CONCOURS GÉNÉRAL DES LYCÉES SCIENCES ET TECHNIQUES INDUSTRIELLES GÉNIE ÉLECTRIQUE ÉLECTROTECHNIQUE

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1 CONCOURS GÉNÉRAL DES LYCÉES SESSION 211 SCIENCES ET TECHNIQUES INDUSTRIELLES GÉNIE ÉLECTRIQUE (Classe de terminale STI) ÉLECTROTECHNIQUE DURÉE 6 heures Aucun document n est autorisé Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n du 16 novembre 1999) AUTOMOTRICE GRANDE VITESSE (AGV) ET LIGNE GRANDE VITESSE (LGV) Ce dossier comprend : La présentation générale de l AGV et de la LGV L étude mécanique : cahier partie A Questionnement et réponses Pages PG1 à PG2 Pages A1 à A16 L étude de la chaine d alimentation de la machine synchrone : cahier partie B Questionnement et réponses Pages B1 à B9 Documents réponses Pages DRB1 à DRB2 Documents techniques Pages DTB1 à DTB3 L étude de la distribution d une rame d AGV : cahier partie C Notations Questionnement et réponses Documents techniques Pages C1 à C3 Pages C4 à C13 Pages DTC1 à DTC8 L étude de la transmission voie-machine : cahier partie D Questionnement et réponses Documents techniques Pages D1 à D12 Pages DTD1 à DTD4 Remarques importantes : l épreuve se compose de 4 parties A, B, C et D qui sont indépendantes. Dans chaque partie et pour chaque question un emplacement est réservé pour les réponses. Elles seront traitées dans l ordre souhaité par le candidat.

2 Mise en situation. Le marché de la très grande vitesse a atteint un bon niveau de maturité mais évolue néanmoins car les clients peuvent maintenant affiner l identification des besoins des passagers et par conséquent leurs spécifications techniques. Les étapes clefs du développement de l AGV Juin 24 : lancement du programme de réalisation du prototype de l AGV, 3 avril 27 : le TGV Duplex bat, avec les composants de l AGV, un nouveau record du monde sur rail (574,8 km/h), 17 janvier 28 : Alstom et NTV (Nuovo Trasporto Viaggiatori, le premier opérateur privé sur les lignes italiennes à grande vitesse) signent le premier contrat AGV, 5 février 28 : l AGV est officiellement dévoilé à la presse, Octobre 21, livraison du premier exemplaire en Italie. Architecture L'AGV adopte le principe de la motorisation répartie, tous les essieux pouvant être moteur (figure 1). moteur essieu réducteur Fig. 1 : Bogie moteur Cette disposition permet de gagner de l'espace «utile» dans les rames. Les équipements de traction (onduleurs notamment) sont installés sous le plancher PG 1

3 voyageurs de chaque voiture. Les caisses d'extrémités peuvent accueillir des voyageurs. La capacité peut aller jusqu'à 46 places assises pour une rame de 2 m de long (figure 2). TGV actuel un niveau (2m) 13 bogies - 88 kw à 32 km/h - 43 tonnes 37 places AGV 11 un niveau (2m) Transformateur Traction Compresseur Essieu moteur Fig. 2 : Rames 12 bogies - 73 kw à 32 km/h tonnes 466 places Equipement électrique Grâce à l'utilisation de convertisseurs de traction à IGBT refroidis à l'eau et de moteurs synchrones à aimants permanents, le rapport puissance/poids de l'agv est très élevé. L'ordre de grandeur de 22 kw/t permet de réduire la masse de 43 à 395 tonnes par rapport aux TGV actuels. De même l aérodynamisme est amélioré de 15 % et les coûts de maintenance de 3 % tout en augmentant la capacité à bord de 2 %. Particularité de la LGV Le réseau électrique ferroviaire d'alimentation n'est pas le même partout en France. C est pourquoi, la chaîne d alimentation des machines synchrones doit répondre aux règles d interopérabilité. La pénétration sur les réseaux allemand et suisse oblige aussi de concevoir des rames tri tension (voir quadri tension) comportant en plus des tensions 25kV 5Hz et 15V continu, la tension spécifique de l Allemagne et de la Suisse : le 15kV 16,7Hz. Il faut noter aussi que du 3kV continu est utilisé sur le réseau belge et italien. PG 2

4 PARTIE A ETUDE COMPARATIVE DES CHAINES CINEMATIQUES DE L AGV ET DU TGV Le transport passager, en dehors des critères de confort de voyage ou d agréments, doit se plier à des contraintes techniques, commerciales, économiques et écologiques notamment en terme d énergie consommée. Le transport ferroviaire à grande vitesse, à travers le T.G.V., se pose comme un moyen de satisfaire le marché du transport passager sur de longues distances. Une alternative au T.G.V. est désormais possible, il s agit de l A.G.V. (Automotrice à Grande Vitesse) Problématique : Concernant ces contraintes, en quoi la rame A.G.V. s inscrit-elle dans cette démarche et améliore-t-elle l offre T.G.V.? Ce dossier est constitué de : - 16 pages numérotées A1 à A16 Temps maximum conseillé : 2 heures A1

5 A1 : ETUDE DES OBJECTIFS DE L AGV Objectifs : Vérifier si les objectifs de l AGV en termes de consommation d énergie et de respect de l environnement sont remplis et calculer la vitesse moyenne à laquelle le train devra rouler pour concurrencer l avion. À l aide du dossier présentation page PG2, A.1.1. Donner succinctement les avantages de l AGV sur le TGV (trois critères suffisent). Travaillons maintenant avec un exemple simple : vous êtes parisien et souhaitez vous rendre à Marseille. Le trajet Paris-Marseille nécessite trois heures et la production d énergie électrique engage 5 grammes de CO 2 /kwh produit. Comparons l impact carbone d un TGV et d une AGV roulant à la même vitesse de 32 km/h A.1.2. Calculer la consommation en kwh d un TGV sur ce trajet. A.1.3. Calculer la consommation en kwh d une AGV sur ce trajet. A.1.4. Calculer pour le TGV l équivalent carbone de ce trajet. A2

6 A.1.5. Calculer pour l AGV l équivalent carbone de ce trajet. A.1.6. Comparer les valeurs obtenues et expliquez si les objectifs de l AGV en termes de consommation d énergie et de respect de l environnement sont remplis vis à vis du TGV. Poussons la comparaison plus loin. Une voiture compacte moderne rejette 14 grammes de CO 2 / km. Pour elle l équivalent carbone de ce trajet est de l ordre de 13 grammes de CO 2. Si elle transporte 5 personnes à son bord, A.1.7. Calculer pour l automobile l équivalent carbone/passager de ce trajet. A.1.8. Calculer pour l AGV (avec le maximum de passagers) l équivalent carbone/passager de ce trajet. A.1.9. Comparer les valeurs obtenues et expliquer si les objectifs de l AGV en termes de consommation d énergie et de respect de l environnement sont-ils remplis vis-à-vis de l automobile. A3

7 Laissons de côté l impact carbone et intéressons nous maintenant à la durée du trajet. Dans cette partie l auto n est plus concurrentielle Ce trajet en avion vous prendra 1h15 d aéroport à aéroport. Ceux-ci étant généralement à l extérieur des villes, il vous faudra en plus 35 minutes de navette pour aller de Paris gare de Lyon à Orly et 25 minutes de navette pour aller de l aéroport de Marseille à la gare Saint-Charles. A ceci s ajoute une petite marche intra aéroport voire un éventuel enregistrement de bagage : 1 min. La ligne Paris-Marseille est longue de 863 kilomètres. A.1.1. Calculer la vitesse moyenne à laquelle devra rouler un train de gare à gare pour concurrencer l avion. A2 : ETUDE DE LA CINEMATIQUE DE L AGV, OBJECTIF 36 km/h Objectifs : Vérifier si les temps et les distances pour sortir de gare de à 36 km/h sont raisonnables et compatibles avec les infrastructures. On admet que la sortie de gare s effectue en 3 phases. Le mouvement retenu pour l AGV est un mouvement de translation rectiligne caractérisé par l allure du graphe d accélération ci-dessous. a (m/s²),5 1,35 2,2 3 t 1 t 2 t 3 t (s) A4

8 On précise également les vitesses atteintes aux différents instants : V() = ; V(t 1 ) = 36 km/h ; V(t 2 ) = 144 km/h ; V(t 3 ) = 36 km/h La phase 1 est caractérisée plus précisément par les équations horaires de mouvement : x( t) =,25. t² en m V ( t) =,5. t en m/s et pour : t t1 a( t) =,5 en m/s² La phase 2 est caractérisée par des équations horaires de mouvement de la forme: 1 x( t) =. a2. t² + V 2. t + x2 en m 2 V ( t) = a2. t + V 2 en m/s et pour : t1 t t 2 a( t) = a2 = constante en m/s² La phase 3 dure 5 min et la distance parcourue pendant cette phase est de 21 km. A.2.1 Déterminer la durée et la distance parcourue pendant la phase 1 : t 1 et x(t 1 ). A.2.2 Déterminer pour la phase 2,les constantes V 2,x 2 et t 2. A5

