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Chapitre 2 – Évaluer la puissance consommée par un appareil électrique

Première Bac Pro ERA-MA (Grpt 3) | Physique – Électricité | Puissance en régime sinusoïdal

Dernière mise à jour : 21 octobre 2026

Objectifs du chapitre

Situation professionnelle — Dimensionnement électrique d'un atelier d'agencement

Un technicien d'agencement remarque que le disjoncteur général de l'atelier se déclenche fréquemment alors que la somme des puissances actives des machines semble acceptable. En courant alternatif, les moteurs créent un déphasage entre tension et courant : la puissance active est inférieure au produit \(U \times I\), mais le courant qui circule dans les câbles reste élevé. Comprendre le facteur de puissance aide à interpréter ces grandeurs ; le dimensionnement de l'installation obéit ensuite aux règles électriques applicables.

1. Situation professionnelle – L'atelier d'agencement

Contexte professionnel
Dans un atelier d'agencement, on utilise de nombreux moteurs électriques : aspiration centralisée, toupie, dégauchisseuse, compresseur. Ces machines sont alimentées en courant alternatif (secteur 230 V). Contrairement à une simple résistance (radiateur, ampoule), un moteur crée un déphasage entre la tension et le courant. Ce déphasage a des conséquences importantes sur la consommation réelle d'énergie et sur le dimensionnement de l'installation électrique.

Au chapitre 1, nous avons utilisé la formule \(P = U \times I\) en courant continu. En courant alternatif, cette formule ne suffit plus pour certains appareils. Il faut introduire une nouvelle grandeur : le facteur de puissance.

2. Mesurer une tension et une intensité en alternatif (C1)

Définition – Valeurs efficaces
Sur le réseau, la tension et l'intensité varient à chaque instant. Les appareils de mesure — voltmètre, ampèremètre, pince — affichent leurs valeurs efficaces, notées \(U\) et \(I\) : ce sont elles que l'on emploie dans les calculs. Le « 230 V » du réseau domestique est une valeur efficace.
Méthode – Trois façons de mesurer l'intensité
  1. L'ampèremètre se branche en série : il faut ouvrir le circuit. Le voltmètre, lui, se branche en dérivation, aux bornes de l'appareil.
  2. La pince ampèremétrique se referme autour d'un seul conducteur, sans rien débrancher.
  3. Un système d'acquisition (ExAO) enregistre \(u(t)\) et \(i(t)\) au cours du temps : c'est ce que demande le programme pour ce chapitre.
Erreur fréquente – La pince se place sur un conducteur
Refermée autour du câble complet, la pince entoure la phase et le neutre : les deux courants se compensent et l'affichage indique zéro. Il faut isoler un seul conducteur.
Application — Choisir l'instrument

Un technicien doit mesurer le courant absorbé par la toupie de l'atelier, sans arrêter la production. Quel instrument choisit-il ? Autour de quoi le place-t-il ?

Pour aller plus loin — hors programme

Ni le programme ni le cours ne demandent l'expression de \(u(t)\) ni le lien entre valeur maximale et valeur efficace. Pour une tension sinusoïdale, \(u(t) = U_{\max} \sin(2\pi f t)\) et \(U = \dfrac{U_{\max}}{\sqrt{2}}\) : le secteur à 230 V atteint environ 325 V aux sommets de la sinusoïde.

3. Visualiser \(u(t)\), \(i(t)\) et leur produit à l'ExAO (C2)

Définition – Puissance instantanée
La puissance instantanée \(p(t)\) est le produit de la tension et du courant à chaque instant : \[ p(t) = u(t) \times i(t) \] Cette grandeur varie au cours du temps. Elle peut même devenir négative (l'appareil renvoie de l'énergie au réseau pendant une partie du cycle).
Propriété – Observation expérimentale (ExAO)
En utilisant un système d'acquisition de données (ExAO), on peut visualiser simultanément \(u(t)\), \(i(t)\) et leur produit \(p(t)\) :

Visualisation : résistance vs moteur

Chaque graphique porte deux échelles verticales, qui partagent le même zéro (la ligne horizontale grise) : \(u(t)\) en volts et \(i(t)\) en ampères (multipliée par 30 pour être visible) se lisent sur l'axe de gauche, \(p(t)\) en watts sur celui de droite. On peut donc comparer directement les signes. Sur la figure Résistance, \(p(t)\) reste au-dessus de cette ligne ; sur la figure Moteur, elle passe dessous chaque fois que \(u(t)\) et \(i(t)\) sont de signes contraires.

Application — Calculer \(p(t) = u(t) \times i(t)\)

On retrouve par le calcul ce que montrent les deux graphiques ci-dessus. Un système d'acquisition relève la tension et l'intensité à trois instants d'une même période, pour un radiateur d'atelier puis pour le moteur de la toupie (les deux sont branchés sur le même secteur, d'où la même tension \(u\)).

