agregation - ABCelectronique
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AGREGATION SESSION 2004 CONCOURS INTERNE Section : GENIE ELECTRIQUE Option B : ELECTROTECHNIQUE ET ELECTRONIQUE DE PUISSANCE ETUDE D’UN SYSTEME INDUSTRIEL Durée : 8 heures. Coefficient : 1 _____________________ Aucun document n’est autorisé. Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999) SUCRERIE DE BOIS ROUGE Composition du sujet Dossier de présentation, texte du sujet avec le travail demandé 12 pages Annexes 27 pages Documents réponse 11 pages Une lecture préalable et complète du sujet est indispensable. Les parties du problème sont suffisamment indépendantes pour être traitées séparément, à condition que le candidat ait une vue complète du sujet. Il est recommandé de consacrer environ 30% du temps de l’épreuve aux parties pédagogiques. Les candidats sont invités à numéroter chaque page de leur copie et à indiquer clairement le numéro de la question traitée. Il leur est rappelé qu’ils doivent utiliser les notations propres au sujet, présenter clairement les calculs et dégager ou encadrer tous les résultats. Il sera tenu compte de la qualité de rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le correcteur attend des phrases complètes respectant la syntaxe de la langue française. Pour la présentation des applications numériques, il est rappelé que lors du passage d’une forme littérale à son application numérique, il est recommandé aux candidats de procéder comme suit : Après avoir rappelé la relation littérale, chaque grandeur est remplacée par sa valeur numérique en respectant la position qu’elle avait dans la relation puis le résultat numérique est donné sans calculs intermédiaires et sans omettre son unité. Si le texte du sujet, de ses questions ou de ses annexes, vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, il vous est demandé de la (ou les) mentionner explicitement dans votre copie. 93 CONTEXTE INDUSTRIEL L’usine S.B.R. fait partie du groupe Union SDA sucreries et distilleries agricoles. Elle se situe au Nord Est de l’île de La Réunion et réceptionne les cannes à sucre provenant des exploitations situées entre Saint Paul et Sainte-Rose. Le reste de la production est traité par une autre usine dans le Sud à Saint Louis. La canne à sucre est l’une des principales activités agricoles de l’île. Le site industriel regroupe trois unités : la sucrerie (support technique du problème), une distillerie et une centrale thermique mixte bagasse-charbon qui absorbe l’intégralité de la bagasse issue du traitement de la canne par la sucrerie et l’alimente en vapeur. Cette centrale permet de couvrir 22% des besoins en énergie électrique de l’île. Le sucre est stocké et conditionné dans les installations d’Eurocanne dans la ville du Port avant d’être commercialisé localement et exporté vers les pays de l’Union Européenne. Parcours de la canne (annexe 1) : La canne livrée par les planteurs est échantillonnée (1) pour estimer la richesse en sucre du chargement qui détermine le prix d’achat. A partir des ponts roulants (2), la canne est acheminée par le conducteur de cannes jusqu’au shredder (3) où elle est défibrée. Le jus de canne est extrait dans le diffuseur (4) où la fibre est arrosée d’eau à 85°C. Par percolation l’eau s’enrichit de saccharose. En sortie de diffusion, la matière fibreuse, appelée mégasse est pressée dans deux moulins (6). La bagasse qui en sort est transférée vers la centrale thermique qui fournit la vapeur (8) utilisée pour l’évaporation du jus et la cristallisation. Les condensats de vapeur (17) sont renvoyés vers la centrale. La décantation (12) permet d’éliminer les boues (14) appelées écumes que les planteurs répandent pour enrichir les sols. La concentration du jus clarifié (15) augmente dans les corps d’évaporation (16). La masse cuite est obtenue par cuisson (19) du sirop où un ensemencement est réalisé. Un malaxage (20) favorise le grossissement des cristaux. Des centrifugeuses (21) séparent la liqueur mère de ses cristaux. Au troisième cycle de cuisson, malaxage, turbinage (26, 27, ...) on obtient la mélasse (31) qui est transférée à la distillerie pour la fabrication des rhums et alcools. Le sucre est séché (32), stocké (33) puis chargé (34) dans des camions étanches qui le transportent dans les silos de la ville du Port. Principales caractéristiques techniques de production : Production annuelle : Pro = 1 million de tonnes de cannes traitées dont sont extraits : 10 % de sucre, 30 % de bagasse, 3 % de boue, 3,5 % de mélasse. Energie nécessaire : 30 kWh par tonne de cannes. Fonctionnement : de juillet à décembre, 24 h sur 24. Arrêt 19 h par semaine pour maintenance normale. Sur une campagne complète, il faut compter en moyenne 2 h 30 min par semaine d’arrêt de l’usine pour pannes. d : densité de la canne à son arrivée : 125 kg/m3 (cannes enchevêtrées), 150 kg/m3 (cannes parallèles), 300 kg/m3 (cannes tranchées). 94 A : travail de la sucrerie en tonnes de cannes par heure (tc/h). 1. Que contient également la canne à sucre qui n’a pas été précisé ci-dessus ? 2. Quel nom donne-t-on au concept réalisé par ce site industriel : production d’électricité et de vapeur en échange d’énergie ? CONDUCTEUR DE CANNES (annexe 2) Il transporte les cannes de la cour au défibreur. Caractéristiques du conducteur de cannes : vc : vitesse en mètre par minute (m/min). l : largeur en mètre (2 m). h : hauteur de cannes dans le conducteur (hmax = 1,5 m). L : longueur totale en mètre (20 m). H : différence de hauteur entre le bas et le haut du conducteur (H = 8 m). Pe : puissance nécessaire pour élever la canne en kW. Pf : puissance nécessaire pour vaincre les frottements en kW. Pc : puissance installée pour le conducteur de cannes en kW. Pour atteindre l’objectif de production annuelle il faut définir le travail de la sucrerie. 3. Calculer le travail de la sucrerie A en considérant 26 semaines de campagne. 4. Exprimer littéralement le travail de la sucrerie A en fonction des caractéristiques du conducteur de cannes et de la densité de la canne sur le conducteur. 5. La hauteur moyenne de la canne dans le conducteur étant de 1,25 m calculer la vitesse maximale du conducteur si on veut être certain de respecter les objectifs de production quelque soit la densité de la canne. 6. Exprimer littéralement la puissance nécessaire pour élever la canne jusqu’à l’entrée du shredder. 7. Sachant que la puissance nécessaire pour vaincre les frottements est égale à celle nécessaire pour élever la canne jusqu’au shredder, calculer la puissance du moteur à installer pour entraîner le conducteur. SHREDDER (annexes 3 et 4) Principe de fonctionnement : les cannes sur le conducteur sont tassées par un drum avant l’entrée dans le shredder où elles sont frappées entre des marteaux mobiles et une enclume fixe. Ce procédé désintègre la canne en fibre. L’éclatement des cellules facilite l’extraction du jus à la diffusion puis aux moulins. Constitution : Une partie mobile comportant : - 1 arbre. - 2 plaques d’extrémité. - 40 plaques carrées pouvant supporter chacune 4 marteaux. - 8 axes pivots. La partie tournante est entraînée par un moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné : P = 2 500 kW, Jm/axe = 143 kg.m², n = 988 tr/min). M. Crawford, spécialiste des sucreries, a établi empiriquement une formule estimant la puissance du moteur capa3 ble d’entraîner le shredder pendant le broyage de la canne : Pth = 91× Mm × R × h × n × N × (ψ + 2δ ) × θ . Pth : puissance théorique en kW. Mm : masse d’un marteau en kg (32 kg). R : distance de l’axe au pivot des marteaux en m (0,5 m). h : distance du centre de gravité du marteau à son pivot en m (0,2 m). n : vitesse nominale du moteur d’entraînement en milliers de tours par minute. N : nombre de marteaux. ψ : angle balayé par les marteaux entre le premier contact avec les cannes et l’entrée à l’enclume en radian, correspondant à l’angle existant entre trois séries de marteaux pour ce shredder. δ : angle balayé par les marteaux en passant sur l’enclume en radian, égal au précédent. θ : angle dont le marteau est repoussé en arrière dans son passage sur l’enclume, estimé à 0,02 radian. 95 8. Déterminer la puissance théorique Pth du moteur pouvant entraîner le shredder avec tous ses marteaux. 