9 A.2.3 Ecrire les équations horaires de mouvement pour cette phase 2. A.2.4 Déterminer le temps total en heure/minute/seconde pour atteindre la vitesse maximale désirée ainsi que la distance totale nécessaire en km, soient : t 3 et x(t 3 ). A3 : RESISTANCE A L AVANCEMENT Objectifs : Comparer AGV et TGV en terme de résistance à l'avancement. L efficacité d un train se mesure aussi par une faible résistance à l avancement. Plus celle-ci est petite, moins sa consommation d énergie est grande. Cet effort résistant, F RAV, s oppose à l avancement du train et s exprime en fonction de la vitesse V du train par une équation du type : F RAV = A + B.V + C.V 2 Et pour une AGV : avec F RAV en N et V en km/h A : frottements dans les paliers et résistance au roulement et A = 25 B.V : frottements des roues sur les faces latérales des rails et B = 29 C.V 2 : résistance aérodynamique du train, pénétration dans l air et C =,45 A.3.1. Tracer le graphe F RAV =f(v) pour V allant de km/h à 36 km/h sur le fond quadrillé prévu à cet effet sur la feuille suivante. A6

10 F RAV en dan Vitesse en km/h Ci-dessous la courbe obtenue pour une rame TGV (attention à l échelle). F RAV en dan A.3.2. Comparer votre F RAV d AGV à 32 km/h avec celui donné ci-dessus par la SNCF pour un TGV. L objectif de réduction de la F RAV du TGV de 15 % est-il atteint? (justifier) A7

11 A4 : ETUDE DYNAMIQUE DE L AGV Objectifs : S'approprier la relation effort de traction / accélération. En traction ferroviaire, l équation fondamentale de la dynamique en projection sur l axe de la voie appliquée à un train de masse M et d accélération a, sur une voie inclinée d un angle α (montée ou descente) s écrit : F T ± M.g.sinα - F RAV = M.a avec F T la force de traction (cf. illustration ci-dessous) y α x Hypothèse : on néglige l inertie des masses tournantes rapportées à leurs axes de rotation car elles sont très inférieures à l inertie de la caisse. A.4.1. Définir le terme " M.g.sinα "? Expliquer son influence sur le mouvement (montée, descente, plat ) du train? En admettant que le train sorte de gare (cf. graphe partie A2) et se trouve sur une voie ferrée horizontale, A.4.2. Calculer la force de traction F T nécessaire pour faire avancer le train à 36 km/h (utiliser la phase 1). A8

12 A.4.3. Calculer la force de traction F T nécessaire pour faire avancer le train à 36 km/h (utiliser la phase 3). A.4.4. Comparer les deux résultats précédents et conclure. A5 : ETUDE DE L ADHERENCE ROUE-RAIL Objectif : Calculer le coefficient d'adhérence nécessaire pour assurer l'effort de traction étudié précédemment et comparer AGV et TGV. Pour chacun des cas : TGV et AGV on retient les indices du même nom. Hypothèses : TGV actuel un niveau (2m) 13 bogies - 88 kw à 32 km/h - 43 tonnes 37 places AGV 11 un niveau (2m) Transformateur Traction Compresseur Essieu moteur 12 bogies - 73 kw à 32 km/h tonnes 466 places Un bogie comporte 2 essieux et 1 essieu comporte 2 roues. A9

13 L étude se fait au démarrage, en fin de phase1 de l étude cinématique. L effort de traction F T nécessaire retenu est de : F T.TGV = 22 N pour le TGV F T.AGV = 2122 N pour l AGV. Accélération de la pesanteur retenue : g = 9,81 m/s² F rail / roue Pr ϕ Cerm y r Roue motrice Pour une roue motrice, on modélise ci-contre Le contact roue motrice / rail. Liaison essieu-bogie : pivot (B, z r ). Problème plan ( x r, y r ). Poids propre de la roue négligé. x r FTr I.1.a. A B Pr - FTr Sens du mouvement Rail Bilan des actions mécaniques appliquées à une roue motrice : Au point A Au point B : F rail/roue = F Tr - P r : action du rail : C erm : couple d entraînement roue motrice F pivot/roue = - F Tr + P r : action à travers la liaison pivot (B, z r ) Avec : P r : action du poids supportée par roue (motrice ou non) F Tr : effort de traction par roue motrice A.5.1. Calculer le poids supporté par roue : Pr.AGV. A.5.2. Donner le nombre de roues motrices : Nb rm.agv. L effort de traction F T est assuré par l ensemble des roues motrices. A.5.3. Calculer l effort de traction maximum par roue motrice : F Tr.AGV. A1

14 Coefficient d'adhérence pour assurer la motricité : (µ = tanϕ) A.5.4. Déterminer le coefficient d adhérence roue-rail nécessaire µ.agv. A.5.5. Inscrire vos résultats concernant l'agv dans le tableau récapitulatif suivant. TGV Poids / roue (en N) Pr.TGV = 811 N Pr.AGV = Nombre de roues motrices Nb.TGV = 16 Nb.AGV.= Effort de traction maxi par roue motrice (en N) F Tr TGV = 1375 N F Tr AGV = Coefficient d adhérence motricité µ.tgv =,17 µ.agv = AGV Les constructeurs de matériel moteur fournissent un coefficient d adhérence pour les conditions normales du rail : propre et sec. On considère généralement le coefficient d adhérence maximal utilisable au démarrage du train, phase la plus difficile à réaliser. Il apparaît cependant que l adhérence maximum sollicitable µ diminue avec la vitesse et l état du rail (sec ou humide). Des formulations expérimentales sont proposées pour estimer cette adhérence, on peut les caractériser par le graphe cidessous.,5,4 µ Rail Humide Rail Sec,3,2, V (km/h) A.5.6. Interpréter vos résultats. A11

15 A6 : ETUDE DE LA CHAINE DE TRANSMISSION DE PUISSANCE Objectif : A partir de l'effort de traction et en remontant la chaîne de transmission de puissance, valider les caractéristiques moteur de l'agv et comparer les rapports puissance/place de l'agv et du TGV. Le graphe ci-contre caractérise l allure de l effort de traction des roues en fonction de la vitesse du train, en équipuissance pour : V1 < V <36 km/h. Effort de traction (N) Limitation adhérence Equipuissance A vitesse réduite, V < V1, c est l adhérence disponible qui limite la puissance nécessaire en raison de l effort de traction limite aux roues. Concernant l interprétation du graphe : A.6.1. Interpréter le terme : équipuissance. RAV V1 36 Vitesse d avancement (km/h) Pour le reste de l étude, le mouvement retenu pour l AGV est un mouvement de translation rectiligne sur voie horizontale. La puissance de traction P T nécessaire est définie dans l objectif de vaincre uniquement la résistance à l avancement (RAV) et ce à vitesse maximale constante (36 km/h), dans ce cas un 6 ème bogie motorisé est nécessaire. Concernant l AGV : A.6.2. Calculer grâce à la formule donnée en A3 l effort de traction F T nécessaire pour vaincre uniquement la résistance à l avancement. Pour se ménager une réserve d accélération à 36 km/h, la puissance de traction est augmentée de 1%. A.6.3. Déterminer la puissance de traction totale AGV : P T. A12

16 A.6.4. Déterminer la puissance de traction par essieu moteur AGV : P TEm. La transmission de puissance à travers un essieu moteur est caractérisée par le schéma-bloc suivant : Energie électrique Moteur η m =,97 N m C m Réducteur r η R =,92 η Em =,83 ω R C R Essieu roue η E P TEm V Recherche du rapport de réduction du réducteur à partir du record de vitesse du 3 avril 27 (574,8 km/h) Ce jour là une rame expérimentale nommée V15 battait le record de vitesse des trains sur roues sur la Ligne à Grande Vitesse Est Européenne : LGVEE. Cette rame comprenait entre autres 4 bogies moteurs TGV POS et 2 bogies moteurs type AGV. Différentes mesures ont été effectuées lors de ce record notamment les vitesses de rotation des organes de transmission. vitesses de rotation en tr/min TGV POS AGV 32 km/h 5 km/h 574,8 km/h 32 km/h 5 km/h 574,8 km/h Moteur Moteur Tripode Essieu Essieu TGV POS AGV A partir de ces résultats : A.6.5. Calculer la valeur du rapport de réduction du réducteur de l AGV : r. A13

17 En considérant l usure des roues, le diamètre de celles-ci varie de 92 mm à 85 mm, en dessous de ce diamètre la roue est changée. L étude se fera à mi usure des roues. A.6.6. Déterminer la vitesse de rotation des roues : ω R en rad/s. A.6.7. Déterminer le couple d entraînement réducteur nécessaire: C R. A.6.8. Déterminer le couple, la vitesse de rotation et la puissance moteur qui doivent être assurés : Cm (N.m), Nm (tr/min) et Pm (kw). Moteur type 12 LCS 355 B -12 pôles autoventilé - masse 775 kg+/- 1% - encombrement 68 mm x 69 mm x 735 mm (H x l x L) - Puissance continue 73 kw de 3 à 457 tr/min - Vitesse maximale 457 tr/min A partir des caractéristiques du moteur synchrone à aimants permanents utilisé par essieu, A.6.9. Conclure quant au choix du moteur. A14

18 A.6.1. Calculer la puissance motrice totale nécessaire pour l AGV : Pm.AGV. Exprimer cette puissance motrice par tonne déplacée ou par place passager sont des critères d appréciation et de comparaison intéressants. Ces critères sont, pour le TGV 2m de notre étude, de l ordre de : Pm.TGV./ tonne = 2 kw / t Pm.TGV./ place = 23,5 kw / p A Déterminer pour l AGV : Pm.AGV./ tonne et Pm.AGV./ place. A7 : ETUDE DE PRINCIPE DU FREIN RHEOSTATIQUE Objectifs : Etudier la récupération d'énergie au freinage. La mise en situation pour cette partie sera la suivante : L'AGV aborde le sommet d'une descente à 36 km/h, La pente est de 4 %, La longueur de la descente est de 5 km (cf. illustration ci-dessous). Sens du mouvement α A.7.1. Calculer l'angle de la pente. Considérant que l'on veut conserver une vitesse constante de 36 km/h, A.7.2. Calculer F T dans ces conditions(cf. partie A4). A15