Instant\(u\) (V)\(i\) du radiateur (A)\(i\) du moteur (A)
\(t_1\)842,6−5,0
\(t_2\)32510,07,1
\(t_3\)−325−10,0−7,1

Calculer la puissance instantanée \(p = u \times i\) aux trois instants, pour chaque appareil. Que se passe-t-il à l'instant \(t_1\) pour le moteur ?

4. Mesurer le déphasage entre tension et courant (C2)

Définition – Déphasage \(\varphi\)
Le déphasage \(\varphi\) (phi) est le décalage entre la tension \(u(t)\) et le courant \(i(t)\), exprimé en angle, en degrés.
Propriété – Mesure du déphasage
Sur un oscilloscope ou avec un système ExAO, on mesure le décalage temporel \(\Delta t\) entre les deux signaux, puis : \[ \varphi = 360 \times \frac{\Delta t}{T} \quad \text{(en degrés)} \] où \(T\) est la période du signal (\(T = 1/f = 0{,}02\) s \(= 20\) ms pour 50 Hz). \(\Delta t\) et \(T\) doivent être dans la même unité.

Déphasage entre tension et courant

Fais varier le déphasage φ : le courant i(t) (orange) se décale par rapport à la tension u(t) (bleu). Le facteur de puissance vaut cos φ.


Exemple 1 – Mesure du déphasage d'un moteur d'aspiration

Situation : Sur l'oscilloscope, on mesure un décalage \(\Delta t = 2{,}5\) ms entre \(u(t)\) et \(i(t)\) pour le moteur d'une aspiration centralisée. La période est \(T = 20\) ms.

\[ \varphi = \frac{2{,}5}{20} \times 360° = 45° \]

Le courant est en retard de 45° sur la tension.

5. Le facteur de puissance : \(\cos \varphi\) (C4)

Définition – Facteur de puissance
Le facteur de puissance est le cosinus de l'angle de déphasage : \[ \text{Facteur de puissance} = \cos \varphi \]
Application

Sur l'oscilloscope d'un atelier de menuiserie, on mesure un décalage \(\Delta t = 4\) ms entre la tension et le courant du moteur de l'aspiration centralisée (\(f = 50\) Hz). Calculer le déphasage \(\varphi\) en degrés.

Propriété – Ordres de grandeur indicatifs de cos φ
Type d'appareilExemple en atelier\(\cos \varphi\)
Résistance pureRadiateur, lampe à incandescence1,00
Moteur en chargeToupie, dégauchisseuse0,80 – 0,90
Moteur à videMachine en rotation libre0,30 – 0,50
Éclairage avec électroniqueFluorescent ou LED selon appareilValeur indiquée par le fabricant

Ces valeurs dépendent fortement de l'appareil et de sa charge. Pour un courant déformé par une électronique, le facteur de puissance complet ne se réduit pas toujours au seul \(\cos\varphi\) de déphasage ; ce chapitre étudie le régime sinusoïdal.

Application — Du déphasage au facteur de puissance

Le moteur d'une toupie présente un déphasage \(\varphi = 25°\) entre la tension et le courant. Donner son facteur de puissance.

Attention – Facteur de puissance faible
À puissance active donnée, un facteur de puissance faible impose un courant efficace plus élevé. Conséquences : Le calcul de ce courant appelé est détaillé au § 6 (C5).

6. La puissance active : \(P = U \cdot I \cdot \cos \varphi\) (C3, C6 et C5)

Définition – Puissance active
Pour un récepteur, la puissance active P est la puissance électrique moyenne reçue. C'est la moyenne du produit \(u(t) \times i(t)\) sur une période complète : \[ P = U \cdot I \cdot \cos \varphi \]
\[ \boxed{P = U \cdot I \cdot \cos \varphi} \] C'est la relation du chapitre, à connaître. C'est aussi la puissance qu'affiche un wattmètre ; l'énergie facturée en kWh se calcule à partir d'elle (chapitre 1).

Mesurer une puissance active (C6)

Méthode – Deux façons de mesurer \(P\)
  1. Le wattmètre affiche directement la puissance active, en watts. Certains modèles affichent aussi \(U\), \(I\) et \(\cos \varphi\).
  2. Un système d'acquisition enregistre \(u(t)\) et \(i(t)\), calcule leur produit \(p(t)\) à chaque instant, puis en prend la moyenne : c'est la puissance active. On ne retient pas le maximum de \(p(t)\).
Application — Même courant, pas la même puissance active

Un radiateur électrique d'atelier et le moteur de la toupie sont tous deux branchés sous 230 V et consomment chacun 10 A en valeur efficace (à ne pas confondre avec les valeurs instantanées relevées au § 3). Le moteur a un \(\cos \varphi = 0{,}80\). Quel appareil consomme le plus de puissance active ?

