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Physique Appliquée 2000 S.T.I (Génie Electrotechnique) Baccalauréat technologique

15 pages
Examen du Secondaire Baccalauréat technologique. Sujet de Physique Appliquée 2000. Retrouvez le corrigé Physique Appliquée 2000 sur Bankexam.fr.
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 OPYETME1 page  1/8 BACCALAURÉAT TECHNOLOGIQUE  Session 2000   PHYSIQUE APPLIQUÉE
Sciences et Technologies Industrielles
Génie Électrotechnique
    Série    Spécialité     Durée de l'épreuve : 4 heures    L'usage de la calculatrice est autorisé.  Le sujet comporte 8 pages numérotées de 1 à 8. La page 8 des documentsréponse est à rendre avec la copie.  Le sujet est composé de trois problèmes pouvant être traités de façon indépendante.
coefficient : 7
 OPYETME1 page  2/8  Il est rappelé aux candidats que la qualité de la rédaction, la clarté et la précision des raisonnements entreront pour une part importante dans l'appréciation des copies.  Problème 1  MOTEUR À COURANT CONTINU ALIMENTÉ PAR UN HACHEUR  (La partie A et la partie B sont indépendantes)  PARTIE A : Étude du moteur  Un moteur à courant continu à excitation indépendante fonctionne à flux constant : son courant inducteur a une tensité ie = 0,35 A. Dans ces conditions, la force électromotrice E peut s'exprimer sous la forme E = k.n, relation dans laquelle n désigne la fréquence de rotation exprimée en tr/min ; on donne k = 0, 11 V/tr min -1 . La résistance de l’induit, mesurée à chaud est R = 6,3 W   1-Fonctionnement à vide  Sous tension d'induit nominale U = 250 V, l'induit absorbe un courant d'intensité lo = 0,28 A. a) Calculer la force électromotrice E 0 de l'induit dans ces conditions, b) En déduire la fréquence de rotation n 0 du moteur. c) Évaluer les pertes par effet Joule dans l'induit, notées P J0  d) Déterminer le moment T p du couple de pertes que l'on considérera constant dans la suite du problème.  2-Fonctionnement en charge Le moteur, toujours alimenté sous tension nominale U =250 V, développe un couple électromagnétique de moment T e = 2,1 N.m.  a) Montrer que l'induit absorbe alors un courant d'intensité I = 2,0 A. b) Calculer la force électromotrice E du moteur. c) En déduire sa fréquence de rotation, n. d) Le schéma du document-réponse 1, page 9 représente le bilan des puissances de l'induit en charge ; en justifiant les calculs effectués, compléter ce schéma en donnant la valeur des différentes puissances mises en jeu. e) Calculer le rendement de l'induit du moteur en charge. f) Calculer le moment T u du couple utile développé par le moteur.
 OPYETME1 page  3/8 PARTIE B. Étude du hacheur  L'induit du moteur étudié dans la partie A est alimenté par un hacheur série dont le schéma est représenté sur la figure 1, page 5. Les interrupteurs électroniques utilisés sont supposés parfaits. Une bobine de lissage, B, de résistance négligeable, est placée en série avec l'induit ; la résistance de celui-ci est R = 6,3 W ; il est caractérisé par la relation E = k.n dans laquelle E est exprimée en V et n en tr/min. On donne k = 0, 11 V/tr.min -1 . Commande de l'interrupteur K ; T désigne la période de fonctionnement:  0 < t < a T K fermé. a T < t < T: K ouvert. En charge, pour un certain régime de fonctionnement, on a relevé à l'oscilloscope les variations de u et i conformément au schéma de la figure 1, page 5. Les oscillogrammes obtenus sont représentés sur la figure 2, page 5. Pour relever ces oscillogrammes on a utilisé une sonde de tension de rapport 1150 et une sonde de courant de sensibilité 100 mV/A.  1 - Déterminer la fréquence de fonctionnement f du hacheur. 2 - Quelle est la valeur du rapport cyclique a pour le régime étudié ? 3 - < u > désigne la valeur moyenne de la tension aux bornes de l'ensemble moteur + bobine de lissage ; montrer que < u > = 150 V. 4 - Déterminer la valeur maximale I M  et la valeur minimale, I m  , de l'intensité du courant absorbé par l'induit du moteur. 5 - En déduire l'ondulation D I = l M - I m du courant et sa valeur moyenne i >. < 6 - Ecrire la relation entre < u >, < i >, n , R et k. 7 - Calculer la fréquence de rotation n du moteur.  Problème 2  TRANSFORMATEUR MONOPHASÉ  Le primaire du transformateur étudié est alimenté par le réseau EDF sous une tension de valeur efficace V 1N = 225 V et de fréquence f = 50 Hz.  1 - Essai n°1  On a réalisé un essai en continu ; le schéma du montage est représenté sur la figure 3, page 6. S c désigne une source de tension continue réglable. On a mesuré: V 1c  12 V ; I 1c = 3,64 A. = Calculer la valeur de la résistance R 1 du primaire.  2 Essai n°2  Il s'agit d'un essai à vide réalisé sous tension primaire nominale, V 10 = V 1N . On a mesuré les grandeurs suivantes : I 1 0 = 0,24 A : valeur efficace de l'intensité du courant absorbé par le primaire.  V 20 = 48,2 V valeur efficace de la tension secondaire à vide. P 10 = 1 0,2 W puissance absorbée par le primaire.    a)  Calculer le rapport de transformation ou rapport du nombre de spires m =N 2 /N 1  b)  Évaluer les pertes par effet Joule dans ce fonctionnement. c)En déduire la valeur des pertes dans le fer à vide et justifier l'emploi de cette même valeur en charge sous tension primaire nominale.
 