19 A.7.3. Commenter votre résultat. A.7.4. Calculer la puissance dissipée en freinage à l'essieu. A.7.5. Calculer la puissance dissipée en freinage au moteur. A.7.6. Calculer le couple sur l'arbre moteur. C'est le principe du frein rhéostatique. Le moteur fonctionne en génératrice donc la mise en rotation de son arbre (depuis les roues du train) se heurte à un couple résistant et c'est ce couple résistant qui freine les roues. Les moteurs de tractions débitent donc dans le rhéostat qui est un banc de résistances. Lorsque l'énergie est renvoyée à la caténaire on parle de freinage par récupération mais les sous-stations actuelles et les lignes ne permettent pas cette utilisation avec TGV et AGV, ce serait néfaste pour le moteur de toute autre motrice se trouvant trop près de la zone de freinage. A.7.7. Proposer une utilisation locale (au niveau du train) de cette énergie disponible autre que la dissipation sous forme de chaleur. A16

20 Partie B ETUDE DE LA CHAINE D ALIMENTATION DES MOTEURS SYNCHRONES Convertisseur ONIX TM haute tension 36 V (IGBT Power module) Etude des différents convertisseurs Etude d un redresseur double alternance monophasé Etude d un redresseur MLI (absorption sinusoïdale) Ce dossier est constitué de : - 9 pages numérotées de B1 à B9 [Questionnement et Réponse] - 2 pages numérotées de DRB1 à DRB2 [Documents réponse] - 3 pages numérotées de DTB1 à DTB3 [Documents techniques] Durée maximum conseillée : 1 H3. B 1

21 PROBLEMATIQUE : Montrer que le besoin d interopérabilité (alimentation sous diverses tensions) nécessite l adaptation de la tension et du courant d alimentation en utilisant des structures de convertisseur plus ou moins complexes. B.1 ETUDE DES DIFFERENTS CONVERTISSEURS NECESSAIRE POUR ALIMENTER LES MOTEURS: L énergie électrique est prélevée par un pantographe (PT) de la caténaire et acheminée vers le coffret transformateur DC à travers des dispositifs de protection et de contrôlecommande. L énergie est convertie puis acheminée aux coffrets de traction MC qui alimentent les moteurs de chaque bogie motorisé. La chaîne de traction de chacun des essieux moteurs est constituée, d un «bus» de tension continue alimentant un onduleur (OND) associé à son moteur de traction. Dans le cas des alimentations à courant monophasé, chacun des «bus» est alimenté respectivement par un enroulement du transformateur principal (TFP) associé à un convertisseur 4 quadrants appelé «Pont Monophasé à Commutation Forcée» (P.M.C.F.). Le rôle essentiel du convertisseur d entrée (P.M.C.F.) est de contrôler le déphasage entre la tension caténaire et le courant de traction afin de régler le facteur de puissance au voisinage de l unité. Ce convertisseur possède la topologie d un onduleur monophasé avec une commande MLI. Pour l'agv, les réseaux d'alimentation prévus par le constructeur ALSTOM sont : 25 KV 5Hz 15 KV 16,7 Hz 3V continu Chaque bogie est équipé de moteurs synchrones à aimants permanents triphasés autopilotés. Les caractéristiques nominales de chaque moteur (Moteur type 12 LCS 355 B) sont données ci-dessous : P= 8 kw - Cmax : 42 Nm tr/min kg - Imax= 28 A tension = 16/28 V - 12 pôles - Puissance continue 73 kw de 3 à 45 tr/min. Les convertisseurs de traction à IGBT type ONIX 233 haute tension 36 V avec IGBT 6,5 kv 4 A. B.1.1. D après les documents techniques DTB1 et DTB2, donner le domaine de tension des alimentations monophasées possibles sur AGV. Préciser les limites de ce domaine. PT 12 bogies - 73 kw à 32 km/h tonnes 466 places Transformateur (DC) Traction (MC) Compresseur Bogie moteur Bogie non moteur AGV 11 un niveau B.1.2. Rappeler l habilitation nécessaire pour un exécutant électricien qui intervient sur cette installation. B 2

22 B.1.3. A partir du document technique DTB2, compléter sur le schéma bloc les noms et les symboles proposés ci dessous. Le coffret de traction est alimenté sous caténaire alternative. Propositions : Transformateur - Onduleur de courant - Redresseur - Hacheur - Module freinage - 25 kv/5 Hz - 3 kv DC DJ(C) DJ(M). Symboles : Tous les symboles ne sont pas à utiliser! Rh MS 3 Rh MS 3 B.1.4. Sur le schéma bloc ci-dessus, flécher en rouge le sens du transfert d énergie réseau/machine synchrone en traction. B.1.5. Sur le schéma bloc ci-dessus, flécher en vert le sens du transfert d énergie réseau/machine synchrone en freinage. B.1.6. En observant le pont d entrée du PMCF sur le document technique DTB2, montrer que l énergie de freinage peut être renvoyée sur le réseau. B.1.7. En cas de coupure réseau (ouverture du disjoncteur DJ(M) par exemple), l énergie ne peut plus être renvoyée sur le réseau. Expliquer alors comment sera traitée l énergie restituée par la machine synchrone en phase de freinage. B.1.8. A partir des documents techniques DTB1 et DTB2, trouver le repère du composant permettant la protection contre les surintensités des circuits en alimentation continue. Donner le nom du repère. B 3

23 B.1.9. A partir des documents techniques DTB1 et DTB2, trouver le repère du composant permettant la protection contre les surintensités des circuits en alimentation alternative. Donner le nom du repère. B.1.1. Sur le schéma simplifié d alimentation de la machine, tracer en rouge le chemin de l'alimentation 25KV 5Hz depuis les pantographes jusqu'au moteur. 25 kv 5 Hz 3kV DC DJ(C) (C) DJ(M) (C) (M) MS (M) B Sur le schéma simplifié d alimentation de la machine, tracer en vert le chemin de l'alimentation 3KV DC depuis les pantographes jusqu'au moteur. 25 kv 5 Hz 3kV DC DJ(C) (C) DJ(M) (C) (M) MS (M) B La tension délivrée entre phases aux bornes du moteur étant de 28 volts, définir le couplage du moteur synchrone. B Représenter les barrettes de couplage permettant de coupler correctement le stator de la machine. Ph1 Ph2 Ph3 B La vitesse de rotation de la machine synchrone (n) dépend de deux paramètres, la fréquence (f) du courant d alimentation et le nombre de paires de pôle (p) de la machine. Exprimer n ( en tr/s) en fonction de f ( en Hz) et de p. B 4

24 B D après la structure mise en place sur l AGV, citer la grandeur physique sur laquelle il faut agir pour faire varier la vitesse de rotation du moteur. B Calculer la fréquence des courants d alimentation pour que ce moteur tourne à sa vitesse nominale. B A l aide du schéma bloc de la question B1.3, citer le convertisseur permettant d agir sur cette grandeur physique. B.2 ETUDE D UN REDRESSEUR DOUBLE ALTERNANCE : PROBLEMATIQUE : L alimentation des machines synchrones est composée de plusieurs étages de conversion. Le mode de fonctionnement du premier étage de conversion (PMCF) possède un fort régime discontinu qui engendre des perturbations sur le réseau. En France, le train est un consommateur comme un autre sur le réseau EDF. Contrairement à l Allemagne, par exemple, où le réseau 15 kv est dédié au ferroviaire. Dans le domaine ferroviaire, la minimisation de ces perturbations générées par la caténaire sur l environnement (signalisations, communications ) est particulièrement recherchée. Dans un premier temps, nous allons montrer qu un simple redresseur pollue fortement le réseau électrique. Dans un deuxième temps, nous allons montrer qu un redresseur commandé avec une loi de commande adaptée permettra de réduire grandement ces perturbations. Simplifions la représentation du pont d entrée du convertisseur ONIX TM de la manière suivante : i I Réseau Lr Vr ir D1 D2 C V RL D3 D4 Redresseur PD2 B 5

25 B.2.1. Connaissant l allure de la charge et de la décharge du condensateur CO en régime établi. Tracer sur le document réponse N 1 l allure de la tension Vo. B.2.2. Sur une période, délimiter par des traits pointillés verticaux les différents intervalles de conduction et préciser les diodes qui conduisent. B.2.3. Sachant que le courant Ir a pour valeur maximale 7 A, tracer l allure du courant ir. On idéalisera Ir à un signal créneau. B.2.4. A l aide des documents techniques DTB3 et DTB4, comparer l allure du courant ir aux exemples donnés. A quelle type de charge pourrait se rapprocher le montage étudié. B.2.5. D après l étude spectrale de ce type de charge, le courant est-il pollueur du réseau? Justifier votre réponse. B.2.6. En ferroviaire les courants moteur circulent avec les signaux de signalisation et de commande dans les mêmes supports. Expliquer pourquoi l allure du courant ir n est-elle pas acceptable. B.3 ETUDE DU REDRESSEUR MLI : En réalité le pont d entrée du convertisseur (PMCF) est composé d interrupteurs commandés (K1, K2, K3 et K4). Voici un schéma simplifié du redresseur MLI : i I Réseau Lr ir Vr R Filtre L K1 ie Ve A VA K3 B C ic V RL K2 VB K4 Redresseur MLI monophasé(pmcf) L intérêt connu du découpage est de réduire considérablement la taille des éléments de filtrage. PROBLEMATIQUE : Nous allons montrer ici, qu il est aussi possible par l utilisation d une loi de commande appropriée, de corriger le facteur de puissance entre la tension caténaire et le courant de traction et d obtenir un courant ir sinusoïdal en phase avec la tension Vr. B 6

