BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES GÉNIE MÉCANIQUE. Session 2010 SCIENCES PHYSIQUES ET PHYSIQUE APPLIQUÉE

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1 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES GÉNIE MÉCANIQUE Session 2010 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 9 pages numérotées de 1/9 à 9/9. Les pages 7/9, 8/9 et 9/9 où figurent les documents réponses sont à rendre avec la copie 1/9 10PYGMAG1

2 Génie mécanique Atelier de menuiserie Une association dont les membres sont d'anciens techniciens des métiers du bois vient d'être créée et souhaite relancer la réalisation de produits traditionnels et artisanaux (Meubles, fermetures extérieures, charpente, ébénisterie etc....) Pour cela, elle vient de racheter un ancien atelier à remettre en service mais son budget est limité. PARTIE I : MOTEUR INSTALLE SUR UNE MACHINE OUTIL (MOTEUR M1) Sur une des machines-outils à remettre en fonctionnement, un ancien moteur porte les indications suivantes : Induit 220 V = 15 A Inducteur 200 V = 500 ma 3000 W 1500 tr.min -1 QUESTION I.1 Identifier le type de ce moteur. Justifier votre réponse. QUESTION I.2 Combien de sources de tension sont nécessaires pour faire fonctionner celui-ci? Préciser la nature des sources à utiliser (Alternative ou continue) QUESTION I.3 Ne disposant pas des alimentations nécessaires, l'association décide de faire vérifier cette machine par une entreprise spécialisée et demande de réaliser un essai à vide : I.3.1 Compléter le schéma électrique sur le document réponse N 1 en précisant correctement l'emplacement de l'induit et de l'inducteur. On représentera les sources en indiquant leur valeur, on fléchera les différentes grandeurs électriques (courant dans l'induit et dans l'inducteur, tension -aux bornes de l'induit et de l'inducteur...) I.3.2 Indiquer le branchement de l'appareil de mesure permettant de mesurer le courant à vide absorbé par l'induit (document réponse N 1) I.3.3 Quel dispositif faut-il utiliser pour mesurer la fréquence de rotation à vide de ce moteur? QUESTION I.4 Bilan des puissances. L'association récupère les informations suivantes : Résistance de l'induit : R = 1,2 Ω Renseignements sur l'essai à vide Caractéristique mécanique (voir document réponse N 2) 2/9 10PYGMAG1

3 QUESTION I.4.1 Essai à vide de la machine : inducteur alimenté sous tension nominale Tension appliquée aux bornes de l'induit U n Intensité du courant absorbé à vide dans l'induit I V 1,4 A A partir de cet essai, I.4.1.a Calculer la valeur des pertes par effet Joule P j dans l'induit pour cet essai I.4.1.b Préciser la valeur de la puissance utile P u0. En déduire la valeur des pertes collectives P c. QUESTION I.4.2 Caractéristique mécanique : Le propriétaire souhaite vérifier la compatibilité de ce moteur installé avec la machine outil. Pour cela, il dispose de la caractéristique mécanique de sa machine lorsqu'elle découpe des pièces. Le couple résistant est donné par la relation : T r = n avec n en tr.min -1 et T r en N.m a) Représenter la caractéristique mécanique sur le document numéro N 2. En déduire le point de fonctionnement M de l'ensemble. A partir de ce point de fonctionnement, déterminer les coordonnées de M. b) En déduire la puissance mécanique utile P u du moteur pour ce point de fonctionnement. c) Le moteur est-il utilisé dans les conditions nominales de vitesse et de puissance mécanique utile? QUESTION I.5 Afin de pouvoir modifier la vitesse de travail sur la machine, il est nécessaire d'acquérir un convertisseur adapté alimenté par le réseau triphasé disponible clans le bâtiment (réseau 230/400V) Parmi les dispositifs suivants, préciser celui qui semble convenir en justifiant votre réponse et indiquer pourquoi avoir éliminé les autres (Document réponse N 3) Hacheur série. Onduleur de tension. Redresseur à diodes. Redresseur commandé à thyristors et diodes: Transformateur de tension. PARTIE II : SYSTEME DE TENSION TRIPHASE, MOTEUR M2 Finalement, la solution précédente consistant à acheter un variateur de vitesse est trop onéreuse et le changement du moteur précédent M1 est envisagé par un autre modèle de récupération équipé de son variateur de vitesse (Moteur M2) Informations relevées sur la plaque signalétique du moteur M2: (plaque signalétique endommagée et parfois illisible) 230/400V Illisible A/ illisible A Cos ϕ = 0, tr.min Hz 4400 W 3/9 10PYGMAG1