9. Si la puissance théorique calculée ci-dessus est supérieure à celle du moteur, proposer une modification du shredder pour réaliser l’adaptation. CALCULS DE MOMENTS D’INERTIE ∫ 2 Le moment d’inertie de masse d’un corps par rapport à un axe est : J = r ⋅ dm en kg.m². D’autre part pour la figure ci-contre on peut écrire : σ = dm dm dm Ms dm Mv = = = et µ = = dS a × dy b × dx a × b dv a × b × e Avec σ : densité surfacique en kg/m², µ densité volumique en kg/m3, Ms masse surfacique et Mv masse volumique du corps en kg. 10. Calculer les moments d’inertie de la surface « ab » ci-contre par rapport à x et à y : Js/x et Js/y. 11. Calculer le moment d’inertie de la surface « ab » ci-contre par rapport à O : Js/O. D’après le Théorème de Huygens Steiner J G = J O + m ⋅ d 2 12. Calculer le moment d’inertie de la surface « a b » ci-contre par rapport à G : Js/G. 13. Calculer le moment d’inertie de masse du volume « a b e » ci-contre par rapport à G : Jv/G. DETERMINATION DES MOMENTS D’INERTIE DES PARTIES ENTRAINEES Pour les calculs ont utilisera les caractéristiques des pièces du shredder simplifiées ci-dessous, les dimensions sont exprimées en mm. La matière à une densité volumétrique µ = 7 800 kg/m3. y Pièces du shredder simplifiées dx de d O 15 0 dm z 0 dy e r a g 500 G 900 b O 20 0 550 g 4 marteaux par plaque carrée G 50 Marteau 900 x 52 Plaque carrée M ( a + b ) a et b côtés formant la surface per12 MR avec R rayon de la surface pendiculaire à l’axe. Le moment d’inertie axial de masse d’un cylindre est : J = 2 Le moment d’inertie axial de masse d’un parallélépipède est : J = 2 2 2 de base du cylindre en m. 14. Calculer le moment d’inertie par rapport à l’axe de rotation G d’une plaque carrée Jpca, d’une plaque circulaire Jpcy et d’un marteau Jma. On considère que les marteaux sont déjà en position finale, axes et centres de gravité alignés comme sur le dessin des pièces du shredder simplifiées. 15. Calculer le moment d’inertie total des masses en rotation autour de l’axe entraînées par le moteur, tous les marteaux en place. On considère qu’avec les pièces simplifiées, le moment de l’axe est compris dans les calculs des plaques. 96 EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE LUBRIFICATION SHREDDER (annexes 5, 6, 7 et 8) Actuellement l’unité de lubrification qui permet l’apport d’huile sur les paliers du SHREDDER est réalisée par un équipement à relais comportant un dossier technique succinct et des schémas qui n’ont pas toujours été tenus à jour. Durant la campagne, ce système crée un nombre important d’arrêts préjudiciables pour les objectifs de production de l’entreprise. Les responsables acceptent de confier la modernisation à une Section de Techniciens Supérieurs en Electrotechnique et de faire : Remplacer l’appareillage de commande par un automate programmable industriel. Substituer les voyants informants de la nature des défauts par une console de dialogue réalisant l’autodiagnostic en local. Réaliser le transfert des données du système vers la salle de contrôle sur les écrans de supervision par une interface de communication adaptée au réseau MODBUS de l’usine. Alimenter le circuit de commande en 24 V, il y a donc nécessité de changer les bobines d’électrovanne et l’ensemble des pré actionneurs. Remplacer tous les câbles reliant la partie opérative placée au sous-sol et l’armoire placée à l’étage dans une salle climatisée. Le client souhaite qu’on lui soumette des idées d’amélioration du fonctionnement. Exemple : assurer par l’automatisme la rotation du fonctionnement des groupes motopompes... La partie opérative sera contrôlée et éventuellement réparée par les techniciens de l’usine. Le système devra être opérationnel pour la campagne sucrière 2004. Cette réalisation sert de support pour l’épreuve professionnelle de synthèse. On suppose qu’elle a été validée par une commission des supports techniques. Vous êtes le professeur responsable du projet. Les questions suivantes portent principalement sur votre manière d’organiser cette tâche. Cela revient a : Identifier, en référence à ce thème d’étude, les compétences techniques à acquérir, présentes dans le référentiel et significatives du niveau de qualification professionnelle du diplôme préparé. Constituer une équipe de candidats ayant des objectifs précis à atteindre, en groupe ou individuellement. Répartir les tâches de façon équilibrée, en s’assurant que les masses horaires disponibles permettent raisonnablement de réaliser le travail demandé. Décomposer le thème en phases clairement identifiées, vous permettant, comme aux candidats de comprendre ce qu’ils font et ce qui leur reste à faire. Afficher, pour chaque phase un objectif principal clair et opérationnel, stimulant les étudiants vis-à-vis de leur gestion du temps dans le projet. Suivre et réguler le déroulement du projet de manière cohérente et rigoureuse. Evaluer régulièrement la mise en œuvre des tâches individuelles et collectives et éventuellement réorienter les activités. 16. Elaborer les documents d’organisation en complétant les documents réponses DR1 à DR3 : La fiche projet DR1, nombre d’étudiants concernés, présentation.... La fiche contrat DR2 en précisant, au niveau des lignes « Sous total », le temps en heures à accorder aux différentes phases. Placer des croix dans les colonnes "étudiants" en face des activités afin de faire ressortir les contrats collectifs et individuels. Noter le nombre de revues de projet et le temps à y consacrer. La fiche planification des tâches DR3 en définissant les zones de début et de fin des tâches. Vous préciserez les dates des revues de projet. 17. Spécifier d’autres documents qui vous semble nécessaires : documents administratifs, évaluation... 18. Exposer les principaux intérêts que présentent les revues de projet. 97 MOTEUR DU SHREDDER (ANNEXE 5) Caractéristiques : moteur asynchrone triphasé à rotor bobiné. Les couplages statorique et rotorique sont effectués en étoile à l’intérieur de la carcasse. Classe F Service S1 IP 55 Masse 10 400 kg Montage B3 Pn = 2 500 kW U = 5 500 V In = 315 A Cos ϕ = 0,87 f = 50 Hz Le fonctionnement est considéré en régime sinusoïdal équilibré 50 Hz, saturation magnétique négligée. Un essai à vide du moteur en régime stabilisé, shredder accouplé, pas de canne, a donné les résultats suivants : U = 5 490 V, I0 = 40 A, P0 = 18,5 kW (mesure de puissance sur une phase). Un essai en court-circuit, à tension réduite et rotor bloqué a donné les résultats suivants : Ucc = 1 550 V, Icc = 380 A, Pcc = 25,8 kW (mesure de puissance sur une phase). Des mesures de résistances en courant continu entre les bornes du stator et les bagues du rotor, effectuées à la température de 25,8°C, ont donné : −8 R stator = 0,113 Ω et R rotor = 0,025 Ω. Les conducteurs sont en cuivre de résistivité ρ = 1,72 × 10 Ωm à 20°C ; le coefficient de température du cuivre est α = 3,93 × 10 −3 C −1 . Moment d’inertie total moteur et shredder avec tous les marteaux : 4 680 kg.m². En fonctionnement, un système de refroidissement à circuit fermé maintient une température de 15°C à l’intérieur du moteur. A l’arrêt des éléments de chauffage réchauffent l’air dans la machine à une température supérieure à la température environnante, caractéristiques : Pr = 800 W, Ur = 230 V. Trois sondes thermométriques au platine contrôlent la température des enroulements, deux autres celle des roulements. 19. Quelle est l’utilité des éléments de chauffage mis en service à l’arrêt ? 20. Calculer les valeurs nominales du couple électromagnétique, du rendement, du glissement et le nombre de paires de pôles du moteur. 21. Calculer le couple accélérateur Ca nécessaire au démarrage du moteur. Lors d’un arrêt libre, l’ensemble de la machine met 20 minutes à s’arrêter. 22. Calculer la puissance due aux pertes mécaniques. 23. Calculer la puissance due aux pertes fer. 24. Calculer la résistance de chaque enroulement stator et rotor à la température de fonctionnement. Ci-contre le schéma équivalent du moteur pour une phase (schéma I'r Ιs 1). 25. Préciser ce que représente habituellement chaque élément de ce schéma. Ιµ ls ω rs v1 jXµ l'r ω r'r g Rµ Schéma 1 Ιs 26. Montrer que le schéma équivalent peut se simplifier suivant le schéma ci-contre. Calculer les éléments de ce dernier. 27. A partir des éléments du schéma 2, exprimer littéralement la valeur du couple électromagnétique. 98 I'r Ιµ v1 jX µ rs Schéma 2 jX r'r g r 'r V g 28. Pour C em = calculer la valeur de g qui rend le moment du couple électromagnétique r 'r 2 35 2 (rs + ) + X g maximal et la valeur du moment correspondant. Applications numériques : r’r = 0,125 Ω, rs = 0,054 Ω, X = 2,35 Ω. 2 1 29. Comment se comporte la caractéristique Cem = f (g) pour les glissements faibles et importants ? Tracer l’allure de la courbe pour g positif, indiquer les points caractéristiques. 