Concours général des lycées 2011 - corrigé

PARTIE A
ETUDE COMPARATIVE DES CHAINES
CINEMATIQUES DE L’AGV ET DU TGV
Le transport passager, en dehors des critères de confort de voyage ou
d’agréments, doit se plier à des contraintes techniques, commerciales, économiques
et écologiques notamment en terme d’énergie consommée.
Le transport ferroviaire à grande vitesse, à travers le T.G.V., se pose comme
un moyen de satisfaire le marché du transport passager sur de longues distances.
Une alternative au T.G.V. est désormais possible, il s’agit de l’A.G.V. (Automotrice à
Grande Vitesse)
Problématique :
Concernant ces contraintes,
en quoi la rame A.G.V. s’inscrit-elle dans cette démarche et
améliore-t-elle l’offre T.G.V.?
Ce dossier est constitué de :
- 16 pages numérotées A1 à A16
Temps maximum conseillé : 2 heures
A1
A1 : ETUDE DES OBJECTIFS DE L’AGV
Objectifs :
Vérifier si les objectifs de l’AGV en termes de consommation d’énergie et de
respect de l’environnement sont remplis et calculer la vitesse moyenne à laquelle le
train devra rouler pour concurrencer l’avion.
À l’aide du dossier présentation page PG2,
A.1.1. Donner succinctement les avantages de l’AGV sur le TGV (trois critères
suffisent).
+ De passagers par trajets donc plus rentable
+ Rapide donc concurrentiel par rapport à l’avion
- De maintenance
- De consommation donc plus rentable
Travaillons maintenant avec un exemple simple : vous êtes parisien et
souhaitez vous rendre à Marseille.
Le trajet Paris-Marseille nécessite trois heures et la production d’énergie
électrique engage 50 grammes de CO2/kWh produit.
Comparons l’impact carbone d’un TGV et d’une AGV roulant à la même
vitesse de 320 km/h
A.1.2. Calculer la consommation en kWh d’un TGV sur ce trajet.
E = 8800 kW x 3 heures = 26400 kWh
A.1.3. Calculer la consommation en kWh d’une AGV sur ce trajet.
E = 7300 kW x 3 heures = 21900 kWh
A.1.4. Calculer pour le TGV l’équivalent carbone de ce trajet.
M = 26400 x 50 = 1320000 grammes de CO2 soit 1320 kg de CO2
A2
A.1.5. Calculer pour l’AGV l’équivalent carbone de ce trajet.
M = 21900 x 50 = 1095000 grammes de CO2 soit 1095 kg de CO2
A.1.6. Comparer les valeurs obtenues et expliquez si les objectifs de l’AGV en
termes de consommation d’énergie et de respect de l’environnement sont remplis
vis à vis du TGV.
21900 kWh < 26400 kWh donc l’AGV est moins énergivore que le TGV
1095 kg de CO2 < 1320 kg de CO2 donc l’AGV respecte plus l’environement que le
TGV
Poussons la comparaison plus loin. Une voiture compacte moderne rejette
140 grammes de CO2/ km. Pour elle l’équivalent carbone de ce trajet est de l’ordre
de 130000 grammes de CO2.
Si elle transporte 5 personnes à son bord,
A.1.7. Calculer pour l’automobile l’équivalent carbone/passager de ce trajet.
130000 / 5 = 26000 grammes de CO2 / passager
A.1.8. Calculer pour l’AGV (avec le maximum de passagers) l’équivalent
carbone/passager de ce trajet.
1095000 / 466 = 2350 grammes de CO2 / passager
A.1.9. Comparer les valeurs obtenues et expliquer si les objectifs de l’AGV en
termes de consommation d’énergie et de respect de l’environnement sont-ils
remplis vis-à-vis de l’automobile.
26000 / 2350 = 11, l’AGV rejette 11 fois moins de CO2 par passager donc l’AGV
respecte plus l’environement que l’automobile
A3
Laissons de côté l’impact carbone et intéressons nous maintenant à la durée
du trajet. Dans cette partie l’auto n’est plus concurrentielle…
Ce trajet en avion vous prendra 1h15 d’aéroport à aéroport. Ceux-ci étant
généralement à l’extérieur des villes, il vous faudra en plus 35 minutes de navette
pour aller de Paris gare de Lyon à Orly et 25 minutes de navette pour aller de
l’aéroport de Marseille à la gare Saint-Charles. A ceci s’ajoute une petite marche
intra aéroport voire un éventuel enregistrement de bagage : 10 min.
La ligne Paris-Marseille est longue de 863 kilomètres.
A.1.10.
Calculer la vitesse moyenne à laquelle devra rouler un train de gare à
gare pour concurrencer l’avion.
Temps Total du trajet en {avion + navette} :
t = 1h15 +0h35+0h25+0h10 = 2h25 soit 2,42 heures
Vitesse moyenne du train pour concurrencer :
Vmoy = d/t = 863/2,42 = 357 km/h
A2 : ETUDE DE LA CINEMATIQUE DE L’AGV, OBJECTIF 360 km/h
Objectifs :
Vérifier si les temps et les distances pour sortir de gare de 0 à 360 km/h sont
raisonnables et compatibles avec les infrastructures.
On admet que la sortie de gare s’effectue en 3 phases. Le mouvement retenu
pour l’AGV est un mouvement de translation rectiligne caractérisé par l’allure du
graphe d’accélération ci-dessous.
a (m/s²)
0,5

0,35

0,2

0
0
t1
t2
t3
A4
t (s)
On précise également les vitesses atteintes aux différents instants :
V(0) = 0 ; V(t1) = 36 km/h ; V(t2) = 144 km/h ; V(t3) = 360 km/h
La phase 1 est caractérisée plus précisément par les équations horaires de
mouvement :
x(t ) 0,25.t ² en m
V (t ) 0,5.t
en m/s
et pour : 0 t t1
a (t )
0,5
en m/s²
La phase 2 est caractérisée par des équations horaires de mouvement de la forme:
1
x(t )
.a 2.t ² V 02.t x 02 en m
2
V (t ) a 2.t V 02
en m/s
et pour : t1 t t 2
a (t ) a 2 constante
en m/s²
La phase 3 dure 5 min et la distance parcourue pendant cette phase est de 21 km.
A.2.1 Déterminer la durée et la distance parcourue pendant la phase 1 : t1 et x(t1).
36km/h => 10m/s ;
V (t1) 0,5.t1 10
x(20) 0,25.20²
=> t1 = 20 s
=> x(20) = 100 m
A.2.2 Déterminer pour la phase 2,les constantes V02,x02 et t2.
144km/h => 40m/s
Si origine des temps inchangé:
x(20) 1.0,35.20² V02.20 x02 100
2
V(20) 0,35.20 V02 10
V 02 3 m/s
=>
t 2 105,7 s
x 02 - 30 m
V(t 2) 0,35.t2 V02 40
Si origine des temps ramené en début de phase 2:
V 02 10 m/s
x(0) x02 100
=>
V(20) V02 10
t 2 85,7 s
x 02 100 m
V(t2 t1) V(t2 0) 0,35.t2 10 40
A5
A.2.3 Ecrire les équations horaires de mouvement pour cette phase 2.
Si origine des temps inchangé:
x(t ) 0,175.t ² 3.t 30
en m
V (t ) 0,35.t 3
en m/s
a(t )
0,35
pour :
20s t 105,7s
en m/s²
Si origine des temps ramené en début de phase 2:
x(t) 0,175.t² 10.t 100
en m
V(t) 0,35.t 10
a(t) 0,35
en m/s
pour :
0s t 85,7s
en m/s²
A.2.4 Déterminer le temps total en heure/minute/seconde pour atteindre la vitesse
maximale désirée ainsi que la distance totale nécessaire en km, soient : t 3 et x(t3).
Si origine des temps inchangé:
t 3 105,7 300 405,7 s
t 3 405,7 s
=>
x(t 3) x(t 2) 21000m
x(t 3) 2242 21000 m
Si origine des temps ramené en début de phase 2:
t 3 20 85,7 300 405,7 s
t 3 405,7 s
=>
x(t 3) x(85.7) 21000 m
x(t 3) 2242 21000 m
=>
t 3 6 min 45 s
x(t 3) 23,2 km
=>
t 3 6 min 45 s
x(t 3) 23,2 km
A3 : RESISTANCE A L’AVANCEMENT
Objectifs :
Comparer AGV et TGV en terme de résistance à l'avancement.
L’efficacité d’un train se mesure aussi par une faible résistance à
l’avancement. Plus celle-ci est petite, moins sa consommation d’énergie est grande.
Cet effort résistant, FRAV, s’oppose à l’avancement du train et s’exprime en
fonction de la vitesse V du train par une équation du type :
FRAV = A + B.V + C.V2
avec FRAV en N et V en km/h
Et pour une AGV :
 A : frottements dans les paliers et résistance au roulement et A = 2500
 B.V : frottements des roues sur les faces latérales des rails et B = 29
2
 C.V : résistance aérodynamique du train, pénétration dans l’air et C = 0,45
A.3.1. Tracer le graphe FRAV =f(V) pour V allant de 0 km/h à 360 km/h sur le fond
quadrillé prévu à cet effet sur la feuille suivante.
A6
Ci-dessous la courbe obtenue pour une rame TGV (attention à l’échelle).
FRAV en daN
A.3.2. Comparer votre FRAV d’AGV à 320 km/h avec celui donné ci-dessus par la
SNCF pour un TGV. L’objectif de réduction de la FRAV du TGV de 15 % est-il
atteint ? (justifier)
FRAV AGV à 320 km / h = 57860 N soit 5786 daN et FRAV TGV à 320 km / h = 6750
daN.
Donc FRAV = 964 daN soit 14,28 % de 6750 daN donc objectif quasi atteint suivant
précision de lecture du graphe du TGV
A7
A4 : ETUDE DYNAMIQUE DE L’AGV
Objectifs :
S'approprier la relation effort de traction / accélération.
En traction ferroviaire, l’équation fondamentale de la dynamique en projection
sur l’axe de la voie appliquée à un train de masse M et d’accélération a, sur une voie
inclinée d’un angle (montée ou descente) s ‘écrit :
FT
M.g.sin - FRAV = M.a
avec FT la force de traction (cf. illustration ci-dessous)
y
x
Hypothèse : on néglige l’inertie des masses tournantes rapportées à leurs axes de
rotation car elles sont très inférieures à l’inertie de la caisse.
A.4.1. Définir le terme " M.g.sin " ? Expliquer son influence sur le mouvement
(montée, descente, plat…) du train ?
M.g.sin est la projection du poids du train sur l’axe des X.
En montée - M.g.sin donc le poids freine le train comme FRAV
En descente + M.g.sin donc le poids aide le train
A plat, pas d’influence
En admettant que le train sorte de gare (cf. graphe partie A2) et se trouve sur
une voie ferrée horizontale,
A.4.2. Calculer la force de traction FT nécessaire pour faire avancer le train à
36 km/h (utiliser la phase 1).
FT - FRAV = M.a donc FT = FRAV + M.a = (2500+29x36+0,45x36x36) + 416000x0,5
FT = 212127 N
A8
A.4.3. Calculer la force de traction FT nécessaire pour faire avancer le train à
360 km/h (utiliser la phase 3).
FT - FRAV = M.a donc FT = FRAV + M.a = (2500+29x360+0,45x360x360) + 416000x0,2
FT = 154460 N
A.4.4. Comparer les deux résultats précédents et conclure.
Le démarrage nécessite une force motrice plus importante car il faut « lancer » le
train, après l’inertie acquise par la rame fait le travail et la force nécessaire pour
maintenir une vitesse élevée peut être plus faible
A5 : ETUDE DE L’ADHERENCE ROUE-RAIL
Objectif :
Calculer le coefficient d'adhérence nécessaire pour assurer l'effort de traction
étudié précédemment et comparer AGV et TGV.