Pour aller plus loin — hors programme du groupement 3

Le produit \(U \times I\) porte un nom : la puissance apparente \(S = U \times I\), en voltampères (VA). On a alors \(P = S \times \cos \varphi\). Le programme du groupement 3 s'arrête à la puissance active et au facteur de puissance : cette notion n'est pas exigible. Elle explique d'où viennent les VA des plaques et des abonnements.

Application — Lire une plaque signalétique

Un menuisier agenceur consulte la plaque signalétique d'un compresseur d'atelier : 230 V, 12 A, \(\cos \varphi = 0{,}78\). Calculer la puissance active P, puis la comparer au produit \(U \times I\).

Courant appelé (C5)

Propriété – Le courant appelé
En isolant \(I\) dans \(P = U \times I \times \cos \varphi\) : \[ I = \frac{P}{U \times \cos \varphi} \] À puissance active égale, plus le facteur de puissance est faible, plus le courant appelé est grand.
Application — Intensité réelle dans les câbles

Le moteur d'une aspiration centralisée a une puissance active \(P = 1\,500\) W sous \(U = 230\) V, avec \(\cos \varphi = 0{,}80\). Calculer l'intensité \(I\) qui circule réellement dans les câbles.

Pour aller plus loin — hors programme du groupement 3 : la puissance souscrite

Un abonnement professionnel fixe une puissance souscrite, exprimée en kilovoltampères (kVA). Elle limite le produit \(U \times I\) que l'installation peut appeler à chaque instant, et non la puissance active seule. Une puissance moyenne calculée sur un mois peut être très inférieure à la puissance souscrite alors que l'atelier la dépasse quand même : il suffit que plusieurs machines démarrent en même temps.

7. Exemples numériques

Exemple 2 – Moteur d'aspiration centralisée

Situation : Le moteur d'une aspiration centralisée dans un atelier de menuiserie consomme un courant I = 8,5 A sous U = 230 V, avec un facteur de puissance \(\cos \varphi = 0{,}82\).

Puissance active :

\[ P = U \times I \times \cos \varphi = 230 \times 8{,}5 \times 0{,}82 = 1\,603 \text{ W} \approx 1{,}6 \text{ kW} \]

Conclusion : sans le facteur de puissance, on aurait annoncé \(230 \times 8{,}5 = 1\,955\) W, soit environ 350 W de trop. Pour un moteur, oublier le \(\cos \varphi\) est une erreur de modèle.

Exemple 3 – Comparaison résistance / moteur

Deux appareils sont branchés sous 230 V et consomment chacun I = 10 A en valeur efficace :

Appareil\(\cos \varphi\)Produit \(U \times I\)P — puissance active (W)
Radiateur (résistance)1,002 3002 300
Moteur de toupie0,852 3001 955

Le moteur reçoit le même courant mais une puissance active plus faible. Sa puissance mécanique dépend en plus de son rendement, grandeur différente du facteur de puissance. Les conducteurs et les protections voient pourtant les mêmes 10 A dans les deux cas.

Exemple 4 – Retrouver le facteur de puissance

Situation : Un compresseur d'atelier est branché sous 230 V. Un wattmètre mesure P = 1 800 W et un ampèremètre mesure I = 10,5 A.

\[ \cos \varphi = \frac{P}{U \times I} = \frac{1\,800}{230 \times 10{,}5} = \frac{1\,800}{2\,415} = 0{,}745 \]

\(\cos \varphi = 0{,}75\) environ. Ce facteur de puissance est un peu bas pour un moteur en charge : le compresseur est peut-être peu chargé.

8. Application – Bilan de puissance d'un atelier

Voici le bilan de puissance d'un atelier d'agencement intérieur :

Machine U (V) I (A) \(\cos \varphi\) P active (W)
Toupie230180,853 519
Aspiration centralisée230120,802 208
Compresseur230100,781 794
Éclairage LED2302,50,95546
Radiateur d'appoint2308,71,002 001
Total (tout en marche) — — — 10 068

Les watts s'additionnent : si toutes les machines tournent en même temps, l'atelier consomme \(3\,519 + 2\,208 + 1\,794 + 546 + 2\,001 = 10\,068\) W, soit environ 10,1 kW de puissance active.

Application — L'atelier tient-il sur un disjoncteur général de 63 A ?

Toutes les machines du tableau ci-dessus fonctionnent en même temps. Estimer l'intensité totale appelée par l'atelier, puis dire si le disjoncteur général de 63 A convient.

On remarque que les machines avec moteur (\(\cos \varphi < 1\)) consomment plus de courant que ce que leur puissance active laisserait supposer. Les câbles et les protections ne voient pas la puissance active : ils voient l'intensité réellement appelée, plus élevée quand \(\cos \varphi\) est faible. Le choix des sections et des calibres relève ensuite des règles d'installation applicables.