30. Comment se modifie la courbe si r’r augmente ? EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE MOTEUR SHREDDER Elaboration d'un document pédagogique pour une classe de 1 TS électrotechnique, sur le comportement du moteur soumis à de brusques variations de tension. Ce document sera la synthèse d’un travail effectué lors d’une séance d’essai de système. Le couple résistant constant dû à la canne est de 25 360 Nm. La partie linéaire du couple moteur a pour expression C m = V2 g . Avec V tension simple nominale et r’r résistance du rotor ramenée au stator. 35 × r ' r Le système subit une brusque baisse de tension de 30% de la tension nominale qui dure suffisamment de temps pour que le nouveau régime permanent soit atteint. 31. Réaliser un document pédagogique sur une feuille A4 pour présenter ce phénomène dans lequel vous devrez, tracer et décrire, dans le plan C = f (g ) , la trajectoire du point de fonctionnement lors de la baisse et du rétablissement de la tension nominale en précisant les coordonnées des points caractéristiques.... Les calculs, en particulier le temps mis par l'ensemble moteur charge pour revenir à la vitesse correspondant à la tension nominale, devront apparaître sur cette feuille. 32. Proposer la réalisation d’un essai pour une classe de 1 TS électrotechnique mettant en évidence le phénomène. Vous devrez précisez le temps prévu, les pré requis nécessaires, le montage à réaliser, le matériel et les appareils de mesure à utiliser. DEMARREUR ELECTROLYTIQUE (annexes 9, 10 et 11) Le moteur à rotor bobiné démarre par l’intermédiaire d’un démarreur électrolytique. Dans une solution de carbonate de sodium, trois électrodes mobiles reliées entre elles s'emboîtent sans entrer en contact avec trois électrodes fixes, chacune reliée à une phase rotorique. Les électrodes sont constituées de cylindres concentriques en acier et placées dans des compartiments isolants. En fin de démarrage la résistance résiduelle est court-circuitée. Les 3 000 litres d’électrolyte sont constitués d’eau et de 18 kg de carbonate de sodium dissous : Na2CO3. Masses atomiques des constituants : Na : 23 g.mol-1 C : 12 g.mol-1 O : 16 g.mol-1 La solution comporte donc deux ions de sodium pour un de carbonate molaires sont les suivantes : Na 2+ CO32 − dont les conductions ioniques λNa = 5,01 mS.m².mol λCO32− = 13,86 mS.m².mol-1 + -1 33. Calculer la concentration CA en moles par m3 de la solution. La conductivité de la solution s’obtient par la relation : σ crochets la concentration des ions correspondants. 99 = λN a+ × [N a+ ] + λCO32− × [CO32− ], avec entre 34. Calculer la conductivité de la solution. 35. Retrouver en la démontrant, l’expression ci-dessous de la résistance radiale d’une couronne. R=ρ Flux de courant e r1 r2 1 r ln 2 2π × e r1 On négligera la résistance de tous les éléments du circuit présents entre le moteur et le rhéostat. A l’intérieur du démarreur, seule la résistance radiale est prise en compte, on néglige les conséquences de l’élévation de température. Au début du démarrage l’électrode mobile s'emboîte de 10 mm dans l’électrode fixe, en fin de démarrage de 300 mm. La conductivité de l’électrolyte est de σ = 1,35 S ⋅ m −1 . 36. Calculer les résistances du rhéostat de démarrage au début et en fin de démarrage pour une phase si les électrodes ont la forme et les caractéristiques données annexe 10. 37. Calculer l’intensité et le couple au démarrage du moteur avec le rhéostat de démarrage. 38. Justifier la présence de la couche d'huile en surface de l'électrolyte. 39. Lors de la première mise en service du démarreur si vous constatez que le couple de démarrage est insuffisant, comment comptez-vous agir pour régler ce problème sachant que la position de départ des électrodes ne peut être changée ? EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE DEMARREUR (annexes 12 et 13) Pour permettre d’installer tous les marteaux et de réduire l’ondulation de courant dû au défibrage de la canne par le shredder, l’usine installe un deuxième moteur identique au premier de l’autre côté du shredder. Pour assurer un démarrage simultané des deux moteurs le démarreur initial est remplacé par un démarreur EPM DUO dont le dossier technique de réalisation est donné en annexe 12. 40. Rédiger un exercice de type avant-projet pour une classe de 1 TS électrotechnique dans le cadre des cours de technologie et schéma, voire à utiliser dans d’autres matières. Vous préciserez le pré requis nécessaire, les capacités et savoirs visés, les contenus d’enseignements associés, les documents fournis, et la durée prévue. Cet exercice pourra comprendre : Les recherches des fonctions, des références de l’appareillage installé : choix des contacteurs..., des questions permettant la compréhension du fonctionnement du système : à quelles conditions les agitateurs se mettent-ils en marche ?..., chronogramme, GRAFCET... Chaque question posée devra être associée à son corrigé et la méthode (calcul, expérimentation…) permettant d’obtenir le résultat précisé. BOBINAGE DU MOTEUR DE SHREDDER Le circuit magnétique statorique comporte 72 encoches contenant chacune deux barres conductrices. Le circuit magnétique rotorique comporte 54 encoches contenant chacune une barre conductrice. Soit : p q ms Nes Ner mr 2as : : : : : : : : : : 2ar : τ τds τdr nombre de paires de pôles. nombre de phases au stator et au rotor. nombre d’encoches par pôle et par phase au stator. nombre d’encoches total au stator. nombre d’encoches total au rotor. nombre d’encoches par pôle et par phase au rotor. pas polaire en radian. pas dentaire au stator en radian. pas dentaire au rotor en radian. nombre de voies d’enroulement en parallèle par phase au stator = 2 (nombre de circuits entre lesquels se partage l’intensité d’une phase). nombre de voies d’enroulement en parallèle par phase au rotor = 1 41. Pourquoi les nombres d’encoches au stator et au rotor doivent-ils être différents ? 100 42. Quelle solution est adoptée, surtout sur les moteurs à rotor en court-circuit pour réduire les problèmes cidessus ? Donner une équivalence dans le domaine de la mécanique. 43. Calculer la valeur du pas polaire. 44. Exprimer littéralement la valeur du nombre total d’encoches au stator et au rotor. 45. Exprimer littéralement et calculer les valeurs des pas dentaires au stator et au rotor. 46. Calculer les nombres d’encoches par pôle et par phase au stator et au rotor. On considère dans un premier temps l’enroulement statorique de type imbriqué à pas diamétral : l’ouverture des sections vaut donc le pas polaire, les deux côtés des sections appartiennent à la même phase. L’enroulement rotorique est de type imbriqué par pôles conséquents : un groupe de bobines élémentaires pour chaque paire de pôles. 47. Indiquer sur le document DR4 : le pas polaire, l’espace couvert par les différentes phases et les sens des courants par des flèches sur les traits et par des points ou des croix dans les cercles correspondants représentants les conducteurs dans les encoches au stator et au rotor. 48. Réaliser sur le document DR5 les schémas développés des bobinages stator et rotor. Pour représenter le schéma complet, les conducteurs d’une même phase sous un même pôle et à un même niveau d’encoches ont été représentés par un seul trait, fort pour le haut des encoches, fin au fond des encoches. Vous distinguerez les phases par des couleurs ou des traits différents. EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE BOBINAGE Dans les machines électriques tournantes, il y a intérêt à multiplier le nombre d’encoches par pôle et par phase. On vous propose dans un premier temps d’établir les relations mettant en évidence cet objectif, puis dans un second temps à proposer une séquence pédagogique visant à présenter ces résultats à des étudiants de 2 TS Electrotechnique durant un cours de technologie. Pour cela compléter le document DR6 : 49. Dessiner autour des conducteurs des lignes d’induction orientées et rappelez le théorème d’Ampère qui s’y applique. 50. Rappeler les principales hypothèses justifiant le tracé fourni de l’allure de la force magnétomotrice ε = f (θ) le long de l’entrefer créée par un courant i d’une phase. 51. Tracer l’allure de la f.m.m. dans le cas de plusieurs encoches. 52. Préciser les amplitudes et les angles électriques. 