26 Hypothèses de fonctionnement : - la tension de sortie est supposée constante et déjà régulée à Vo (3.6 kv) ; - Vr efficace à vide = 17 volts ; - les interrupteurs électroniques sont supposés parfaits. B.3.1. On donne l allure des tensions VA et VB. En déduire le tracé de Ve(t) sur le document réponse N 2. B.3.2. D après l allure de la tension Ve(t) obtenue, expliquer ce qu est une tension de type MLI. B A partir de votre tracé question B3.1, tracer en couleur bleue l allure du fondamental de Ve (noté Ve BF ) sur le document réponse N 2. Pour effectuer correctement le tracé, calculer l amplitude du fondamental de Ve. On précise que la valeur Ve BF =,6xVo avec Ve BF : représentant la valeur efficace du fondamental de Ve. Calcul : B.3.4. Donner la valeur (en degré) du déphasage δ (angle de calage) entre le fondamental de Ve et Vr. B.3.5. On ne considére maintenant que les grandeurs fondamentales de pulsation ω, on les notera : - ir BF pour le fondamental de ir. - Ve BF pour le fondamental de Ve. On considère la maille d entrée du redresseur : Réseau Ir Vr VR R VL jlω Ie Ve PMCF Vo Exprimer la loi des mailles dans la maille d entrée : B.3.6. Compléter le diagramme de Fresnel relatif à la maille d entrée. On notera ϕ et δ les retards angulaires respectifs de ir BF et de Ve BF par rapport à Vr BF. Vr BF ϕ δ Ir BF Ve BF B 7

27 Sur le diagramme de Fresnel ci-dessus, le cos ϕ est inférieur à 1. En agissant sur l angle de calage δ, on peut ramener Ir en phase avec Vr et atteindre le cos ϕ unitaire. B.3.7. On a relevé les tensions Vr, Ve et le courant Ir en entrée du PMCF. A l aide de ces courbes, mesurer l angle ϕ et calculer le cosϕ (A) :t(s) Ir Détails calculs : (V) :t(s) Ve Vr 5. I(A) t(s) B.3.8. Vu du réseau, si le cosinus ϕ est égal à 1, que peut on dire de la puissance réactive Q absorbée par le PMCF? B.3.9. On considère ici que Vr et ir sont parfaitement sinusoïdaux. Le fait de pouvoir corriger l énergie réactive consommée apporte de nombreux avantage sur la distribution d énergie électrique. Nous allons montrer ici son influence sur le dimensionnement du transformateur TFP en tête de la chaine d alimentation. On considére que l ensemble de la chaine de traction et des auxiliaires consomme une puissance de 28 kw et que le transformateur TFP peut fournir une puissance apparente de 35 kva. Calculer la puissance appelée par l installation (S) si le cosϕ est mal reglé et égal à,75. Montrer alors que le transformateur est sous dimensionné en exprimant son taux de surcharge en pourcent. B 8

28 Maintenant corrigeons le cosϕ en le ramenant proche de 1. Prenons un cosϕ =,928. Calculer alors, en pourcent, la charge du transformateur. Conclure : B.3.1. D après l allure du courant en B3.7 et de son analyse spectrale donnée cidessous : 2. Spectre du courant source Is (A/Hz) 15. THDi = 7.37 % ère famille de raies autour de 9 Hz k.3k.4k.5k.6k.7k.8k.9k 1.k 1.1k 1.2k 1.3k 1.4k 1.5k 1.6k 1.7k 1.8k 1.9k 2.k 2.1k 2.2k 2.3k 2.4k 2.5k 2.6k f(hz) Repérer son fondamental, et donner sa fréquence : B Résumer l ensemble des caractéristiques qui permettent de dire que le PMCF vu par le réseau, se rapproche d une charge résistive qui ne crée pas de pollution sur le réseau. B 9

29 Document réponse N 1 Vr A.2 ETUDE DU REDRESSEUR DOUBLE ALTERNANCE: t Vo Charge de Co Décharge de Co B2.1 t B2.2 Diodes en conduction ir 8 A B2.3-8 A DRB 1

30 Document réponse N 2 B.3 ETUDE DU REDRESSEUR MLI: Vr Ir Vr Ir ωt B3.1 B3.3 DRB 2

31 Document technique N 1 A.1 SCHEMA DE PRINCIPE PUISSANCE AGV NTV 11 voitures: PT1(25 kv) PT2 (3 kv) PRISE 3 kv Secours (Diesel) PT2(3 kv) PT1 (25 kv) H(O-C) H(O-C) E1 E2 DJ(M) PALPAGE PALPAGE DJ(M) E2 E1 H(O-M) DJ(C) H-HT (MC31) H-HT (AC2) DJ(C) H(O-M) COFFRE HT (AC1) COFFRE HT (TC3) RESEAU AUXILIAIRE RESEAU AUXILIAIRE COFFRET TRANSFORMATEUR (DC1) COFFRET TRACTION (MC11) COFFRET TRACTION (MC12) M M RH M M RH M M RH COFFRET COFFRET TRACTION TRACTION (MC31) COFFRET TRANSFORMATEUR (TC3) M M RH M M RH COFFRET TRACTION COFFRET TRACTION (MC21) (MC22) COFFRET TRANSFORMATEUR (DC2) RESEAU AUXILIAIRE RESEAU AUXILIAIRE DTB 1

32 Document technique N 2 A.2 ALIMENTATION SOUS CATENAIRE 3 kv CONTINUE et 25 kv ALTERNATIVE (Coffret traction): 25 kv 3kV PT1 PT2 Caténaire DJ(M) DJ(C) (C) (C) TFP (M) (M) C2F L2F Cbus RH 28 volts MS1 TFP (M) (M) Ponts moteur deuxième essieu MS2 Bogie moteur Autres essieux - (C) : fermé sous tension continu, - (M) : fermé sous tension alternative. DTB 2

33 Document technique N 3 La pollution harmonique : V(t) i(t) La pollution est la dégradation d une ressource. Dans le cas de la pollution harmonique la ressource est l énergie Charge non linéaire électrique fournie par le réseau. tps Cette énergie est idéalement de forme sinusoïdale. (TDH = ) Lorsque l allure du courant se déforme, on parle de pollution harmonique. Un POLLUEUR est une charge non linéaire (C est-à dire une charge qui, alimentée par une tension sinusoïdale v(t), appelle sur le réseau un courant déformé). L étude spectrale du courant permet de mettre en évidence les raies d harmonique, leur amplitude et leur fréquence d action. Par exemple, sur le spectre du courant appelé par un ordinateur sur le réseau donné ci dessous, on constate que le courant appelé est loin d être sinusoïdal! Il y a de nombreux harmoniques aux fréquences 15 Hz, 25 Hz, 35 Hz, 45 Hz Effets des harmoniques : Effets instantanés : Perturbations dans le fonctionnement des appareils de protection et de commutation. Effets à moyen et long terme : Echauffement des matériels électriques et par conséquent vieillissement prématuré. Exemple de charge linéaire : Pas d harmoniques. THD de %. tps Ch1 :1 v thd= % 1% + 5. Hz.9 V Ch4 :231 V thd= 1% 1% + 5.Hz 231 V Exemple de charges non linéaires : - Ampoule à économie d énergie : Nombreux harmoniques impaires. THD de 17 % : La valeur efficace des harmoniques de courant est aussi importante que la valeur efficace du fondamental. - Transformateur à vide : Présence des harmoniques de rang 3 et 5 THD = 37 % - Ordinateur portable : Nombreux harmoniques de rang impair THD = 161 % - Téléphone portable : Pollution harmonique importante ( Rang pair et impair présents) THD = 235 % DTB 3

34 PARTIE C Performance Economie Confort Sécurité ETUDE DE LA DISTRIBUTION D'UNE RAME AGV Ce dossier est constitué de : - 2 pages numérotées C2 à C3 [ données et notations utilisées ] - 1 pages numérotées C4 à C13 [ questionnement ] - 8 pages numérotées DTC1 à DTC8 [ Documents techniques DT1 à DT4 ] Cette partie C est décomposée en : C1 : Dimensionnement du Transformateur, C2 : Etude des auxiliaires motrices, C3 : Section des câbles du ventilateur CT2 et du ventilateur RH2, C4 : Etude du pantographe. Les sous parties C1 C2 C3 et C4 peuvent être traitées de manière indépendante. Durée maximum conseillée :1 heure 3 C 1

