AGRÉGATION SESSION 2005 CONCOURS INTERNE Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE Option B :

AGRÉGATION SESSION 2005 CONCOURS INTERNE Section : GÉNIE ÉLECTRIQUE Option B : ÉLECTROTECHNIQUE ET ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE ÉTUDE D’UN SYSTÈME INDUSTRIEL DURÉE : 8 HEURES, COEFFICIENT : 1 Aucun document n'est autorisé. Calculatrice autorisée (conformément à la circulaire n° 99-186 du 16 novembre 1999) Convertisseur en Euro autorisé ALTERNO-DÉMARREUR Ce sujet comporte 3 dossiers distincts :  Dossier de présentation, texte du sujet avec le travail demandé 23 pages  Documents réponses N°1 à 7 7 pages  Documents annexes 1 page Ce sujet comporte trois parties indépendantes : Partie A : Analyse des contraintes imposées à l’alterno-démarreur. Partie B : Étude du fonctionnement de l’alterno-démarreur. Partie C : Etude du convertisseur statique et de sa commande. Une lecture préalable et complète du sujet est indispensable. Il sera tenu compte de la cohérence avec laquelle les candidats traiteront chaque partie, le jury préférant une réflexion d’ensemble de la partie abordée à un éparpillement des réponses. Les candidats sont invités à numéroter chaque page de leur copie et à indiquer clairement le numéro de la question traitée. Les candidats sont priés de rédiger les différentes parties du problème sur feuilles séparées et clairement repé- rées. Chaque question est identifiée par une police italique et repérées par un numéro. Il leur est rappelé qu’ils doivent utiliser les notations propres au sujet, présenter clairement les calculs et déga- ger ou encadrer tous les résultats. Tout résultat incorrectement exprimé ne sera pas pris en compte. En outre les correcteurs leur sauront gré d’écrire lisiblement et de soigner la qualité de leur copie. Il sera tenu compte de la qualité de rédaction, en particulier pour les réponses aux questions ne nécessitant pas de calcul. Le correcteur attend des phrases complètes respectant la syntaxe de la langue française. Pour la présentation des applications numériques, il est rappelé que lors du passage d’une forme littérale à son application numérique, il est recommandé aux candidats de procéder comme suit : - après avoir rappelé la relation littérale, chaque grandeur est remplacée par sa valeur numérique en res- pectant la position qu’elle avait dans la relation puis le résultat numérique est donné sans calculs intermé- diaires et sans omettre son unité. Si le texte du sujet, de ses questions ou de ses annexes, vous conduit à formuler une ou plusieurs hypothèses, il vous est demandé de la (ou les) mentionner explicitement dans votre copie. 138 139 ÉTUDE D’UN ALTERNO-DÉMARREUR À TRANSMISSION PAR COURROIE SUR BATTERIE 12 VOLTS Présentation de l’épreuve L’objectif de cette épreuve est de préparer un ensemble de modules pédagogiques illustrés à partir de la problématique de réduction des émissions de CO2 des véhicules automobiles. Les technologies actuelles, en particulier celles issues du génie électrique, permettent de contribuer largement au succès de cet enjeu écologique. L’épreuve est constituée de 3 parties indépendantes : Partie A : Analyse des contraintes imposées à l’alterno-démarreur - Préparation d’une illustration de cours sur la prédétermination des caractéristiques d’un actionneur électromécanique en régime impulsionnel. Partie B : Etude de la machine synchrone de l’alterno-démarreur - Préparation d’une séquence de simulation du fonctionnement dans les 2 régimes de marche. Partie C : Etude du convertisseur statique et de sa commande - Préparation de l’installation d’un poste de travaux pratiques dans un laboratoire d’étude de systèmes. Ces trois parties sont composées de questions à caractère scientifique, didactique et pédagogique réparties au gré de leur opportunité. Pour les questions de nature scientifique, l’évaluation portera, au plus haut niveau, sur la maîtrise des connaissances, la qualité du raisonnement et sur l’exactitude des résultats attendus. Pour les questions de nature didactique, l’évaluation portera sur la capacité des futurs professeurs agrégés à transposer les notions techniques et scientifiques fondamentales à un niveau d’enseignement donné en proposant des hypothèses de travail et des illustrations adaptées au niveau de la classe concernée. Pour les questions de nature pédagogique, l’évaluation portera sur la capacité des futurs professeurs agrégés à : ¾ proposer des séquences d’enseignement qui vont conduire à gérer le travail d’un ensemble d’élèves en prenant en compte les exigences de la progression pédagogique ainsi que les contraintes matérielles, temporelles et sécuritaires de la situation ; ¾ énoncer les explications et présentations associées aux séquences proposées ; ¾ proposer des outils de