 OPYETME1 page  4/8   3 - Essai n°3  Le secondaire est court-circuité et le primaire alimenté sous tension réduite. Le courant secondaire de court circuit, I 2cc est égal au courant secondaire nominal, I 2 , pour V 1cc = 8,3 V. Le courant absorbé par le primaire est alors I 1cc = 0,86 A.  a) Sachant que, dans cet essai, le transformateur peut être considéré comme parfait pour les courants, calculer la valeur du courant secondaire de court-circuit, I 2cc . b)  Calculer la valeur de l'impédance totale ramenée au secondaire, Z s . 4- Essai en charge nominale Le schéma du montage est représenté sur la figure 4, page 6 ; le transformateur est alimenté sous tension primaire nominale. Pour simuler la charge, on utilise une bobine sans noyau de fer, équivalente à un circuit RL série. Son impédance est Z = 11,6 W et son facteur de puissance cos Β = 0,89. Le wattmètre mesure P l = 18 0 W et la pince ampèremétrique I 2 = 4,0 A.  a)  Calculer la tension secondaire en charge, V 2  b)  Montrer que la résistance R de la bobine est R = 10,3 W . En déduire la puissance active P 2  consommée par cette charge. c) Déterminer le rendement du transformateur au cours de cet essai. d)  En déduire la valeur des pertes par effet Joule du transformateur. e)  Le modèle équivalent du transformateur, ramené au secondaire, est donné sur le document-réponse 2, page 8 ; compléter ce document en précisant la valeur de R s et de X s  Les calculs seront justifiés.  Problème 3  CONTRÔLE DE DÉBIT D'AIR  Pour contrôler le débit d'air dans un appareillage médical, on utilise un capteur dont la caractéristique est représentée sur la figure 5, page 7 : cette courbe représente les variations de la tension de sortie V F du capteur en fonction du débit d'air F exprimé en cm 3 /min. Le fonctionnement normal de l'installation nécessite un débit d'air compris entre 150 et 550 cm 3 /min ; pour détecter une insuffisance ou un excès d'air, on utilise le montage représenté sur la figure 6, page 7. Les amplificateurs opérationnels utilisés sont supposés parfaits : les tensions de saturation sont égales à +15 V et -15 V. On donne V = 15 volts et R 1 = 10 k W R 2 et R 3  représentent deux résistances réglables. D 1 , D 2 , D’ 1 et D’ 2 sont des diodes électroluminescentes.  1 -Exprimer V 1-en fonction de R 1 , R 2 et V.  2 -Quelle est la valeur de la tension de Sortie V F du capteur quand le débit d'air est F =550 cm 3 /min ? 3 - La sortie de AO 1 change d'état quand le débit d'air devient supérieur à 550 cm 3 /min. Calculer la valeur de la résistance R 2   4 -Exprimer V 2+ en fonction de R 1 , R 3 et V.  5 -La sortie de A0 2 change d'état si F devient inférieur à 150cm 3 /min. Calculer la valeur de la résistance R 3 . 6 - Compléter le tableau du document-réponse 3, page 8, en plaçant un 0 dans la case d'une diode bloquée et un 1 dans celle d'une diode conductrice. On justifiera seulement le raisonnement utilisé pour déterminer l'état de la diode D 1
 