53. Etablir l’expression du développement en série de Fourier de la force magnétomotrice ε = f (θ) en choisissant l’origine des abscisses au droit de la première encoche. 54. Généraliser le résultat du développement ci-dessus pour p paires de pôles. 1 3 1 5 ment en série de Fourier de la force magnétomotrice εm (θ). 55. A partir de l’expression ε (θ ) = A[sin pθ + sin 3 pθ + sin 5 pθ + ...] , établir l’expression du développe56. Ecrire l’expression du développement en série de Fourier de la composante fondamentale de la force magnétomotrice εm(θ) sous la forme : ε m 0 (θ ) = A' ms ∑ sin p[θ − (k − 1)τ k =1 ds ] , où la valeur de A’ sera précisée. b 2 sin[a − (m − 1) b ] donner l’expression du développement en 57. Sachant que ∑ sin[a − (k − 1)b] = s b 2 k =1 sin 2 série de Fourier de la composante fondamentale de la force magnétomotrice εm (θ) sous la forme : τ ε m 0 (θ ) = A ⋅ K 0 ⋅ sin p[θ − (m s − 1) ds ] . La valeur de K0 sera exprimée en fonction de ms. 2 τ m −1 58. L’abscisse du centre géométrique de la phase vaut θ c = + τ ds . Ecrire la relation précédente en fonc2 2 ms sin ms tion d’un cosinus. 59. A partir de K0 déduire le coefficient K2d+1 associé à l’harmonique de rang 2d+1 en fonction de ms et de d et l’expression générale de la force magnétomotrice εm(θ) rapportée au centre de la phase. 60. Que représentent les coefficients K0 et K2d+1 ? 61. Conclure sur les conséquences de la multiplication du nombre d’encoches par pôle et par phase. 101 62. Définir votre stratégie pédagogique : le temps prévu, les pré requis nécessaires, méthode d’explication de l’obtention du tracé de la fmm εm (θ) … CENTRIFUGEUSE Une fois la liqueur mère appelée masse cuite, épuisée, il faut la séparer des cristaux pour obtenir le sucre sous sa forme commerciale. Cette opération de séparation se réalise dans des turbines centrifuges essoreuses. Pour le sucre roux de qualité, l’usine dispose d’une batterie de 4 centrifugeuses dont les cycles de centrifugation sont décalés dans le temps. Le centrifuge comprend un moteur à courant continu à sa partie supérieure, entraînant un arbre vertical portant une cuve cylindrique, ou panier, destinée à recevoir la masse cuite à turbiner. Ce panier, serti de frettes lui permettant de résister à la force centrifuge, est percé afin de laisser passer l’égout, Il est garni de toiles métalliques servant à retenir le sucre. Il est ouvert à la partie supérieure pour admettre la masse cuite et à sa partie inférieure pour laisser tomber le sucre lorsque le centrifuge s’arrête. MÉCANIQUE GIRATOIRE On considère un point mobile A par rapport au repère Ri et «a» sa projection dans le r r plan (Oi , xi , yi ) . On définit le repère R tel que zi A z Oi r r r Oa z = zi ⋅ x = i . Oi a ρ θ yi a Le point A est repéré par ses coordonnées cylindriques : θ = ( xi , x ) ; ρ = Oi a ⋅ x et z = Oi A ⋅ z i . x r xi 63. Exprimer le vecteur vitesse du point A Vi ( A) après avoir exprimé O A = f ( ρ , z , x , z ) . i i d x dθ dθ = Ω iz ∧ x = ⋅ y , avec =Ω dt dt dt i On rappelle que On cherchera à exprimer les coefficients de la matrice du vecteur position et vitesse de la manière suivante : Oi A = ⎡V ⎢ ⎡ p x ⎤ ⎡ x ⎤ et V i A = ⎢ V ⎢p ⎥×⎢ ⎥ ⎣ z ⎦ ⎢⎣ z ⎥⎦ ⎢V ⎣ x y z ⎡x ⎤ ⎤ ⎢ ⎥ ⎥ ⎥ × ⎢y⎥ ⎢ ⎥ ⎥ ⎢⎣ z ⎥⎦ ⎦ 64. Réécrivez les coefficients de la matrice accélération ci-dessous dans le cas où le mouvement du point A s’effectue dans le plan (Oi , xi , yi ) : ⎡ ρ ' '− ρΩ² ⎤ ⎡⎢ x ⎤⎥ j = ⎢⎢ ρΩ'+2 ρ ' Ω⎥⎥ × ⎢ y ⎥ ⎢⎣ z ' ' ⎥⎦ ⎢⎢ z ⎥⎥ ⎣ ⎦ Le point A décrit un cercle de rayon ρ de centre Oi, à la vitesse angulaire 102 dθ =Ω. dt 65. Exprimer les coefficients de la nouvelle matrice d’accélération dans ce cas particulier. 66. Représenter dans le plan (Oi , x, y ) le vecteur j ainsi que ses composantes sur x et y . Comment appellet-on communément ses composantes ? Qu’implique une vitesse angulaire constante ? En déduire la force centrifuge appliquée à un élément de sucre de masse dm. 67. Exprimer le rapport noté G de la force centrifuge au poids de cet élément puis conclure sur l’intérêt de la grande vitesse dans une turbine centrifuge. MODÉLISATION DE LA CENTRIFUGEUSE dx Trous de passage de l'égout Toiles métalliques Dans une centrifugeuse la marche à la vitesse de régime n’est pas à elle seule responsable de l’efficacité de l’opération de centrifugation. On doit amener le panier à la vitesse de régime en un temps déterminé. Il convient donc de vérifier que le moteur dispose d’une puissance suffisante pour la phase d’accélération. x r Masse cuite D H es Pour simplifier l’étude on considère un panier en acier à fond plat parfaitement cylindrique de hauteur H et de diamètre intérieur D. La force centrifuge notée F s’exprime par la relation suivante : F = m × R × Ω 2 où R est le rayon de l’élément en rotation. La force centrifuge n’est pas la même sur tous les grains de sucre. On désigne le rayon moyen équivalent Rm pour lequel la force centrifuge est égale à la moyenne exercée sur l’ensemble de la masse de sucre. On notera ρmc la masse volumique de la masse cuite. 68. Pour le panier cylindrique ci-dessus exprimer littéralement la force centrifuge élémentaire df qui s’applique sur la hauteur H d’épaisseur dx de masse cuite, puis la force centrifuge totale. 69. Exprimer la masse totale de sucre en déduire l’expression de Rm en fonction des rayons de la masse cuite. Toujours dans le but de simplifier cette étude on admettra que la masse cuite est répartie de manière équitable sur toute la hauteur H du panier et que son épaisseur est confondue avec es de rayon moyen Rm. D = 1 370 mm ; Rm = 594 mm ; H = 1 065 mm et es = 0,14.D. La pression admise sur la toile est de 20 × 105 Pascal. On rappelle que la masse volumique de l’acier est µ = 7 800 kg/m3 et celle de la masse cuite, ρmc = 1 200 kg/m3. 70. Déterminer la vitesse de rotation maximale du moteur correspondant à la pression admissible. On estime que le couple résistant en régime établi s’exprime par la relation suivante : Cr = D 4 × H × g × n × (1 + 4n) où n est exprimé en milliers de tour par minute H et D en mètre, Cr en N.m et g accélération de la pesanteur pris égale à 9,81 m.s-2. D’autre part le moment d’inertie de toutes les masses en rotation vaut It = 850 kg.m². 71. Exprimer puis calculer le couple que devra développer le moteur pour amener le panier de la vitesse 200 tr.min-1 à la vitesse de 1 200 tr.min-1 en 60 secondes. 103 72. En déduire la puissance moyenne nécessaire à l’accélération de l’ensemble en 60 secondes. Justifier alors la puissance installée du moteur de 215 kW et de vitesse nominale 1 200 tr.min-1. EXPLOITATION PEDAGOGIQUE CENTRIFUGEUSE (annexes 14 et 15) Sur le document réponse DR7 est représenté l’évolution de la vitesse en fonction du temps d’une phase de turbinage. 73. Compléter le document réponse DR7 comme s’il s’agissait d’un document pédagogique destiné à une classe de baccalauréat STI. Tracer sur la partie vierge l’évolution du couple en fonction du temps. Traduire les énergies en matière de choix de variateur. Rapprochez ce choix des installations existantes. Préciser les pré requis… Conclure. ETUDE DU CONVERTISSEUR D’ÉNERGIE Le moteur à courant continu est alimenté par deux ponts triphasés tout thyristors notés P1 et P2. L’étude proposée concerne dans un premier temps l’alimentation du moteur uniquement par le pont 1. La source triphasée étoile présente des tensions simples : v1 (t ) = V . 2 . sin(ω .t ) ; v 2 (t ) = V . 2 . sin(ω .t − 2.π 2.π ) et v3 = V . 2 sin(ω .t + ), 3 3 A v1(t) Th3 Th1 Th5 1 uc(t) 2 N 3 Th2 Th4 Th6 B Avec V = 230 volts. Sauf indication contraire, la source triphasée est dépourvue d’impédance interne. 74. Rappeler les conditions d’amorçage et de désamorçage d’un thyristor. Donner la définition du courant de maintien et du courant d’accrochage. Quels sont les principaux critères de choix d’un thyristor ? Qu’appelle-t-on temps de récupération tq d’un thyristor ? Pour l’étude qui suit, le moteur à courant continu est assimilé à une source de courant noté I0. Les thyristors sont commandés avec un retard angulaire α jugé par rapport à l’angle de conduction naturelle et les thyristors sont considérés comme parfaits. 75. Représenter sur chaque document réponse DR8 et DR9, pour des angles α = 30 ° et α = 150 °, les allures de : la tension VAN (t) délivrée par le commutateur à cathode commune, la tension VBN (t) délivrée par le commutateur à anode commune, la tension uc (t) qui s’en déduit, la tension présente aux bornes du thyristor Th1, l’intensité qui circule dans le thyristor Th1, le courant véhiculé par la phase 1 noté i1 (t). 