Pour chacun des cas : TGV et AGV on retient les indices du même nom.
Hypothèses :
TGV actuel
un niveau (200m)
13 bogies - 8800 kW à 320 km/h - 430 tonnes – 370 places
Transformateur
Traction
AGV 11
Compresseur
un niveau (200m)
Essieu moteur
12 bogies - 7300 kW à 320 km/h - 416 tonnes – 466 places
Un bogie comporte 2 essieux et 1 essieu comporte 2 roues.
A9
L’étude se fait au démarrage, en fin de phase1 de l’étude cinématique.
L’effort de traction FT nécessaire retenu est de :
 FT.TGV = 220000 N pour le TGV
 FT.AGV = 212200 N pour l’AGV.
Accélération de la pesanteur retenue :
 g = 9,81 m/s²
Roue motrice
B
Pour une roue motrice, on modélise ci-contre
Le contact roue motrice / rail.

Liaison essieu-bogie : pivot (B, z ).
 
Problème plan ( x, y) .
Poids propre de la roue négligé.
-
I.1.a. B
A
Bilan des actions mécaniques appliquées à une roue motrice :
Au point A
: Frail/roue = FTr - Pr : action du rail
Au point B
: Cerm : couple d’entraînement roue motrice

Fpivot/roue = - FTr + Pr : action à travers la liaison pivot (B, z )
Avec : Pr : action du poids supportée par roue (motrice ou non)
FTr : effort de traction par roue motrice
A.5.1. Calculer le poids supporté par roue : Pr.AGV.
Pr.AGV = 416000x9,81/(12x2x2)
=>
Pr.AGV = 85000 N
A.5.2. Donner le nombre de roues motrices : Nbrm.AGV.
Nbrm.AGV = 10x 2
=>
Nb.AGV = 20
L’effort de traction FT est assuré par l’ensemble des roues motrices.
A.5.3. Calculer l’effort de traction maximum par roue motrice : FTr .AGV.
FTr.AGV = 212200 / 20
=>
FTr.AGV = 10610 N
A10
Sens du
mouvement
Rail
Coefficient d'adhérence pour assurer la motricité : (
tan )
A.5.4. Déterminer le coefficient d’adhérence roue-rail nécessaire
tan
.AGV =
.AGV.
FTR/Pr :
10610 / 85000
=>
.AGV
= 0,125
A.5.5. Inscrire vos résultats concernant l'AGV dans le tableau récapitulatif suivant.
Poids / roue (en N)
Nombre de roues motrices
Effort de traction maxi par roue
motrice (en N)
Coefficient d’adhérence motricité
TGV
Pr.TGV = 81100 N
Nb.TGV = 16
AGV
Pr.AGV = 85000 N
Nb.AGV.= 20
FTr TGV = 13750 N
FTr AGV = 10610 N
.TGV
= 0,17
.AGV =
0,125
Les constructeurs de matériel moteur fournissent un coefficient d’adhérence
pour les conditions normales du rail : propre et sec. On considère généralement le
coefficient d’adhérence maximal utilisable au démarrage du train, phase la plus
difficile à réaliser.
Il apparaît cependant que l’adhérence maximum sollicitable diminue avec la
vitesse et l’état du rail (sec ou humide). Des formulations expérimentales sont
proposées pour estimer cette adhérence, on peut les caractériser par le graphe cidessous.
0,5
Rail Humide
Rail Sec
0,4
0,3
0,2
0,1
V (km/h)
0
0
50
100
150
200
250
350
300
A.5.6. Interpréter vos résultats.
Rail sec ou humide: La motricité des roues est assurée dans
les deux cas TGV et AGV , en effet, les coefficients d’adhérence
restent inférieures à la limite jusqu’à la vitesse désirée de 36 km/h.
TGV :0,17
AGV : 0,125
36
A11
V (km/h)
A6 : ETUDE DE LA CHAINE DE TRANSMISSION DE PUISSANCE
Objectif :
Effort de
traction (N)
A partir de l'effort de traction et en remontant la chaîne de transmission de
puissance, valider les caractéristiques moteur de l'AGV et comparer les rapports
puissance/place de l'AGV et du TGV.
Limitation adhérence
Le graphe ci-contre caractérise l’allure
de l’effort de traction des roues en fonction de la vitesse
du train, en équipuissance pour : V1 < V <360 km/h .
A vitesse réduite, V < V1, c’est l’adhérence disponible
qui limite la puissance nécessaire en raison de l’effort
de traction limite aux roues.
Concernant l’interprétation du graphe :
Equipuissance
RAV
V1
360
Vitesse d’avancement
(km/h)
A.6.1. Interpréter le terme : équipuissance.
L’équipuissance caractérise la loi d’évolution de l’effort de traction en fonction de la
vitesse à puissance constante : FT=f(V) tel que PT=FTxV=constante
Pour le reste de l’étude, le mouvement retenu pour l’AGV est un mouvement
de translation rectiligne sur voie horizontale.
La puissance de traction PT nécessaire est définie dans l’objectif de vaincre
uniquement la résistance à l’avancement (RAV) et ce à vitesse maximale constante
(360 km/h), dans ce cas un 6ème bogie motorisé est nécessaire.
Concernant l’AGV :
A.6.2. Calculer grâce à la formule donnée en A3 l’effort de traction FT nécessaire
pour vaincre uniquement la résistance à l’avancement.
FT =FRAV = A + B.V + C.V2 = 2500 + 29.360 + 0,45.3602
FT = 71260 N
Pour se ménager une réserve d’accélération à 360 km/h, la puissance de traction
est augmentée de 1%.
A.6.3. Déterminer la puissance de traction totale AGV : PT.
PT= (FT x V) + (1% x FT x V) = (71260x360x1000/3600) + (1% x
71260x360x1000/3600)
PT= 7200 kW
A12
A.6.4. Déterminer la puissance de traction par essieu moteur AGV : PTEm.
PTEM = PT/12
=> PTEm = 600 kW
La transmission de puissance à travers un essieu moteur est caractérisée par
le schéma-bloc suivant :
Energie
électrique
Moteur
m = 0,97
Nm
Cm
Réducteur
r
R = 0,92
Em
R
CR
Essieu
roue
PTEm
V
E
= 0,83
Recherche du rapport de réduction du réducteur à partir du record de
vitesse du 3 avril 2007 (574,8 km/h)
Ce jour là une rame expérimentale nommée V150 battait le record de vitesse
des trains sur roues sur la Ligne à Grande Vitesse Est Européenne : LGVEE. Cette
rame comprenait entre autres 4 bogies moteurs TGV POS et 2 bogies moteurs type
AGV.
Différentes mesures ont été effectuées lors de ce record notamment les vitesses de
rotation des organes de transmission.
Moteur
Tripode
vitesses de rotation en tr/min
TGV POS
320
500 574,8
320
km/h km/h km/h
km/h
2802 4378 5033
Moteur 2741
1643 2567 2951
Essieu 1555
Essieu 1555 2429 2792
TGV POS
AGV
A partir de ces résultats :
A.6.5. Calculer la valeur du rapport de réduction du réducteur de l’AGV : r.
r = N essieu / N moteur = 1555 / 2741
=>
A13
r = 0,567
AGV
500
km/h
4283
2429
574,8
km/h
4924
2792
En considérant l’usure des roues, le diamètre de celles-ci varie de 920 mm à 850
mm, en dessous de ce diamètre la roue est changée. L’étude se fera à mi usure des
roues.
A.6.6. Déterminer la vitesse de rotation des roues :
R
R
en rad/s.
= V / Rmoy = ( 360x1000/3600 ) / ((( 0.920 + 0.850 ) / 2 ) / 2)
=>
= 226 rad/s
R
(2160 tr/min)
A.6.7. Déterminer le couple d’entraînement réducteur nécessaire: CR.
= Em / ( m x
E = PTEm./ (CR x
) = 0,83 / ( 0,97 X 0,92 ) = 0,93
=>
CR = PTEm./ ( E x R) = 600000 / ( 0,93 x 226 )
R)
E
=>
R
CR = 2855 N.m
A.6.8. Déterminer le couple, la vitesse de rotation et la puissance moteur qui doivent
être assurés : Cm (N.m), Nm (tr/min) et Pm (kW).
Cm = (CERx r) /
Nm = (
R/
Pm = Cm x
R
= (2855 x 0,567) / 0,92
=>
r) x 60 / 2 = (226/ 0,567) x 60 / 2
m = 1760 x (3800x2 /60)
Cm = 1760 Nm
=>
=>
Nm = 3800 tr/min
Pm = 700 kW
Moteur type 12 LCS 3550 B
-12 pôles – autoventilé - masse 775 kg+/- 1%
- encombrement 680 mm x 690 mm x 735 mm (H x l x L)
- Puissance continue 730 kW de 3000 à 4570 tr/min
- Vitesse maximale 4570 tr/min
A partir des caractéristiques du moteur synchrone à aimants permanents utilisé par
essieu,
A.6.9. Conclure quant au choix du moteur.
Pm < 730 kW pour 3000 < Nm < 4570 tr/min
A14
=> caractéristiques moteur OK
Calculer la puissance motrice totale nécessaire pour l’AGV : Pm.AGV.
A.6.10.
Pm.AGV.= 12 x Pm = 12 x 700
=>
Pm.AGV.= 8400 kW
Exprimer cette puissance motrice par tonne déplacée ou par place passager
sont des critères d’appréciation et de comparaison intéressants.
Ces critères sont, pour le TGV 200m de notre étude, de l’ordre de :
 Pm.TGV./ tonne = 20 kW / t
 Pm.TGV./ place = 23,5 kW / p
Déterminer pour l’AGV : Pm.AGV./ tonne et Pm.AGV./ place.
A.6.11.
Pm.AGV./ tonne = 8400 / 416
Pm.AGV./ tonne = 20 kW / t
Pm.AGV./ place = 8400 / 466
Pm.AGV./ place = 18 kW / p
A7 : ETUDE DE PRINCIPE DU FREIN RHEOSTATIQUE
Objectifs :
Etudier la récupération d'énergie au freinage.
La mise en situation pour cette partie sera la suivante :
 L'AGV aborde le sommet d'une descente à 360 km/h,
 La pente est de 4 %,
 La longueur de la descente est de 5 km (cf. illustration ci-dessous).
Sens du mouvement
A.7.1. Calculer l'angle de la pente.
Tan
= 4 / 100 d’où
= 2,29° idem si sin utilisé donc ok
Considérant que l'on veut conserver une vitesse constante de 360 km/h,
A.7.2. Calculer FT dans ces conditions (cf. partie A4).
FT M.g.sin - FRAV = M.a donc FT + 416000.9,81.sin2,29° - 71260 = 0
et FT = -91804,5 N
A15
A.7.3. Commenter votre résultat.
FT négatif donc nécessité de freiner
A.7.4. Calculer la puissance dissipée en freinage à l'essieu.
Ptotale dissipée = - 91804,5 N x 100 m/s = - 9180450 W soit - 9180,45 kW
Pdissipée à l’essieu = - 9180450 W / 24 essieux = - 382518,75 W soit - 382,5 kW
A.7.5. Calculer la puissance dissipée en freinage au moteur.
On parcourt la chaine énergétique en sens inverse mais pour les rendements c’est
idem donc E x R = Pmoteur / Pdissipée à l’essieu
Pmoteur = - 382518,75 W x 0,93 x 0,92 = - 327283 W soit 327,3 kW
A.7.6. Calculer le couple sur l'arbre moteur.
CM = PM /
M
= - 327283 W / 398,6 = - 821 N.m
C'est le principe du frein rhéostatique.
Le moteur fonctionne en génératrice donc la mise en rotation de son arbre
(depuis les roues du train) se heurte à un couple résistant et c'est ce couple résistant
qui freine les roues.
