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Convertisseurs d'énergie : exercices corrigés de Terminale SI

Publié le 7 novembre 2026 · Mis à jour le 7 novembre 2026 · Signaler une erreur

L'essentiel

Un convertisseur change la forme de l'énergie sans en créer : l'expression « production d'énergie » désigne en réalité une conversion ¹.
Le rendement compare la puissance utile à la puissance absorbée : $\eta = P_{sortie}/P_{entrée}$ , toujours inférieur à 1.
Dans une chaîne de conversion, les rendements se multiplient ; les pertes se calculent par différence entre entrée et sortie.
Une puissance en W multipliée par une durée en s donne une énergie en J ; avec des kW et des heures, on obtient des kWh.
Pour chaque exercice : schéma bloc, unités SI, formule, application numérique, contrôle de vraisemblance.

Comment utiliser ces exercices

Ces exercices portent sur les convertisseurs d'énergie : alternateur, turbine, moteur, transformateur, onduleur. Un convertisseur reçoit l'énergie sous une certaine forme et la restitue sous une autre forme, dans laquelle elle sera utile ; pendant cette transformation, la quantité totale d'énergie ne varie pas ³. En sciences de l'ingénieur, quand on parle de « production d'énergie », il faut comprendre « conversion » et non « création » ¹. L'alternateur en est un exemple typique : il transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique ².

Les exercices sont classés par difficulté croissante. Les premiers installent les réflexes (rendement, énergie, pertes), les suivants enchaînent plusieurs convertisseurs, les derniers demandent de construire toi-même le raisonnement à partir d'un énoncé en situation. Cherche d'abord seul, avec une feuille et un schéma ; ouvre un indice seulement si tu bloques plus de deux minutes ; compare enfin ta rédaction à la correction, étape par étape.

Rappels utiles avant de te lancer

Puissance et énergie. La puissance mesure la vitesse à laquelle l'énergie est transférée ou convertie. Si un convertisseur travaille à puissance constante $P$ pendant une durée $t$ , l'énergie convertie vaut $E = P \times t$ . Avec $P$ en watts et $t$ en secondes, $E$ est en joules. Avec $P$ en kilowatts et $t$ en heures, $E$ est en kilowattheures. Passer de l'un à l'autre se fait avec $1\ \text{kWh} = 3{,}6 \times 10^{6}\ \text{J}$ , puisque $1\ \text{kW} = 1000\ \text{W}$ et $1\ \text{h} = 3600\ \text{s}$ .

Rendement et pertes. Le rendement d'un convertisseur réel est strictement inférieur à 1. La différence entre la puissance absorbée et la puissance utile ne disparaît pas : elle se retrouve sous forme de chaleur (frottements, effet Joule, échauffement du fer). Dans un bilan, on écrit donc toujours trois termes : ce qui entre, ce qui sort d'utile, ce qui part en pertes.

Les exercices

Exercice 1 Rendement d'un alternateur

★☆☆Environ 5 min

Un alternateur reçoit sur son arbre une puissance mécanique de $50\ \text{kW}$ . Son rendement est $\eta = 0{,}92$ .

Quelle forme d'énergie entre, quelle forme sort ?
Calcule la puissance électrique fournie, en kW.

Indice 1

La puissance de sortie est le produit du rendement par la puissance d'entrée.

Indice 2

Le résultat doit être inférieur à $50\ \text{kW}$ .

Voir la correction pas à pas

L'alternateur convertit de l'énergie mécanique en énergie électrique ² : l'entrée est mécanique, la sortie est électrique.
On part de $\eta = P_{élec}/P_{méca}$ , donc $P_{élec} = \eta \times P_{méca}$ .
Application : $P_{élec} = 0{,}92 \times 50 = 46\ \text{kW}$ .
Vérification : $46 < 50$ , la valeur est vraisemblable.

L'alternateur fournit 46 kW d'électricité ; les 4 kW restants sont des pertes, principalement thermiques.

Exercice 2 Calculer un rendement à partir de mesures

★☆☆Environ 5 min

Un moteur électrique absorbe une puissance électrique de $2000\ \text{W}$ et fournit une puissance mécanique de $1700\ \text{W}$ sur son arbre.

Calcule son rendement $\eta$ (nombre décimal, sans unité).

Indice 1

Le rendement est le rapport de la puissance utile à la puissance absorbée.

Indice 2

Attention à l'ordre : on divise la sortie par l'entrée.

Voir la correction pas à pas

Identifier l'entrée : $P_{entrée} = 2000\ \text{W}$ (électrique).
Identifier la sortie utile : $P_{sortie} = 1700\ \text{W}$ (mécanique).
Appliquer $\eta = P_{sortie}/P_{entrée} = 1700/2000 = 0{,}85$ .
Vérifier : $0 < 0{,}85 < 1$ .

Le rendement vaut 0,85, soit 85 %. Les 300 W manquants sont dissipés, surtout sous forme de chaleur.

Exercice 3 De la puissance à l'énergie

★☆☆Environ 6 min

Un moteur de $3\ \text{kW}$ de puissance utile fonctionne sans interruption pendant $2\ \text{h}$ .