35 I. Alimentation des rames de l'agv. Le réseau électrique ferroviaire d'alimentation n'est pas le même partout en France et cela est encore plus vrai en Europe où le TGV circule ( Ligne Paris- Amsterdam, Paris- Francfort...) et le sera pour la future AGV.C'est pourquoi l'alimentation des trains doit prévoir ses changements d'alimentation. La pénétration sur les réseaux allemand et suisse oblige de concevoir des rames tri tension (voire quadri tension ) comportant en plus des tensions 25kV 5Hz, la tension spécifique de l Allemagne et de la Suisse : le 15kV 16,7Hz. Il faut noter aussi que du 3kV continu est utilisé sur le réseau italien. II. Répartition des coffrets électriques. Le nouveau concept de l'agv est basé sur la modularité. Une rame AGV 11 voitures est composée de modules comprenant chacun : une voiture (pilote ou intermédiaire) avec un coffret transformateur, deux voitures intermédiaires, deux bogies moteurs, deux coffrets de traction. A ces modules peuvent être rajouté des voitures clefs Détail d'un module avec l'emplacement des différents coffrets : Module 3 wagons PT1 et PT2 RH1 RH2 DC1 MC11 MC12 RH : Résistance freinage DC coffret transformateur Compresseur MC :coffret traction bogie non motorisé L' énergie électrique est récupérée par un pantographe PT1 ou PT2 de la caténaire et est acheminée vers le coffret transformateur DC1 à travers des dispositifs de protection et de contrôle-commande. L'énergie est convertie puis acheminée aux coffrets de traction MC qui alimentent les 2 moteurs de chaque bogie motorisé. Un coffret de résistance de freinage permet d'évacuer l'énergie pendant cette phase. Les autres modules constituant la rame sont alimentés par la ligne de toiture. Dessus du train bogie motorisé ligne de toiture C 2

36 III. Captage de l'énergie CX : PANTOGRAPHE PILOTÉ POUR UN CAPTAGE DE COURANT OPTIMAL Grâce aux plus récentes innovations technologiques, le système à pantographe piloté, mis au point par la société Faiveley est désormais utilisable sur une plus large gamme de matériel roulant comprenant : les trains interurbains pouvant atteindre une vitesse de 25 km/h, les trains circulant sur différents réseaux, les trains à très grande vitesse capables de rouler à plus de 35 km/h. Le captage de courant est extrêmement complexe dans la mesure où il est nécessaire d adapter la position du pantographe aux nombreuses variations des conditions de fonctionnement (vitesse du train, type de caténaire, position du pantographe sur la rame, direction du véhicule, etc.). Actuellement, la plupart des pantographes sont équipés d un aileron permettant un réglage aérodynamique : les résultats obtenus sont loin d être parfaits. Grâce à l électronique, le système mis au point par Faiveley assure un réglage dynamique précis de la force de contact entre le pantographe et la caténaire. IV. Conversion de l'énergie Pour tous les systèmes d alimentation, la chaîne de traction de chacun des essieux moteurs est constituée, d un «bus» de tension continue alimentant un onduleur associé à son moteur de traction. Dans le cas des alimentations à courant monophasé, chacun des «bus» est alimenté respectivement par un enroulement du transformateur principal TFP associé à un convertisseur 4 quadrants appelé «Pont Monophasé à Commutation Forcée» (P.M.C.F.). Chacun des convertisseurs d entrée P.M.C.F. est associé à un filtre destiné à limiter l ondulation de tension sur le bus continu engendrée par le redressement. En alimentation 25kV 5Hz le filtre est accordé à 1Hz (2 fois 5Hz), en alimentation 15kV 16,7Hz le filtre est accordé à 33Hz. Le convertisseur d entrée P.M.C.F., dont l un des rôles essentiels consiste à contrôler le déphasage (grâce à une commande MLI appropriée) entre la tension caténaire et le courant de traction afin de régler le facteur de puissance au voisinage de l unité, possède la topologie d un onduleur monophasé. C 3

37 C1 : Dimensionnement du Transformateur Le transformateur permet d'abaisser la tension en fonctionnement monophasé 25kV ou 15kV afin d'alimenter le bus continu 3,6kV. Les ponts PMCF commandés permettent de moduler la tension quasi continue de sortie. Ce pont à commande MLI abordé en partie B permet d'élever la tension du bus continu par rapport à la tension secondaire du transformateur. Relation : avec : V : tension bus continue V 2m : tension maximale au secondaire monophasée K : coefficient de commande MLI du PMCF C.1.1. Calculer la tension efficace V 2 au secondaire du transformateur pour obtenir dans les conditions maximales (K=,833) une tension V cont =36V : C.1.2. En déduire le rapport de transformation m a pour l'alimentation en V 1a = 25KV : C.1.3. La puissance nominale du transformateur vous étant fournie dans le document technique DT1, Calculer le courant I 1a au primaire du transformateur : C.1.4. On considère les 4 secondaires du transformateur uniformément chargés, Calculer le courant I 2a au secondaire du transformateur : C.1.5. Calculer le rapport de transformation m b pour l'alimentation en V 1b = 15KV : C 4

38 C.1.6. Calculer le nouveau courant I 1b au primaire du transformateur : C.1.7. Déduire des questions C.1.3 et C.1.6 le calibre du disjoncteur DJ(M) (voir fin du document DT3) : C.1.8. A partir des caractéristiques du transformateur données ci dessous, calculer : la tension de court circuit en V (couplage 25kV), La résistance des enroulements R e1 au primaire en (cf C.1.3), en déduire les pertes en charges couplage 15kV. Couplage 25kV 5Hz Couplage 15kV16.7Hz notes Puissance assignée 35 kva 35 kva ( pour les 4 secondaires) Tension primaire 25 kv 15 kv Tension secondaire à vide 17V 17 V ( identique pour les 4 secondaires) Pertes à vide 32W 29W Pertes en charge 265W? Tension de court circuit 4 4 % Courant à vide % Résistance R TR (m ) (pour un enroulement, Réactance X TR (m ) ramené au secondaire) photo du transformateur Ventilateur de refroidissement Pompe de refroidissement C 5

39 Le transformateur de traction et son système de refroidissement forment un ensemble intégré complet. Cette double utilisation des enroulements fut mise en œuvre pour la première fois sur la locomotive italienne E412, en Elle a, depuis, été adoptée par d autres types de train, notamment l ETR 5, l AGV, le train à grande vitesse de la NTV et la locomotive Traxx MS. Toujours par souci de légèreté, l enveloppe du transformateur est en aluminium, les conservateurs d huile sont intégrés à l ensemble et des moteurs 6 Hz remplacent les habituels moteurs 5 Hz du système de refroidissement avec les mêmes performances. Des filtres à condensateurs ont été ajoutés pour atténuer les harmoniques. Les applications ferroviaires sont extrêmement sensibles à la pollution harmonique, susceptible de perturber les systèmes de signalisation. Sur ce plan, les exigences sont très contraignantes et les problèmes potentiels doivent être examinés à la loupe. Le transformateur de traction et son système de refroidissement forment un ensemble intégré complet dont l installation et la maintenance sont simplifiées. Il s agit là d un concept inédit pour Siemens qui achète normalement les deux éléments séparément. L ensemble ne nécessite ni dégazage, ni remplissage d huile et peut fonctionner sur de longues périodes avec un minimum d entretien C.1.9. Pourquoi les pertes à vide sont différentes suivant le couplage?(indiquer le paramètre qui pourrait justifier cette différence) : D'après l'extrait de l'article ci dessus et la photo du transformateur, répondre aux questions suivantes : C.1.1. Donner le fluide de refroidissement utilisé. C D'après vos connaissances, indiquer de quelle sécurité peut se passer ce transformateur?(justifier votre réponse) C En déduire le type de mode de refroidissement? ( cf tableau ci dessous). Justifier chaque lettre dans le cadre page suivante. 1ère lettre 2ème lettre 3ème lettre 4ème lettre Nature du diélectrique Mode de circulation du diélectrique Fluide de refroidissement Mode de circulation du fluide O Huile minérale N Naturel O Huile minérale N Naturel L Diélectrique F Forcé L Diélectrique F Forcé chloré D Forcé et dirigé chloré G Gaz dans les G Gaz A Air enroulements A Air S Isolant solide S Isolant solide C 6

40 C2 : Etude des auxiliaires motrices Les auxiliaires motrices de chaque module sont la ventilation coffrets, les pompes de refroidissement, le compresseur,..., Le schéma simplifié d'alimentation des auxiliaires est donné dans les documents DT2. C.2.1. Compléter le tableau des puissances actives,réactives et apparentes des auxiliaires modules suivants en vous aidant des données fournies sur les plans DT2. Type référence Puissance utile (KW) Puissance active absorbée( P) en KW Puissance réactive absorbée (Q) en KVAR Puissance apparente absorbée (S) en KVA Compresseur CP1 9.5 Pompe Eau PE1 4.7 CT1 Pompe Eau PE2 4.7 Idem CT1 Idem CT1 Idem CT1 CT2 Pompe Huile PH1 4 TFP Ventilateur VT1 11 TFP TOTAL onduleur A1 ONDA1 C.2.2. Faire le bilan de puissance des onduleurs ONDA1. Remplir la case "TOTAL Onduleur.A1. " dans le tableau ci dessus, et préciser ci dessous votre méthode et les formules utilisées. C 7

