Ch01 – Transport électrique | Terminale ERA | ⏱ 1 h (séance TP)
Dernière mise à jour : 4 juin 2026
À ton avis, à quelle charge un transformateur atteint-il son rendement maximum ? À vide, à pleine charge, ou ailleurs ?
À charge intermédiaire (60-80 % de la charge nominale). Pourquoi ?
À vide : seulement pertes fer (rendement nul puisque sortie nulle).
À pleine charge : pertes fer + grosses pertes cuivre → rendement légèrement moindre que mi-charge.
Maximum à l'équilibre : P_fer = P_cuivre (théorème de Maxwell). Typique 70 % charge pour gros transfo industriel.
Brancher le primaire sur le variac. Augmenter doucement la tension de 0 à 230 V. Pour 5 valeurs de U₁, mesurer U₂ (secondaire à vide, voltmètre haute impédance).
| U₁ (V) | U₂ mesurée (V) | m = U₂/U₁ |
|---|---|---|
| 50 | 5,3 | 0,106 |
| 100 | 10,6 | 0,106 |
| 150 | 15,8 | 0,105 |
| 200 | 21,1 | 0,106 |
| 230 | 24,2 | 0,105 |
Le rapport m est-il constant ? Conforme à la théorie ?
m ≈ 0,106 constant à 1 % près sur toute la plage 50-230 V.
Cohérent avec la théorie : U₂/U₁ = N₂/N₁ = constant (rapport des spires fixé par construction).
Plaque transfo : 230/24 V → m théorique = 24/230 = 0,104. Notre mesure 0,106 = écart 2 %. Cohérent (tolérance fab + chute de tension interne à vide minimale).
Conclusion : le rapport est indépendant de la tension appliquée.
U₁ = 230 V constant. Brancher successivement les ampoules en charge sur le secondaire. Pour chaque charge, mesurer P₁ (primaire) et P₂ (sortie, U·I sur l'ampoule).
| Charge (W) | I₂ (A) | U₂ (V) | P₂ (W) | P₁ mesurée (W) | η = P₂/P₁ (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| vide | 0 | 24,2 | 0 | 3,0 (pertes fer) | 0 % |
| 5 | 0,21 | 24,1 | 5,1 | 8,5 | 60 % |
| 10 | 0,42 | 23,8 | 10,0 | 13,5 | 74 % |
| 20 | 0,84 | 23,5 | 19,7 | 23,8 | 83 % |
| 35 | 1,47 | 23,0 | 33,8 | 39,0 | 87 % |
| 50 | 2,10 | 22,5 | 47,3 | 54,8 | 86 % |
Tracer η = f(P₂). À quelle charge le rendement est-il maximum ?
η monte rapidement de 0 à 87 % puis redescend légèrement.
Maximum atteint vers 33-35 W (70 % de la charge nominale 50 W).
Au-delà (50 W = pleine charge) : η redescend légèrement à 86 % car les pertes cuivre R·I² deviennent dominantes.
Conforme à la théorie : maximum quand P_fer = P_cuivre.
Mesure des pertes fer (à vide, sans charge).
À vide : P₂ = 0 (pas de courant secondaire).
Mais le primaire absorbe quand même P₁ = 3,0 W (mesuré).
Cette puissance dissipe en :
P_fer = 3,0 W. Constants à toute charge (proportionnels à U² · f, mais U et f fixés).
Mesure des pertes cuivre à pleine charge (50 W). Soustraction.
Pertes totales à 50 W = P₁ - P₂ = 54,8 − 47,3 = 7,5 W.
Pertes fer constantes : 3,0 W.
Pertes cuivre : 7,5 − 3,0 = 4,5 W.
Vérification : R_bobinages mesurée à froid = R_primaire 1,5 Ω + R_secondaire 0,03 Ω.
P_cu = R₁·I₁² + R₂·I₂² = 1,5 × 0,24² + 0,03 × 2,1² = 0,086 + 0,132 = 0,22 W.
Beaucoup moins que mesurés (4,5 W). Pourquoi ? Les bobinages chauffent en service → R augmente +20-30 % à chaud. + pertes supplémentaires (Foucault dans bobinage à fil épais, harmoniques).
Ordre de grandeur cohérent : 1-10 W de pertes cuivre.
Pour un transformateur industriel 100 kVA, ratio P_fer / P_pleine_charge typique 1-2 %. Comparer avec notre transfo TP.
Notre transfo TP : P_fer = 3 W / S_nom = 50 VA = 6 %. Plus élevé que les industriels.
Pourquoi un transfo industriel est plus efficace ?
Rendement transfo industriel typique : 97-99 % (vs 86 % notre transfo TP). Sur 1 MW transité, 10-30 kW dissipés en pertes (10-30 W/kVA).
Chute de tension secondaire en charge.
À vide : U₂ = 24,2 V. À pleine charge (50 W) : U₂ = 22,5 V.
Chute : ΔU = 24,2 − 22,5 = 1,7 V = 7 % de chute.
Causes :
Note : un bon transfo industriel a typiquement 3-5 % de chute en pleine charge.
Si la charge est sensible à la tension (LED) : on installe un régulateur en aval (Vienna rectifier ou Buck).
Incertitudes principales du TP.
Incertitude finale sur η : ±2-3 %. Notre 86 % est donc dans 83-89 %. Cohérent avec attente.
Compte rendu TP.
Compte rendu TP — Transformateur 230/24 V 50 VA
• Rapport de transformation : m = 0,106 constant sur 50-230 V (théorie 0,104).
• Rendement max : 87 % à 35 W (70 % de la charge nominale).
• Pertes fer : 3 W (à vide). Pertes cuivre à pleine charge : 4,5 W.
• Chute de tension secondaire : 7 % entre vide et pleine charge.
• Cohérent avec la théorie (P_fer ≈ P_cu à charge optimale).
• Transfo industriel atteint 97-99 % grâce au noyau M4 et grosses sections cuivre.
Loi de Faraday : le champ magnétique alternatif dans le noyau induit des tensions perpendiculaires qui font circuler des courants de Foucault dans le métal.
Ces courants dissipent de l'énergie en chaleur, exactement comme un court-circuit.
Si le noyau est massif : courants de Foucault énormes, pertes 100 W/kg, échauffement énorme.
Solution : feuilleter le noyau en tôles fines (0,3-0,5 mm) isolées entre elles par un vernis. Les courants de Foucault ne peuvent traverser l'isolant, sont confinés à chaque feuille → divisés par 100-1 000.
Aujourd'hui : tôles à grains orientés (« GO ») fabriquées avec une orientation cristalline qui maximise la perméabilité dans la direction du flux. Perte ramenée à 1 W/kg.
Évolution future : noyaux en ferrite amorphe ou nanocristalline (pertes < 0,5 W/kg, mais 5× plus cher). Adoptés en SMPS haute fréquence et transformateurs verts.
Curiosité : un transformateur 100 MVA EDF a un noyau de 50 tonnes en plusieurs millions de tôles. La fabrication est ultra-mécanisée (assemblage robotisé).
📚 §7 (transformateur) + §10 (mini-exos) de la leçon Ch01.