Les moteurs de tractions débitent donc dans le rhéostat qui est un banc de
résistances.
Lorsque l'énergie est renvoyée à la caténaire on parle de freinage par
récupération mais les sous-stations actuelles et les lignes ne permettent pas cette
utilisation avec TGV et AGV, ce serait néfaste pour le moteur de toute autre motrice
se trouvant trop près de la zone de freinage.
A.7.7. Proposer une utilisation locale (au niveau du train) de cette énergie
disponible autre que la dissipation sous forme de chaleur.
Si le moteur tourne et qu’on l’excite, il fabrique du courant. Ce courant est envoyé
dans un rhéostat de freinage. Le moteur doit débiter du courant, il doit donc fournir
un effort. Cet effort entraîne le ralentissement de la locomotive, donc du train. Ce
système pose un problème : l’échauffement du rhéostat (RH).
On peut récupérer ce courant pour alimenter lumières, clim et autres éléments de
confort, et l’utiliser pour les ventilos qui refroidissent le rhéostat !!
A16
Partie B
ETUDE DE LA CHAINE D’ALIMENTATION
DES
MOTEURS SYNCHRONES
Convertisseur ONIXTM haute tension 3600 V
(IGBT Power module)
‰ Etude des différents convertisseurs
‰ Etude d’un redresseur double alternance monophasé
‰ Etude d’un redresseur MLI (absorption sinusoïdale)
Ce dossier est constitué de :
- 8 pages numérotées de B2 à B9 [Questionnement et Réponse]
- 2 pages numérotées de DRB1 à DRB2 [Documents réponse]
- 3 pages numérotées de DTB1 à DTB3 [Documents techniques]
Durée conseillée : 1 H30.
B1
PROBLEMATIQUE : Montrer que le besoin d’interopérabilité (alimentation sous
diverses tensions) nécessite l’adaptation de la tension et du courant d’alimentation
en utilisant des structures de convertisseur plus ou moins complexes.
B.1
ETUDE DES DIFFERENTS CONVERTISSEURS
NECESSAIRE POUR ALIMENTER LES MOTEURS:
L’énergie électrique est prélevée par
un pantographe (PT) de la caténaire
PT
et acheminée vers le coffret
AGV 11
transformateur DC à travers des
i
dispositifs de protection et de contrôle12 bogies - 7300 kW à 320 km/h - 416 tonnes – 466 places
commande.
Transformateur (DC)
Bogie moteur
L’énergie
est
convertie
puis
Traction (MC)
Bogie non moteur
acheminée aux coffrets de traction MC
Compresseur
qui alimentent les moteurs de chaque
bogie motorisé.
La chaîne de traction de chacun des essieux moteurs est constituée, d’un « bus » de
tension continue alimentant un onduleur (OND) associé à son moteur de traction.
Dans le cas des alimentations à courant monophasé, chacun des « bus » est
alimenté respectivement par un enroulement du transformateur principal (TFP)
associé à un convertisseur 4 quadrants appelé « Pont Monophasé à Commutation
Forcée » (P.M.C.F.).
Le rôle essentiel du convertisseur d’entrée (P.M.C.F.) est de contrôler le déphasage
entre la tension caténaire et le courant de traction afin de régler le facteur de
puissance au voisinage de l’unité. Ce convertisseur possède la topologie d’un
onduleur monophasé avec une commande MLI.
Pour l'AGV, les réseaux d'alimentation prévus par le constructeur ALSTOM sont :
• 25 KV 50Hz
• 15 KV 16,7 Hz
• 3000V continu
Chaque bogie est équipé de
moteurs synchrones à aimants
permanents triphasés autopilotés. Les caractéristiques nominales de
chaque moteur (Moteur type 12 LCS 3550 B) sont données ci-dessous :
P= 800 kW - Cmax : 4200 Nm - 4570 tr/min - 768 kg - Imax= 280 A
tension = 1600/2800 V - 12 pôles - Puissance continue 730 kW de 3000 à 4500 tr/min.
Les convertisseurs de traction à IGBT type ONIX 233 haute tension 3600 V avec
IGBT 6,5 kV – 400 A.
B.1.1. D’après les documents techniques DTB1 et DTB2, donner le domaine de
tension des alimentations monophasées possibles sur AGV. Préciser les limites
de ce domaine.
Tensions 3kV et 25 kV donc domaine HTA de 1000 V à 50 000 V alternatif.
B.1.2. Rappeler l’habilitation nécessaire pour un exécutant électricien qui intervient
sur cette installation.
H1 ou H1V
B2
B.1.3. A partir du document technique DTB2, compléter sur le schéma bloc les
noms et les symboles proposés ci dessous. Le coffret de traction est alimenté
sous caténaire alternative.
Propositions : Transformateur - Onduleur de courant - Redresseur - Hacheur - Module freinage - 25
kV/50 Hz - 3 kV DC – DJ(C) –DJ(M).
Symboles :
∼
∼
∼
∼
Tous les symboles ne sont pas à utiliser !
25 kV/50 Hz
DJ(M)
∼
Transformateur
Rh
∼
Rh
Redresseur
Module
freinage
∼
∼
MS
3∼
MS
3∼
Onduleur de
courant
B.1.4. Sur le schéma bloc ci-dessus, flécher en rouge le sens du transfert d’énergie
réseau/machine synchrone en traction.
B.1.5. Sur le schéma bloc ci-dessus, flécherer en vert le sens du transfert d’énergie
réseau/machine synchrone en freinage.
B.1.6. En observant le pont d’entrée du PMCF sur le document technique DTB2,
montrer que l’énergie peut être renvoyée sur le réseau.
Oui le pont d’entrée est bidirectionnel IGBT tête bêche avec diode donc réversible
en courant.
B.1.7. En cas de coupure réseau ( ouverture du disjoncteur DJ(M) par exemple),
l’énergie ne peut plus être renvoyée sur le réseau. Expliquer alors comment sera
traitée l’énergie restituée par la machine synchrone en phase de freinage.
Lors des phase de freinage la machine synchrone devient générateur. Si coupure
réseau : Il faut pouvoir récupèrer cette énergie de freinage qui est stockée dans un
premier temps dans le condensateur de filtrage puis dissipé sous forme de chaleur
dans la résistance Rh.
B.1.8. A partir des documents techniques DTB1et DTB2, trouver le repère du
composant permettant la protection contre les surintensités des circuits en
alimentation continue.
DJ(C)
Donner le nom du repère.
B3
B.1.9. A partir des documents techniques DTB1 et DTB2, trouver le repère du
composant permettant la protection contre les surintensités des circuits en
alimentation alternative.
DJ(M)
Donner le nom du repère.
B.1.10. Sur le schéma simplifié d’alimentation de la machine, tracer en rouge le
chemin de l'alimentation 25KV 50Hz depuis les pantographes jusqu'au moteur.
25 kV 50 Hz
3kV DC
DJ(C)
(C)
DJ(M)
(C)
(M)
(M)
B.1.11. Sur le schéma simplifié d’alimentation de la machine, tracer en vert le
chemin de l'alimentation 3KV DC depuis les pantographes jusqu'au moteur.
25 kV 50 Hz
3kV DC
DJ(C)
DJ(M)
(C)
(C)
(M)
(M)
B.1.12. La tension délivrée entre phases aux bornes du moteur étant de 2800 volts,
définir le couplage du moteur synchrone.
Réseau 2800 v moteur 1600/2800 v: COUPLAGE ETOILE
B.1.13. Représenter
les
barrettes
de
couplage
permettant
de
coupler
correctement le stator de la machine.
Ph1
Ph2
Ph3
B.1.14. La vitesse de rotation de la machine synchrone (n) dépend de deux
paramètres, la fréquence (f) du courant d’alimentation et nombre de paire de pôle
(p) de la machine. Exprimer n ( en tr/s) en fonction de f ( en Hz) et de p.
n=
f
p
B4
B.1.15. D’après la structure mise en place sur l’AGV, citer la grandeur physique sur
laquelle l’on agit pour faire varier la vitesse de rotation du moteur.
f : la fréquence
B.1.16. Calculer la fréquence des courants d’alimentation pour que ce moteur tourne
à sa vitesse nominale.
f = p x n = 6 x (4570/60) = 457 Hz
B.1.17. A l’aide du schéma bloc de la question B1.3, Citer le convertisseur
permettant d’agir sur cette grandeur physique ?
Il s’agit de l’onduleur de courant
B.2
ETUDE D’UN REDRESSEUR DOUBLE ALTERNANCE :
PROBLEMATIQUE : L’alimentation des machines synchrones est composée de
plusieurs étages de conversion. Le mode de fonctionnement du premier étage de
conversion (PMCF) possède un fort régime discontinu qui engendre des
perturbations sur le réseau.
En France, le train est un consommateur comme un autre sur le réseau EDF.
Contrairement à l’Allemagne, par exemple, ou le réseau 15 kV est dédié au
ferroviaire.
Dans le domaine ferroviaire la minimisation de ces perturbations générées par la
caténaire
sur
l’environnement
(signalisations,
communications…)
est
particulièrement recherchée.
Dans un premier temps, nous allons montrer qu’un simple redresseur pollue
fortement le réseau électrique.
Dans un deuxième temps, nous allons montrer qu’un redresseur commandé avec
une loi de commande adaptée permettra de réduire grandement ces perturbations.
Simplifions la représentation du pont d’entrée du convertisseur ONIXTM de la manière
suivante :
i0
D1
Réseau
I0
D2
ir
C0
Lr
V0
Vr
D3
D4
B5
RL
Redresseur PD2
B.2.1. Connaissant l’allure de la charge et de la décharge du condensateur CO en
régime établi. Tracer sur le document réponse N°1 l’allure de la tension Vo .
B.2.2. Sur une période, délimiter par des traits pointillés verticaux les différents
intervalles de conduction et préciser les diodes qui conduisent.
B.2.3. Sachant que le courant Ir à pour valeur maximale 700 A, tracer l’allure du
courant ir.
B.2.4. A l’aide des documents techniques DTB3 et DTB4, comparer l’allure du
courant ir aux exemples donnés. A quelle type de charge pourrait ce rapprocher
notre étude.
Un ordinateur portable ou ampoule à économie d’énergie
B.2.5. D’après l’étude spectrale de ce type de charge, le courant est-il pollueur du
réseau ? Justifier.
Le courant pollue fortement le réseau, le régime discontinu crée de nombreux
harmoniques.
Ou THD différent de 0.
B.2.6. En ferroviaire les courants moteur circulent avec les signaux de signalisation
et de commande dans les mêmes supports. Expliquer pourquoi l’allure du
courant ir n’est-elle pas acceptable.
Elle entraine la perturbation possible des signaux de communication transmis par
cette même voie par la présence de fréquences multiples du signal.
A compter aussi juste si précise : Il génère de nombreux harmoniques qui sont
néfaste à la chaine d’alimentation en énergie de notre AGV (échauffement de la
caténaire, vieillissement prématuré et perturbation de l’appareillage).
B.3
ETUDE DU REDRESSEUR MLI :
En réalité le pont d’entrée du convertisseur (PMCF) est composé d’interrupteurs
commandés (K1, K2, K3 et K4). Simplifions la représentation du redresseur MLI de la
i0
I0
manière suivante :
Filtre
Réseau
ir
Lr
R
Vr
L
K1
ie
K3
A
ic
C0
V0
Ve
RL
B
K4
K2
Redresseur MLI monophasé(PMCF)
L’intérêt connu du découpage est de réduire considérablement la taille des éléments
de filtrage.
PROBLEMATIQUE : Nous allons montrer ici, qu’il est aussi possible par
l’utilisation d’une loi de commande appropriée, de corriger le facteur de
puissance entre la tension caténaire et le courant de traction et d’obtenir un
courant ir sinusoïdal et en phase avec la tension Vr.