41 C.2.3. Déduire le coefficient de sécurité en % prévu par le constructeur pour l'onduleur ONDA1. C.2.4. A partir des courbes de couple résistant des machines ci dessous, indiquer sous chaque courbe le type de machines correspondantes parmi les 3 choix suivants : ventilateur, pompe levage, manutention malaxeur, machine outil T(Nm) Tr = f(n) T(Nm) Tr = f(n) T(Nm) Tr = f(n) n(tr/s) n(tr/s) n(tr/s) Machine 1: Machine 2: Machine 3; C.2.5. On remarque que l'onduleur ONDA2 (voir plans DT2 ) est prévu pour fonctionner à fréquence variable. En remarquant le type de machines alimentées par celui-ci : Préciser ce qui va se passer pour les machines si la fréquence augmente.en déduire le rapport de la puissance entre la fréquence de 5 Hz et la fréquence de 7 Hz. C3 : Section des câbles du ventilateur CT2 et du ventilateur RH2 Les câbles alimentant les ventilateurs du coffret de traction CT2 et du rhéostat de freinage RH2 sont acheminés en chemins de câbles perforés posés en extérieur : câble CT2 : 2 autres circuits sont acheminés par le même chemin de câbles sur une couche,ce câble est mono conducteur en cuivre et isolant PVC longueur 35 mètres, câble RH2 : 4 autres circuits sont acheminés par le même chemin de câbles sur 2 couches,ce câble est multiconducteur en cuivre et isolant PR longueur 55 mètres. Ces câbles sont soumis aux températures extérieures variant de -15 C à +45 C. C 8

42 C.3.1. Déterminer la température ambiante la plus contraignante pour les câbles. Expliquer pourquoi. C.3.2. Calculer le courant d'emploi I bct2 circulant dans ce câble (Prendre les données du ventilateur CT2 dans les plans électriques en considérant que la puissance utile est demandée à la fréquence de 5Hz). En déduire le courant nominal du disjoncteur protégeant le ventilateur (voir fin document DT3). C.3.3. Compléter le tableau suivant en utilisant les documents ressources DT3 pour choisir le câble de CT2. Ame Enveloppe isolante Lettre de sélection K 1 K 2 K 3 I Z I Z Section de l âme d un conducteur C.3.4. Calculer le courant d'emploi I brh2 circulant dans ce câble (Prendre les données du ventilateur RH2 dans les plans électriques en considérant que la puissance utile est demandée à la fréquence de 5Hz) En déduire le courant nominal du disjoncteur protégeant le ventilateur (voir fin document DT3). C.3.5. Compléter le tableau suivant en utilisant les documents ressources DT3 pour choisir le câble de RH2. Ame Enveloppe isolante Lettre de sélection K 1 K 2 K 3 I Z I Z Section de l âme d un conducteur C 9

43 C4 : Etude du pantographe La régulation de pression du pantographe sur la caténaire, assurant le captage optimal du courant quelque soit les conditions, est assurée par le boitier IPCU (cf informations pages C3 et DT4). Synoptique du système et ses interfaces : Boitier IPCU 1 alimentation pneumatique ordre / sens marche alimentation électrique vitesse Cabine 1 de contrôle du train états/ défauts commandes / consignes Pantographe 1 capteurs/ mesures Pantographe 2 Cabine 2 de contrôle du train Le fonctionnement est décrit dans le document technique DT4. C 1

44 C.4.1. Déterminer la grandeur pneumatique qui va nous permettre de régler l'effort du pantographe sur la caténaire. Rappeler l'expression de l'effort par rapport à cette grandeur ainsi que les unités légales. C.4.2. D'après le document sur la pneumatique proportionnelle et la description du système (document DT4), déterminer la grandeur régulée choisie par le constructeur( Choisir et justifier votre réponse). Régulation en pression Régulation en débit C.4.3. En déduire le type de version de vanne proportionnelle SERVOTRONIC ( document DT4) pour le mode de défaillance du système. Vanne centre ouvert Vanne centre fermée C.4.4. D'après les mêmes documents choisir la plage de régulation de la vanne ainsi que sa référence ( diamètre de tuyau 1 pouce : G1). C.4.5. Le type de commande choisie est une entrée 4-2 ma. Rappeler l'intérêt de ce type de signal par rapport à un signal -1V ou -2mA. C.4.6. En déduire la valeur du courant pour les pressions minimales et maximales de régulation prévues par le système. C 11

45 Automate C.4.7. Préciser en fonction du boitier IPCU et du schéma de la boucle de régulation, les options à prévoir pour le choix de la vanne proportionnelle SERVOTRONIC ( document DT4).Donner les références des options. C.4.8. Compléter le schéma de la boucle de régulation ci dessous en rajoutant les types de convertisseur manquant, les grandeurs et leurs unités échangées entre les blocs. Consigne : : : en en en + - correcteur? vanne proportionnelle? capteur pression IPCU : : en en choix convertisseur possible : U P U I I P I U Exemple de réponse : énergie : en Joule_ C 12

46 C.4.9. Vérifier si les caractéristiques de la vanne proportionnelle sont conformes à la précision du système IPCU.( voir document DT4) Le constructeur de la vanne proportionnelle fournit la courbe de réponse cidessous à une demande de pression (type échelon) de à 6 bars pour différentes contenances de coussins (.2 à 1 litres) : C.4.1. Déterminer graphiquement le temps de réponse de la vanne pour une contenance de 2 litres. Représenter sur la courbe votre ou vos tracés. C Décrire la qualité de la régulation dans ce cas. Stabilité : Précision : OUI NON OUI NON C Indiquer le type de régulation utilisée dans ce système : Proportionnelle seule Intégrale seule Proportionnelle Intégrale Proportionnelle Dérivée C 13

47 Document technique DT1 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE rame AGV 11 DTC 1

48 4V 6 KVA 5 Hz 9.5 kw 124 tr/mn cos =.82 = kw 124 tr/mn cos =.83 = kw 124 tr/mn cos =.83 =.85 4 kw 36 tr/mn cos =.63 = kw 147 tr/mn cos =.86 =.88 Document technique DT2 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE auxiliaire DTC 2

49 11 kw 291 tr/mn (5 Hz) cos =.86 = kw 291 tr/mn (5 Hz) cos =.86 =.88 4V 75 KVA Fréq var 9 kw 288 tr/mn (5 Hz) cos =.81 =.83 9 kw 288 tr/mn (5 Hz) cos =.81 =.83 Document technique DT2 : Schéma d'alimentation SIMPLIFIE auxiliaire (suite ) DTC 3

50 Document technique DT3 : Détermination des sections de phase Les tableaux figurant ci-dessous et ci-contre permettent de déterminer la section des conducteurs de phase d'un circuit. Cette section dépend : des conditions d installation des câbles à savoir le mode de pose, la température ambiante etc. de l intensité véhiculée par le circuit ou plus précisément du calibre du disjoncteur protégeant la canalisation. Ces tableaux ne sont utilisables que pour des canalisations non enterrées et protégées par disjoncteur. Pour obtenir la section des conducteurs de phase, il faut Déterminer une lettre de sélection qui dépend du conducteur utilisé et de son mode de pose ; Déterminer un coefficient K qui caractérise l influence des différentes conditions d installation. Ce coefficient K s obtient en multipliant les trois facteurs de correction. KI K2 et K3: le facteur de correction K1 prend en compte le mode de pose. le facteur de correction K2 prend en compte l influence mutuelle des circuits placés côte a côte, le facteur de correction K3 prend en compte la température ambiante et la nature de l isolant Exemple : Un câble PR triphasé est tiré sur un chemin de câbles perforé. jointivement avec 3 autres circuits constitués Figure 1 : d un câble triphasé (1er circuit); de 3 câbles unipolaires (2ième circuit); de 6 câbles unipolaires (3ième circuit) : ce circuit est constitué de 2 conducteurs par phase. Il y aura donc 5 groupements triphasés. La température ambiante est de 4 C. Le câble PR véhicule 23 ampères par phase. La lettre de sélection donnée par le tableau correspondant est E Le facteur de correction K1, donné par le tableau correspondant est 1. Le facteur de correction K2, donné par le tableau correspondant est.75. Le facteur de correction K3, donné par le tableau correspondant est.91. Le coefficient K, qui est K1 x K2 x K3 est donc 1 x.75 x.91 soit.68. Détermination de la section On choisira une valeur normalisée de ln juste supérieure à 23 A. Le courant admissible dans la canalisation est lz = 25A. L intensité fictive I z prenant en compte le coefficient K est I z = 25 /,68 = 36,8 A Figure 1 En se plaçant sur la ligne correspondant à la lettre de sélection E. dans la colonne PR3, on choisit la valeur immédiatement supérieure à 36,8 A. soit. ici 42 A dans le cas du cuivre qui correspond à une section de 4 mm² cuivre ou. dans le cas de l aluminium 43 A. qui correspond à une section de 6 mm² 1 2 Température: 4 C PR 3 Types d éléments Conducteurs conducteurs et câbles multiconducteurs câbles multiconducteurs câbles monoconducteurs Lettre de sélection mode de pose sous conduit, profilé ou goulotte. en apparent ou encastré sous vide de construction, faux plafond sous caniveau. moulures plinthes chambranles en apparent contre mur ou plafond sur chemin de câbles ou tablettes non perforées Sur échelles, corbeaux chemin de câbles perforé fixés en apparent, espacés de la paroi cibles suspendus sur échelles, corbeaux. chemin de câbles perforé fixés en apparent, espacés de la paroi cibles suspendus B C E F lettre de sélection facteur de correction K1 Lettre de sélection cas d installation K1 câbles dans des produits encastres directement dans des matériaux thermiquement isolants,7 B conduits encastrés dans des matériaux thermiquement isolants,77 câbles multiconducteurs.9 vides de construction et caniveaux.95 C pose sous plafond.95 B, C, E, F autrescas 1 facteur de correction K2 lettre facteur de correction K2 disposition des nombre de circuits ou de câbles multîconducteurs câbles jointifs B, C encastrés ou noyés dans les parois 1,,8,7,65,6,57,54,52,5,45,41,38 C simple couche sur les murs ou les 1,,85,79,75,73,72,72,71,7,7 planchers ou tablettes non perforées simple couche au plafond 1,,81,72,68,66,64,63,62,61,61 E, F simple couche sur des tablettes horizontales perforées ou tablettes verticales sur des tablettes simple couche sur des échelles à câbles. corbeaux. etc ,78,78 DTC 4

