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BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 ------------------

BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 -------------------- ÉPREUVE E.4.1 Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Durée : 4 heures – Coefficient : 3 Matériel autorisé : Calculatrice à fonctionnement autonome autorisée conformément à la circulaire N°99-186 du 16/11/99. L’usage de tout autre matériel ou document est interdit. -------------------- Le sujet comporte 20 pages numérotées de 1/20 à 20/20. Les documents réponses (pages 19 et 20) 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. Le (la) correcteur (trice) attend des phrases construites respectant la syntaxe de la langue française. Chaque réponse sera clairement précédée du numéro de la question à laquelle elle se rapporte. Les notations du texte seront scrupuleusement respectées. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 1/20 PRÉSENTATION GÉNÉRALE L’Arena – Nanterre La Défense (Figure 1) est une gigantesque enceinte en cours de construction. Elle est située derrière la Grande Arche de la Défense dans le département des Hauts-de-Seine. Figure 1 ARENA – NANTERRE LA DEFENSE : UN STADE POLYVALENT Cette enceinte doit accueillir des manifestations sportives et culturelles. Sa structure modulable permet à 32 000 personnes d’assister aux matchs du club de rugby du Racing- Métro ou à 40 000 personnes de se réunir à l’occasion de spectacles, concerts ou congrès. Elle dispose également d’une surface de 33 000 m2 pour l’installation de bureaux et commerces. Pour mener l’étude, il convient de décomposer l’installation électrique, d’une puissance de 4600 kVA en distinguant trois catégories : les équipements utilisés (1800 kVA) lors des spectacles comme l’éclairage, la vidéo, la sonorisation; les équipements de sécurité (800 kVA) comme les alarmes, la signalisation, les détecteurs; les équipements (2000 kVA) pour la ventilation, les bureaux, les restaurants, les commerces. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 2/20 r Agence Christian de Portzamparc Enjeu Une exigence est imposée à l’entreprise qui a obtenu le lot « électricité ». Les investisseurs désirent que les événements puissent être diffusés via la télévision car cela leur procurera des retombées financières importantes. Ils exigent que les moyens qui seront installés permettent d’assurer un fonctionnement sans interruption des spectacles. L’entreprise devra proposer une solution qui assurera, quel que soit le coût, une haute disponibilité de l’énergie électrique durant ces spectacles. Des extensions futures sont à prévoir. Problématique E41 La disponibilité de l’énergie électrique durant les manifestations est assurée par le réseau d’Électricité Réseau Distribution France (ERDF) et des groupes électrogènes. La Centrale Groupe Électrogène haute tension (CGE) est installée en terrasse au dernier étage du bâtiment. Elle est constituée de deux groupes électrogènes de 1250 kVA identiques composés chacun d’un alternateur entraîné par un moteur diesel alimenté au fioul. L’induit de chaque alternateur peut être couplé au réseau triphasé 20 kV par l’intermédiaire d’un transformateur. L’organisation est présentée figure 2. Figure 2 BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 3/20 Centrale Groupe Electrogène haute tension Groupe électrogène 1 1250 kVA Moteur diesel alternateur Transformateur 400V/20kV Réseau Fioul 20kV/50Hz Groupe électrogène 2 1250 kVA Moteur diesel alternateur Transformateur 400V/20kV Pendant les spectacles, les groupes électrogènes ne fonctionneront pas à 100% de leur puissance maximale pour des raisons économiques et environnementales, mais ils devront fournir une puissance suffisante pour pouvoir passer à 100% quasi instantanément sans perturbation de l’alimentation en cas de coupure EDF. Il est prévu de faire fonctionner les groupes électrogènes à environ 60% de leur puissance maximale. La puissance active fournie par chaque groupe électrogène dépendra du débit de fioul consommé par le moteur et sera contrôlée par un régulateur. Le sujet est composé de cinq parties indépendantes notées A, B, C, D et E. Le dimensionnement du moteur diesel sera étudié dans la partie A. Le dimensionnement du circuit fioul sera étudié dans les parties B et C. Des contraintes sur la qualité de l’énergie sont imposées par EDF et par ERDF. Ces contraintes et les solutions apportées seront étudiées dans les parties D et E. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 4/20 Partie A. Caractéristiques du groupe électrogène. L’objectif de cette partie est de valider le dimensionnement d’un moteur diesel. Les caractéristiques des groupes électrogènes sont données en annexe 1 page 16 et seront utilisées pour répondre aux questions de la partie A. A.1. Compléter, sur le document réponse 1 page 19, le synoptique d’un groupe électrogène en indiquant les valeurs numériques : − des tensions composées efficaces nominales de sortie du groupe électrogène et de leur fréquence ; − de la puissance apparente nominale de l’alternateur et de son facteur de puissance ; − de la vitesse de rotation du moteur ; − de la puissance maximale fournie par le moteur. A.2. Vitesse de rotation et accouplement : A.2.1. Calculer la vitesse de rotation n (en trmin-1) de l’alternateur pour obtenir une fréquence des tensions de sortie égale à 50 Hz. A.2.2. Le moteur est-il accouplé à l’alternateur directement ou par l’intermédiaire d’un réducteur ? Justifier la réponse. A.3. Calculer la puissance active nominale PelecN fournie par l’alternateur pour un facteur de puissance de 0,8 et vérifier que cela correspond à la puissance maximale disponible en sortie de groupe électrogène. A.4. Pertes de l’alternateur au point de fonctionnement nominal : Les pertes de l’alternateur (pfer, pméca, pjoules) donnent toutes lieu à une dissipation de chaleur. En vous référant aux “caractéristiques alternateur” de l’annexe 1 page 16: A.4.1. Déterminer la valeur des pertes totales ptotN. A.4.2. Déterminer la valeur de l’ensemble pertes fer et mécanique pferN+pmécaN. A.4.3. En déduire la valeur des pertes joules pjoulesN. A.5. Calculer le rendement N de l’alternateur pour ce point de fonctionnement et comparer à la valeur constructeur. A.6. Positionner le point correspondant à ce fonctionnement sur les courbes de rendement du document réponse n°2 page 19 et le repérer par la lettre N. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 5/20 A.7. Calculer la puissance mécanique Pméca que doit fournir le moteur diesel pour que l’alternateur fournisse sa puissance active nominale. A.8. Le moteur du groupe permet-il ce fonctionnement ? Justifier la réponse. Pendant les spectacles, chaque groupe électrogène sera configuré pour fournir une puissance active Pelec = 600 kW avec un facteur de puissance k = 0,928. A.9. Calculer dans ce cas, la puissance mécanique que doit fournir le moteur en détaillant les calculs intermédiaires. Partie B. Consommation d’un moteur diesel. L’objectif de cette partie est de déterminer le volume de fioul nécessaire pour le déroulement des spectacles. La consommation correspond au débit en litres par heure Lh-1 du fioul absorbé par un moteur diesel. Elle est liée à la puissance qu’il fournit suivant la caractéristique donnée figure 3. Figure 3 B.1. En vous référant à cette caractéristique et aux « données générales moteur » de l’annexe 1 page 16, indiquer la valeur de la consommation, en Lh-1, d’un moteur lorsqu’il fournit une puissance de 1100 kW. BTS ÉLECTROTECHNIQUE SESSION 2015 Épreuve E.4.1 : Étude d’un système technique industriel Pré-étude et modélisation Repère : 15-EQPEM Page 6/20 On supposera qu’un spectacle dure en moyenne 2h30min et que pendant le spectacle chaque moteur diesel fournit une puissance mécanique de 625 kW. B.2. Montrer que le volume V1 de fioul consommé par chaque moteur durant un spectacle vaut V1 = 375L. Le pouvoir calorifique inférieur PCI d’un combustible représente l’énergie dégagée sous forme thermique par la combustion de 1 kg de ce combustible. Le pouvoir calorifique inférieur du fioul utilisé est PCI = 11,9 kWhkg-1. La masse volumique de ce fioul est  = 0,95 kgL-1. B.3. Calculer la masse de fioul correspondant au volume V1. B.4. Calculer l’énergie thermique Q1, en kWh, correspondant à la combustion du fioul par moteur pendant la durée d’un spectacle. B.5. Calculer le rendement d’un moteur. Le fioul est stocké dans une citerne d’une capacité de 10000 litres enterrée sous le sous- sol du bâtiment pour des raisons de sécurité. Un réservoir journalier d’une capacité de 500 litres est implanté dans le local de la Centrale Groupe Électrogène sur la terrasse et alimente les moteurs. B.6. Calculer le volume total de fioul nécessaire par spectacle. Le réservoir journalier suffit-il, ou doit-il être approvisionné pendant le spectacle ? Partie C. Dimensionnement du réseau fioul. L’objectif de cette partie est de déterminer le modèle de pompe ainsi que le nombre de pompes nécessaire à l’approvisionnement du réservoir journalier. Le cahier des charges impose que le réservoir puisse être rempli en moins d’une demi- heure. Le bureau d’étude a fait les choix suivants : − débit de 1,5 m3h-1 ; − canalisations en acier T3 de diamètre intérieur D = 25 mm ; − pompe choisie dans la gamme « électropompe auto-amorçante uploads/Industriel/ 6268-bts-electrotechnique-sujet-metropole-e41-session-2015.pdf