B6
Hypothèses de fonctionnement :
- La tension de sortie est supposée constante et déjà régulée à Vo (3.6 kV).
- Vr efficace à vide = 1700 volts.
- Les interrupteurs électroniques sont supposés parfaits.
B.3.1. On donne l’allure des tensions VA et VB. En déduire le tracé de Ve(t) sur le
document réponse N°2.
B.3.2. D’après l’allure de la tension Ve(t) obtenue, expliquer ce qu’est une tension
de type MLI.
Tension alternative composée d’impulsions (créneaux) de largeur variable.
B.3.3. . A partir de votre tracé question B3.1, tracer en couleur bleu l’allure du
fondamental de Ve (noté VeBF) sur le document réponse N°2 . Pour effectuer
correctement le tracé, calculer l’amplitude du fondamental de Ve. On précise que
la valeur VeBF = 0,6xVo avec VeBF : représentant la valeur efficace du
fondamental de Ve.
Calcul : L’amplitude du fondamental peut être déduite : VeBF .
Vemax = 0,85 Vo
B.3.4. Donner la valeur ( en
fondamental de Ve et Vr.
degré)
2 = r . Vo
du déphasage δ (angle de calage) entre le
δ ≈ 17 °
B.3.5. On ne considére maintenant que les grandeurs fondamentales de pulsation ω,
on les notera :
-
irBF pour le fondamental de ir.
VeBF pour le fondamental de Ve.
On considère la maille d’entrée du redresseur :
ir
Réseau
VR
VL
R
L
ie
Ve
Vr
Vo
PMCF
Exprimer la loi des mailles dans la maille d’entrée :
r
r
r
r
Vr = VR + VL + Ve
B.3.6. Compléter le diagramme de Fresnel relatif à la maille d’entrée. On notera ϕ et
δ les retards angulaires respectifs de irBF et de VeBF par rapport à VrBF.
VrBF
ϕ
IrBF
δ
VeBF
VLBF=j LωIr
VRBF = RIr
B7
Sur le diagramme de Fresnel ci-dessus, le cos ϕ est inférieur à 1. En agissant sur
l’angle de calage δ, on peut ramener Ir en phase avec Vr et atteindre le cos ϕ
unitaire.
B.3.7. On a relevé les tensions Vr, Ve et le courant Ir en entrée du PMCF. A l’aide de
ces courbes, mesurer l’angle ϕ et calculer le cosϕ.
Détails calculs :
Si l’on observe Vr et
Ir l’on constate un
déphasage d’environ
10 ° soit un cos ϕ ∼
0,98
2000.0
(A) :t(s)
1750.0
Ir
1500.0
1250.0
(V) :t(s)
Ve
1000.0
Vr
750.0
500.0
I(A)
250.0
0.0
-250.0
-500.0
-750.0
-1000.0
-1250.0
-1500.0
-1750.0
-2000.0
0.34
0.345
0.35
0.355
0.36
0.365
0.37
t(s)
0.375
0.38
0.385
0.39
0.395
0.4
B.3.8. Vu du réseau, si le cosinus ϕ est égal à 1, que peut on dire de la puissance
réactive Q absorbée par le PMCF ?
La puissance réactive Q est nulle.
B.3.9. On considère ici que Vr et ir sont parfaitement sinusoïdaux. Le fait de pouvoir
‘corriger’ l’énergie réactive consommée apporte de nombreux avantage sur la
distribution d’énergie électrique. Nous allons montrer ici son influence sur le
dimensionnement du transformateur TFP en tête de la chaine d’alimentation.
On considére que l’ensemble de la chaine de traction et des auxiliaires
consomme une puissance de 2800 kW et que le transformateur TFP peut fournir
une puissance apparente de 3500 kVA.
Calculer la puissance appelée par l’installation (S) si le cosϕ est mal reglé et égal à
0,75.
S = P / cosϕ = 3733 kVA
Montrer alors que le transformateur est sous dimensionné en exprimant son taux de
surcharge en pourcent.
Transfo en surcharge :
3733 − 3500
x100 = 6,65 %
3500
B8
Maintenant corrigeons le cosϕ en le ramenant proche de 1. Prenons un cosϕ =
0,928.
Calculer alors, en pourcent, la charge du transformateur.
S = P / cosϕ = 3017 kVA
3017 − 3500
x100 = -13 %
Transfo en surcharge :
3500
Le transformateur est-il alors en surcharge ou possède t-il encore de la
puissance disponible ?
Il reste encore 13 % de puissance disponible.
B.3.10. D’après l’allure du courant en B3.7 et de son analyse spectrale donnée cidessous :
Spectre du courant source Is (A/Hz)
2000.0 THDi = 7.37 %
1500.0 1000.0 500.0 1 ère famille de raies autour de 900 Hz
0.0 0.0 100.0 0.2k 0.3k 0.4k 0.5k 0.6k 0.7k 0.8k 0.9k 1.0k 1.1k 1.2k 1.3k 1.4k 1.5k 1.6k 1.7k 1.8k 1.9k 2.0k 2.1k 2.2k 2.3k 2.4k 2.5k 2.6k
f(Hz) Repérer son fondamental, et donner sa fréquence :
50 Hz
B.3.11. Résumer l’ensemble des caractéristiques qui permettent de dire que le
PMCF vu par le réseau, se rapproche d’une charge résistive qui ne crée pas de
‘pollution’ sur le réseau.
Le courant absorbé est en phase avec la tension ( 1 ére série de raie autour de
900 hz) cos ϕ proche de 1 et de plus il est sinusoïdal (pas de production
d’harmoniques).
B9
Document réponse N°1
Vr
A.2
ETUDE DU REDRESSEUR DOUBLE ALTERNANCE:
t
Charge
de Co
Décharge
de Co
Vo
B2.1
t
B2.2
Diodes en
conduction
D1
D4
-
D2
D3
-
ir
800 A
700 A
B2.3
Considérer juste le
tracé rectangulaire
du courant
-800 A
DRB 1
Document réponse N°2
B.3
Vr
Ir
ETUDE DU REDRESSEUR MLI:
Vr
Ir
ωt
B3.1
B3.3
DRB 2
Document technique N°1
SCHEMA DE PRINCIPE PUISSANCE AGV NTV 11 voitures:
PT2(3 kV) PT1 (25 kV) PT1(25 kV) PT2 (3 kV) PRISE 3 kV Secours (Diesel) H(O‐C)
E1 E2 DJ(M) H(O‐C)
PALPAGE
PALPAGE
DJ(C)
H(O‐M) DJ(M) H(O‐M)
COFFRE HT (TC3) RESEAU AUXILIAIRE
M
M
M
M
RH RH
RESEAU AUXILIAIRE
RESEAU AUXILIAIRE
DTB 1
COFFRET TRANSFORMATEUR (DC2) RH
(MC21)
RH
(MC22)
RH M
COFFRET TRACTION M
M
COFFRET TRACTION M
COFFRET
COFFRET TRACTION TRACTION
(MC31)
M
COFFRET TRANSFORMATEUR (TC3) COFFRET TRACTION (MC12) COFFRET TRACTION (MC11) RESEAU AUXILIAIRE M
E2 E1 DJ(C) H‐HT
(AC2) H‐HT
(MC31) COFFRE HT (AC1)
COFFRET TRANSFORMATEUR (DC1) A.1
Document technique N°2
A.2 ALIMENTATION SOUS CATENAIRE 3 kV CONTINUE et 25 kV ALTERNATIVE (Coffret traction):
25 kV
3kV
Caténaire
PT1
PT2
DJ(M)
DJ(C)
(C)
2800 volts
(C)
C2F
(M)
TFP
Cbus
TFP
MS1
(M)
RH
L2F
(M)
Ponts moteur
deuxième essieu
(M)
MS2
Bogie moteur
Autres essieux
-
DTB 2
(C) : fermé sous continu,
(M) : fermé sous alternatif
Document technique N°3
La pollution harmonique :
i(t)
V(t)
La pollution est la dégradation d’une ressource.
Charge non linéaire
Dans le cas de la pollution harmonique la ressource est l’énergie
tps
électrique fournie par le réseau.
Cette énergie est idéalement de forme sinusoïdale. (TDH = 0)
Lorsque l’allure du courant se déforme, on parle de pollution harmonique.
Un POLLUEUR est une charge non linéaire (C’est-à dire une charge qui, alimentée par une tension
sinusoïdale v(t), appelle sur le réseau un courant déformé).
L’étude spectrale du courant permet de mettre en évidence les raies d’harmonique, leur amplitude et
leur fréquence d’action. Par exemple, sur le spectre du courant appelé par un ordinateur sur le réseau
donné ci dessous, on constate que le courant appelé est loin d’être sinusoïdal ! Il y a de nombreux
harmoniques aux fréquences 150 Hz, 250 Hz, 350 Hz, 450 Hz …
tps
Effets des harmoniques :
Effets instantanés : Perturbations dans le fonctionnement des appareils de protection et de
commutation.
Effets à moyen et long terme : Echauffement des matériels électriques et par conséquent
vieillissement prématuré.
Exemple de charge non linéaire :
-
Ampoule à économie d’énergie :
Nombreux
harmoniques
impaires.
THD de 107 % : La
valeur efficace des
harmoniques de
courant est aussi
importante que la
valeur efficace du
fondamental.
-
Transformateur à vide :
Présence des
harmoniques de
rang 3
et 5
THD = 37 %
DTB 3
Document technique N°4
-
Ordinateur portable :
Nombreux
harmoniques de
rang impair
THD = 161 %
-
Téléphone portable :
Pollution
harmonique
importante
( Rang pair et
impair présents)
THD = 235 %
DTB 4
C
Performance
Economie
Confort
Sécurité
ETUDE DE LA DISTRIBUTION
D'UNE RAME AGV
Ce dossier est constitué de :
- 2 pages numérotées C1 à C2 [ données et notations utilisées ]
- 10 pages numérotées C3 à C12 [ questionnement ]
- 8 pages numérotées DTC1 à DTC8 [ Documents techniques DT1 à DT4 ]
Cette partie C est décomposée en :
• C1 : Dimensionnement du Transformateur,
• C2 : Etude des auxiliaires motrices,
• C3 : Section des câbles du ventilateur CT2 et du ventilateur RH2,
• C4 : Etude du pantographe.
Les sous parties C1 C2 C3 et C4 peuvent être traitées de manière indépendante.
Durée maximum conseillée :1 heure 30
I. Alimentation des rames de l'AGV.
Le réseau électrique ferroviaire d'alimentation n'est pas le même partout en
France et cela est encore plus vrai en Europe où le TGV circule ( Ligne ParisAmsterdam , Paris- Francfort ...) et le sera pour la future AGV .C'est pourquoi
l'alimentation des trains doit prévoir ses changements d'alimentation. La pénétration
sur les réseaux allemand et suisse oblige de concevoir des rames tri tension (voir
quadri tension ) comportant en plus des tensions 25kV 50Hz, la tension spécifique
de l’Allemagne et de la Suisse : le 15kV 16,7Hz. Il faut noter aussi que du 3kV
continu est utilisé sur le réseau italien .
II. Répartition des coffrets électriques .
Le nouveau concept de l'AGV est basé sur la modularité. Une rame AGV 11 voitures
est composée de modules comprenant chacun :
– une voiture (pilote ou intermédiaire) avec un coffret transformateur,
– deux voitures intermédiaires,
– deux bogies moteurs,
A ces modules peuvent être
– deux coffrets de traction.
rajouté des voitures clefs
détail d'un module avec l'emplacement des différents coffrets :
Module 3 wagons
PT1 et PT2
RH1
RH2
RH : Résistance
freinage
DC coffret
transformateur
Compresseur
MC :coffret
traction
DC1
MC11
MC12
bogie non motorisé
bogie motorisé
L' énergie électrique est récupérée par un pantographe PT1 ou PT2 de la caténaire
et est acheminée vers le coffret transformateur DC1 à travers des dispositifs de
protection et de contrôle-commande.