51 Document technique DT3 : Détermination des sections de phase(suite) Lorsque les câbles sont disposés en plusieurs couches, appliquer en plus un coefficient de correction de :,8 pour 2 couches,,73 pour 3 couches,,7 pour 4 ou 5 couches Températures ; ambiantes ( C) facteur de correction K3 Isolation élastomère (caoutchouc) polychlorure de vinyle (PVC) polyéthylène réticulé (PR) butyle, éthylène, propylène (EPR) 1 1,29 1,22 1, ,22 1,17 1,12 2 1,15 1,12 1,8 25 1,7 1,7 1,4 3 1, 1, 1, 35,93,93,96 4,82,87,91 45,71,79,87 5,58,71,82 55,61,76 6,5,71 isolant et nombre de conducteurs chargés (3ou 2) caoutchouc ou PVC : PVC Butyle ou PR ou éthylène PR : PR Exemple de câbles disposés en 2 couches lettre de sélection section cuivre (mm²) section aluminium (rnm 2 ) B PVC3 PVC2 PR3 PR2 C PVC3 PVC2 PR3 PR2 E PVC3 PVC2 PR3 PR2 F PVC3 PVC2 PR3 PR2 1,5 15,5 17,5 18,5 19, , , Liste des Calibres (courants nominales) utilisés dans les disjoncteurs : - disjoncteurs (non réglables). : A - disjoncteurs (réglables). : A DTC 5

52 Document technique DT4 : Dossier Pantographe CX Description du système Le système Faiveley comprend le pantographe CX ultraléger et compact. Une conception simple mais non moins perfectionnée fait du pantographe CX un dispositif extrêmement fiable faisant preuve d un excellent comportement aérodynamique. Le coussin ( vérin) pneumatique du pantographe est relié à l'unité de commande de pantographe intégrée (IPCU) logée dans un boîtier modulaire située sous la toiture à proximité des pantographes à piloter. La conception du système IPCU lui permet de piloter, de manière non simultanée, jusqu à deux pantographes :il comporte un module de régulation numérique principal, un module de régulation analogique secondaire ainsi qu un module de commutation d un pantographe à l autre. Fonctionnement du système L ordre Monter pantographe entraîne la mise sous pression du circuit pneumatique qui déclenche à son tour la montée du pantographe sélectionné par l intermédiaire du régulateur de pression actif. L interruption de l ordre Monter pantographe entraîne son abaissement automatique. Le système de pilotage numérique breveté de Faiveley assure un réglage précis de l effort de contact sur la caténaire selon un réseau de courbes dont les paramètres peuvent être réglés via la liaison série de maintenance. En cas de défaillance du système de régulation principal, le système de régulation secondaire (mode secours), assuré par le ressort du système, prend le relais pour permettre au train de poursuivre son parcours jusqu à son terme, comme dans le cas d un pantographe classique à commande monostatique. Le système de régulation prévoit que lorsque aucune commande n'est envoyée ou en cas de perte d'énergie, le système se replie en position basse. DTC 6

53 Document technique DT4 : Dossier Pantographe(suite) Caractéristiques techniques Pantographe CX et boitier IPCU Pantographe CX : Extension : 2 mm ou 2 6 mm Capacité de courant : 2 5 A Plage de température (de fonctionnement) : -25 C à + 7 C Normes de référence : EN 526-1, NF F 211 Unité de commande de pantographe intégrée (IPCU) : Plage de régulation : 1,5 à 5,5 bars Précision de régulation :,75 bar Consigne de pression coussin signal -1V Capteur pression signal 4-2mA MTBF > 38 h (> 18 h avec module secondaire) Interfaces électriques : alimentation batterie, entrées de données logiques, sorties logiques, liaison série de maintenance et/ou entrée ou sortie de données analogiques Protection IP31 Normes de référence : EN 5155 et (classe A), CEI 677 et ; NF F 1611 et 1612 (classe A2) LA PNEUMATIQUE PROPORTIONNELLE SERVOTRONIC La souplesse de la pneumatique alliée à l'intelligence de l'électronique pour une plus grande flexibilité d'utilisation des composants électropneumatiques INTRODUCTION L'évolution du processus d'automatisation tend vers le besoin de disposer d'une plus grande flexibilité et une précision accrue des équipements mus par l'air comprimé. Ceci nécessite d'obtenir la proportionnalité de l'élément de puissance en fonction d'un signal de régulation électrique. L'association d'une technologie pneumatique et d'une mécanique de haute précision permet de réguler avec précision et rapidité les valeurs de DEBIT ou PRESSION d'un circuit pneumatique de puissance en fonction d'un signal issu d'électronique de commande. La SERVOTRONIC G 1/4 fonctionne dans les échelles de valeurs suivantes : En régulation de débit : - 14 l/mn (ANR) avec signal de consigne ± 1V. En régulation de pression : 7 plages de régulation au choix, -,1 à - 16 bar. avec signal de consigne - 1V, - 2mA ou 4-2mA. AVANTAGES DE LA GAMME SERVOTRONIC Ensemble compact et monobloc avec électronique et capteur intégrés Temps de réponse très courts Très faible hystérésis Excellentes performances de débit 2 versions proposées : pour régulation de débit ou de pression Raccordement électrique par connecteur débrochable Grande fiabilité et longue durée de vie grâce à une mécanique de haute précision alliée à une cinématique simple Différentes possibilités de consignes d'entrée (tension -courant), en version régulation de pression La SERVOTRONIC est proposée en 2 versions, suivant l état souhaité du composant en cas de défaut ou de coupure de courant (position "Failsafe") : Mise à l échappement (centre ouvert). Maintien de la pression (centre fermé).. DTC 7

54 Document technique DT4 : Dossier Pantographe(suite) VANNE PROPORTIONNELLE ELECTROPNEUMATIQUE A 3 ORIFICES (Série 61- avec alimentation pneumatique externe du capteur de pression) SPECIFICATIONS FLUIDES CONTROLES : Air ou gaz neutre filtré 5 μm, sans condensat, lubrifié ou non RACCORDEMENT : G1/4 - G1/2 - G1 PRESSION MAXI ADMISSIBLE (PMA) : (voir tableau page suivante) TEMPERATURE DU FLUIDE : C, + 6 C TEMPERATURE AMBIANTE : C, + 4 C CONSIGNE - ANALOGIQUE : - 1 Volts (sensibilité < 5 mv - impédance 1 KΩ) (En option : - 2 ma ou 4-2 ma) HYSTERESIS : < 1% du maxi de la plage de régulation (PMR) LINEARITE : <,5% de PMR PRECISION : <,5% de PMR MINIMUM DE CONSIGNE : 5 ± 2 mv (,1 ma) avec fonction de fermeture SCHEMA SELECTION DU MATERIEL OPTIONS : Consigne analogique - 2 ma (sensibilité <,1 ma - impédance 5 Ω) code : Consigne analogique 4-2 ma (sensibilité <,1 ma - impédance 5 Ω) code : Option rampe code : 1 61 Consigne digitale (8 bits + fonction mémoire) code : Consigne digitale (8 bits + R a Z pression) code : 1 66 Sortie capteur - 2 ma ( - 1 V en standard) code : Sortie capteur 4-2 ma ( - 1 V en standard) code : Pressostat / Sentronic : (PNP) référence 24 V = si consigne atteinte code : Pressostat / Sentronic : (NPN) référence de masse si consigne atteinte code : Pressostat / Sentronic : (PNP) référence 24 V = si consigne non atteinte code : Pressostat / Sentronic : (NPN) référence de masse si consigne non atteinte _ code : DTC 8

55 PARTIE D ETUDE DE LA TRANSMISSION VOIE-MACHINE. Problématique : Dans cette partie, on vous demande d étudier la transmission d informations à la motrice de l AGV et de proposer une solution technologique pour le traitement et l affichage des données. Ce dossier est constitué de : - 12 pages numérotées D1 à D12 [questionnement et espace réponse.] - 4 pages numérotées DT D1 à DT D4 [Documents techniques] Durée maximum conseillée : 1 heure D 1