Calcule l'énergie fournie, en kWh.

Indice 1

Utilise $E = P \times t$ avec des unités cohérentes.

Indice 2

Avec une puissance en kW et une durée en heures, l'énergie sort directement en kWh.

Voir la correction pas à pas

Relation : $E = P \times t$ .
Les unités sont cohérentes (kW et h) : $E = 3 \times 2 = 6\ \text{kWh}$ .
Contrôle en joules : $3000\ \text{W} \times 7200\ \text{s} = 21{,}6\ \text{MJ}$ , et $1\ \text{kWh} = 3{,}6\ \text{MJ}$ , donc $21{,}6/3{,}6 = 6\ \text{kWh}$ .

L'énergie fournie est de 6 kWh. Le contrôle en joules confirme le résultat.

Exercice 4 Pertes d'un convertisseur

★★☆Environ 8 min

Un onduleur doit alimenter une installation qui consomme $4600\ \text{W}$ en sortie. Son rendement est $\eta = 0{,}8$ .

Calcule la puissance qu'il doit absorber en entrée.
En déduis la puissance perdue, en W.

Indice 1

Isole $P_{entrée}$ dans la définition du rendement.

Indice 2

Les pertes sont la différence entre l'entrée et la sortie.

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De $\eta = P_{sortie}/P_{entrée}$ on tire $P_{entrée} = P_{sortie}/\eta$ .
Application : $P_{entrée} = 4600/0{,}8 = 5750\ \text{W}$ .
Pertes : $P_{pertes} = P_{entrée} - P_{sortie} = 5750 - 4600 = 1150\ \text{W}$ .
Vérification : $\eta$ appliqué à l'entrée redonne $0{,}8 \times 5750 = 4600\ \text{W}$ .

L'onduleur absorbe 5750 W et dissipe 1150 W. Ces pertes imposent de prévoir un refroidissement adapté.

Exercice 5 Chaîne de conversion hydroélectrique

★★☆Environ 10 min

Une installation tire de l'électricité de l'énergie hydraulique d'un cours d'eau, comme la vis hydrodynamique étudiée en sciences de l'ingénieur ¹. La chaîne comprend une turbine ( $\eta_1 = 0{,}85$ ), un alternateur ( $\eta_2 = 0{,}95$ ) et un transformateur ( $\eta_3 = 0{,}98$ ). La puissance hydraulique reçue est de $200\ \text{kW}$ .

Dessine le schéma bloc de la chaîne.
Calcule la puissance électrique disponible en sortie, en kW.

Indice 1

Les rendements d'éléments placés en série se multiplient.

Indice 2

Tu peux aussi calculer la puissance après chaque bloc.

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Schéma bloc : énergie hydraulique, turbine, énergie mécanique, alternateur, énergie électrique, transformateur, énergie électrique adaptée.
Après la turbine : $200 \times 0{,}85 = 170\ \text{kW}$ .
Après l'alternateur : $170 \times 0{,}95 = 161{,}5\ \text{kW}$ .
Après le transformateur : $161{,}5 \times 0{,}98 = 158{,}27\ \text{kW}$ .
Contrôle par le rendement global : $0{,}85 \times 0{,}95 \times 0{,}98 \approx 0{,}791$ , et $0{,}791 \times 200 \approx 158{,}3\ \text{kW}$ .

La puissance électrique disponible est d'environ 158,3 kW, soit un rendement global proche de 79 %. Le maillon le plus faible, la turbine, pèse le plus dans les pertes.

Exercice 6 Charge d'une batterie

★★☆Environ 8 min

Un chargeur absorbe une puissance électrique constante de $60\ \text{W}$ pendant $5\ \text{h}$ . Sa conversion vers l'énergie chimique stockée dans la batterie a un rendement de $0{,}9$ .

Calcule l'énergie absorbée sur le réseau, en Wh.
Calcule l'énergie réellement stockée, en Wh.
Quelle énergie est dissipée sous forme de chaleur ?

Indice 1

Commence par l'énergie d'entrée avec $E = P \times t$ .

Indice 2

L'énergie stockée est le rendement multiplié par l'énergie d'entrée.

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Énergie absorbée : $E_{entrée} = 60 \times 5 = 300\ \text{Wh}$ .
Énergie stockée : $E_{stockée} = 0{,}9 \times 300 = 270\ \text{Wh}$ .
Énergie dissipée : $300 - 270 = 30\ \text{Wh}$ .
Vérification : $270 + 30 = 300$ , le bilan est équilibré.

Le chargeur absorbe 300 Wh, la batterie en stocke 270 Wh et 30 Wh partent en chaleur. Le bilan est équilibré : rien n'est détruit.

Exercice 7 Dimensionner une petite centrale au fil de l'eau

★★★Environ 12 min

Une micro-centrale utilise un débit $Q = 0{,}5\ \text{m}^3\cdot\text{s}^{-1}$ tombant d'une hauteur $H = 4\ \text{m}$ . La puissance hydraulique est donnée par $P_{hydro} = \rho\, g\, Q\, H$ , avec $\rho = 1000\ \text{kg}\cdot\text{m}^{-3}$ et $g = 9{,}81\ \text{m}\cdot\text{s}^{-2}$ . Le rendement global turbine plus alternateur est $\eta = 0{,}7$ .