L'énergie est convertie puis acheminée aux
coffrets de traction MC qui alimentent les 2
moteurs de chaque bogie motorisé. Un
coffret de résistance de freinage permet
d'évacuer l'énergie pendant cette phase.
Les autres modules constituant la rame sont
alimentés par la ligne de toiture .
C1
Dessus du train
ligne de
toiture
III. Captage de l'énergie
CX : PANTOGRAPHE PILOTÉ POUR UN
CAPTAGE DE COURANT OPTIMAL
Grâce
aux
plus
récentes
innovations
technologiques, le système à pantographe
piloté, mis au point par la société Faiveley est
désormais utilisable sur une plus large gamme
de matériel roulant comprenant :
• les trains interurbains pouvant atteindre
une vitesse de 250 km/h,
• les trains circulant sur différents réseaux
• les trains à très grande vitesse capables
de rouler à plus de 350 km/h.
Le captage de courant est extrêmement
complexe dans la mesure où il est nécessaire
d’adapter la position du pantographe aux
nombreuses variations des conditions de
fonctionnement (vitesse du train, type de
caténaire, position du pantographe sur la rame,
direction du véhicule, etc.).
Actuellement, la plupart des pantographes sont
équipés d’un aileron permettant un réglage
aérodynamique : les résultats obtenus sont loin d’être parfaits. Grâce à
l’électronique, le système mis au point par Faiveley assure un réglage dynamique
précis de la force de contact entre le pantographe et la caténaire .
IV. Conversion de l'énergie
Pour tous les systèmes d’alimentation, la chaîne de traction de chacun des essieux
moteurs est constituée, d’un « bus » de tension continue alimentant un onduleur
associé à son moteur de traction.
Dans le cas des alimentations à courant monophasé, chacun des « bus » est
alimenté respectivement par un enroulement du transformateur principal TFP
associé à un convertisseur 4 quadrants appelé « Pont Monophasé à
Commutation Forcée » (P.M.C.F.).
Chacun des convertisseurs d’entrée P.M.C.F. est associé à un filtre destiné à limiter
l’ondulation de tension sur le bus continu engendrée par le redressement. En
alimentation 25kV 50Hz le filtre est accordé à 100Hz (2 fois 50Hz), en alimentation
15kV 16,7Hz le filtre est accordé à 33Hz.
Le convertisseur d’entrée P.M.C.F., dont l’un des rôles essentiels consiste à
contrôler le déphasage (grâce à une commande MLI appropriée) entre la tension
caténaire et le courant de traction afin de régler le facteur
de puissance au voisinage de l’unité, possède la topologie
d’un onduleur monophasé.
C2
C1 : Dimensionnement du Transformateur
Le transformateur permet d'abaisser la tension en fonctionnement monophasé 25kV
ou 15kV afin d'alimenter le bus continu 3.6kV .
Les pont PMCF commandé permettent de moduler la tension quasi continue de
sortie . Ce pont à commande MLI abordé en partie B permet d'élever la tension du
bus continu par rapport à la tension secondaire du transformateur .
Relation :
1
2
2
avec :
V0 : tension bus continue
V2m : tension maximale au secondaire monophasée
K : coefficient de commande MLI du PMCF
C.1.1. Calculer la tension efficace V2 au secondaire du transformateur pour obtenir
dans les conditions maximales (K=0.833) une tension Vcont =3600V :
2
K
V2m = 2*3600/(0.833-0.5)=2400 V
V2= V2m / √2 =1697 V
C.1.2. En déduire le rapport de transformation ma pour l'alimentation en V1a = 25KV :
ma= V1a /V2 = 25000 / 1700 = 14.7 OU
ma= V2/ V1a = 1700 /25000 = 0.068
C.1.3. La puissance nominale du transformateur vous étant fournie dans le document
technique DT1 , Calculer le courant I1a au primaire du transformateur :
S = V1a * I1a ==> I1a = S/ V1a = 3500000/25000 = 140 A
C.1.4. On considère les 4 secondaires du transformateur uniformément chargés ,
Calculer le courant I2a au secondaire du transformateur :
S = 4* V2 * I2a ==> I2a = S/4*V = 3500000/4*1700 = 514.7 A
C.1.5. Calculer le rapport de transformation mb pour l'alimentation en V1b = 15KV :
mb= V1b /V2 = 15000 / 1700 = 8.82 OU
mb= V2/V1b = 1700 / 15000 = 0.11
C3
C.1.6. Calculer le nouveau courant I1b au primaire du transformateur :
S = V1b * I1b ==> I1b = S/ V1b = 3500000/15000 = 233.3 A
C.1.7. Déduire des questions C.1.3 et C.1.6 le calibre du disjoncteur DJ(M) voir fin
du document DT3:
calibre 250 A
C.1.8. A partir des caractéristiques du transformateur données ci dessous calculer :
• la tension de court circuit en V (couplage 25kV),
• La résistance des enroulements Re1 au primaire en Ω (cf C.1.3),
En déduire les pertes en charges couplage 15kV.
U1CC = Ucc% * V1a = 4*25000 /100 = 1000 V
Pertes ch= Re1 *I1a2 ==> Re1= Pch /I1a2 = 26500 / 140 2 = 1.35 Ω
Ppertes= Re1 *I1b2=1.35*233 2=73290 W
Puissance assignée
Tension primaire
Tension secondaire à
vide
Pertes à vide
Pertes en charge
Tension de court circuit
%
Courant à vide %
Résistance RTR (mΩ)
Réactance XTR (mΩ)
Couplage
25kV 50Hz
3500 kVA
25 kV
1700V
3200W
26500W
4
Couplage
notes
15kV16.7Hz
3500 kVA
( pour les 4 secondaires)
15 kV
1700 V
( identique pour les 4
secondaires)
2900W
?
4
1.05
1.11
5.12
1.05
0.57
3.84
(pour un enroulement,
ramené au secondaire)
photo du transformateur
Ventilateur de
refroidissement
Pompe de
refroidissement
C4
Le transformateur de traction et son système de refroidissement
forment un ensemble intégré complet.
Cette double utilisation des enroulements fut mise en œuvre pour la première fois sur la locomotive italienne
E412, en 1996. Elle a, depuis, été adoptée par d’autres types de train, notamment l’ETR 500, l’AGV, le train à
grande vitesse de la NTV et la locomotive Traxx MS.
Toujours par souci de légèreté, l’enveloppe du transformateur est en aluminium, les conservateurs d’huile sont
intégrés à l’ensemble et des moteurs 60 Hz remplacent les habituels moteurs 50 Hz du système de
refroidissement avec les mêmes performances.
Des filtres à condensateurs ont été ajoutés pour atténuer les harmoniques. Les applications ferroviaires sont
extrêmement sensibles à la pollution harmonique, susceptible de perturber les systèmes de signalisation. Sur ce
plan, les exigences sont très contraignantes et les problèmes potentiels doivent être examinés à la loupe. Le
transformateur de traction et son système de refroidissement forment un ensemble intégré complet dont
l’installation et la maintenance sont simplifiées. Il s’agit là d’un concept inédit pour Siemens qui achète
normalement les deux éléments séparément. L’ensemble ne nécessite ni dégazage, ni remplissage d’huile et
peut fonctionner sur de longues périodes avec un minimum d’entretien
C.1.9. Pourquoi les pertes à vide sont différentes suivant le couplage ?(indiquer le
paramètre qui pourrait justifier cette différence) :
Pertes à vides = pertes par hystérésis et par courants de
foucault dépendant de la fréquence et de la tension
D'après l'extrait de l'article ci dessus et la photo du transformateur Répondre aux
questions suivantes :
C.1.10.
Donner le fluide de refroidissement utilisé ?
Huile
C.1.11.
D'après vos connaissances, indiquer de quelle sécurité peut se passer
ce transformateur ?(justifier votre réponse)
Relais DGPT2 car pas de dégazage
C.1.12.
En déduire le type de mode de refroidissement ? ( cf tableau ci
dessous). Justifier chaque lettre dans le cadre page suivante.
O
L
G
A
S
1ère lettre
Nature
du
diélectrique
Huile minérale
Diélectrique
chloré
Gaz
Air
Isolant solide
2ème lettre
Mode
de circulation
du diélectrique
Naturel
N
Forcé
F
Forcé et dirigé
D
dans les
enroulements
C5
O
L
G
A
S
3ème lettre
Fluide
de
refroidissement
Huile minérale
Diélectrique
chloré
Gaz
Air
Isolant solide
N
F
4ème lettre
Mode
de circulation
du fluide
Naturel
Forcé
OFAF :
O : diélectrique huile (cf texte)
F : circulation forcée par pompe ( cf schéma)
A : air (cf schéma)
F : ventilation forcée (cf schéma)
C2 : Etude des auxiliaires motrices
Les auxiliaires motrices de chaque module sont la ventilation coffrets, les pompes
de refroidissement, le compresseur,...,
Le schéma simplifié d'alimentation des auxiliaires est donné dans les documents
DT2 .
C.2.1. Compléter le tableau des puissances actives ,réactives et apparentes des
auxiliaires modules suivants en vous aidant des données fournies sur les plans
DT2 .
Puissance
utile (KW)
Puissance
active
absorbée(
P) en KW
Puissance
réactive
absorbée
(Q) en
KVAR
7.62
3.715
Puissance
apparente
absorbée
(S) en KVA
Type
référence
Compresseur
Pompe Eau
CT1
Pompe Eau
CT2
Pompe Huile
TFP
Ventilateur
TFP
TOTAL
onduleur A1
CP1
PE1
9.5
4.7
10.92
5.53
PE2
4.7
Idem CT1
Idem CT1
Idem CT1
PH1
4
4.82
5.94
7.65
VT1
11
12.5
7.42
14.54
39.3
28.41
48.49
ONDA1
13.31
6.66
C.2.2. Faire le bilan de puissance des onduleurs ONDA1. Remplir la case "TOTAL
Onduleur .A1. " dans le tableau ci dessus, et préciser ci dessous votre méthode
et les formules utilisées .
Puissance active = Puissance utile / rendement
Puissance apparente = Puissance active / cos ϕ
Puissance réactive = Puissance apparente * sin ϕ
C6
C.2.3. Déduire le coefficient de sécurité en % prévu par le constructeur pour
l'onduleur ONDA1 .
coefficient de sécurité Ks = 100* (Pnominale -Pcalculé) / Pnominale
Ks1 = ..(60-48.5)/60=...19 %
C.2.4. A partir des courbes de couple résistant des machines ci dessous, indiquer
sous chaque courbe le type de machines correspondantes parmi les 3 choix
suivants :
‹ ventilateur, pompe
‹ levage, manutention
‹ malaxeur, machine outil
T(Nm)
T(Nm)
T(Nm)
Tr = f(n)
Tr = f(n)
n(tr/s)
n(tr/s)
Machine 1:
Machine 2:
levage
_________________
malaxeurs
_______________
Tr = f(n)
n(tr/s)
Machine 3;
ventilateurs
______________
C.2.5. On remarque que l'onduleur ONDA2 (voir plans DT2 ) est prévu de fonctionner
à fréquence variable. En remarquant le type de machines alimentées par celui-ci :
Préciser ce qui va se passer pour les machines si la fréquence augmente.
En déduire le rapport de la puissance entre la fréquence de 50 Hz et la
fréquence de 70 Hz.
