SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE

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1 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 n du 16/11/1999) Avant de composer, assurez-vous que l'exemplaire qui vous a été remis est bien complet. Ce sujet comporte 6 pages numérotées de 1/6 à 6/6. Les paç,es 5/6 et 6/6 où fiçjurent les documents réponses sont à rendre avec la copie. 1/6 9PYGMNC1

2 En France, dans la région de Haute Normandie, Electricité de France produit de l'énergie électrique dans une centrale de type «thermique». On y brûle du charbon afin d'entraîner un turbo-alternateur qui produit de l'énergie électrique. Dans ce sujet, on étudiera la production d'électricité (par l'alternateur), son transport et sa distribution. PROBLÈME: ÉLECTRICITÉ Les différentes parties du problème peuvent être traitées indépendamment les unes des autres. Première partie: l'alternateur. L'alternateur transforme l'énergie mécanique (fournie par la turbine) en énergie électrique. L'alternateur tourne à la vitesse constante ns ;:: 3000 tr.min-1 et fournit une puissance active Pu;:: 250 MW (deux cent cinquante millions de watts). Il délivre alors des tensions sinuso'(dales qui forment un système triphasé équilibré. Les tensions composées ont une valeur efficace U ;:: 20 kv et une fréquence f ;::50 Hz. 1. Quel est le nombre p de paires de pôles de cet alternateur? 2. Dans les conditions nominales de fonctionnement, calculer: 2.1. la puissance mécanique Pa absorbée par l'alternateur si son rendement est 11 ;:: 98,8 % l'énergie Wu fournie par l'alternateur pour un fonctionnement de douze heures, exprimée en kwh. Deuxième partie: le transport de l'éneraie électrique. Les tensions triphasées délivrées par l'alternateur sont élevées par des transformateurs afin de transporter l'énergie électrique sous très haute tension. La puissance apparente transportée est S ;:: 300 MVA. 1. Calculer la valeur efficace 1 du courant en ligne si l'énergie électrique est acheminée par le réseau triphasé très haute tension 130 kv / 225 kv. 2. Calculer la valeur efficace l' du courant en ligne si l'énergie électrique est acheminée par le réseau triphasé basse tension 230 V / 400 V. 3. D'après les résultats des deux questions précédentes, justifier qu'electricité de France ait choisi le réseau très haute tension pour transporter l'énergie électrique. 2/6 9PYGMNC1

3 Troisième partie: la distribution de l'énerqie électrique. Pour distribuer l'énergie électrique aux petites entreprises et aux particuliers, des transformateurs abaissent les tensions afin d'obtenir un réseau basse tension. A. Dans une entreprise. L'atelier d'une petite entreprise est alimenté par le réseau triphasé 230 V V ; 50 Hz. On y utilise une machine-outil entraînée par un moteur asynchrone triphasé dont la plaque signalétique est donnée ci - dessous: 1 Moteur COSCPN PuN= fn ln y = 400 2, ,1 = HzIl 0,84IlnN VIl kw1 AIl = 1390 tr.min-11 Asynchrone 1. Étude du réseau électrique de l'atelier Sur le document réponse 1, la tension fléchée est-elle une tension simple ou une tension composée? Quelle est sa valeur efficace? Quelle est sa valeur moyenne? 1.2. Rappeler la relation liant la valeur efficace V des tensions simples et la valeur efficace U des tensions composées. 2. Étude du moteur asynchrone. Dans les conditions nominales d'utilisation, 2.1. Déterminer la vitesse de synchronisme ns (sachant que le stator comporte deux paires de pôles), 2.2. Calculer le glissement gn, 2.3. Calculer le moment du couple utile TuN, 2.4. Calculer la puissance électrique absorbée PaN, 2.5. Calculer le rendement YIN. 3. Comment coupler le moteur au réseau pour un fonctionnement normal? Dessiner ce couplage et les connexions au réseau sur le document réponse Sur le document réponse 2, tracer la partie utile de la caractéristique mécanique Tu = f(n) de ce moteur sachant que cette partie utile est une droite passant par les deux points suivants: le point nominal N pour lequel TUN= 7,6 Nm, le point «à vide» V pour lequel la vitesse du rotor est égale à la vitesse de synchronisme (nv = ns). 5. Lors d'un usinage, le moteur doit développer un couple de moment Tu = 4 Nm. En utilisant le document 2 précédemment complété, à quelle vitesse n tourne alors le rotor? 6. L'utilisateur de la machine-outil désire régler la vitesse de sa machine. Pour cela, il peut utiliser un variateur de vitesse qui comprend l'un des quatre convertisseurs suivants: - un hacheur, - un pont à quatre diodes, - un onduleur, - ou un pont mixte à deux thyristors et deux diodes. Préciser le convertisseur adapté. 3/6 9PYGMNC1

4 B. Chez un particulier. L'installation d'un particulier est alimentée par le réseau monophasé 230 V ; 50 Hz. Cette installation consomme une puissance active Pa = 8 kw et absorbe un courant de valeur efficace 1= 37 A. 1. Quel appareil (type, position AC / DC) peut-on utiliser pour mesurer la valeur efficace de la tension alimentant l'installation électrique? 2. Calculer la puissance apparente S de l'installation. 3. Calculer le facteur de puissance cos cp de l'installation. EXERCICE: CHIMIE Lire le texte ci-dessous puis répondre au questionnaire à choix multiples du document réponse 3. Les fils électriques transportant le courant électrique sont portés par des poteaux en acier (alliage de fer et de carbone). La fabrication des aciers a lieu dans les hauts fourneaux. On obtient d'abord les fontes à partir de minerais de fer, puis on les affine pour obtenir les aciers. Au cours du temps, les poteaux en acier sont soumis à l'oxydation (dans le langage courant, on dit que «le fer rouille)}). Il faut donc protéger ces pièces en acier contre l'oxydation, il existe pour cela différents procédés. 4/6 9PYGMNC1

5 Neutre - l- Réseau Phase 23 _ Phase 1 - DOCUMENT REPONSE 1 Moteur asynchrone Enroulement 1 Enroulement 2 Enroulement 3 DOCUMENT REPONSE 2 caractéristique mécanique Tu = f(n)... 8 z E ::s n [tr/mn] 5/6 9PYGMNC1

6 DOCUMENT REPONSE 3 EXERCICE: CHIMIE. Pour chacune des trois questions: - encadrer la bonne réponse, - il n'y a qu'une bonne réponse par question. Question 1 : La réaction chimique qui a lieu dans les hauts fourneaux s'écrit: FeO + CO = Fe + CO2 4 Fe + 3 O2 = 2 Fe203 Fe = Fe e- Question 2 : L'oxydation est : Un gain d'électrons Une perte d'électrons Une réduction par voie sèche Question 3 : Pour protéger les aciers de l'oxydation, on peut: Les recouvrir d'un métal moins réducteur que le fer (le cuivre par exemple) Les recouvrir de fer «pur» Les recouvrir de zinc (c'est la galvanisation) 6/6 9PYGMNC1