BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique indus

BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 1/21 BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2020 -------------------- ÉPREUVE E.4.1 Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Durée : 4 heures – Coefficient : 3 Matériel autorisé « L'usage de calculatrice avec mode examen actif est autorisé, L'usage de calculatrice sans mémoire « type collège » est autorisé.» -------------------- Le sujet comporte 21 pages numérotées de 1/21 à 21/21. Les documents réponses (pages 19, 20 et 21) sont à remettre avec la copie. -------------------- Il sera tenu compte de la qualité de la rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Les notations du texte seront scrupuleusement respectées. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 2/21 Usine de Bourron PRÉSENTATION GÉNÉRALE Depuis le 1er janvier 2010, Eau de Paris est devenu l’opérateur municipal unique pour le prélèvement, le transport, le traitement et la distribution d’en moyenne 483 000 m³ d’eau potable chaque jour à 3 millions d’usagers sur l’ensemble de l’agglomération parisienne. Pour cela, elle dispose d’un réseau de captage et d’aqueducs d’acheminement qui sont pour certains longs de plus de 100 km. Figure 1 : schéma d’alimentation en eau de Paris Le système d’alimentation en eau est constitué de plusieurs usines de traitement qui lui confèrent un haut niveau de sécurité. Eau de Paris a adopté en 2015 un programme pluriannuel d’investissement de 450 millions d’euros à l’horizon 2020. Il traduit la volonté de l’entreprise publique d’adapter son patrimoine industriel aux enjeux technologiques, environnementaux et sociaux de demain. L’agence de Fontainebleau, située à Sorques, gère toutes les installations de la région du sud Seine et Marne, et notamment l’usine de Bourron. L’usine de Bourron (sur figure 1) Cette usine collecte l’eau produite par un réseau de 32 puits artésiens. Un puit artésien est un forage permettant d’atteindre la nappe phréatique (jusqu’à 50 m de profondeur pour ce site). À cet endroit, l’eau qui est sous pression entre deux couches d’argile, BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 3/21 remonte naturellement à la surface. Les eaux de ces puits sont acheminées par gravitation à l’usine de relèvement par un réseau d’adduction1. Afin de préserver la qualité de l’eau et l’environnement, on surveille en permanence le débit des puits ainsi que la qualité de l’eau. La surveillance des débits est effectuée au plus près des puits et donc à distance de l’usine de relèvement (voir figure 2). Pour cela, Eau de Paris a fait appel à un sous-traitant qui a dimensionné et installé une armoire électrique contenant les appareils permettant de collecter ces mesures. Compte tenu du classement du site en zone Natura 2000, il était impossible d’envisager la création d’une alimentation électrique de l’armoire depuis l’usine. Une alimentation autonome (panneau photovoltaïque + batteries) a donc été prévue mais ce dispositif d’alimentation a connu un dysfonctionnement. Figure 2 : plan topographique de l’usine de Bourron Par ailleurs, l’usine de relèvement est équipée de trois pompes qui permettent de relever l’eau produite par le réseau de 32 puits dans l’aqueduc allant jusqu’à l’usine de Sorques. Les moteurs de ces pompes de relevage sont actuellement pilotés par des variateurs d’ancienne génération. Leur remplacement est envisagé. Enfin, lors des inondations de juin 2016, le poste de transformation HTA/BT qui alimente l’usine a été partiellement inondé. Il est donc prévu son déplacement et le changement du transformateur à bain d’huile pour se conformer aux exigences environnementales. 1 Adduction d’eau : techniques permettant d'amener l'eau depuis sa source à travers un réseau de conduites. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 4/21 OBJECTIFS ET ENJEUX On souhaite préserver la qualité de l’eau et approvisionner la ville de Paris en assurant la continuité de service. Dans le cadre du programme pluriannuel d’investissement qui vise à maintenir la sûreté des installations, il est prévu pour l’usine de Bourron : • de reconcevoir le dispositif de surveillance des débits car à plusieurs reprises, en hiver, des données de débit des sources n’ont pas été enregistrées ; • de remplacer le dispositif de commande des pompes de relevage car il est d’une technologie ancienne et il devient difficile d’en assurer la maintenance ; • de déplacer le poste de transformation HTA/BT car il a été partiellement inondé en été lors de violents orages. Objectif 1 Surveiller le débit des sources tout au long de l’année sans interruption. E41 - Partie A Analyser les raisons du dysfonctionnement du système d’alimentation autonome solaire. Proposer des solutions adaptées au site. Valider les choix technologiques et les nouvelles caractéristiques du matériel. Objectif 2 Garantir la sureté de fonctionnement du relèvement des eaux en intégrant la préservation de l’environnement. E41 - Partie B Analyser l’existant. Comparer deux solutions automatiques de fonctionnement des pompes possibles. Choisir la meilleure solution automatique à partir des critères liés à la pollution harmonique. E41 - Partie C Vérifier l’adaptation du transformateur et de ses protections aux besoins. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 5/21 Partie A : étude de l’installation autonome Eau de Paris veut établir les raisons du dysfonctionnement de l’alimentation de la station de mesure en place schématisée figure 3 et cherche des solutions adaptées au site. Le cahier des charges impose un fonctionnement du système durant 10 jours sans ensoleillement. Dans un premier temps, l’étude portera sur les besoins en énergie de l’installation et son système de production d’énergie autonome. Dans un deuxième temps on choisira les matériels adaptés. Figure 3 : installation autonome L’installation existante comportait deux batteries vieillissantes et de capacité inadaptée. Le bureau d’étude propose de les remplacer par des nouvelles PVX-2120 de tension nominale = 12 V et de capacité nominale  = 212 A·h chacune. Après modification des équipements de l’armoire électrique, le besoin énergétique journalier est de 312 W·h. Étude énergétique de l’installation et dimensionnement des nouvelles batteries : Q1. Calculer l’énergie  (en W·h) consommée par l’installation dans les contraintes du cahier des charges. Q2. En supposant que la tension délivrée par les batteries reste constante lors de la décharge, montrer que la charge utile nécessaire est environ  = 260 A·h. Pour ne pas détériorer les batteries, la capacité utile vaut seulement 70 % de la capacité nominale. Q3. En tenant compte de la capacité utile des batteries, calculer la capacité nominale totale _ en A·h que doit avoir le parc de batteries pour alimenter l’installation existante. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 6/21 Q4. Déterminer alors le nombre de batteries nécessaires et préciser le montage qu’il faut réaliser pour les associer (série ou parallèle). Étude du panneau solaire existant, redimensionnement : On étudie l’installation initiale comportant un seul panneau solaire. Pour cela, la documentation technique de celui-ci est donnée en ANNEXE 1 où se trouvent les données normalisées du panneau pour un éclairement de 1 000 W·m-2 sous les termes « Performance under Standard Test Conditions (STC) ». Q5. Donner les valeurs maximales des puissances, notées   et   que peut fournir le panneau solaire installé pour respectivement des éclairements de 1 000 W·m-2 et 800 W·m-2. Q6. Grâce aux dimensions du panneau solaire, calculer sa surface . En déduire la puissance reçue par le panneau notée   pour un éclairement de 800 W·m-2 et calculer son rendement  . Pour plus de simplicité, on prendra pour la suite de l’étude un rendement = 15 % constant pour les productions à différents éclairements. Pour le site, un graphique mensuel de l’énergie reçue par m2 (irradiation) est donné en ANNEXE 2. Q7. Citer le mois le plus défavorable de l’année pour la production d’énergie par le panneau solaire et relever l’irradiation mensuelle correspondante. Pour ce mois, calculer l’énergie solaire, moyenne  reçue durant une seule journée. Q8. Pour 1 m2 de panneau, montrer que l’énergie électrique journalière é produite au cours de ce mois vaut environ 200 W·h·m-2. Q9. Calculer la surface ′ de panneaux nécessaire. Conclure sur le dimensionnement initial de l’installation. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel-Pré-étude et modélisation Repère : 20 NC-EQPEM Page 7/21 Choix du régulateur de charge Le panneau solaire en place a été redimensionné, l’étude cherche à vérifier la meilleure adaptation du convertisseur d’énergie. Le régulateur de charge existant est de type PWM. Il permet de connecter électriquement le panneau aux batteries. C’est la tension des batteries qui impose le point de fonctionnement du panneau solaire. On suppose que la tension des batteries reste constante et égale à 12 V. Les tracés des caractéristiques de la puissance électrique fournie par le nouveau panneau solaire pour de forts éclairements (été) et pour de faibles éclairements (hiver) sont donnés sur le Document-réponse 1. On considérera uploads/Industriel/ bts-electrotechnique-e41-sujet-2020-nc.pdf

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Industrielétude système technique débit électrotechnique
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