L'onduleur ONDA2 est à fréquence variable .Les équipements sont des
ventilateurs donc si on augmente la fréquence de ONDA2 on augmente la
vitesse des ventilateurs
fréquence 70Hz Couple au carré donc (70/50)2 et Puissance au cube donc
(70/50)3 =2.74
C3 : Section des câbles du ventilateur CT2 et du ventilateur RH2
Les câbles alimentant les ventilateurs du coffret de traction CT2 et du rhéostat de
freinage RH2 sont acheminés en chemins de câbles perforés posés en extérieur
•
câble CT2 : 2 autres circuits sont acheminés par le même chemin de câbles sur
une couche ,ce câble est mono conducteur en cuivre et isolant PVC longueur
35 mètres,
•
câble RH2 : 4 autres circuits sont acheminés par le même chemin de câbles
sur 2 couches ,ce câble est multiconducteur en cuivre et isolant PR longueur
55 mètres.
Ces câbles sont soumis aux températures extérieures variant de -15 °C à +45°C .
C7
C.3.1. Déterminer la température ambiante la plus contraignante pour les câbles.
Expliquer pourquoi.
45°C car température la plus élevée qui détermine la contrainte la plus dure
pour évacuer les pertes par effet joules
C.3.2. Calculer le courant d'emploi IbCT2 circulant dans ce câble (Prendre les
données du ventilateur CT2 dans les plans électriques en considérant que la
puissance utile est demandée à la fréquence de 50Hz). En déduire le courant
nominal du disjoncteur protégeant le ventilateur voir fin document DT3.
IbCT2 =Pa CT2 / √3 * U *cos ϕ
IbCT2 =12500 / √3 * 400 *0.86 = 20.98 A
INCT2 = 25 A
C.3.3. Compléter le tableau suivant en utilisant les documents ressources DT3 pour
choisir le câble de CT2 .
Ame
CU
Enveloppe Lettre de
isolante sélection
PVC
F
K1
K2
K3
IZ
I’Z
1
0.82
0.79
25
38.59
Section de l’âme
d’un conducteur
6 mm2
C.3.4. Calculer le courant d'emploi IbRH2 circulant dans ce câble (Prendre les
données du ventilateur RH2 dans les plans électriques en considérant que la
puissance utile est demandée à la fréquence de 50Hz) En déduire le courant
nominal du disjoncteur protégeant le ventilateur voir fin document DT3 .
IbRH2 =Pa RH2 / √3 * U *cos ϕ
IbRH2 =10840 / √3 * 400 *0.86 = 19.31 A
INRH2 = 20 A
C.3.5. Compléter le tableau suivant en utilisant les documents ressources DT3 pour
choisir le câble de RH2 .
Ame
CU
Enveloppe Lettre de
isolante sélection
PR
F
K1
K2
K3
IZ
I’Z
1
0.6
0.87
20
38.31
C8
Section de l’âme
d’un conducteur
4 mm2
C4 : Etude
E
du pantogrraphe
La régulation de
e pression du panto
ographe su
ur la caté
énaire, asssurant le captage
c
optimal du coura
ant quelque
e soit les conditions
s, est assu
urée par le
e boitier IP
PCU (cf
ations page
es C2 et DT4)
D
.
informa
s
e ses interrfaces :
et
Synoptique du système
Boitier IP
PCU 1
alimentation
pn
neumatique
e
alimentation
éle
ectrique
ordre
e / sens
marcche
vitessse
états/
défauts
Cab
bine 1 de
contrô
ôle du train
n
co
ommandess
/ consignes
c
capteurs/
messures
Pa
antographe
e
1
Pantographe
2
nt est décrrit dans le document
d
technique DT4.
Le foncctionnemen
C9
Cabine
e 2 de
contrôle du
d train
C.4.1. Déterminer la grandeur pneumatique qui va nous permettre de régler l'effort
du pantographe sur la caténaire. Rappeler l'expression de l'effort par rapport à
cette grandeur ainsi que les unités légales.
La pression P, effort F = P * S (section du vérin (coussin)
F en N , S en m2 P en Pa
C.4.2. D'après le document sur la pneumatique proportionnelle et la description du
système (document DT4), déterminer la grandeur régulée choisie par le
constructeur( Choisir et justifier votre réponse).
… Régulation en pression
… Régulation en débit
régulation en pression du coussin ( car régulation de l'effort)
C.4.3. En déduire le type de version de vanne proportionnelle SERVOTRONIC (
document DT4) pour le mode de défaillance du système.
… Vanne centre ouvert
… Vanne centre fermée
C.4.4. D'après les mêmes documents choisir la plage de régulation de la vanne
ainsi que sa référence ( diamètre de tuyau 1 pouces : G1) .
plage de régulation système 1.5 à 5.5 bars donc plage choisie de 0 à 6 bars
référence vanne en G1 : 601 00 035
C.4.5. Le type de commande choisie est une entrée 4-20 mA. Rappeler l'intérêt de
ce type de signal par rapport à un signal 0-10V ou 0-20mA.
détection en cas de fil coupé
C.4.6. En déduire la valeur du courant pour les pressions minimales et maximales
de régulation prévu par le système.
1.5 bar : 8 mA
5.5 bar : 18.66 mA
C 10
C.4.7. Préciser en fonction du boitier IPCU et du schéma de la boucle de régulation,
les options à prévoir pour le choix de la vanne proportionnelle SERVOTRONIC (
document DT4).Donner les références des options.
consigne analogique 4-20 mA réf 910 507
sortie capteur 4-20 mA réf 010 616
C.4.8. Compléter le schéma de la boucle de régulation ci dessous en rajoutant les
types de convertisseur manquant, les grandeurs et leurs unités échangées entre
les blocs.
écart
_________
:
Consigne :
volt
________
Automate
en
+
consigne vanne
___________
:
volt
________
en
correcteur
en
mA
________
vanne
proportionnelle
U
?
?
capteur
pression
IPCU
mesure :
___________
pression :
___________
mA
________
en
en
choix convertisseur possible :
U
P
U
I
I
I
P
Exemple de réponse :
énergie___ :
en
Joule_
C 11
U
bars
________
C.4.9. Vérifier si les caractéristiques de la vanne proportionnelle sont conformes à la
précision du système IPCU.( voir document DT4)
précision vanne <0.5% PMR = 0.5*6/100 = 0.03 bar
précision attendue système = 0.075
Le constructeur de la vanne proportionnelle fournit la courbe de réponse ci
dessous à une demande de pression (type échelon) de 0 à 6 bars pour
différentes contenances de coussins ( 0.2 à 10 litres) :
95% =5.7bars
0.46s
C.4.10.
Déterminer graphiquement le temps de réponse de la vanne pour une
contenance de 2 litres. Représenter sur la courbe votre ou vos tracés .
temps de réponse à 95% détermination graphique pour
courbe 2L = 0.46 s
C.4.11.
Décrire la qualité de la régulation dans ce cas
Stabilité :
Précision :
… OUI
… OUI
… NON
… NON
C.4.12.
Indiquer le type de régulation utilisée dans ce système
… Proportionnelle seul
… Intégrale seul
… Proportionnelle Intégrale
… Proportionnelle Dérivée
C 12
Document technique DT1 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE rame AGV 11
DTC 1
Document technique DT2 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE auxiliaire
400V
60 KVA
50 Hz
9.5 kW
1240 tr/mn
cos ϕ=0.82
η=0.87
1240 tr/mn
cos ϕ=0.83
η=0.85
4.7 kW
1240 tr/mn
cos ϕ=0.83
η=0.85
4.7 kW
4 kW
360 tr/mn
cos ϕ=0.63
η=0.83
11 kW
1470 tr/mn
cos ϕ=0.86
η=0.88
DTC 2
Document technique DT2 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE auxiliaire (suite )
11 kW
2910 tr/mn (50 Hz)
cos ϕ=0.86
η=0.88
11 kW
2910 tr/mn (50 Hz)
cos ϕ=0.86
η=0.88
400V
75 KVA
Fréq var
9 kW
2880 tr/mn (50 Hz)
cos ϕ=0.81
η=0.83
9 kW
2880 tr/mn (50 Hz)
cos ϕ=0.81
η=0.83
DTC 3
Document technique DT3 : Détermination des sections de phase
Les tableaux figurant ci-dessous et ci-contre permettent de déterminer la section des conducteurs de phase d'un circuit. Cette section dépend :
„ des conditions d’installation des câbles à savoir le mode de pose, la température ambiante etc.
„ de l’intensité véhiculée par le circuit ou plus précisément du calibre du disjoncteur protégeant la canalisation.
Ces tableaux ne sont utilisables que pour des canalisations non enterrées et protégées par disjoncteur. Pour obtenir la section des conducteurs de phase, il faut
„ Déterminer une lettre de sélection qui dépend du conducteur utilisé et de son mode de pose ;
„ Déterminer un coefficient K qui caractérise l’influence des différentes conditions d’installation.
Ce coefficient K s’obtient en multipliant les trois facteurs de correction. KI K2 et K3:
„ le facteur de correction K1 prend en compte le mode de pose.
„ le facteur de correction K2 prend en compte l’influence mutuelle des circuits placés côte a côte,
„ le facteur de correction K3 prend en compte la température ambiante et la nature de l’isolant
Exemple :
Un câble PR triphasé est tiré sur un chemin de câbles perforé. jointivement avec 3
Figure 1
autres circuits constitués Figure 1 :
• d’un câble triphasé (1er circuit);
• de 3 câbles unipolaires (2ième circuit);
• de 6 câbles unipolaires (3ième circuit) : ce circuit est constitué de 2 conducteurs par
1
3
phase.
PR
2
Il y aura donc 5 groupements triphasés. La température ambiante est de 40 °C. Le
câble PR véhicule 23 ampères par phase.
La lettre de sélection donnée par le tableau correspondant est E
Le facteur de correction K1, donné par le tableau correspondant est 1.
Le facteur de correction K2, donné par le tableau correspondant est 0.75.
Le facteur de correction K3, donné par le tableau correspondant est 0.91.
Température: 40 °C
Le coefficient K, qui est K1 x K2 x K3 est donc 1 x 0.75 x 0.91 soit 0.68.
Détermination de la section
On choisira une valeur normalisée de ln juste supérieure à 23 A.
Le courant admissible dans la canalisation est lz = 25A.
