UNIVERSITE MONTPELLIER 2. Concours externe ASI de recherche et de formation BAP C : Emploi Type : Assistant électrotechnicien.

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1 NE RIEN INSCRIRE DANS CE CADRE Corps : BAP : Emploi type concours : Centre organisateur : NOM : (En majuscule, suivi s il y a lieu, du nom d épouse) Prénoms : N de table Né(e) le : (Le numéro est celui qui figure sur la convocation ou la liste d appel) Corps : BAP : Emploi type concours : Centre organisateur : (Précisez, s il y a lieu, le sujet choisi) Note : 20 Appréciation du correcteur (uniquement s il s agit d un examen) : Numérotez chaque page (dans le cadre en bas de la page) placez les feuilles intercalaires dans le bon sens si besoin. UNIVERSITE MONTPELLIER 2 Concours externe ASI de recherche et de formation BAP C : Emploi Type : Assistant électrotechnicien Session 2007 Epreuve écrite d admissibilité Durée : 3 heures Coefficient : 4 Le «sujet-réponse» comporte 10 pages (y compris la page de garde) Aucun document papier ou électronique autorisé - calculatrice de poche autorisée 1

2 Etude d'un réseau de bord : Résumé : L'année 2005 a été celle du décollage de l'avion gros porteur A380 d'airbus. Cet avion utilise de plus en plus de systèmes électriques et possède un réseau alternatif à fréquence variable. Dans ce document sont abordés la génération électrique à partir des réacteurs, la protection des personnes et du matériel ainsi qu'une approche concernant les harmoniques de courants de ligne à l'aide d'un autotranformateur dodécaphasé. Caractéristiques générales : Motorisation : 4 réacteurs Rolls-Royce Capacité : 555 passagers Rayon d'action : peut atteindre km Charge utile : de l'ordre de 150 tonnes pour la version cargo Principales innovations : Commandes de vol électriques Réseau alternatif à fréquence variable Réseau de secours totalement électrique Servocommandes à puissance électrique Source : AIRBUS et THALES pour Marc ODDON IUT1 de Grenoble Département Génie Electrique 1 2

3 Génération électrique principale La génération du réseau alternatif triphasé à fréquence variable est assurée par 4 VFG (Variable Fréquency Générator) directement accouplées sur l'étage haute pression de chaque réacteur. fig 1 : Schéma de principe d'un alternateur VFG Chaque VFG constitue une génératrice autonome à trois étages (génératrice à aimants permanents, excitatrice, alternateur), et alimente sa propre "barre bus principale alternative" avec une fréquence de réseau comprise entre 370 et 800 Hz environ (fig 1). L'excitation de l'alternateur est commandée de façon à obtenir une tension efficace de sortie régulée de 115/200 V alternative. (Appelé POR Point of Régulation). L'alternateur triphasé surprend par sa compacité pour une puissance apparente nominale relativement élevée. La norme impose qu'il puisse supporter une surcharge de 100 % pendant 5 secondes. Dimensions: environ Φ=15cm et long = 20 cm Couplage étoile, 370 Hz à N= tr/min 2 paires de pôles Valeurs nominales : Ssn= 150 kva, Vsn= 115V Circuit magnétique : Tôles cobalt, pertes nominales 40W/kg à 0,7 Tesla pour un total de 60kg environ. Enroulements : Méplat cuivre, bobinages à pas raccourcis 1/3, 96 encoches, 2 conducteurs par encoche, 4 voies d'enroulement. Densité de courant : 20A/mm2 refroidissement par circulation d'huile. Pertes mécaniques nominales : environ l0 kw. Rapport de multiplication de la fréquence de rotation réacteur Nin par rapport à la fréquence de rotation de l'arbre machine N : k m 3 = N = Nin 2,667

4 Les caractéristiques à vide (fig 2) et en court-circuit triphasé (fig 3) de l'alternateur sont réalisées à la fréquence minimale (370 Hz). fig 2 : caractéristique à vide fig 3 : caractéristique en CC 1. Expliciter le terme de "génératrice 3 étages" en précisant le rôle de chaque sous-fonction. Quels sont les avantages d'un tel système par rapport à une excitation traditionnelle? Etage 1 : Etage 2 : Etage 3 : Avantage : 4

