Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Centre National de l'Évaluation, des Examens et de l’Orientation Examen Nationa

Centre National de l'Évaluation, des Examens et de l’Orientation Examen National du Brevet de Technicien Supérieur Session de Mai 2015 - Sujet - Page 1 16 Filière: ELECTROTECHNIQUE Durée : 4 h Épreuve de: ASSOCIATION CONVERTISSEUR MACHINE ET REGULATION Coefficient : 30 Le sujet comporte 4 parties indépendantes : Partie A : Etude de la pile à combustible (PAC)…………………………………...5pts Partie B : Etude des convertisseurs statiques ……………………………………35pts Partie C : Etude du moteur asynchrone …………………………………………40pts Partie D : Régulation du débit d’air du compresseur……………………………20pts Présentation du Système de traction à pile à combustible - AUTOBUS à Hydrogène - L’utilisation de l’hydrogène, conditionné dans un réservoir sous pression, en réaction avec l’oxygène massivement présent dans l’air, permet de générer essentiellement de l’énergie électrique. La réaction chimique produit également de la chaleur et de l’eau. Si l’on est capable de produire et stocker cet hydrogène, ce dispositif devient une solution particulièrement intéressante dans les applications de transport pour les raisons suivantes : - C’est un bon substitut au pétrole ; - Il annule ou réduit les émissions de CO2 ; - Il supprime les caténaires pour les applications ferroviaires (tramway, autobus…) et participe ainsi à la réduction de la pollution visuelle. Dans ce cadre, nous proposons de traiter du management de l’énergie d’une chaîne de traction électrique, constituée d’une source d’énergie hybride, obtenue par association d’une pile à combustible (PAC) de type PEM (Membrane Echangeuse de Proton) et des batteries de puissance. Ces deux éléments sont interconnectés à l’aide de convertisseurs statiques d’énergie électrique (CS1et CS2) pour alimenter le groupe composé du convertisseur DC-AC et du moteur asynchrone de traction entraînant les roues de l’autobus. Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière : Electrotechnique Épreuve : Association Convertisseur Machine et Régulation 2 16 L’ensemble est représenté sur le synoptique de la figure 1 et explicité sur le schéma de la figure 2. Figure 1 : Représentation simplifiée du Autobus à hydrogène Figure 2 : Schéma bloc de la chaine de traction électrique à Hydrogène. Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière : Electrotechnique Épreuve : Association Convertisseur Machine et Régulation 3 16 PARTIE A : Etude de la pile à combustible La pile est de type à membrane échangeuse de protons, dont le principe de fonctionnement d’une cellule est représenté sur la figure 3 : Figure 3 : Principe de fonctionnement de la pile La pile à combustible utilisée est réalisée en empilant en série Ns cellules élémentaires à fin de fournir une tension nominale de 375V et un courant nominal de 600A. Un essai en générateur débitant sur une charge résistive variable, effectué dans les conditions nominales d’utilisation, a permis d’obtenir les résultats suivants : I(A) 58,6 146,5 586 879 1230 1289 U(V) 500,8 410,2 380 350 245,8 190 A.1- En se basant sur le schéma de la figure 3, expliquer brièvement le principe de la production de l’énergie électrique réalisée par la pile à combustible. 1 pt A.2- Représenter, sur le document réponse DR01, la caractéristique tension-courant U(I) 1,5 pt A.3- On suppose que le modèle électrique de la pile est le suivant : A.3.1- Etablir l’équation reliant les grandeurs E, U, I et rPAC 0,5 pt A.3.2- Sachant que la tension délivrée par chaque cellule est de 0,64V, calculer le nombre Ns de cellules élémentaires de la pile. On négligera la résistance interne rPAC de la pile. 1 pt A.3.3- Sachant que la densité du courant est de : 1A/cm², calculer la surface de chaque cellule en cm² 1 pt Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière : Electrotechnique Épreuve : Association Convertisseur Machine et Régulation 4 16 Partie B : Etude des convertisseurs statiques B-1 : Convertisseur DC-DC :(7 pts) La pile à combustible délivre une tension nominale U = 375V et un courant nominal I=600A, pour adapter ces grandeurs à l’entrée de l’onduleur, on met en place un convertisseur statique DC-DC noté CS1 dont le schéma de principe est donné sur la figure 4 : Figure 4 : Schéma de principe du convertisseur DC-DC (CS1) On note : -  : le rapport cyclique tel