56 I. Mise en situation. La circulation routière est régie par un certains nombre de règles, afin que chaque usager puisse circuler avec un maximum de sécurité, dans le respect des autres utilisateurs. Ainsi, le passage à un carrefour est régi par une signalisation lumineuse (feux tricolores) ou fixe (panneaux). Les lignes ferroviaires classiques sont également équipées d une signalisation lumineuse. D.1.1. En supposant qu un signal fixe soit visible à 5 m et une vitesse de train de 36 km/h, calculer le temps dont dispose le conducteur pour voir un signal. D.1.2. Conclure sur la nécessité d une signalisation embarquée dans la cabine des Trains à Grande Vitesse. Le système retenu pour effectuer la signalisation sur la Ligne Grande Vitesse est un affichage permanent des informations en cabine. Ce système, Transmission Voie- Machine (TVM), transmet à la cabine, en temps réel et de manière continue, les informations provenant du circuit de voie. Ces informations, relatives aux limitations de vitesse à respecter en fonction de l'état de la signalisation, sont transmises à des fréquences particulières, qui viennent s ajouter au courant de circuit de voie. La vitesse limite qu'il ne doit pas dépasser ainsi qu'une annonce de la vitesse qu'il devra respecter à l'entrée du prochain canton sont directement reportées sur un afficheur lumineux au centre du tableau de bord. II. Principaux risques liés à la circulation ferroviaire. Les principaux risques liés à la circulation ferroviaire sont : - Le déraillement - Le nez à nez (quand 2 trains se retrouvent face à face sur une même voie) - La prise en écharpe (quand un train arrive sur un aiguillage déjà occupé par un train venant d une autre direction) - Le rattrapage (quand le train suiveur rattrape celui qui le précède) - La rencontre d obstacle. Le risque de déraillement est géré par la limitation de vitesse de la rame. Le risque de nez à nez est limité par une bonne gestion des voies. Les risques de rencontre d obstacle, de rattrapage et de prise en écharpe seront l objet de notre étude. D 2

57 III. Le circuit de voie. Chaque canton (voir page DT D1) est surveillé par un circuit de voie dont le principe est donné ci-dessous : 1,5 km Les voie A et B, sont 2 rails isolés entre eux et par rapport à la terre. Sur la partie droite du schéma, on trouve un générateur de courant. Sur la partie gauche, un relais alimenté par ce générateur. D.3.1. Etude de la surveillance d un canton. D Indiquer quels sont les états (excité ou désexcité) du relais dans le cas où il n y a pas de train sur le canton et dans le cas où il y a un train sur le canton (les essieux des trains étant conducteurs). Justifiez votre réponse. D Expliquer pourquoi le générateur alimentant le relais doit être un générateur de courant et non un générateur de tension. D Indiquer quel est l état du relais dans le cas où il y a une rupture de rail. Justifier votre réponse. D 3

58 D En cas de panne du générateur, l état du relais correspondrait-il à une présence ou à une absence de train? Justifier votre réponse. D.3.2. Etude de la séparation électrique entre 2 cantons. L alimentation électrique d une AGV se fait par 2 bornes : - L une des bornes est la caténaire - L autre borne est constituée par les rails. Le courant de retour doit rejoindre le poste d alimentation en traversant tous les cantons qui le séparent de celui-ci. Par contre, le signal de surveillance du canton ne doit pas quitter celui-ci. La solution retenue est l utilisation d une connexion inductive dont on vous demande d étudier le fonctionnement. Canton c Canton c+1 Une connexion inductive est constituée d un bobinage de grosse section dont le point milieu est sorti et relié au canton précédent afin de permettre le passage du courant de retour. On suppose que le courant de retour est uniformément réparti entre les 2 rails. Sur le dessin ci-dessus figurent le courant de retour (en rouge) et le courant de surveillance (en vert), pour une alternance de ces courants. D 4

59 Sur les dessins ci-dessous, la connexion inductive est représentée dans l espace. Le trait bleu représente le passage des lignes de champ. D Représenter en rouge, sur le dessin ci-dessous, le passage du courant de retour, du canton {c+1} au canton {c}. Canton c Canton c+1 D Représenter en vert, sur le dessin ci-dessus, le sens des champs magnétiques créés par le courant de retour dans les 2 bobines. D La présence de la bobine a-t-elle une influence sur le courant de retour? Justifier votre réponse. D Représenter en rouge, sur le dessin ci-dessous, le passage du courant de surveillance du canton {c+1}. Canton c Canton c+1 D Représenter en vert, sur le dessin ci-dessus, le sens des champs magnétiques créés par le courant de surveillance dans les 2 bobines. D La présence de la bobine a-t-elle une influence sur le courant de surveillance? Justifier votre réponse. D 5

60 IV. Transmission d informations vitesses et nature de voie. La prévention des déraillements passe par l adaptation de la vitesse aux conditions de voie (nature, pente ) Le système TVM 43 (Transmission Voie-machine) est une transmission continue permettant d informer le conducteur de ces informations. Le support de transmission au sol est constitué par les rails. Le signal est détecté par des antennes montées sous la rame du TGV, à environ 2 m en avant du premier essieu. Constitution du signal : voir à partir de la page DT D3. D.4.1. Interprétation du signal. D La transmission dont il est question ici est-elle de type série ou de type parallèle? Justifier votre réponse. Chaque fréquence de signal est définie par le rang n du bit qu il représente, suivant la formule : f n =,88 + (n 1) X,64 f n en Hertz. D Calculer la fréquence des signaux des bits de rang 1, 16 et 27. f 1 = f 16 = f 27 = D Quel serait le rang d un bit dont la fréquence de signal serait de 5 Hz? D Pourquoi cette fréquence n est-elle pas utilisée dans les codages? D Une sinusoïde supplémentaire de 25,68Hz est émise en permanence sur la voie. Quel est son rôle? D 6

61 On donne ci-dessous l analyse spectrale 1 d un signal reçu par une AGV. Répondre aux questions suivantes à l aide des documents ressources D Sur quel type de réseau se trouve cette AGV? D Quelle est la vitesse maximale autorisée sur cette portion de voie? D Quelle sera la vitesse autorisée en sortie? D Quelle est la longueur de ce tronçon? D Quelle est la valeur de la déclivité de la voie (précisez s il s agit d une montée ou d une descente)? D La vitesse autorisée en sortie étant inférieure à celle du tronçon présent, quelle est la décélération à appliquer afin d avoir une réduction de vitesse la plus «douce» possible? (on considèrera une décélération uniforme). 1 Une analyse spectrale donne la valeur des composantes d un signal en fonction de leur fréquence. D 7

62 D.4.2. Gestion de l affichage. On demande, dans cette partie, d établir partiellement les éléments de logique permettant de commander l éclairage du fond de l afficheur. Cet éclairage peut prendre 4 couleurs : rouge, noir, blanc et vert. D A partir des données des documents ressources, compléter le tableau de Karnaugh page 1 correspondant à l éclairage blanc. (ne compléter que les «1» et laisser les autres cases vides) D A partir du tableau de Karnaugh donné page D9, établir l équation logique simplifiée de l éclairage Noir. D On donne l équation de l affichage de l éclairage vert. Etablir, ci-dessous, le logigramme de cet affichage. Utiliser des fonctions NON, ET et OU à 2 entrées. B24 B23 B22 B21 B2 B19 B18 B17 D 8

63 B24 B23 B22 B B2 B19 B18 B D 9

64 D X 111 X X X X X B2 B19 B18 B Coulu B24 B23 B22 B

65 D.4.3. Surveillance de la vitesse. Nous traiterons, dans cette partie, l exemple de la consigne de vitesse «27 km/h». Tant que la consigne «27 km/h» n est pas parvenue au train, le système est en veille. La transmission par la TVM de l ordre «27 km/h» met le système en surveillance, jusqu à que ce que la consigne de vitesse soit différente de 27 km/h. Si la vitesse est dépassée, un voyant orange s allume. - Si la vitesse repasse sous 27 km/h, le système se remet en surveillance. - Si la vitesse est encore supérieure à 27 km/h au bout de 2 s, une alarme retentit dans la cabine. Dans ce cas : - Si la vitesse repasse sous 27 km/h, le système se remet en surveillance. - Si la vitesse reste au dessus de 27 km/h pendant 3 s, le TGV est arrêté en urgence («mise en sécurité»). Dans ce cas, une validation «contrôle sécurité» est nécessaire pour pouvoir redémarrer le train. Le système se remet alors en veille (étape initiale). D Proposer, page suivante, un grafcet point de vue commande permettant de répondre à la description ci-dessus. On donne la syntaxe des différentes variables : Consigne vitesse = 27 : la consigne de 27 km/h est donnée Consigne vitesse 27 : la consigne de vitesse est différente de 27 km/h Validation sécurité : l alarme a été validée. Orange : allumage du voyant orange Alarme : l alarme retentit Mise en sécurité : la rame est arrêtée en urgence Vitesse : valeur décimale de la vitesse mesurée D 11

66 Espace Grafcet : Consigne vitesse = 27 D 12

67 Documents Techniques, partie D. Définition d un canton. Une ligne à grande vitesse est définie en zone d environ 1,5 km de long que l on nomme canton. Cette longueur est variable et peut dépendre du profil de la ligne. La matérialisation des cantons est réalisée par un «jalon» représentant un triangle jaune sur un carré bleu. Surveillance des cantons par circuit de voie. Les LGV Françaises, comme les lignes classiques, utilisent le circuit de voie. Le circuit de voie fonctionne selon le principe suivant : Chaque canton a un récepteur à l extrémité opposée à celle de l émetteur et la perte du signal du circuit de voie (par court-circuit ou à la suite d une défaillance) est interprétée comme une indication d occupation du canton Ce système permet l utilisation de joints de séparation électrique (JES) à la limite de chaque canton. Ils évitent toute interférence entre deux cantons adjacents tout en laissant passer le retour du courant de traction à 5 Hz. (l appellation technique est «circuit de voie UM71»). Principe de la TVM 43. Le système de la TVM 43 comprend deux sous-systèmes, le premier situé sur la voie et le second à bord du train. Ce système emploie beaucoup la redondance, ce qui permet de vérifier plusieurs fois les informations. DT D1