76. Pour un angle α = 150 ° quel est le type de fonctionnement du pont. Quelles sont les conséquences d’un angle d’amorçage α = 180 ° et α = 0° dans le cas de thyristors imparfaits. 77. Après avoir exprimer les valeurs moyennes de VAN (t) et VBN (t) notées respectivement <VAN> , <VBN> en déduire <Uc>. Préciser la fonction de linéarisation de <Uc> lorsque le pont est assujetti à une tension de consigne Vc variant entre – 10 et + 10 V continu. 104 On considère que l’ensemble du pont n’est le siège d’aucune perte. 78. Exprimer le courant fondamental i1f (t). 79. Exprimer le facteur de puissance Fp, la puissance réactive Q, le facteur de déplacement noté cos ϕ, le taux de distorsion harmonique et la puissance déformante D. Exprimer plus particulièrement le rapport de D à P puissance active puis conclure. ASSOCIATION DES DEUX PONTS THYRISTORS L’obtention du cycle de la turbine centrifugeuse requiert l’emploi de deux ponts PD3 tout thyristors montés tête bêche. On notera α1 et α2 respectivement l’angle d’amorçage des ponts P1 et P2. Réseau triphasé 80. Quelle relation lie α1 et α2 lorsque les 2 ponts sont commandés simultanément ? λ1 i1 P1 i2 P2 I0 u2 u1 uc Cette stratégie de commande génère un courant de circulation entre les deux ponts. Le moteur sera assimilé à une source de courant I0 parfaite. 81. Exprimer l’équation différentielle qui lie u1(t), i1 (t) et uc (t). Faire de même avec uc (t), i2 (t) et u2 (t). 82. En déduire uc (t) en fonction de u1 (t) et u2 (t). 83. Dans l’intervalle angulaire [(π/6 + α) ; (π/2 + α)], exprimer le courant instantané i2. On ne cherchera pas à exprimer la constante d’intégration. Quelles sont les conséquences de la circulation de ce courant ? 84. Proposer une stratégie pour éviter les inconvénients de la commande à circulation de courant. ETUDE DU MOTEUR À COURANT CONTINU Le centrifuge est mû par un moteur à courant continu parfaitement compensé et à excitation séparée constante. Il a une puissance nominale de 215 kW sous 400 V pour un courant absorbée de 582 A. L’inducteur est alimenté sous une tension de 290 V et absorbe un courant If = 8 A. La vitesse nominale est N = 1 200 tr.min-1. L’induit possède une résistance de 43,85 mΩ et une inductance L = 1 mH. 85. Citer les avantages et inconvénients du moteur à courant continu par rapport au moteur asynchrone pour notre application. 86. Qu’est-ce que la réaction magnétique d’induit ? Quelles conséquences cela entraîne sur le fonctionnement de la machine ? Quelles solutions sont mises en œuvre couramment pour la limiter ? 87. Expliquer le rôle des pôles de commutation. L’induit de la machine est équivalent à un circuit série avec l’inductance L de l’induit, la résistance R et la force électromotrice notée E. On notera φ le flux sous un pôle de la machine et U la tension appliquée à l’induit. 88. Exprimer le couple électromagnétique développé par le moteur en fonction de la vitesse et d’autres paramètres à préciser. 89. Représenter pour les deux valeurs suivantes de U à savoir : Un et –Un, la caractéristique C = f(Ω) de la machine à courant continu. Indiquer le comportement de la machine dans les quatre quadrants du repère C-Ω. On démarre le moteur en maintenant à l’aide d’un dispositif approprié le couple à 1,2 Cn tout en respectant dans tous les cas une tension au maximum égale à la tension nominale. Le moteur entraîne une charge opposant un couple résistant en régime permanent de 250 Nm et un moment d’inertie de 850 kg.m2. La tension U est générée par un pont PD3 tout thyristors celle-ci est liée à l’angle d’amorçage α par la relation suivante : U= 3.V . 6 π . cos α avec V = 230 V. 90. Déterminer l’angle de démarrage noté αd qu’il faut appliquer au pont lors du démarrage. Préciser la loi d’évolution de α en fonction du temps. Indiquer le temps t1 mis pour atteindre la commande nominale. 91. A partir de l’instant t = t1 avec quel angle doit-on commander le pont ? Représenter alors l’allure instantanée de α et la trajectoire du point de fonctionnement dans le plan C-Ω. 105 ANNEXE 1 : PARCOURS DE LA CANNE 106 ANNEXE 2 : CONDUCTEUR DE CANNES 107 h max ANNEXE 3 : SHREDDER Enclume Réglage du jeu 108 Drum Conducteur de cannes Shredder ANNEXE 4 : PIECES DU SHREDDER Marteaux 109 Axe pivot Arbre Plaque carrée Plaque circulaire ANNEXE 5 : VUE GENERALE DU SHREDDER ET DE SON MOTEUR ANNEXE 5 Vue générale du shredder Moteur Hydraulique DRUM Centrale de lubrification 110 SHREDDER Moteur Contrôle de température M 15 kV 5,5 kV Commande protection 10°C Système de refroidissement 3150 kVA 500 kvar 15°C ANNEXE 6 : SCHEMA SIMPLIFIE DE L’UNITE DE DES PALIERS DU SHREDDER ANNEXE 6 LUBRIFICATION (page 1/2) Schéma simplifié de l'unité de lubrification des paliers du SHREDDER. Air comprimé Echappement PA Vers les lignes de lubrification des paliers du SHREDDER Retour d'huile EV1 EV2 NB Ballon DH2 DH11 EV4 Huile : 30 litres Air : 15 litres 111 PH CFB EV3 M3 TH Cuve : 100 litres d'huile CFC M1 Cuve M2 NC ANNEXE 6 (suite et fin) EXPLICATION SIMPLIFIÉE DU FONCTIONNEMENT DE L’UNITE DE LUBRIFICATION DES PALIERS DU SHREDDER M1 et M2 : M3 : EV1 : EV2 : EV3 : EV4 : PA : NB : CFB : CFC : PH : DH1 et DH2 : NC : TH : Groupes motopompes assurant la lubrification des paliers du shredder. Un seul fonctionne, l’autre est en secours. 3 l/min à 1 500 tr/min. Moteur 220/380 V- 50 Hz - 0,55 kW - IP 55. Groupe motopompe de remplissage du ballon. Caractéristiques identiques. Electrovanne d’admission d’air comprimé NF - 220 V. Electrovanne d’échappement d’air NF - 220 V. Electrovanne de vidange du ballon NO - 220 V. Electrovanne de retour d’huile NO - 220 V. Pression d’air à l’intérieur du ballon. Niveau d’huile dans le ballon. Colmatage du filtre ballon. Colmatage du filtre cuve. Pression d’huile dans la canalisation. Débits d’huile sur les lignes de lubrification. Niveau d’huile dans la cuve. Température de l’huile dans la cuve. Au démarrage du système par appui sur un bouton-poussoir, le ballon se remplit d’huile par le groupe motopompe M3. Lorsque le niveau d’huile et la pression d’air dans le ballon sont corrects, un des deux autres groupes (motopompe M1 ou M2) assure en permanence la lubrification des paliers du shredder. L’autorisation du démarrage du shredder est transmise à condition que certains défauts ne soient pas présents. Pour certains autres défauts un signal sonore averti le service de maintenance, certaines décisions pourront être prises en fonction du défaut apparaissant. Arrêt normal du shredder : la pompe assurant la lubrification doit continuer de fonctionner vingt minutes temps mis par le shredder pour s’arrêter de par son inertie. En cas de coupure de courant, le ballon se vidange dans les lignes de lubrification. Le rétablissement du courant durant cette phase ne doit pas provoquer le réarmement du système qui doit poursuivre l’expulsion de l’huile du ballon jusqu’à sa vidange complète. La remise en rotation du shredder ne pourra s’effectuer qu’après reconstitution de la réserve d’huile. Alimentation actuelle du circuit de commande : 220 V. Schéma de liaison à la terre : IT. 112 ANNEXE 7 Extrait du règlement du Brevet de Technicien Supérieur en Electrotechnique EPREUVE PROFESSIONNELLE DE SYNTHÈSE 1. REGLEMENT DE L’EPREUVE Epreuve E6 (U.6) : Coefficient 3 Référence réglementaire : Arrêté du 3 septembre 1997. Finalités et objectifs de l’épreuve. L'épreuve permet d'évaluer les capacités du candidat à : Rechercher et exploiter des documentations. Produire des documents. Exposer un travail personnel ou d’équipe. Participer à l’élaboration d’un cahier des charges. Participer à l’organisation d’une production. Réaliser tout ou partie d’un prototype d’appareillage. Effectuer des essais d’exploitation et des contrôles mettant en évidence les caractéristiques du système. Procéder à la mise en service d’un appareillage. Participer à la maintenance d’un appareillage. Modes d’évaluation sous forme ponctuelle. Il s’agit d’une épreuve orale d’une durée totale de 1 h 40 minutes, qui comporte 2 parties : elle prend en compte le stage en entreprise et le travail réalisé par l'étudiant dans le cadre du "projet". 