SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES ET TECHNOLOGIES

BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE
SCIENCES ET TECHNOLOGIES
INDUSTRIELLES
GÉNIE MÉCANIQUE
SESSION 2009
SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE
Durée : 2 heures
Coefficient : 5
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 n099-186du 16/11/1999)
Avant de composer, assurez-vous que l'exemplaire qui vous a été remis est bien complet. Ce
sujet comporte 7 pages numérotées de 117 à 717.
Les pages 6/7 et 717 où figurent les documents réponses sont à rendre avec la copie.
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117
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L'HYDROXY 3000 est un bateau (catamaran) à propulsion électrique, alimenté par une pile à
combustible.
Légende:
H2: réserve d'Hydrogène
FC : pile à combustible (fuel cell)
Mot: moteur à courant continu
Batt.48V : batterie 48 V
Pour une plus grande souplesse lors des manœuvres, il est équipé de deux moteurs à
courant continu alimentés par la pile à combustible qui peut fonctionner en même temps
qu'une batterie. La vitesse des moteurs est réglée grâce à une électronique de puissance.
Le schéma électrique succinct du principe de l'alimentation d'un moteur est représenté cidessous.
PC
AP
PC
AP
Electronique de
Puissance
PC
AP
H2
Pile
,
a
combustible
Air
1
---
Batterie
Les mesures électriques effectuées par le voltmètre et les ampèremètres sont renvoyées
vers un ordinateur (PC) sur le tableau de bord et vers un automate programmable (AP) qui
gère le fonctionnement de l'ensemble.
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A. PILE A COMBUSTIBLE
Une pile à combustible est une pile où la fabrication de l'électricité se fait grâce à
l'oxydation sur une électrode d'un combustible réducteur couplée à la réduction d'un
oxydant sur l'autre électrode.
Le schéma simplifié de la pile est donné ci-dessous:
<:==n Air
Hydrogène ~
a=:::> Azote + Eau
Anode
Cathode
Electrolyte
1. Le dihydrogène H2, stocké dans une bouteille gonflée à 200 bars, est propulsé sur
l'anode et la réaction est donnée par l'équation chimique suivante:
H2 ~ 2H++2eS'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction? Justifiez votre réponse.
2. L'air est amené par un compresseur sur la cathode et la réaction est donnée par
l'équation chimique suivante:
O2+ 4H++ 4e-~ 2H20
S'agit-il d'une oxydation ou d'une réduction? Justifiez votre réponse.
3. En vous aidant du document fourni fig.1 sur le document réponse, déterminer la
puissance que doit fournir la pile pour une vitesse de croisière de 8 km/h ?
B. PANNEAU SOLAIRE
Des études ont montré que 5 m2 de panneaux solaires suffiraient pour produire, par
électrolyse de l'eau, l'hydrogène nécessaire à une saison typique de navigation avec ce
bateau.
Un rayon lumineux frappe la surface du panneau et est dévié de sa course selon le
dessin fig.2 donné sur le document réponse.
Le milieu 1 est l'air d'indice de réfraction n1 = 1, le milieu 2 est du silicium d'indice de
réfraction n2 = 4,24.
1. La relation entre l'angle d'incidencefJ 1et l'angle de réfraction fJ 2 est donné par la
loi de Descartes: n1.sinfJ1= n2.sinfJ2. L'angle d'incidence ayant été mesuré égal à
45°, calculer l'angle de réfraction.
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2. Une faible partie de l'énergie lumineuse est réfléchie par la surface du panneau.
Donner la valeur de l'angle qJ entre ce rayon réfléchi et la normale à la surface.
En déduire le tracé du rayon réfléchi sur la figure 2 du document réponse.
C. MOTEUR A COURANT CONTINU
On s'intéresse à faire naviguer le bateau à 8 km/h. Pour cela une puissance
Pa= 500 West absorbée par chacun des deux moteurs à aimants permanents alimenté
par une tension U 36 V.
Le modèle équivalent de son induit est donné fig.3 sur le document réponse.
=
Lorsque le navire navigue à 8 km/h :
1. Vérifier par calcul que l'intensité 1 du courant dans l'induit est proche de 14 A.
2. Calculer la force électromotrice
E de l'induit du moteur.
