{5T}{12}\right] (alors V_{\text{droite}} = 0), et \text{K}_2 est fermé sur \left[\frac{5T}{12},\,\frac{11T}{12}\right] (alors V_{\text{droite}} = U).

    Déterminons l'état du pont et l'expression de u_{\text{ch}}(t) sur les différents intervalles composant la période [0,\, T] :

    • Pour t \in \left[0,\, \frac{T}{12}\right] : \text{K}_3 et \text{K}_4 sont fermés \implies V_{\text{gauche}} = 0 et V_{\text{droite}} = 0 \implies u_{\text{ch}}(t) = 0 ;
    • Pour t \in \left[\frac{T}{12},\, \frac{5T}{12}\right] : \text{K}_1 et \text{K}_4 sont fermés \implies V_{\text{gauche}} = U et V_{\text{droite}} = 0 \implies u_{\text{ch}}(t) = +U ;
    • Pour t \in \left[\frac{5T}{12},\, \frac{7T}{12}\right] : \text{K}_1 et \text{K}_2 sont fermés \implies V_{\text{gauche}} = U et V_{\text{droite}} = U \implies u_{\text{ch}}(t) = 0 ;
    • Pour t \in \left[\frac{7T}{12},\, \frac{11T}{12}\right] : \text{K}_3 et \text{K}_2 sont fermés \implies V_{\text{gauche}} = 0 et V_{\text{droite}} = U \implies u_{\text{ch}}(t) = -U ;
    • Pour t \in \left[\frac{11T}{12},\, T\right] : \text{K}_3 et \text{K}_4 sont fermés \implies V_{\text{gauche}} = 0 et V_{\text{droite}} = 0 \implies u_{\text{ch}}(t) = 0.

    Valeur moyenne : Le signal présente une symétrie de glissement (symétrie de demi-onde) : pour tout t,

    u_{\text{ch}}\!\left(t + \frac{T}{2}\right) = -u_{\text{ch}}(t)

    L'aire sous la courbe sur une demi-période compense exactement celle sur l'autre demi-période. Par conséquent :

    \boxed{U_{\text{moy}} = 0}

    Valeur efficace : Par définition de la valeur efficace :

    \begin{aligned} U_{\text{eff}}^2 &= \frac{1}{T} \int_0^T u_{\text{ch}}^2(t)\,\mathrm{d}t \\ &= \frac{1}{T} \left[ \int_{T/12}^{5T/12} U^2\,\mathrm{d}t + \int_{7T/12}^{11T/12} (-U)^2\,\mathrm{d}t \right] \\ &= \frac{U^2}{T} \left( \frac{4T}{12} + \frac{4T}{12} \right) = \frac{U^2}{T} \times \frac{8T}{12} = \frac{2}{3}\,U^2 \end{aligned}

    On en déduit :

    \boxed{U_{\text{eff}} = \sqrt{\frac{2}{3}}\,U}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  9. Exercice 9CentraleSupélec Physique-Chimie 1 PSI 2025, Q28

    D'après le schéma de la figure 8, la phase de l'alternateur est représentée en convention générateur :

    • la force électromotrice à vide est modélisée par la source idéale de f.é.m. complexe \underline{E} ;
    • l'enroulement statorique présente une impédance interne constituée de sa résistance R en série avec son inductance synchrone L, soit une impédance complexe totale :

      \underline{Z} = R + \mathrm{j}L\omega = R + \mathrm{j}X
    • le courant de phase \underline{I} sort par la borne positive de la phase vers la charge extérieure (convention générateur) ;
    • la tension disponible aux bornes de la phase est notée \underline{U}.

    La loi des mailles (ou relation tension-courant d'un dipôle actif en convention générateur) s'écrit alors :

    \underline{U} = \underline{E} - (R + \mathrm{j}X)\underline{I}

    ou, de manière équivalente :

    \boxed{\underline{E} = \underline{U} + (R + \mathrm{j}X)\underline{I}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  10. Exercice 10CentraleSupélec Physique-Chimie 1 PSI 2025, Q30

    D'après la question Q28, l'équation électrique d'une phase de l'alternateur s'écrit :

    \underline{E} = \underline{U} + R\,\underline{I} + \mathrm{j}X\,\underline{I}

    En prenant la tension \underline{U} comme origine des phases (\underline{U} = U) et en tenant compte du retard de phase du courant (\underline{I} = I\,\mathrm{e}^{-\mathrm{j}\varphi} avec \varphi > 0) :

    En développant l'expression complexe :

    \begin{aligned} \underline{E} &= U + (R + \mathrm{j}X)I(\cos\varphi - \mathrm{j}\sin\varphi) \\ &= \bigl(U + RI\cos\varphi + XI\sin\varphi\bigr) + \mathrm{j}\bigl(XI\cos\varphi - RI\sin\varphi\bigr) \end{aligned}

    Le module de la force électromotrice s'exprime donc par :

    \boxed{E = \sqrt{\bigl(U + RI\cos\varphi + XI\sin\varphi\bigr)^2 + \bigl(XI\cos\varphi - RI\sin\varphi\bigr)^2}}

    Au fonctionnement nominal :

    • U = U_n = 12{,}7\text{ kV} (d'après Q26),
    • I = I_n = 11{,}1\text{ kA},
    • \cos\varphi = 0{,}85 \implies \sin\varphi = \sqrt{1 - 0{,}85^2} \approx 0{,}527,
    • R = 0{,}9\ \Omega et X \approx 2{,}1\ \Omega (ou X = 2{,}3\ \Omega selon l'arrondi de Q29).

    Calcul des composantes avec X = 2{,}1\ \Omega :

    \begin{aligned} E_x &= 12{,}7\cdot 10^3 + 0{,}9 \times 11{,}1\cdot 10^3 \times 0{,}85 + 2{,}11 \times 11{,}1\cdot 10^3 \times 0{,}527 \approx 33{,}5\text{ kV} \\ E_y &= 2{,}11 \times 11{,}1\cdot 10^3 \times 0{,}85 - 0{,}9 \times 11{,}1\cdot 10^3 \times 0{,}527 \approx 14{,}6\text{ kV} \end{aligned}

    On obtient :

    \boxed{E \approx 36{,}6\text{ kV}}

    (En prenant X = 2{,}3\ \Omega, on trouve de même E \approx 38{,}3\text{ kV} ; et en négligeant R, E \approx 34{,}0\text{ kV}.)

    D'après la loi linéaire établie en Q29 (E = k\,I_e avec k = 25{,}6\ \Omega) :

    I_e = \frac{E}{k} = \frac{36{,}6\cdot 10^3}{25{,}6} \approx 1{,}43\cdot 10^3\text{ A}
    \boxed{I_e \approx 1{,}4\text{ kA}}

    Interprétation de la chute de tension en charge : En charge inductive (\varphi > 0), la circulation du courant statorique induit une chute de tension interne due à la résistance R et surtout à la réactance synchrone X (qui modélise la réaction magnétique d'induit démagnétisante). Pour maintenir la tension aux bornes de la machine à sa valeur nominale U_n = 12{,}7\text{ kV}, il est impératif de sur-exciter l'alternateur afin d'augmenter la f.é.m. (E \approx 37\text{ kV} \gg U_n), ce qui nécessite un courant d'excitation bien supérieur à sa valeur à vide (I_e \approx 2{,}9\,I_{en}).

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

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