1. Première partie : Durée : 1 h 10 minutes La note obtenue à cette première partie compte pour 3/4 de la note à l’épreuve. Un dossier décrivant la réalisation effectuée au cours de l’année scolaire doit être remis au jury huit jours avant l’épreuve. En utilisant ce dossier, l’appareillage construit ainsi que tout matériels utiles pour sa mise en œuvre et la vérification de ses caractéristiques, le candidat doit : - présenter l’appareillage conçu et réalisé, en faisant clairement apparaître sa part de travail personnel ; - vérifier les performances de la réalisation ; - soutenir les éléments du dossier qui récapitulent le travail du candidat et de son équipe en justifiant notamment les solutions retenues et les choix des matériels ; - mettre en évidence les caractéristiques limites de la réalisation et les améliorations et extensions possibles. Une commission inter-académique se réunit chaque année, avant le 30 novembre, pour examiner et valider les propositions des équipes enseignantes. Evaluation : Les critères d’évaluation sont : - la qualité de la réalisation présentée ; - la présentation du dossier et du rapport de stage ; - la présentation de la réalisation et la vérification de ses caractéristiques ; - la justification des solutions retenues et des choix effectués ; - le respect du cahier des charges ; - l’étude critique de la réalisation ; - les propositions en vue d’une amélioration du produit ; - la qualité de l’exposé oral ; Le jury est composé d’un professeur de génie électrique et d’un professeur de physique appliquée extérieurs à l’établissement, et éventuellement d’un professionnel. Un professeur de l’établissement responsable de la réalisation assistera à l’épreuve pour assurer la mise en route des équipements. 113 ANNEXE 9 : DEMARREUR ELECTROLYTIQUE Vue générale du démarreur Système de motorisation des électrodes 117 ANNEXE 10 : ELECTRODE (simplifiée) PAR PHASE 118 ANNEXE 11 (page 1/5) DÉMARREURS POUR MOTEURS ASYNCHRONES démarreurs électrolytiques pour moteurs à bagues de 550 à 20 000 kW série EPM Adaptés au démarrage d'applications difficiles et de fortes puissance, les EPM assurent un démarrage progressif et sans à-coup mécaniques des installations de • ventilation, • broyage et concassage, • bandes transporteuses, • pompes, ... dans de nombreux secteurs : mines, carrières, cimenteries, traitement de l'eau, industries tertiaires. Démarrage progressif Grande souplesse d'utilisation Fiabilité, robustesse Ils sont aussi utilisés pour des applications plus particulières telles que déchiqueteuses de voitures, mélangeurs de plastBien adaptés ique et broyeurs de canne à sucre. Personnalisation des produits Entretien réduit principe On associe à tout moteur à bagues un démarreur rotorique dont l'intensité de démarrage ne dépasse pas deux fois l'intensité nominale en moyenne. Le couple moteur doit être parfaitement adapté au couple résistant de la machine par le choix judicieux des résistances de démarrage. La supériorité du démarreur EPM réside dans le fait qu'il est à résistance autovariable. Ce type de démarreur permet d'assurer des démarrages excellents avec montée en vitesse progressive et sans à-coup, mais il répond aussi à certains besoins tels que variation de vitesse (glissement) et freinage à contre-courant. Son principe met en oeuvre une résistance électrolytique à électrodes mobiles dans un niveau constant. On obtient une grande variation de résistance par déplacement des électrodes au sein de l'électrolyte. En fin de démarrage, la résistance est éliminée par un court-circuiteur. 1 119 ANNEXE 11 (page 2/5) DÉMARREURS POUR MOTEURS ASYNCHRONES description Démarreur EPM Un démarreur EPM est constitué de : - une résistance électrolytique composée d'une cuve d'électrolyte et d'un bloc électrodique dont les dimensions sont appropriées à la puissance du moteur ; - un coffret d'appareillage MT pour le court-circuiteur ; - un coffret contrôle-commande BT. L'électrode mobile se déplace verticalement à l'intérieur du compartiment isolant, en coulissant sur un guide de nylon. Elle est supportée par deux fortes tiges de laiton fixées à une traverse porte-électrodes. Cette traverse, commune aux trois électrodes mobiles, constitue le point neutre. Compte tenu de la faible densité de courant - de l'ordre de 1 A au cm2 - la durée de vie des électrodes est extrêmement longue. Cuve ................................................... En tôle d'acier de 30/10 mm à 50/10 mm selon le type de démarreur, la cuve est munie d'anneaux de levage. La capacité et les dimensions sont fonction de la puissance du démarreur (voir "caractéristiques"). Le remplissage de la cuve s'effectue par une trappe de chargement et la vidange par une vanne condamnable sur la position "en service". Protection IP 54. Agitateur ............................................ L'agitateur permet, par brassage de l'électrolyte, d'utiliser au mieux le volume et la surface d'échange calorifiques du démarreur. Electrolyte........................................... Il est constitué, en général, d'une solution de carbonate de sodium. Le niveau de l'électrolyte est surveillé par un système magnétique à flotteur permettant, d'une part l'asservissement, d'autre part l'activation d'un relais de défauts avec contacts libres sur bornier. Le refroidissement de l'électrolyte est obtenu par convection naturelle et circulation forcée au moyen de l'agitateur. La température de l'électrolyte est contrôlée par plusieurs thermostats : - un thermostat général d'asservissement empêchant tout cycle de démarrage si la température est trop élevée. Il active également le relais de défauts ; - un thermostat de commande de l'agitateur - un thermostat de commande du dispositif antigel (option) par thermo-plongeur au voisinage de 0°C. Blocs électrodiques .............................. Disposés en ligne, au nombre de trois, les blocs électrodiques comprennent chacun une électrode fixe et une électrode mobile. Un compartimentage en polypropylène assure l'isolement entre phases. Les électrodes moulées sont constituées de parties cylindriques concentriques qui, en position "résistance minimum", s'interpénètrent sans toutefois entrer en contact. L'électrode fixe, située à la partie inférieure du compartiment isolant, est alimentée par une barre de cuivre isolée. Cette barre ne traverse aucune paroi de la cuve et remonte directement dans le coffret d'appareillage. Il n'y a donc aucun risque de fuite d'électrolyte. Coffrets d'appareillage et de contrôle/commande ............................. Les organes d'asservissement (court-circuiteur, relayage, circuit de contrôle ...) du démarreur sont rassemblés et incorporés dans deux coffrets séparés : - un coffret MT contenant le court-circuiteur, - un coffret BT de contrôle-commande. Protection des coffrets : IP54 (IP55 en option). Des presses-étoupes peuvent être fournis. Le coffret MT est généralement intégré à l'ensemble. Il peut cependant être séparé dans quelques cas particuliers, en fonction de la marque d'appareillage et de son calibre (par exemple 2000 A/5000 V). Démarreur EPM DUO Commandes des blocs électrodiques ...... • Moteur d'entraînement des électrodes mobiles Le déplacement de la traverse porte-électrodes est commandé par un système vis mère et noix entraîné par un ensemble motorisé (moto-réducteur ou moteur + variateur ou servo moteur). Un volant permet une éventuelle commande manuelle des électrodes. Les temps de démarrage sont réglables de 20 à 130 secondes, par sélection des rapports de réduction et des vitesses du moto-réducteur. Sur option, avec un moteur d'entraînement équipé d'un variateur de vitesse, les temps de démarrage sont réglables de 10 à 150 secondes. • Sécurités et verrouillages Des interrupteurs fin de course contrôlent, d'une part, le fonctionnement du motoréducteur et commandent, d'autre part, le court-circuiteur qui élimine la résistance résiduelle en fin de démarrage. Une protection par relais thermique déclenche le moto-réducteur en cas de blocage accidentel. Un verrouillage électrique évite qu'un nouveau démarrage ne soit entrepris tant que les électrodes mobiles ne sont pas revenues à leur position de départ. Ce retour à la position de départ s'effectue automatiquement après fermeture du court-circuiteur. Dans le cas où une coupure d'alimentation se produit en cours de démarrage, lors de la remise sous tension de l'installation la remontée de l'ensemble mobile se fait également automatiquement. Ainsi un nouveau cycle de démarrage du moteur est possible. 