5 2. Exprimer la fréquence de sortie réseau f en fonction de Nin, km et p. Formule de base: Formule de l application: 3. En déduire le nombre de paire de pôles de l'alternateur et les excursions maximale, fmax, et minimale, fmin, de la fréquence réseau. Nmin=4162 tr/min => fmin = Hz Nmax=9000 tr/min => fmax = Hz p = correspond à N=11100 tr/min et f=370 Hz 4. Justifier sur des critères mécaniques l'intérêt en aéronautique d'un fonctionnement à fréquence variable sur une telle gamme. 5. Calculer l'intensité nominale par phase Isn de alternateur. Isn = 6. Le flux émis par un pôle Φ(t) est de la forme Φ(t) = Φ M. cos(p(ωt - θ 0 )). Exprimer e c (t) la force électromotrice induite dans une spire d'induit en fonction de Φ M, f, p, t, et θ 0. e c (t) = e c (t) = 5

6 7. La force électromotrice induite pour une phase i est donnée par : esi(t) = k b.n b.ec(t) où k b représente un coefficient de bobinage et N b le nombre de spires pour une phase. Quelle est l'origine physique de ce coefficient de bobinage? Distribution La figure ci-dessous (fig 4) présente l architecture type d un réseau pour biréacteur. fig 4 : architecture type d un réseau d énergie Le réseau de bord dispose de moyens de protection des matériels et des personnes : liaison alternateur VFG-AC BUS : en temps réel, les courants sur chaque phase sont mesurés à la sortie de l'alternateur et à l'arrivée sur le bus AC. Un défaut amène la désexcitation de l'alternateur puis son isolement; le bus AC étant alimenté par l'un des 3 autres alternateurs. départs à partir du bus AC : disjoncteurs. La structure métallique de l'avion est utilisée comme conducteur neutre. L'installation comprend 3 câbles par phase mis en faisceau indépendant. (Donc 3 câbles par faisceau) 6

7 8. Quel est le rôle du composant RAT en figure 4? 9. Quel est le régime de neutre de ce réseau de bord? 10. Quel est l'appareillage assurant la protection des personnes? 11. Dans ce cas, quelle contrainte a-t-on entre l'appareillage de protection et le courant de défaut?. 12. Vis-à-vis de quel(s) type(s) d agression externe la structure métallique de l avion protége-t-elle? 13. Quelle est l'origine physique des coefficients correcteurs à appliquer sur l'intensité admissible d'un câble? 7

8 14. Pour quelles raisons principales (mécanique, électrique, thermique...) n'utilise t-on pas un seul câble par phase? Aspects mécaniques Aspects électriques Aspect Thermique Aspect Sécurité 15. Réseau alternatif-continu: Dessinez un schéma électrique d une génératrice triphasée étoile débitant sur une charge résistive b ranchée sur un pont de redressement mono. 16. Réseau alternatif-continu: Dessinez dans le domaine temporel la forme d onde de courant issu d une génératrice triphasée étoile débitant sur une charge résistive branchée sur un pont de redressement mono. 17. Réseau alternatif-continu: Peut-on calculer la valeur moyenne I 0 du courant dans la charge résistive par la formule ci-dessous? I 3 3 = π 0 2 I max 8

9 Réseau DC : Le réseau DC 28 V comprend une fonction «alimentation sans coupure» 18. Proposez un schéma simple permettant d obtenir le 28 V d une part et la fonction sans coupure d autre part. 19. Votre responsable vous suggère de câbler une partie des équipements en «2,5 carré» et l autre en «6 carré» : Sur quel paramètre intervenez-vous? 20. Votre responsable vous suggère de remplacer les prises actuelles IP 44 par des IP 67. De quoi s agit il? Quelle est la conséquence sur l installation? Une génératrice de fem e = 10 veff, de résistance interne r =10 Ω débite sur une charge RL de 8 Ω au moyen d un câble dont la résistance totale est de 2 Ω. 21. Quelle est la valeur du courant circulant dans RL? 22. Quelle doit être la section du fil, exprimée en mm, pour tenir ce courant sachant que la ligne mesure 10 m (rappel : conductivité du cuivre : 58, S/m). 2 9

10 23. Quelle est la puissance transmise à la charge résistive RL? 24. Dans l hypothèse de l utilisation d un câble aux pertes négligeables, quelle est la condition sur r et RL pour transmettre la puissance maximale? 25. Par quelle méthode, pouvez-vous convaincre un collègue d une puissance maximale transmise? 26. La puissance transmise dépend-t-elle de la fréquence de la source? Fin 10