BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SESSION 2009 PHYSIQUE APPLIQUÉE Série: Sciences et technologies industrielles

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE
SESSION 2009
PHYSIQUE APPLIQUÉE
Série: Sciences et technologies industrielles
Spécialité : Génie Électrotechnique
Durée : 4 heures coefficient :7
L'emploi de toutes les calculatrices programmables, alphanumériques ou à écran graphique est
autorisé à condition que leur fonctionnement soit autonome et qu'il ne soit pas fait usage
d'imprimante (circulaire n°99- 186 du 16-11-1999).
Le sujet comporte 12 pages numérotées de 1 à 12 dont les documents réponse pages 9 à 12 sont à
rendre avec la copie.
Le sujet est composé de 2 parties indépendantes.
Il est rappelé aux candidats que la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des
raisonnements, entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.
STI Génie Électrotechnique - Sciences physiques et Physique Appliquée
REPÈRE : 9PYETPO1 Page :1/12

Une installation électrique est située dans un site isolé. De part sa localisation géographique, mais
également des conditions climatiques favorables, en particulier un fort courant d'eau, cette
installation est alimentée par une hydrolienne. Elle comporte notamment un moteur asynchrone
entraînant une pompe. On se propose donc d'étudier le système électrique suivant :
Photo de l'hydrolienne
L'étude portera plus particulièrement sur :
I le réducteur et l'alternateur,
II le transformateur.
III l'onduleur,
IV le moteur asynchrone alimentant la pompe.
Chacune des quatre parties est indépendante des autres.
STI Génie Électrotechnique - Sciences physiques et Physique Appliquée
REPÈRE : 9PYETPO1 Page :2/12
Hydrolienne Réducteur
+ alternateur Transformateur
redresseur Batterie
d'accumulateurs
Onduleur Moteur
Asynchrone Pompe

I. ÉTUDE DE L'ALTERNATEUR TRIPHASÉ ET DU RÉDUCTEUR
Caractéristiques de l'alternateur
Puissance apparente nominale SN = 300 kVA
Tension nominale efficace entre phases UN = 400 V
Fréquence nominale f = 50 Hz
Couplage des enroulements en étoile
Résistance entre phases R= 0,6 Ω
1. L'alternateur est relié aux pales des hélices par l'intermédiaire d'un réducteur de rapport
de transformation k = nA / nH = 2,5 avec :
nA : fréquence de rotation de l'alternateur
nH : fréquence de rotation des hélices
Les hélices tournent à la fréquence nominale nH = 400 tr.min-1
Déterminer la fréquence nominale nA de l'alternateur. En déduire son nombre de paires de pôles p.
2. Le circuit magnétique n'étant pas saturé, la force électromotrice à vide entre phase et neutre
Epn est proportionnelle au courant d'excitation Iex selon la relation :
Ev = Epn= 250.Iex {Ev en volts et Iex en ampères)
La caractéristique de court-circuit correspond à la relation : Icc = 50.Iex (Icc et Iex en ampères)
2.1 Sur la figure 1 de la feuille réponse 1 page 9, indiquer le montage permettant de faire
l'essai à vide en complétant cette figure et en faisant apparaître :
- la tension entre phases Uv,
- l'alimentation utilisée,
- les appareils de mesure utilisés.
2.2 De même, sur la figure 2 de la feuille réponse 1 page 9, indiquer le montage permettant
de faire l'essai en court-circuit. Quelle précaution doit-on prendre lors de l'essai?
2.3 Sur la figure 3 de la feuille réponse 1 page 9, indiquer les types d'appareils utilisés pour
les deux essais, en précisant la position du commutateur AC/DC de chacun d'entre eux.
STI Génie Électrotechnique - Sciences physiques et Physique Appliquée
REPÈRE : 9PYETPO1 Page :3/12
1
2
3
N
I
U
Iex
UE

3 Le rotor est entraîné à la fréquence de rotation nominale de l'alternateur n = 1000 tr.min-1.
3.1 Déterminer la résistance RS de chaque enroulement statorique de l'alternateur.
3.2 Calculer l'intensité efficace nominale IN du courant dans un enroulement du stator.
3.3 Calculer la tension efficace nominale V entre phase et neutre.
3.4 A l'aide du schéma équivalent ci-dessous d'un enroulement statorique de l'alternateur,
calculer l'impédance synchrone ZS.
X
S
R
S
E
PN
I
CC
3.5 En déduire la valeur de la réactance synchrone XS.
4. L'alternateur fonctionne dans les conditions suivantes
Fréquence de rotation de la roue polaire nA = 1000 tr.min-1
Intensité du courant d'excitation Iex = 1,2 A
Facteur de puissance cos ϕ = 0,8 (ϕ >0 )
Valeur efficace de la tension simple V = 230V
En négligeant la résistance RS devant la réactance XS , le modèle équivalent de chaque enroulement
est donné par le schéma ci dessous
V
r
X
S
PN
E
r
I
r
V
r
4.1.a. Après avoir fléché toutes les tensions, en déduire l'équation reliant
EPN
, Xs
I
et
V
.
4.1.b. Construire sur votre copie le diagramme de Fresnel des tensions, en prenant
I
sur
l'origine des phases et en sachant que
V
est en avance sur
I
de 37°.
En déduire la valeur efficace de l'intensité du courant d'induit I (Échelle: 1 cm = 25 V)
STI Génie Électrotechnique - Sciences physiques et Physique Appliquée
REPÈRE : 9PYETPO1 Page :4/12

II. ETUDE DU TRANSFORMATEUR
Dans cette partie, on ne considérera qu'un seul enroulement du stator de l'alternateur. Celui-ci
alimentera le primaire d'un transformateur monophasé que l'on se propose d'étudier ici.
Le transformateur est suivi d'un dispositif permettant de redresser et de filtrer la tension
transformée.
La plaque du transformateur monophasé porte les indications suivantes :
230V/ 24V 230VA 50Hz
1. A partir des indications de la plaque, déterminer les valeurs efficaces des intensités
nominales des courants primaire et secondaire.
On réalise 4 essais avec ce transformateur.
2. Essai n°1 : le primaire du transformateur est branché aux bornes d'une source parfaite
délivrant une tension continue.
Le voltmètre affiche 6,0 V. L'ampèremètre affiche 1,25 A. Calculer la valeur de la résistance R1 du
primaire.
3. Essai n°2 :
Il s'agit d'un essai à vide réalisé sous tension primaire nominale, V10 = V1N
On a mesuré les grandeurs suivantes :
I1V = 0,11 A : valeur efficace de l'intensité du courant absorbé par le primaire.
V2V = 24 V valeur efficace de la tension secondaire à vide.
P1V = 6,9 W puissance absorbée par le primaire.
3.1. Calculer le rapport de transformation ou rapport du nombre de spires m =N2/N1.
3.2. Calculer la valeur des pertes par effet Joule dans ce fonctionnement.
3.3. En déduire la valeur des pertes dans le fer à vide. Justifier l'emploi de cette même valeur
en charge sous tension primaire nominale.
STI Génie Électrotechnique - Sciences physiques et Physique Appliquée
REPÈRE : 9PYETPO1 Page :5/12
Bloc
redresseur
et filtre
v2
E
A1
V1DC
DC