description adaptés à la situation d’enseignement et au niveau de la classe. Mise en situation du support de l’épreuve Les constructeurs automobiles sont actuellement confrontés au problème de la diminution des émissions de dioxyde de carbone (CO2) et donc indirectement à celui de la réduction de la consommation de carburant des véhicules. Les possibilités offertes par les évolutions de l’électronique de puissance dans la maîtrise du contrôle/commande et la capacité des actionneurs électromécaniques à fournir des couples massiques de plus en plus important, permettent de proposer de nouvelles stratégies d’utilisation des groupes motopropulseurs implantés dans les voitures. Dans cette perspective, ils mettent sur le marché des véhicules équipés d’alterno-démarreur (figure 1). Cet équipement cumule la fonction de démarreur et d’alternateur à partir d’une machine électrique utilisant les points de fixations standard de l’alternateur classique, la liaison avec le moteur se faisant par une courroie crantée. Convertisseur statique Machine synchrone Batterie Démarreur Alternateur Figure 1 Ce système permet d’obtenir la fonction « start-stop » qui offre la possibilité de couper le moteur thermique lorsque le véhicule est à l’arrêt et de redémarrer pratiquement instantanément et silencieusement quand le conducteur enclenche une vitesse ou relâche le frein (dans le cas des boîtes automatiques). Ce dispositif équipe les véhicules de moyenne gamme (véhicule à essence de cylindrée 1,4 litres). Le marché visé est celui des véhicules urbains pour lequel le « start-stop » aura l’impact le plus grand sur la réduction de la consommation (5 à 10 % annoncé). Présentation générale de l’alterno-démarreur L’alterno-démarreur est constitué d’une machine synchrone triphasée à rotor bobiné implantée à la place de l’alternateur. Un convertisseur statique relie la machine à la batterie 12 V standard. Le système s’interface au véhicule par un bus CAN ou directement par des entrées-sorties analogiques ou numériques. schéma électrique de puissance 140 Logique de commande Machine synchrone Capteurs de position à effet Hall S1S2 S3 Baterrie 12 Volts Inducteur Hacheur d'alimentation de l'inducteur Convertisseur statique d'alimentation de la machine synchrone Chaîne cinématique MACHINE SYNCHRONE CONVERTISSEUR STATIQUE BATTERIE 12 Volts Poulie 1 Poulie 2 Vilbrequin BLOC MOTEUR Courroie ¾ : diamètre de la poulie 1 ; mm 60 d1 = ¾ : diamètre de la poulie 2 ; mm 160 d2 = ¾ CRV : couple résistant côté vilebrequin. Ce couple est égal au couple de décollage CDV plus un couple de compression CPV qui dépend de la vitesse mais qu’on peut considérer comme constant et égal à 40 Nm pour la voiture citée ci-dessus ; ¾ CDV : couple de décollage coté vilebrequin. Ce couple vaut 80 Nm à froid (- 25°C) et 40 Nm à chaud pour une voiture à essence de cylindrée 1400 cm3. Ce couple est constant pendant le temps de démarrage du moteur thermique ; ¾ : moment d’inertie des masses en mouvement côté vilebrequin par rapport à l’axe de rotation de celui-ci ; 2 VV gm 150 J = ¾ : moment d’inertie du rotor de la machine synchrone par rapport à son axe de rotation ; 2 RM gm 4 J = ¾ ΩV : vitesse de rotation en rad/s du vilebrequin ; ¾ Ω : vitesse de rotation en rad/s de l’arbre de la machine synchrone. Machine synchrone Il s’agit d’une machine synchrone triphasée à rotor bobiné. Les enroulements statoriques sont couplés en étoile. La photo de la figure 2 montre la machine synchrone avec son convertisseur. Figure 2 141 Les dimensions globales de la machine, sans la poulie, sont de 150 mm de diamètre et de 160 mm de longueur. ¾ : nombre de paires de pôles de la machine ; 6 p = ¾ : nombre d’encoches au stator. Il y a une encoche par pôle et par phase ; 36 NES = ¾ Chaque enroulement statorique est constitué de 4 conducteurs en parallèle de 1,18 mm de diamètre chacun ; ¾ : épaisseur de l’entrefer ; mm 35 , 0 e = ¾ : diamètre du rotor ; mm 105 DR = ¾ NER : nombre d’encoches au rotor. Il y a une encoche par pôle ; ¾ : nombre de conducteurs par encoche au rotor ; 180 NCR = ¾ : courant d’excitation nominal au rotor ; A 20 IEXN = ¾ l’induction produite dans l’entrefer par un pôle magnétique rotorique et pour le courant d’excitation nominal est d’environ 1 Tesla ; ¾ : résistance de l’inducteur ; Ω = 5 , 0 REX ¾ : inductance de l’inducteur ; H 1 , 0 LEX = ¾ Puissance nominale de la machine : 2,5 kW sous 14 V en régime permanent pour le fonctionnement alternateur avec 100°C de température ambiante et une vitesse de rotation de 6 000 tr/min . Convertisseur statique alimentant la machine synchrone Chaque interrupteur est constitué d’un transistor MOS avec une diode en anti-parallèle. En uploads/Industriel/ alterno-demarreur.pdf

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