Vérifie l'homogénéité de la formule.
Calcule la puissance électrique obtenue, en W.
Quelle énergie est fournie en une journée de fonctionnement continu, en kWh (arrondie à l'entier) ?

Indice 1

Écris l'unité de chaque grandeur : kg·m⁻³ × m·s⁻² × m³·s⁻¹ × m.

Indice 2

Calcule d'abord $P_{hydro}$ , puis applique le rendement.

Indice 3

Pour la journée : 24 h, et convertis les W en kW.

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Homogénéité : $\text{kg}\cdot\text{m}^{-3} \times \text{m}\cdot\text{s}^{-2} \times \text{m}^3\cdot\text{s}^{-1} \times \text{m} = \text{kg}\cdot\text{m}^2\cdot\text{s}^{-3} = \text{W}$ .
Puissance hydraulique : $P_{hydro} = 1000 \times 9{,}81 \times 0{,}5 \times 4 = 19620\ \text{W}$ .
Puissance électrique : $P_{élec} = 0{,}7 \times 19620 = 13734\ \text{W}$ .
Énergie journalière : $13{,}734\ \text{kW} \times 24\ \text{h} \approx 330\ \text{kWh}$ .
Vraisemblance : quelques kW à dizaines de kW pour une micro-centrale, ce qui est cohérent.

La micro-centrale fournit environ 13,7 kW, soit près de 330 kWh par jour. Cette électricité résulte d'une conversion de l'énergie hydraulique, pas d'une création ¹.

Exercice 8 Rendement d'un moteur de levage

★★★Environ 12 min

Un moteur de treuil soulève une charge de $m = 500\ \text{kg}$ à vitesse constante sur une hauteur $h = 12\ \text{m}$ en $t = 40\ \text{s}$ . On prend $g = 9{,}81\ \text{m}\cdot\text{s}^{-2}$ . Le moteur absorbe une puissance électrique de $2{,}5\ \text{kW}$ pendant la montée.

Calcule l'énergie mécanique gagnée par la charge, en J.
Calcule la puissance mécanique utile, en W.
Calcule le rendement global de l'ensemble moteur et treuil.

Indice 1

L'énergie gagnée par la charge vaut $m\, g\, h$ .

Indice 2

Puissance utile : énergie divisée par la durée.

Indice 3

Convertis les $2{,}5\ \text{kW}$ en W avant de diviser.

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Énergie gagnée : $E = m\, g\, h = 500 \times 9{,}81 \times 12 = 58860\ \text{J}$ .
Puissance utile : $P_{utile} = E/t = 58860/40 = 1471{,}5\ \text{W}$ .
Puissance absorbée : $P_{abs} = 2{,}5\ \text{kW} = 2500\ \text{W}$ .
Rendement : $\eta = 1471{,}5/2500 \approx 0{,}589$ .
Vraisemblance : $0 < 0{,}589 < 1$ ; les frottements du treuil et les pertes du moteur expliquent près de 41 % de pertes.

Le rendement global est d'environ 0,59. Les pertes, soit environ 1030 W, sont dissipées en chaleur dans le moteur et dans la mécanique du treuil.

Les questions qu'on se pose

Pourquoi le rendement est-il toujours inférieur à 1 ?

Dans un convertisseur réel, la quantité d'énergie est conservée, mais une partie est convertie en une forme non utile, le plus souvent de la chaleur ³. La puissance utile en sortie est donc plus petite que la puissance absorbée, et $\eta = P_{sortie}/P_{entrée} < 1$ . Un résultat supérieur à 1 dans un exercice signale une erreur : entrée et sortie inversées, ou unités mal converties.

Un convertisseur « produit-il » de l'énergie ?

Non. En sciences de l'ingénieur, l'expression « production d'énergie » se comprend comme une conversion d'énergie, pas comme une création ¹. Une centrale hydraulique convertit l'énergie de l'eau en énergie électrique. Dans un bilan, on écrit donc toujours ce qui entre, ce qui sort d'utile et ce qui part en pertes, et le total est conservé.

Sources

Fiche Lien - Énergétique (Conversions d'énergie), Académie de Toulouse. Consulté le 6 novembre 2026.
Ressources pour l'enseignement scientifique (Terminale), Académie de Paris. Consulté le 6 novembre 2026.
Convertisseur, Wikipédia. Consulté le 6 novembre 2026.

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Exercice 1 Rendement d'un alternateur

Exercice 2 Calculer un rendement à partir de mesures

Exercice 3 De la puissance à l'énergie

Exercice 4 Pertes d'un convertisseur

Exercice 5 Chaîne de conversion hydroélectrique

Exercice 6 Charge d'une batterie

Exercice 7 Dimensionner une petite centrale au fil de l'eau

Exercice 8 Rendement d'un moteur de levage

Les questions qu'on se pose

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