que Ton = .T représente l’intervalle de conduction de Kb. - Pe, PS : sont respectivement les puissances d’entrée et de sortie du convertisseur CS1. - L’inductance L est supposée suffisamment grande pour considérer que le courant d’entrée I est constant pendant la période de hachage. - Le condensateur C est considéré suffisamment grand pour considérer la tension UBUS constante, pendant la période de hachage. B.1.1- Tracer sur le document réponse DR02, l’allure du courant Is(t) 1 pt B.1.2- Exprimer la valeur moyenne du courant de sortie Is(t) notée ISMOY, en fonction de I et du rapport cyclique  1 pt B.1.3- Le convertisseur étant parfait, exprimer la valeur moyenne USMOY de la tension de sortie UBUS(t) en fonction de la tension d’entrée U et du rapport cyclique  2 pts B.1.4- Calculer USMOY pour un rapport cyclique  =0,5. Comment appelle-t-on ce convertisseur ? 1 pt B.1.5- Compléter le schéma de document réponse DR03 en y insérant les interrupteurs semi-conducteurs de puissance convenables 2 pts C Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière : Electrotechnique Épreuve : Association Convertisseur Machine et Régulation 5 16 Pour la suite de l’épreuve, on prendra : UBUS =750V B-2 : Convertisseur DC-AC (28 pts) Le convertisseur DC-AC associé au moteur asynchrone triphasé entraînant le véhicule délivre une tension de sortie efficace de 460V~ entre phases, sa structure interne est donnée sur le schéma de la figure 5 : Figure 5 : Schéma de principe l’onduleur de tension  Onduleur à commande pleine onde Chaque interrupteur est fermé pendant une demi-période, les commandes des interrupteurs (K1, K’1), (K2, K’2) et (K3, K’3) sont complémentaires 2 à 2. Chacun des trois bras de l’onduleur est commandé avec un retard de T/3 par rapport à son adjacent. B.2.1- Donner les expressions de uAB(t) et uCA(t) en fonction de vAN(t),vBN(t) et vCN(t) 2 pts B.2.2- En admettant qu’à chaque instant : vAN(t) +vBN (t)+vCN(t) = 0, montrer que : vAN (t) = 3 ) t ( u ) t ( u CA AB  2 pts B.2.3- Sur le document réponse DR04 a) Tracer les allures des tensions composées uAB(t), uBC(t) et uCA(t) 3 pts b) Tracer l’allure de la tension simple vAN (t) 1 pt c) Tracer l’allure du fondamental du courant iA(t) pour  =60° 1 pt d) Tracer l’allure de vK1(t) et ik1(t) 2 pts B.2.4- Proposer une solution technologique pour réaliser les interrupteurs semi-conducteurs 1 pt B.2.5- Calculer la valeur efficace UAB de la tension uAB(t). En déduire la valeur efficace Veff de vAN (t). 2 pts B.2.6- On donne la décomposition en série de Fourier de vAN(t) : vAN (t) =  BUS U 2                       ... t 11 sin 11 1 t 7 sin 7 1 t 5 sin 5 1 t sin avec BUS U = 750 V a) Exprimer, en fonction de UBUS , V1eff et U1eff (valeurs efficaces des fondamentaux des tensions simples et composées) 1,5 pt b) Calculer, en %, le taux de distorsion harmonique THD_v de vAN(t). 1,5 pt B.2.7- Peut-on varier V1eff sachant que la tension d’entrée de l’onduleur UBUS reste constante ? Justifier votre réponse. 2 pts Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière : Electrotechnique Épreuve : Association Convertisseur Machine et Régulation 6 16  Onduleur à Commande MLI En réalité le convertisseur DC-AC utilisé est un onduleur à commande MLI. Le principe du circuit de commande de cet onduleur est basé sur la comparaison de trois sinusoïdes de référence (x1(t), x2(t) et x3(t)) à un signal triangulaire y(t) de fréquence élevée fMLI. Son schéma synoptique est donné à la figure 6. Le coefficient de réglage en tension r est défini par r = XM / YM (r 1), avec XM et YM : amplitudes respectivement de x(t) et y(t). Figure 6 : Principe de la commande MLI On admet que, lorsque la fréquence de découpage (fMLI) est grande par rapport à la fréquence des sinusoïdes de référence, les valeurs instantanées des composantes basses fréquences des tensions simples fournies par l'onduleur suivent les signaux de références. Les fondamentaux des tensions simples peuvent donc être décrits par les expressions suivantes:  V1f (t)= (x1 (t) / YM) * ( BUS U / 2).  V2f (t)= (x2 (t) / YM) * ( BUS U / 2) .  V3f (t)= (x3 (t) / YM) * ( BUS U / 2) . On note : V1eff la valeur efficace du fondamental de la tension v1(t) Sujet de l’Examen National du Brevet de Technicien Supérieur - Session Mai 2015 - Page Filière uploads/Industriel/ presentation-du-systeme-de-traction-a-pile-a-combustible-autobus-a-hydrogene.pdf