L’intensité fictive I’z prenant en compte le coefficient K est I’z = 25 / 0,68 = 36,8 A
En se plaçant sur la ligne correspondant à la lettre de sélection E. dans la colonne PR3, on choisit la valeur immédiatement supérieure à 36,8
A. soit. ici 42 A dans le cas du cuivre qui correspond à une section de 4 mm² cuivre ou. dans le cas de l’aluminium 43 A. qui correspond à une
section de 6 mm²
Lettre de sélection
Types d’éléments
Conducteurs
conducteurs et
câbles multiconducteurs
câbles multiconducteurs
câbles monoconducteurs
mode de pose
„ sous conduit, profilé ou goulotte. en apparent ou encastré
„sous vide de construction, faux plafond
„sous caniveau. moulures plinthes chambranles
„ en apparent contre mur ou plafond
„ sur chemin de câbles ou tablettes non perforées
„ Sur échelles, corbeaux chemin de câbles perforé
„fixés en apparent, espacés de la paroi
„ cibles suspendus
„ sur échelles, corbeaux. chemin de câbles perforé
„ fixés en apparent, espacés de la paroi
„ cibles suspendus
lettre de
sélection
B
C
E
F
facteur de correction K1
Lettre de sélection
cas d’installation
„câbles dans des produits encastres directement dans des matériaux thermiquement isolants
„ conduits encastrés dans des matériaux thermiquement isolants
B
„ câbles multiconducteurs
„ vides de construction et caniveaux
C
B, C, E, F
„pose sous plafond
„autrescas
K1
0,70
0,77
0.90
0.95
0.95
1
facteur de correction K2
lettre
disposition des
câbles jointifs
B, C
C
encastrés ou noyés dans les parois
E, F
simple couche sur des tablettes
horizontales perforées ou tablettes
verticales sur des tablettes
simple couche sur des échelles à
câbles. corbeaux. etc
simple couche sur les murs ou les
planchers ou tablettes non
perforées
simple couche au plafond
facteur de correction K2
nombre de circuits ou de câbles multîconducteurs
1
2
3
4
5
6
7
1,00 0,80
0,70
0,65
0,60
0,57
0,54
8
0,52
9
0,50
12
0,45
1,00
0,85
0,79
0,75
0,73
0,72
0,72
0,71
0,70
0,70
1,00
0,81
0,72
0,68
0,66
0,64
0,63
0,62
0,61
0,61
1.00
0.88
0.82
0.77
0.75
0.73
0.73
0.72
0.72
0.72
1.00
0.87
0.82
0.80
0.80
0.79
0.79
0.78
0,78
0,78
DTC 4
16
0,41
20
0,38
Document technique DT3 : Détermination des sections de phase(suite)
Lorsque les câbles sont disposés en plusieurs couches, appliquer en plus un coefficient de correction de :
•
0,80 pour 2 couches,
•
0,73 pour 3 couches,
Exemple
•
0,70 pour 4 ou 5 couches
de câbles
disposés en 2 couches
facteur de correction K3
Températures ;
0
ambiantes ( C)
Isolation
élastomère (caoutchouc)
polychlorure de vinyle (PVC)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
1,29
1,22
1,15
1,07
1,00
0,93
0,82
0,71
0,58
−
−
1,22
1,17
1,12
1,07
1,00
0,93
0,87
0,79
0,71
0,61
0,50
polyéthylène réticulé (PR)
butyle, éthylène, propylène (EPR)
1,15
1,12
1,08
1,04
1,00
0,96
0,91
0,87
0,82
0,76
0,71
isolant et nombre de conducteurs chargés (3ou 2)
Butyle ou PR ou éthylène PR : PR
caoutchouc ou PVC : PVC
lettre de
sélection
section
cuivre
(mm²)
section
aluminium
(rnm2)
B
C
E
F
PVC3 PVC2
PVC3
PR3
PR2
PVC2 PR3
PR2
PVC3
PVC2 PR3
PR2
PVC3
PVC2 PR3
PR2
1,5
2,5
4
6
10
16
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500
630
2,5
4
6
10
16
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
15,5
21
28
36
50
68
89
110
134
171
207
239
17,5
24
32
41
57
76
96
119
144
184
223
259
299
341
403
464
18,5
25
34
43
60
80
101
126
153
196
238
276
319
364
430
497
19,5
27
36
48
63
85
112
138
168
213
258
299
344
392
461
530
16.5
22
28
39
53
70
86
104
133
161
186
18.5
25
32
44
59
73
90
110
140
170
197
227
259
305
351
19.5
26
33
46
61
78
96
117
150
183
212
245
280
330
381
21
28
36
49
66
83
103
125
160
195
226
261
298
352
406
22
30
40
51
70
94
119
147
179
229
278
322
371
424
500
576
656
749
855
23
31
39
54
73
90
112
136
174
211
245
283
323
382
440
526
23
31
42
54
75
100
127
158
192
246
298
346
395
450
538
621
754
868
1005
25
33
43
59
79
98
122
149
192
235
273
316
363
430
497
600
24
33
45
58
80
107
138
169
207
268
328
382
441
506
599
693
825
946
1088
26
35
45
62
84
101
126
154
198
241
280
324
371
439
508
663
Calibres courants nominales pour :
- disjoncteurs (non réglables). :10 – 16 –20 – 25 – 32 – 40 – 50 – 63 – 80 100A
- disjoncteurs (réglables). :125 – 160 – 250 – 400 – 630 – 800 – 1 000 – 1 250A
DTC 5
26
36
49
63
86
115
149
185
225
289
352
410
473
542
641
741
28
38
49
67
91
108
135
164
211
257
300
346
397
470
543
161
200
242
310
377
437
504
575
679
783
940
1083
1254
121
150
184
237
289
337
389
447
530
613
740
Document technique DT4 : Dossier Pantographe CX
Description du système
Le système Faiveley comprend le pantographe CX ultraléger et compact. Une conception
simple mais non moins perfectionnée fait du pantographe CX un dispositif extrêmement fiable
faisant preuve d’un excellent comportement aérodynamique. Le coussin ( vérin) pneumatique
du pantographe est relié à l'unité de commande de pantographe intégrée (IPCU) logée dans un
boîtier modulaire située sous la toiture à proximité des pantographes à piloter. La conception du
système IPCU lui permet de piloter, de manière non simultanée, jusqu’à deux pantographes :il
comporte un module de régulation numérique principal, un module de régulation analogique
secondaire ainsi qu’un module de commutation d’un pantographe à l’autre.
Fonctionnement du système
L’ordre ‘Monter pantographe’ entraîne la mise sous pression du circuit pneumatique qui
déclenche à son tour la montée du pantographe sélectionné par l’intermédiaire du régulateur de
pression actif. L’interruption de l’ordre ‘Monter pantographe’ entraîne son abaissement
automatique. Le système de pilotage numérique breveté de Faiveley assure un réglage précis
de l’effort de contact sur la caténaire selon un réseau de courbes dont les paramètres peuvent
être réglés via la liaison série de maintenance. En cas de défaillance du système de régulation
principal, le système de régulation secondaire (mode secours), assuré par le ressort du
système, prend le relais pour permettre au train de poursuivre son parcours jusqu’à son terme,
comme dans le cas d’un pantographe classique à commande monostatique. Le système de
régulation prévoit que lorsque aucune commande n'est envoyée ou en cas de perte d'énergie,
le système se replie en position basse.
DTC 6
Document technique DT4 : Dossier Pantographe(suite)
Caractéristiques techniques Pantographe CX et boitier IPCU
•
Pantographe CX :
Extension : 2 000 mm ou 2 600 mm
Capacité de courant : 2 500 A
Plage de température (de fonctionnement) : -25°C à + 70°C
Normes de référence : EN 50206-1, NF F 21001
•
Unité de commande de pantographe intégrée (IPCU) :
Plage de régulation : 1,5 à 5,5 bars
Précision de régulation : 0,075 bar
Consigne de pression coussin signal 0-10V
Capteur pression signal 4-20mA
MTBF > 38 000 h (> 180 000 h avec module secondaire)
Interfaces électriques : alimentation batterie, entrées de données logiques, sorties logiques, liaison
série de maintenance et/ou entrée ou sortie de données analogiques
Protection IP31
Normes de référence : EN 50155 et 50121-3-2 (classe A), CEI 60077 et 61373 ; NF F 16101 et 16102
(classe A2)
LA PNEUMATIQUE PROPORTIONNELLE SERVOTRONIC
La souplesse de la pneumatique alliée à l'intelligence de l'électronique pour une plus grande flexibilité
d'utilisation des composants électropneumatiques
INTRODUCTION
L'évolution du processus d'automatisation tend vers le besoin de disposer d'une plus grande flexibilité et
une précision accrue des équipements mus par l'air comprimé. Ceci nécessite d'obtenir la
proportionnalité de l'élément de puissance en fonction d'un signal de régulation électrique.
L'association d'une technologie pneumatique et d'une mécanique de haute précision permet de réguler
avec précision et rapidité les valeurs de DEBIT ou PRESSION d'un circuit pneumatique de puissance en
fonction d'un signal issu d'électronique de commande.
La SERVOTRONIC G 1/4 fonctionne dans les échelles de valeurs suivantes :
• En régulation de débit : 0 - 1400 l/mn (ANR) avec signal de consigne ± 10V.
• En régulation de pression : 7 plages de régulation au choix, 0 - 0,1 à 0 - 16 bar.
avec signal de consigne 0 - 10V, 0 - 20mA ou 4 - 20mA.
AVANTAGES DE LA GAMME SERVOTRONIC
• Ensemble compact et monobloc avec
électronique et capteur intégrés
• Temps de réponse très courts
• Très faible hystérésis
• Excellentes performances de débit
• 2 versions proposées : pour régulation de
débit ou de pression
•
•
●
Raccordement électrique par connecteur
débrochable
Grande fiabilité et longue durée de vie
grâce à une mécanique de haute précision
alliée à une cinématique simple
Différentes possibilités de consignes
d'entrée (tension -courant), en version
régulation de pression
La SERVOTRONIC est proposée en 2 versions, suivant l’état souhaité du composant en cas de défaut
ou de coupure de courant (position "Failsafe") :
Mise à l’échappement (centre ouvert) .
Maintien de la pression (centre fermé).
.
DTC 7
Document technique DT4 : Dossier Pantographe(suite)
VANNE PROPORTIONNELLE ELECTROPNEUMATIQUE A 3 ORIFICES
(Série 601- avec alimentation pneumatique externe du capteur de pression)
SPECIFICATIONS
FLUIDES CONTROLES : Air ou gaz neutre filtré 50 μm, sans condensat, lubrifié ou non
RACCORDEMENT : G1/4 - G1/2 - G1
PRESSION MAXI ADMISSIBLE (PMA) : (voir tableau page suivante)
TEMPERATURE DU FLUIDE : 0° C, + 60°C TEMPERATURE AMBIANTE : 0° C, + 40°C
CONSIGNE - ANALOGIQUE : 0 - 10 Volts (sensibilité < 50 mV - impédance 100 KΩ) (En option : 0 - 20
mA ou 4 - 20 mA)
HYSTERESIS : < 1% du maxi de la plage de régulation (PMR)
LINEARITE : < 0,5% de PMR PRECISION : < 0,5% de PMR
MINIMUM DE CONSIGNE : 50 ± 20 mV (0,1 mA) avec fonction de fermeture
SCHEMA
SELECTION DU MATERIEL
OPTIONS :
Consigne analogique 0 - 20 mA (sensibilité < 0,1 mA - impédance 500 Ω) ___ code : 010 713
Consigne analogique 4 - 20 mA (sensibilité < 0,1 mA - impédance 500 Ω) ___ code : 910 507
Option rampe ___________________________________________________ code : 010 610
Consigne digitale (8 bits + fonction mémoire) __________________________ code : 010 537
Consigne digitale (8 bits + R a Z pression) ____________________________ code : 010 606
Sortie capteur 0 - 20 mA (0 - 10 V en standard) ________________________ code : 010 538
Sortie capteur 4 - 20 mA (0 - 10 V en standard) ________________________ code : 010 616
Pressostat / Sentronic : (PNP) référence 24 V = si consigne atteinte ________ code : 010 579
Pressostat / Sentronic : (NPN) référence de masse si consigne atteinte _____ code : 010 539
Pressostat / Sentronic : (PNP) référence 24 V = si consigne non atteinte ____ code : 010 612
Pressostat / Sentronic : (NPN) référence de masse si consigne non atteinte _ code : 010 613
DTC 8
PARTIE D
ETUDE DE LA TRANSMISSION
VOIE-MACHINE.
Problématique : Dans cette partie, on vous demande d’étudier
la transmission d’informations à la motrice de l’AGV et de
proposer une solution technologique pour le traitement et
l’affichage des données.
Ce dossier est constitué de :
- 11 pages numérotées D1 à D11 [questionnement et espace réponse.]
- 4 pages numérotées DT D1 à DT D4 [Documents techniques]
Durée maximum conseillée : 1 heure
Corrigé D 1
I. Mise en situation.
La circulation routière est régie par un certains nombre de règles, afin que chaque
usager puisse circuler avec un maximum de sécurité, dans le respect des autres
utilisateurs.
Ainsi, le passage à un carrefour est régi par une signalisation lumineuse (feux
tricolores) ou fixe (panneaux).
Les lignes ferroviaires classiques sont également équipées d’une signalisation
lumineuse.
D.1.1. En supposant qu’un signal fixe soit visible à 50 m et une vitesse de train de
360 km/h, calculer le temps dont dispose le conducteur pour voir un signal.
360 km/h => 100 m/s = 0,50 s
D.1.2. Conclure sur la nécessité d’une signalisation embarquée dans la cabine des
Trains à Grande Vitesse.
Le conducteur n’a pas le temps de lire une information au bord de la voie.
