Baccalauréat 2006
Sujet : Physique appliquée : Spécialté : Electrotechnique 2006
Durée 4h00 - Coefficient : 7
On se propose d'étudier certains éléments constitutifs d'un réseau éolien autonome.
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Les pales de l'éolienne entraînent le rotor d'un alternateur triphasé qui alimente un réseau électrique 400 V sur le quel sont branchés:
- l'alimentation du rotor de l'alternateur;
-un moteur asynchrone associé à une pompe;
-une unité de stockage d'énergie;
-l'alimentation des ordinateurs.
Partie A: Alternateur
1. Quelle conversion d'énergie réalise un alternateur.
2. Sur la plaque signalétique de l'alternateur triphasé on peut lire : 8 kVA - 230 V - 400 V - 50 Hz
2.1. On désire que la tension entre phases de l'alternateur soit de 400 V. Comment couplez-vous les enroulement du stator?
2.2. Calculer l'intensité éfficace nominale du courant de ligne.
2.3.La vitesse de rotation du rotor( ou roue polaire) de l'alternateur est de 1000 tr/min. ( f = 50 Hz). quel est son nombre de pôles?
3. La tension uE d'alimentation du rotor ( fortement inductif) est une tension de valeur moyenne réglable obtenue à la sortie d'un convertisseur branché entre deux phases de l'alternateur. Ce convertisseur est composé de 3 modules.
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3.1. Module 1
3.1.1. quelle est la fonction du module 1?
3.1.2. L'allure de u étant donnée, représenter en concordance de temps sur le document réponse 1 l'allure de u1 ( on se place dans le cas d'une conduction inintérrompue et les diodes sont considérées parfaites)
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3.2. Module 2
La tension u2 étant d'amplitude pratiquement constante, quelle est la fonction du module 2?
3.3. A partir de la tension u2,on désire obtenir une tension uE de valeur moyenne réglable à l'aide du module 3.
3.3.1. Quelle est la fonction du module 3?
3.3.2. Donner le schéma de principe du montage permettant la réalisation de cette fonction.
3.3.3. Donner un exemple d'interrupteur électronique commandé pouvant étre réalisé dans ce montage.
3.3.4. Qu'appelle-t-on rapport cyclique d'un signal créneau ?
3.3.5. Représenter uE si le rapport cyclique est de 2/3.
4. Le courant d'excitation circulant dans les enroulements du rotor( fortement inductif) doit être d'intensité iE réglable.
4.1.Quelle est la nature du courant d'excitation?
4.2. Donner un exemple d'ampèremètre permettant de mesurer l'intensité du courant d'excitation.
Partie B: Moteur Asynchrone
la plaque signalétique du moteur asynchrone entraînant la pompe est donnée ci-contre:
Cos φ = 0,9 |
V |
400 |
A |
2,6 |
|---|---|---|---|---|
tr/min 1400 |
V |
690 |
A |
1,5 |
Hz 50 |
ph 3 |
1. Le réseau électrique auquel est relié ce moteur est un réseau de 400 V. Comment doit-on-coupler les enroulements statoriques du moteur ?
2.Calculer le nombre de paires de pôles du moteur.
3. Calculer le glissement nominal.
4. Calculer le rendement du moteur au point de fonctionnement nominal.
5. Déterminer le moment TUN du couple utile nominal.
6. La partie utile de la caratéristique mécanique du moteur Tu(n) est assimilable à une droite. On admettra que la fréquence de rotation à vide est égale à celle de synchronisme. Sur le document réponse ci-dessous, tracer cette partie utile.
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7. Les résultats d'un essai pour déterminer la caractéristique Tr(n) de la pompe sont donnés dans le tableau ci-dessus:
n( Tr/min) |
200 |
550 |
1000 |
1200 |
1350 |
1500 |
|---|---|---|---|---|---|---|
Tr(N.m) |
1 |
2 |
4 |
5 |
6 |
7 |
7.1.Tracer cette caractéristique sur le même système d'axes que celle du moteur.
7.2 En déduire la fréquence de rotation du groupe et le moment du couple moteur.
Partie C: Stockage de l'énergie
Il est nécessaire de stocker l'éenergie dans les batteries d'accumulateurs pour suppléer l'éolienne en cas d'insuffisance de vent.
Les batteries utilisées ont une tension ont une tension de 48 V. Avant de convertir la tension alternative en une tension continue pour charger les batteries d'accumulateurs, il est donc necessaire d'utiliser un transformateur abaisseur, le réseau de l'alternateur étant un réseau de 400 V.
On utilise le transformateur monophasé suivant branché entre 2 phases du réseau de sortie de l'alternateur : 500 VA - 400 V - 50 V - 50 Hz
Pour étudier ce transformateur on a effectué 3 essais :
- Un essai à vide sous tension nominale : U20 = 50 V ; P10 = 20 W on néglige les pertes par effet Joule dans l'essai à vide.
-Un essai en court-circuit pour I2CC=I2N = 10 A : U1cc = 40 V ; P1CC = 30 W
- Un essai en charge nominale: U2 = 49 V ; P2 = 450 W
1. Calculer le rapport de transformation.
2. Avec quel type de voltmètre peut-on mesurer U20( justifier)?
3. Que représente la puissance absorbée à vide P10 ?
4. Faire le schéma de montage de l'essai en court-circuit en précisant les conditions expérimentales.
5. Les pertes fer sont proportionnelles au carré de la tension d'alimentation. Montrer que l'on peut négliger les pertes fer dans l'essai en court-circuit.
Que représente P1CC absorbée lors de cet essai?
6. Représenter le modèle équivalent de Thévenin vu du secondaire ( secondaire à vide).
7. A l'aide de l'essai en court-circuit, déterminer la résistance et la réactance des enroulements ramenées au secondaire.
8.Pour le fonctionnement en charge étudié, calculer le rendement du transformateur.
( La suite à venir)