9. À retenir

La relation du chapitre, à connaître (le programme demande de la connaître) : Les formules qui en découlent, en transformant cette relation : À savoir expliquer :
Attention aux erreurs fréquentes

10. Mini exercices

Exercice 1 – Puissance active d'une dégauchisseuse
Une dégauchisseuse consomme I = 14 A sous U = 230 V avec \(\cos \varphi = 0{,}85\).
Calculer la puissance active P.
Voir la solution

\[ P = U \times I \times \cos \varphi = 230 \times 14 \times 0{,}85 = \mathbf{2\,737 \text{ W}} \approx 2{,}7 \text{ kW} \]

Exercice 2 – Facteur de puissance d'un compresseur
Un compresseur branché sous 230 V consomme 9,2 A. Un wattmètre indique P = 1 590 W.
Calculer le facteur de puissance.
Voir la solution

\[ \cos \varphi = \frac{P}{U \times I} = \frac{1\,590}{230 \times 9{,}2} = \frac{1\,590}{2\,116} = \mathbf{0{,}75} \]

Exercice 3 – Calcul du déphasage
Sur un oscilloscope, on observe que le courant est en retard de \(\Delta t = 3{,}3\) ms sur la tension. La fréquence est 50 Hz.
Calculer le déphasage \(\varphi\) en degrés et le facteur de puissance.
Voir la solution

\(T = 1/50 = 0{,}020\) s = 20 ms

\[ \varphi = \frac{3{,}3}{20} \times 360 = \mathbf{59{,}4°} \]

\[ \cos \varphi = \cos(59{,}4°) = \mathbf{0{,}51} \]

Ce facteur de puissance est très faible (moteur probablement à vide).

Exercice 4 – Intensité réelle d'un moteur
Un moteur de puissance active P = 2 000 W est branché sous 230 V. Son facteur de puissance est \(\cos \varphi = 0{,}80\).
a) Calculer l'intensité consommée.
b) Si \(\cos \varphi\) valait 1, quelle serait l'intensité ?
Voir la solution

a) \(I = \dfrac{P}{U \times \cos \varphi} = \dfrac{2\,000}{230 \times 0{,}80} = \dfrac{2\,000}{184} = \mathbf{10{,}9 \text{ A}}\)

b) \(I = \dfrac{P}{U} = \dfrac{2\,000}{230} = \mathbf{8{,}7 \text{ A}}\)

Avec \(\cos \varphi = 0{,}80\), le moteur consomme 2,2 A de plus qu'une résistance de même puissance.

11. Erreurs fréquentes

❌
Oublier le facteur cos φ pour les moteurs
Calculer \(P = U \times I\) sans multiplier par \(\cos \varphi\) surestime la puissance active d'un moteur. Pour une résistance pure seulement, \(\cos \varphi = 1\) et \(P = U \times I\).
Conseil : identifier d'abord si l'appareil est résistif (radiateur, ampoule) ou inductif (moteur, bobine) avant de choisir la formule.
❌
Calculer cos φ en radians
Une calculatrice réglée en radians donne \(\cos 40 \approx -0{,}67\) au lieu de \(\cos 40° \approx 0{,}77\). Un facteur de puissance négatif est impossible.
Conseil : passer la calculatrice en mode degrés avant tout calcul de \(\cos \varphi\).
❌
Trouver un cos φ supérieur à 1
Le facteur de puissance est compris entre 0 et 1. Si le calcul donne \(\cos \varphi > 1\), c'est qu'une erreur a été commise (unités, grandeurs inversées).
Conseil : vérifier que la puissance active \(P\) est inférieure ou égale au produit \(U \times I\).
❌
Confondre le déphasage (angle) et le décalage temporel (temps)
\(\Delta t\) est un temps en secondes ou millisecondes ; \(\varphi\) est un angle en degrés. Il faut convertir via \(\varphi = \Delta t / T \times 360°\).
Conseil : noter \(T = 1/f = 20\) ms pour 50 Hz et appliquer la formule avant toute utilisation de \(\varphi\).
❌
Négliger l'effet du facteur de puissance sur le câblage
Même si la puissance active est faible, l'intensité réellement appelée augmente quand \(\cos \varphi\) diminue. Un moteur à faible \(\cos \varphi\) impose un courant élevé pouvant déclencher les protections.
Conseil : dans le modèle monophasé sinusoïdal, calculer l'intensité avec \(I = P / (U \times \cos \varphi)\), puis appliquer les règles d'installation et les prescriptions du matériel ; la formule seule ne dimensionne ni un câble ni un disjoncteur.
Première Bac Pro ERA-MA – Groupement 3 | Physique-Chimie – Chapitre 2 | maths-sciences-pro.fr

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