L’affichage en cabine est indépendant des conditions météo.
Le système retenu pour effectuer la signalisation sur la Ligne Grande Vitesse est un
affichage permanent des informations en cabine. Ce système, Transmission VoieMachine (TVM), transmet à la cabine, en temps réel et de manière continue, les
informations provenant du circuit de voie.
Ces informations, relatives aux limitations de vitesse à respecter en fonction de l'état
de la signalisation, sont transmises à des fréquences particulières, qui viennent
s’ajouter au courant de circuit de voie. La vitesse limite qu'il ne doit pas dépasser
ainsi qu'une annonce de la vitesse qu'il devra respecter à l'entrée du prochain canton
sont directement reportées sur un afficheur lumineux au centre du tableau de bord.
II. Principaux risques liés à la circulation ferroviaire.
Les principaux risques liés à la circulation ferroviaire sont :
- Le déraillement
- Le nez à nez (quand 2 trains se retrouvent face à face sur une même voie)
- La prise en écharpe (quand un train arrive sur un aiguillage déjà occupé par
un train venant d’une autre direction)
- Le rattrapage (quand le train suiveur rattrape celui qui le précède)
- La rencontre d’obstacle.
Le risque de déraillement est géré par la limitation de vitesse de la rame.
Le risque de nez à nez est limité par une bonne gestion des voies.
Les risques de rencontre d’obstacle, de rattrapage et de prise en écharpe seront
l’objet de notre étude.
Corrigé D 2
III.
Le circuit de voie.
Chaque canton (voir page DT D1) est surveillé par un circuit de voie dont le principe
est donné ci-dessous :
≈ 1,5 km
Les voie A et B, sont 2 rails isolés entre eux et par rapport à la terre. Sur la partie
droite du schéma, on trouve un générateur de courant. Sur la partie gauche, un relais
alimenté par ce générateur.
D.3.1. Etude de la surveillance d’un canton.
D.3.1.1.
Indiquer quels sont les états (excité ou désexcité) du relais dans le cas
où il n’y a pas de train sur le canton et dans le cas où il y a un train sur le canton (les
essieux des trains étant conducteurs). Justifiez votre réponse.
Lorsqu’il n’y a pas de train, le relais est excité.
Lorsqu’il y a un train, le relais est désexcité car le générateur est courtcircuité.
D.3.1.2.
Expliquer pourquoi le générateur alimentant le relais doit être un
générateur de courant et non un générateur de tension.
Un générateur de tension ne supporte pas d’être mis en court-circuit ( présence
d’un train)
D.3.1.3.
Indiquer quel est l’état du relais dans le cas où il y a une rupture de
rail. Justifier votre réponse.
En cas de rupture de rail, le relais n’est plus alimenté, il est désexcité
Corrigé D 3
D.3.1.4.
En cas de panne du générateur, l’état du relais correspondrait-il à une
présence ou à une absence de train ? Justifier votre réponse.
En cas de panne d’un élément, le signal donné correspond à une présence de
danger (relais désexcité).
D.3.2. Etude de la séparation électrique entre 2 cantons.
L’alimentation électrique d’une AGV se fait par 2 bornes :
- L’une des bornes est la caténaire
- L’autre borne est constituée par les rails.
Le courant de retour doit rejoindre le poste d’alimentation en traversant tous les
cantons qui le séparent de celui-ci.
Par contre, le signal de surveillance du canton ne doit pas quitter celui-ci.
La solution retenue est l’utilisation d’une connexion inductive dont on vous demande
d’étudier le fonctionnement.
Canton c
Canton c+1
Une connexion inductive est constituée d’un bobinage de grosse section dont le point
milieu est sorti et relié au canton précédent afin de permettre le passage du courant
de retour.
On suppose que le courant de retour est uniformément réparti entre les 2 rails.
Sur le dessin ci-dessus figurent le courant de retour (en rouge) et le courant de
surveillance (en vert), pour une alternance de ces courants.
Corrigé D 4
Sur les dessins ci-dessous, la connexion inductive est représentée dans l’espace. Le trait
bleu représente le passage des lignes de champ.
D.3.2.1.
Représenter en rouge, sur le dessin ci-dessous, le passage du courant de
retour, du canton {c+1} au canton {c}.
Canton c
Canton c+1
D.3.2.2. Représenter en vert, sur le dessin ci-dessus, le sens des champs magnétiques
créés par le courant de retour dans les 2 bobines.
D.3.2.3. La présence de la bobine a-t-elle une influence sur le courant de retour ? Justifier
votre réponse.
Pas d’effet car les champs s’annulent. Le courant ne « voit » pas la bobine.
D.3.2.4. Représenter en rouge, sur le dessin ci-dessous, le passage du courant de
surveillance du canton {c+1}.
Canton c
Canton c+1
D.3.2.5. Représenter en vert, sur le dessin ci-dessus, le sens des champs magnétiques
créés par le courant de surveillance dans les 2 bobines.
D.3.2.6. La présence de la bobine a-t-elle une influence sur le courant de surveillance ?
Justifier votre réponse.
Les champs se cumulent, le courant « voit » une forte impédance.
Corrigé D 5
IV.
Transmission d’informations vitesses et nature de voie.
La prévention des déraillements passe par l’adaptation de la vitesse aux conditions
de voie (nature, pente…) Le système TVM 430 (Transmission Voie-machine) est
une transmission continue permettant d’informer le conducteur de ces informations.
Le support de transmission au sol est constitué par les rails. Le signal est
détecté par des antennes montées sous la rame du TGV, à environ 2 m en avant du
premier essieu.
Constitution du signal : voir à partir de la page DT D3.
D.4.1. Interprétation du signal.
D.4.1.1.
La transmission dont il est question ici est-elle de type série ou de type
parallèle ? Justifier votre réponse.
Il s’agit d’une transmission parallèle, car tous les bits sont transmis
simultanément.
Chaque fréquence de signal est définie par le rang n du bit qu’il représente, suivant
la formule :
fn = 0,88 + (n – 1) X 0,64 fn en Hertz.
D.4.1.2.
Calculer la fréquence des signaux des bits de rang 1 , 16 et 27.
f1 = 0,8 Hz
f16 = 10,48 Hz
f27 = 17,52 Hz
D.4.1.3.
Quel serait le rang d’un bit dont la fréquence de signal serait de 50 Hz ?
n = (50-0,88)/0,64 = 77,75
D.4.1.4.
77 ou 78 sont considérés comme justes.
Pourquoi cette fréquence n’est-elle pas utilisée dans les codages ?
car le courant de traction,qui circule aussi dans les rails, a une fréquence de 50
Hz
D.4.1.5.
Une sinusoïde supplémentaire de 25,68Hz est émise en permanence
sur la voie. Quel est son rôle ?
Une absence du signal 25,68 Hz indiquerait une défaillance de l’émetteur.
Corrigé D 6
On donne ci-dessous l’analyse spectrale 1 d’un signal reçu par une AGV.
Répondre aux questions suivantes à l’aide des documents ressources
D.4.1.6.
Sur quel type de réseau se trouve cette AGV ?
TGV Est
D.4.1.7.
Quelle est la vitesse maximale autorisée sur cette portion de voie ?
300 km/h
D.4.1.8.
Quelle sera la vitesse autorisée en sortie ?
270 km/h
D.4.1.9.
Quelle est la longueur de ce tronçon ?
1 600 m
D.4.1.10.
Quelle est la valeur de la déclivité de la voie (précisez s’il s’agit d’une
montée ou d’une descente) ?
Pente descendante à 0,2 %
D.4.1.11.
La vitesse autorisée en sortie étant inférieure à celle du tronçon
présent, quelle est la décélération à appliquer afin d’avoir une réduction de
vitesse la plus « douce » possible ? (on considèrera une décélération uniforme).
Vitesse moyenne sur le canton : 285 km/h, soit 79,2 m/s
Pour parcourir 1600 m, il faut 20,2 s
La différence de vitesse est de 30 km/h soit 8,3 m/s
Soit une décélération de 0,41 m/s².
1
Une analyse spectrale donne la valeur des composantes d’un signal en fonction de leur fréquence.
Corrigé D 7
D.4.2. Gestion de l’affichage.
On demande, dans cette partie, d’établir partiellement les éléments de logique
permettant de commander l’éclairage du fond de l’afficheur.
Cet éclairage peut prendre 4 couleurs : rouge, noir, blanc et vert.
D.4.2.1.
A partir des données des documents ressources, compléter le tableau
de Karnaugh page 10 correspondant à l’éclairage blanc.
(ne compléter que les « 1 » et laisser les autres cases vides)
D.4.2.2.
A partir du tableau de Karnaugh donné page D9, établir l’équation
logique simplifiée de l’éclairage Noir.
D.4.2.3.
On donne l’équation de l’affichage de l’éclairage vert.
Etablir, ci-dessous, le logigramme de cet affichage.
Utiliser des fonctions NON, ET et OU à 2 entrées.
B24 B23 B22 B21 B20 B19 B18 B17
1
&
&
&
1
&
1
≥1
&
Corrigé D 8
Corrigé D 9
B24 B23 B22 B21
1000
1001
1011
1010
1110
1111
1101
1100
0100
0101
0111
0110
0010
0011
0001
0000
1
1
1
0000
1
1
1
0001
B20 B19 B18 B17
1
1
1
0011
0010
0110
1
0111
1
0101
1
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
Corrigé D 10
B24 B23 B22 B21
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0001
0011
0010
0110
0111
0101
0100
1100
1101
1111
1110
1010
1011
1001
1000
0000
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0001
B20 B19 B18 B17
0000
Coulu
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0011
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0010
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
X
X
0
0
0
0110
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0111
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0101
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0100
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1100
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1101
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
1
0
0
0
1111
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
X
X
0
0
0
1110
0
0
0
0
0
0
0
0
X
0
0
0
0
0
0
0
1010
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1011
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1001
0
0
0
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1000
D.4.3. Surveillance de la vitesse.
Nous traiterons, dans cette partie, l’exemple de la consigne de vitesse « 270 km/h ».
Tant que la consigne « 270 km/h » n’est pas parvenue au train, le système est en
veille.
La transmission par la TVM de l’ordre « 270 km/h » met le système en surveillance,
jusqu’à que ce que la consigne de vitesse soit différente de 270 km/h.
Si la vitesse est dépassée, un voyant orange s’allume.
- Si la vitesse repasse sous 270 km/h, le système se remet en surveillance.
- Si la vitesse est encore supérieure à 270 km/h au bout de 2 s, une alarme
retentit dans la cabine.
Dans ce cas :
- Si la vitesse repasse sous 270 km/h, le système se remet en surveillance.
- Si la vitesse reste au dessus de 270 km/h pendant 3 s, le TGV est arrêté en
urgence (« mise en sécurité »).
Dans ce cas, une validation « contrôle sécurité » est nécessaire pour pouvoir
redémarrer le train. Le système se remet alors en veille (étape initiale).
D.4.3.1.
Proposer, page suivante, un grafcet point de vue commande
permettant de répondre à la description ci-dessus.
On donne la syntaxe des différentes variables :
Consigne vitesse = 270 : la consigne de 270 km/h est donnée
Consigne vitesse ≠ 270 : la consigne de vitesse est différente de 270 km/h
Validation sécurité : l’alarme a été validée.
Orange : allumage du voyant orange
Alarme : l’alarme retentit
Mise en sécurité : la rame est arrêtée en urgence
Vitesse : valeur décimale de la vitesse mesurée
Corrigé D 11
Espace Grafcet :
0
consigne vitesse = 270
1
consigne vitesse<>170
270
vitesse >270
2
orange
vitesse<=270
(vitesse>270).(2s/x2)
3
alarme
vitesse<=270
(vitesse>270).(3s/x3)
4
Mise en sécurité
Validation sécurité
.
Corrigé D 12