4 QUESTION II.1 En déduire le type de ce moteur à partir de ce relevé. Déterminer la fréquence de rotation n 5 au synchronisme ainsi que le nombre de paires de pôles de cette machine. QUESTION II.2 Ce moteur d'occasion fonctionnait précédemment sur un réseau 127/230V Sur le document réponse N 4, indiquer le couplage que va trouver l'association lorsqu'elle va ouvrir le boîtier de connexion. Justifier votre réponse. Placer alors les barrettes de connexion correspondant à cet ancien couplage sur le document réponse N 4. QUESTION II.3 L'association veut maintenant le faire fonctionner sur le réseau de l'atelier 230/400V Préciser alors le nouveau couplage à réaliser et positionner les barrettes de connexion sur le document réponse N 4. QUESTION II.4 Afin de tester les enroulements de ce moteur et de vérifier qu'aucun n'est endommagé, l'association mesure avec un ohmmètre la valeur de la résistance entre deux bornes de phase du moteur lorsque celui-ci est couplé en étoile. Elle effectue trois mesures et les trois valeurs sont identiques ; la valeur mesurée est R m = 3Ω. En déduire la valeur de la résistance r d'un enroulement à partir de la valeur mesurée. Justifier votre réponse. On pourra s'aider d'un schéma. QUESTION II.5 Test et repérage des phases du réseau Afin de relier le moteur M2 au réseau, des mesures sont effectuées avec un voltmètre sur les différentes bornes du réseau. II.5.1 Préciser la position du commutateur utilisé (AC ou DC) sur les appareils de mesure. II.5.2 Les résultats obtenus sont les suivants (Voir document réponse N 5). Placer les mots NEUTRE et PHASE à coté de chaque fil en barrant la réponse fausse. II.5.3 Rappeler la relation entre la valeur efficace d'une tension simple et la valeur efficace de la tension composée. QUESTION II.6 Afin de dimensionner les conducteurs d'alimentation, il est nécessaire de prévoir quelle est l'intensité nominale du courant sur un fil de ligne. En supposant que le rendement de ce type de moteur est de 90%, déterminer : II.6.1 la puissance active totale P A absorbée par ce moteur dans les conditions nominales de charge. II.6.2 l'intensité efficace I du courant dans un fil de ligne. 4/9 10PYGMAG1

5 PARTIE III: VARIATEUR DE VITESSE QUESTION III.1 Citer le nom du dispositif permettant de modifier la vitesse de rotation du moteur M2 (moteur asynchrone) Ce convertisseur simplifié est représenté sur le schéma ci contre ; chaque interrupteur K est constitué d'un transistor en antiparallèle avec une diode D. Les deux interrupteurs K1 et K2 ont des commandes complémentaires de fréquence f : Etats des interrupteurs K QUESTION III.2 Quel type de source est utilisé pour alimenter ce variateur (continue ou alternative)? QUESTION III.3 Indiquer sur le document réponse N 6, le branchement de l'oscilloscope afin de visualiser simultanément : - la tension aux bornes de la charge. - la tension aux bornes de la résistance r de valeur 1 Ω. L'oscilloscope intègre une sonde différentielle sur chaque voie. QUESTION III.4 Justifier que la tension aux bornes de la résistance r est bien une image du courant dans la charge. QUESTION III.5 Quel dispositif de mesure aurait également permis de visualiser le courant dans la charge? QUESTION III.6 On relève sur l'oscillogramme suivant les grandeurs u(t ) et u r (t). 5/9 10PYGMAG1

6 En déduire : III.6.1 la période et la fréquence de la tension de sortie du variateur. III.6.2 la valeur maximale de l'intensité du courant dans la charge. III.6.3 la valeur moyenne de la tension u(t). Quelle propriété possède cette tension? III.6.4 la valeur efficace U de la tension u. QUESTION III.7 On désire changer la vitesse de rotation du moteur; quel paramètre faut il modifier? Justifier votre réponse. 6/9 10PYGMAG1

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