120 Pour entraîner une machine nécessitant une forte puissance et pour mieux répartir les efforts mécaniques, il est parfois préférable de faire appel à deux moteurs de puissance donnée au lieu d'un seul de puissance double. Un démarreur duo est alors utilisé pour assurer une accélération rigoureusement identique aux deux moteurs. Le démarreur EPM DUO est constitué de deux résistances électrolytiques dont les valeurs sont équilibrées par communication entre les deux cuves. Les commandes des électrodes mobiles sont accouplées mécaniquement afin d'assurer un synchronisme parfait du déplacement des jeux d'électrodes avec un seul moto-réducteur. Enfin, pour que le court-circuitage soit rigoureusement simultané, un seul contacteur, hexapolaire ou tétrapolaire, élimine les deux résistances en fin de démarrage. Démarreur EPM avec échangeur Ce modèle permet de répondre aux applications nécessitant . de fortes cadences de démarrage . des variations de vitesse ou un glissement permanent du moteur. Tous les modèles EPM peuvent être équipés d'un système échangeur par adjonction d'un servomoteur de régulation et d'un échangeur thermique. La dissipation et la capacité calorifique du démarreur sont augmentées de façon importante. Cet échangeur nécessite la fourniture d'une arrivée d'eau. 2 ANNEXE 11 (page 3/5) DÉMARREURS POUR MOTEURS ASYNCHRONES caractéristiques Différents modèles permettent d'adapter le démarreur en fonction de la puissance du (ou des deux) moteur(s) et de l'inertie de la machine entraînée. Les plages d'emploi des démarreurs EPM sont données ci-dessous à titre d'exemple car interviennent d'autres facteurs non négligeables, pour de bonnes conditions de démarrage ; temps et cadences de démarrage, couple, type et charge de la machine, température ambiante, etc... Les EPM avec échangeurs ont une puissance supérieure à celles qui sont indiquées dans le tableau. Elles varient suivant le gabarit de l'échangeur. Tension rotorique entre bagues : 3 500 V max. Temps de démarrage standards : 20, 30, 40, 60, 80, 130 sec. réglés en usine. Niveau d'électrolyte surveillé par système magnétique à flotteur. Température d'électrolyte contrôlée par thermostats. Refroidissement de l'électrolyte par con- Moteur Puissance max. (1) Démarreur Référence Cd/Cn = 0,7 Cd/Cn = 1 Cd/Cn = 1,4 Cd/Cn = 2 EPM1 EPM 2 EPM 3/1 EPM 3/2 EPM 4/1 EPM 4/2 EPM 1 DUO EPM 2 DUO EPM 3/1 DUO EPM 3/2 DUO EPM 4/1 DUO EPM 4/2 DUO 1 600 kW 2 600 kW 5 200 kW 6 400 kW 7 800 kW 13 000 kW 2 X 1 600 kW 2 X 2 600 kW 2 X 5 200 kW 2 X 6 400 kW 2 X 7 800 kW - 1 100 kW 1 800 kW 3 700 kW 4 500 kW 5 500 kW 9 100 kW 2 X 1 100 kW 2 X 1 800 kW 2 X 3 700 kW 2 X 4 500 kW 2 X 5 500 kW 2 X 9 100 kW 790 kW 1 300 kW 2 600 kW 3 200 kW 3 900 kW 6 500 kW 2 X 790 kW 2 X 1 300 kW 2 X 2 600 kW 2 X 3 200 kW 2 X 3 900 kW 2 X 6 500 kW 550 kW 900 kW 1 850 kW 2 250 kW 2 750 kW 4 550 kW 2 X 550 kW 2 X 900 kW 2 X 1 850 kW 2 X 2 250 kW 2 X 2 750 kW 2 X 4 550 kW (1) Puissance max. pour un démarrage/heure et trois démarrages consécutifs à partir de l'état froid. Cd : couple de démarrage - Cn : couple nominal. vection naturelle et brassage par agitateur. Faible densité de courant des électrodes : de l'ordre de 1 A/cm2. Entretien réduit ................................... Remise à niveau annuelle de l'électrolyte avec graissage de la vis de manoeuvre des électrodes. options Dispositif antigel ................................. Il est constitué d'un thermo-plongeur et d'un thermostat. Moteur d'entraînement des électrodes avec variateur de vitesse ..................... Il permet une plage de réglage de démarrage plus étendue de 10 à 150 secondes. encombrement - masse EPM 1 à 4 Dimensions en mm Modèle A mm B mm C mm E mm F mm G mm Masse sans électrolyte (kg) Capacité de la cuve (litres) EPM 1 DUO EPM 2 DUO EPM 3 DUO EPM 4 DUO 2 760 2 945 3 580 4 020 2 000 2 000 2 290 2 500 1 520 2 030 2 560 2 950 990 1 015 600 800 2 140 2 325 2 460 2 850 1 500 1 800 2 450 2 800 1 000 X 2 1 500 X 2 3 000 X 2 45 000 X 2 3 121 ANNEXE 11 (page 4/5) DÉMARREURS POUR MOTEURS ASYNCHRONES EPM 1 et 2 DUO Dimensions en mm EPM 3 et 4 DUO Dimensions en mm Modèle A mm B mm C mm E mm F mm G mm Masse sans électrolyte (kg) Capacité de la cuve (litres) EPM 1 EPM 2 EPM 3 EPM 4 1 700 2 120 2 510 2 950 2 000 2 000 2 290 2 500 1 230 1 360 1 660 1 860 856 950 1 190 1 410 600 600 600 800 1 620 2 060 2 440 2 850 720 850 1 230 1 550 1 000 1 500 3 000 5 000 4 122 ANNEXE 11 (page 5/5) DÉMARREURS POUR MOTEURS ASYNCHRONES EPM 1 à 4 avec échangeur Dimensions en mm Modèle A mm B mm C max. mm D mm E mm F mm Masse sans liquide (kg) Capacité de la cuve (litres) EPM 1 E EPM 2 E EPM 3 E EPM 4 E 2 000 2 410 2 840 3 270 2 000 2 000 2 290 2 500 1 640 1 735 2 025 2 245 856 950 1 190 1 410 600 600 600 800 1 920 2 350 2 770 3 180 870 1 000 1 480 1 800 1 000 1 500 3 000 5 000 instructions pour commander Pour une solution adaptée à vos besoins, Préciser Pour le(s) moteur(s) ............................ • puissance • vitesse de rotation (en tr/mn) • tension statorique • tension rotorique • intensité rotorique • rapport couple maxi sur couple nominal • si montage en duo (2 moteurs accouplés mécaniquement). Pour la machine entraînée .................... • nature • mode d'accouplement • allure du couple résistant • vitesse de rotation (en tr/mn) • moment de giration PD2 (en kg.m2) • nombre de démarrages consécutifs l en période exceptionnelle (essai, réglage, mise en route de l'installation). Pour l'appareillage du démar reur.......... • protection IP 54 ou 55 • tension d'alimentation (relayage, courtcircuiteur, motoréducteur ...) Pour les EPM avec échangeur ............... • température de l'eau à l'arrivée • g (en %) ou vitesse (en tr/mn) en cas de glissement permanent • plage de variation (en tr/mn) en cas de variations de vitesse. Pour les options .................................. •la température ambiante minimum pour le dispositif antigel. Spécifications particulières.................... •moteur équipé d'un variateur pour les électrodes •peinture spécifique •presse-étoupe, ... maintenance AOIP Le démarreur EPM, simple et robuste, a une très longue durée de vie. AOIP, pour chaque affaire, constitue un dossier d'identification où sont définis l'électrolyte, le moto réducteur, le relayage, le contacteur de court-circuitage etc., ce qui lui permet de répondre rapidement à toute demande. En pratique, chaque démarreur a sa plaque signalétique, il suffit de transmettre le numéro d'identification de votre EPM pour que l'on puisse répondre à toutes vos questions. Nos dossiers sont archivés depuis 40 ans et nos techniciens se déplacent dans le monde entier. B.P. 182 - F 91006 EVRY Cedex Ile de France : ✆ 01 69 36 50 36 Nord-Normandie : ✆ 03 20 70 54 92 Centre-Ouest : ✆ 02 28 01 05 60 Est (Electrona) : ✆ 03 88 10 30 40 Rhône-Alpes : ✆ 04 78 74 00 68 Sud : ✆ 05 61 09 95 95 Les caractéristiques ci-dessus sont susceptibles d'être modifiées I0 123 5 ANNEXE 12 (page 1/6) 124 ANNEXE 12 (page 2/6) 125 ANNEXE 12 (page 3/6) 126 ANNEXE 12 (page 4/6) 127 ANNEXE 12 (page 5/6) 128 ANNEXE 12 (page 6/6) 129 ANNEXE 13 Extrait du règlement du Brevet de Technicien Supérieur en Electrotechnique EPREUVE D’AVANT PROJET Epreuve E5 (U.5) : Coefficient 2 Référence réglementaire : Arrêté du 3 septembre 1997. Finalités et objectifs de l’épreuve. Cette épreuve doit permettre de vérifier les capacités du candidat à : analyser et justifier un processus de système ; décrire un processus sous forme de graphe ou d’organigramme ; analyser les circuits de puissance et de commande d’un système industriel pour en décrire la fonction et justifier le choix des composants ; concevoir et définir une modification d’équipement ; traduire l’écriture d’un processus de fonctionnement en programme compatible avec un automate programmable industriel ou tout autre système programmable à microprocesseur selon le langage fourni ; exploiter des notices de fabricants, utiliser des documents techniques ; faire un choix à partir de ses connaissances technologiques, des informations fournies et des différentes contraintes économiques, réglementaires, etc. Modes d’évaluation sous forme ponctuelle : épreuve écrite d’une durée de 8 heures. Forme de l’épreuve : Le support de cette épreuve est constitué par l’étude d’un système industriel pluri technologique dans lequel le domaine électrotechnique à une place prépondérante. L’épreuve peut porter sur tout ou partie du système, soit : La partie opérative ; La saisie, la transmission, le traitement et la gestion des informations ; Le processus et sa programmation ; L’alimentation en énergie et sa gestion ; Les protections. L’épreuve comprend : à à L’analyse fonctionnelle de tout ou partie du système et peut comporter : Une détermination d’actionneur ; Une détermination de structure mécanique ; Une lecture ou une écriture de processus ; Une conception de schéma selon prescriptions fournies ; Une détermination de composants en vue d’un pré choix ; Une analyse critique du système ; L’étude de l’équipement pouvant comporter : Une exploitation de documents techniques ; Un choix de composants ; Une implantation de composants ; Un plan méthodique de travail ; Un dossier de mise en main ; Un dossier d’utilisation ; Un dossier de maintenance. L’évaluation porte sur : à à à à à à à La rigueur des analyses ; L’exactitude des résultats ; Le choix ou la justification des composants et des constituants ; Le respect des normes et des conditions d’exploitation ; La faisabilité du travail prescrit ; Le respect du cahier des charges ; La facilité d’exploitation des documents établis. 