3. Calculer la puissance électromagnétique
Pern .
4. Les pertes autres que par effet Joule ont été évaluées à Pc
ces conditions:
a. La puissance utile Pu.
b. Le moment Tu du couple
Q = 157 radIs.
utile
si la vitesse
= 23 W.
de
Calculer dans
l'arbre
moteur
est
5. Calculer le rendement 17 du moteur.
D. ÉTUDE DE LA COMMANDE
DU MOTEUR
La variation de vitesse du moteur est assurée par un hacheur série dont le schéma est
donné fig.4 sur le document réponse.
1. Citer un composant électronique
réalisant la fonction de l'interrupteur H.
2. Quel est le rôle de l'inductance L ?
3. Quel est le rôle de la diode D ?
4. Citer un autre convertisseur qui permettrait d'alimenter un moteur à courant continu
à partir d'une tension sinusoïdale.
H est un interrupteur électronique commandé par un signal h(t) périodique de période T.
Le cycle de la commande est le suivant:
• 0.:5. t <a T: H est passant, D est bloquée.
• aT .:5. t < T: H est bloqué, D est passante.
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La tension u(t) aux bornes de la charge du hacheur est représentée fig.5 sur le document
réponse.
5. A partir de l'oscillogramme de u(t), déterminer:
a. La période T et la fréquence t.
b. La valeur du rapport cyclique a .
c. La tension d'alimentation UA du hacheur (on prendra garde à la position du
zéro).
6.
a. Montrer que la tension moyenne aux bornes de la charge du hacheur est
donnée par la relation < u(t» = aUA.
b. Calculer cette valeur moyenne pour la valeur de a trouvée au 5.b.
c. Que devient cette valeur moyenne pour a = 1 ? Quel est l'effet de la
variation de cette valeur moyenne sur la vitesse du moteur?
Sur le schéma global de l'installation donné page 1, on peut voir un ampèremètre
numérique qui mesure l'intensité i du courant absorbé par l'ensemble variateur - moteur.
7. Préciser le mode d'utilisation (AC ,- ou OC ,=) afin de mesurer la valeur moyenne
< jet) > du courant j(t) ?
8. Quel dispositif peut-on utiliser pour visualiser l'image du courant dans l'induit du
moteur sur un oscilloscope?
9. A partir de l'oscillogramme fourni fig.6 sur le document réponse, calculer la valeur
moyenne < jet) > du courant jet).
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DOCUMENT REPONSE
A. PILE A COMBUSTffiLE
Question A.3
u
~
!
j
2
t
~
1
·······················1
~ 1,5
j
!
~
1
1
.
..................... j
!
i
o
o
2
4
6
8
10
12
Vitesse en kmlh
fig.1 : Puissance fournie par la pile en fonction de la vitesse du bateau.
B. PANNEAU SOLAIRE
Question B.2
Air: milieu 1 d'indice de
réfraction n, 1
=
Silicium: milieu 2 d'indice
de réfraction f12 =4,24
PanneauSolaire
fig.2
C. MOTEUR A COURANT CONTINU
l
U=36 V
fig.3
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D. ETUDE DE LA COMMANDE DU MOTEUR
i(t)
L
u(t)
D
fig.4 : Schéma électrique de la commande du moteur
Question D. 5 et D 6
Oscillogramme de la tension u(t)
Sensibilité verticale:
lOV /div
Base de temps: 20J.fS/div
<
0 Volts
fig.5 : tension u(t)
15 A..
..
.- -
........ _-_ .. _.,.- .......
13 A······· ~.
"
..............
.......
~
..............
,."
.-
..-
........... .._- ...-...... --- ...-...... ......
'",,"
~
"""""'
...•..
............. ~ ....... ............. .............
"" .........
"""
--
----.......... ......... -...
...•......... Io!".'".' ••..•..
Question D. 9
..............
Oscillogramme de l'intensité
du
courant i(t)
Sensibilité verticale 2 A/div
Base de temps 20J1Sldiv
OA
fig.6: intensité du courant i(t)
717
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