130 ANNEXE 14 : CENTRIFUGEUSE 131 ANNEXE 15 : FLEXPAK 132 Document réponse DR1 (1/2) BTS Electrotechnique FICHE PROJET Titre du projet : ........................................................................................................................................... Partenaire professionnel : Nombre et noms des étudiants chargés du projet : Professeurs responsables : Adresse de courriel : Reprise d'un projet : oui / non Auto équipement : oui / non ________________________________________________________________________________________________ • Présentation générale du système supportant le projet: ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ________________________________________________________________________________________________ •Analyse de l’existant : ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ________________________________________________________________________________________________ • Expression du besoin : ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... Nom de l’établissement page 1/2 133 Projet …… Document réponse DR1 (2/2) BTS Electrotechnique FICHE PROJET • Enoncé des tâches à réaliser par les étudiants : ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................................................... • Description structurelle du système : Principaux constituants : Caractéristiques techniques : ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... • Inventaire des matériels et outils logiciels à mettre en œuvre par le candidat : Désignation : Caractéristiques techniques : ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... ......................................................................................... Nom de l’établissement page 1/2 134 Projet …… Document réponse DR2 (1/2) BTS Electrotechnique Titre du projet : FICHE CONTRAT ↓ Fonctions. Tâches ↓ Temps estimé en heures Etudiants→ Pré étude : ¾ Rédaction de l’avant projet : Prise de contact avec le client Analyse du fonctionnement du système existant Analyse fonctionnelle et contexte Adaptation du cahier des charges Répartition et planification des tâches A B C D ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ Sous total : Etude et développement : ¾ Critères de choix justifiés au niveau fonctionnel, exploitation, économique : Gestion des modes de marches et d’arrêt GRAFCET Circuit de puissance Circuit de commande Automate ⋅ Interfaçage entrées ⋅ Interfaçage sorties ⋅ Interface de communication Dialogue Homme/Machine ⋅ Bilans des défauts à afficher ⋅ Informations à fournir à l’opérateur ⋅ Console de dialogue ⋅ Boutons-poussoirs, commutateurs, voyants ⋅ Platine et accessoires Câbles et conducteurs Normes et sécurités ⋅ Détermination de la catégorie de l’installation ⋅ Choix du matériel (alimentation, contrôleur d’ordre de phases) ¾ Temps cumulé relation responsable entreprise Documentation : ¾ Bons de commande et appels d’offre : Rédaction du devis estimatif général (fournisseurs, désignation, repère, quantité, prix, délais). Sous total : Etude et développement : ¾ Dessins et schémas sous logiciel : Schémas de puissance Schéma hydraulique Schémas de commande ⋅ Entrées et sorties automate ⋅ Interface de communication ⋅ Borniers ⋅ Evolutions des schémas Implantation platine 135 Document réponse DR2 (2/2) BTS Electrotechnique Titre du projet : FICHE CONTRAT ¾ Ecriture du programme : Programmation automate ⋅ GRAFCET + LADDER ⋅ Communication interface vers supervision ⋅ Message vers console Programmation console de dialogue : ⋅ Création des pages de la console ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ ........ Sous total : Organisation, réalisation : ¾ Planning des travaux (moyens, sécurité, durée…) ¾ Préparation de la platine au lycée Câblage et repérage : ⋅ Puissance ⋅ Entrées automate ⋅ Sorties automate ⋅ Dialogue homme/machine ⋅ Interface de communication ⋅ Commande, alimentation, prises, transformateurs Mise au point : Essai à vide. Diagnostiquer la cause d’éventuels défauts Organisation, réalisation et mise au point : ¾ Intervention sur site Démontage de l’ancien matériel, platine, câbles, borniers Câblage et repérage des borniers vers la partie opérative ⋅ Puissance ⋅ Entrées/Sorties automate ⋅ Connexion adaptation de l’interface de communication ¾ Mise au point (contrôle de la conformité au cahier des charges) Sous total : Installation et mise en exploitation : ¾ Réglages ¾ Mise en service ¾ Formation des employés de l’usine à l’utilisation du système Maintenance : ¾ Diagnostiquer la cause d’éventuels défauts, remise en service Documentation : ¾ Rédaction de documents en vue d’informer les personnels : Dossier d’exploitation Guide d’exploitation de la console de dialogue Guide de maintenance Coût de l’affaire Sous total : Revues de projet TOTAL 136 Document réponse DR3 Titre du projet : Analyse fonctionnelle et contexte PRÉ ÉTUDE Cahier des charges Planification des tâches Choix techniques et technologiques ETUDE ET DEVELOPPEMENT Schémas de puissance, de commande... Analyse, recherche, écriture logicielle Planning des travaux ORGANISATION, RÉALISATION ET MISE AU POINT Réalisation et essai au lycée Démontage sur site Câblage sur site Mise au point MAINTENANCE Diagnostiquer, remettre en service Revues de projet 137 VACANCES Dossier personnel VACANCES Dossier technique VACANCES DOCUMENTATION VACANCES Devis et commandes 22 21 20 19 18 17 14 13 12 11 10 09 06 05 04 03 02 50 49 48 47 46 45 42 41 40 39 TÂCHES 38 PLANIFICATION 2003 2004 FONCTIONS Document réponse DR4 Représentations déroulées (traits) et frontales (cercles) des surfaces interne du stator et externe du rotor. Les conducteurs sont représentés en traits forts s'ils sonts situés dans le haut de l'encoche, en traits fins s'ils sont dans le fond de l'encoche. Toutes les encoches n'ont pas été représentées. Stator π Rotor Echelle non respectée Courant se dirigeant de vous vers la feuille Courant se dirigeant de la feuille vers vous 138 Document réponse DR5 Chaque trait fort représente l'ensemble des conducteurs du haut des encoches sous une même phase et un même pôle. Chaque trait fin représente l'ensemble des conducteurs du fond des encoches sous une même phase et un même pôle. Stator 2π Rotor Echelles non respectées é 139 Document réponse DR6 Exploitation pédagogique Titre : .......................................................................................... Hypothèses : ) ................................................................................................... ) ................................................................................................... ) ................................................................................................... ) ................................................................................................... Une bobine de n spires d'une phase parcourues par i θ=0 e ε n.i θ 0 θ ε(θ)= La bobine ci-dessus a été partagée en ms bobines élémentaires θ=0 e εm θ θ 0 θc εm(θ) = ) ................................................................................................... 140 Document réponse DR7 Exploitation pédagogique Cycle centrifugeuse n en tr/min 1200 Vitesse en fonction du temps d'un cycle de turbinage 1000 800 600 400 200 0 20 40 Chargement 60 80 Pleine vitesse Accélération 100 Décélération Cycle 141 120 t en secondes Vidange Document réponse DR8 Allure des courbes pour α = 30° Représentations de VAN(t), VBN(t) et uc(t) Représentations de UTH1(t), iTH1(t) Représentation de i1(t) 142 Document réponse DR9 Allure des courbes pour α = 150° Représentations de VAN(t), VBN(t) et uc(t) Représentations de UTH1(t), iTH1(t) Représentation de i1(t) 143