Ua
M
0V
=
 Problème n°1.  YB i
D
u
B M
Figure 1     
OPYETME1 page  5/8
SD
calibres : YA : 1V/cm  YB : 50mV/cm  0,2ms/cm        Figure 2
YA
 
 
 
Sc
V1N
I 1c
 Problème 2     
A V 1c
P 1 W
V
  Figure 3      
     Figure 4
i2
OPYETME1 page  6/8
A V2
R L
 
 
 
6
5
4
3
2
1
0
0
VF(V)
100
 Problème n°3   
200
300
400
 Figure 5     
500
υ + -
+ υ -
  Figure 6
600
OPYETME1 page  7/8
700
Débit d'air (cm3/min)
 
 
PA =
pj =
V20
      Pe =
pf+pm =  Document-réponse 1 (problème n°1)    Rs=Xs=
OPYETME1 page  8/8
Pu =
Document-réponse 2 (problème n°2)    Valeur du débit d’air F en Etat de D 1  Etat de D’ 1  Etat de D 2  cm3/min      F<150      150<F<550      F>550   Document-réponse 3 (problème n°3)  
 
 
 Etat de D’ 2     
MOTEUR  COURANT CONTJNU ALIMENTÉ PAR : PARTIE A : Etude du Un moteur courant continu à excitation indépendante fonctionne flux constant son courant inducteur a une intensité ie== A. Dans ces conditions, la force électromotrice E peut s’exprimer sous la forme E = relation dans laquelle n désigne la fréquence de rotation exprimée en  on donne k = La résistance de l’induit, mesurée à chaud est R = 1 Fonctionnement à vide Sous tension d’induit nominale U = 250 V, l’induit absorbe un courant d’intensité = A  . a) Calculer la force électromotrice Eo de l’induit dans ces conditions.  soit  d o n c b) En déduire la fréquence de rotation du moteur. n = donc n = et n 2257 c) Evaluer les pertes par effet Joule dans l’induit, notées P JO . =  donc = l 0.282 d) Déterminer le moment Tp du couple de pertes que l’on considérera constant dans la suite du problème. = donc 2257160) = 0.29 Nm = = = 2  Fonctionnement en charge Le moteur, tou ours alimenté sous tension nominale U = 250 V. dévelo  e un couple électromagnétique de moment N.m. a) Montrer que l’induit absorbe alors un courant d’intensité = 2,0 A. Nous savons que Te =  que E = le flux  constant on       = = Donc I = = = 2 A      b) Calculer la force électromotrice E du moteur.  donc  . E = 237.4 V c) En déduire sa fréquence de rotation, n. n = donc n = n = 2158 . d) Le schéma du document-réponse page 8 représente le bilan des puissances de l’induit en charge en justifiant les calculs effectués, compléter ce schéma en donnant la valeur des différentes puissances mises enjeu.
d) Calculer le rendement de l’induit du moteur en charge.  = 818  %  moment Tu du couple utile par le moteur. Tu = Pu = Nm  Calculer le
PARTIE B Etude du hacheur
L’induit du moteur dans la partie A est alimente par un série dont le schéma est représenté sur la figure page 5. Les interrupteurs utilises sont supposes parfaits. Une bobine de lissage, B, de résistance négligeable, est en avec l’induit la résistance de celui-ci est R = ti il est caractérise ar lpa relation E =  dans laquelle E est  en V et n en  On donne k =   Commande de l’interrupteur K T désigne la période de fonctionnement  K o u v e r t . En charge, pour un certain de fonctionnement, on a relevé à les variations de u et i au de la figure page 5. Les oscillogrammes obtenus sont sur la figure 2, page 5. Pour relever ces oscillogrammes on a utilise une sonde de tension de rapport et une sonde de courant de sensibilité 100  Déterminer la de fonctionnement f du hacheur. Nous voyons sur que la  5 divisions donc T = = ms kHz
3  Quelle est la valeur du rapport cyclique a pour le régime ?  de a = soit a 0.6  u désigne la valeur moyenne de la tension aux bornes de l’ensemble moteur + bobine de lissage montrer  quand K est la tension est par 5 sur soit une mesure de 5 comme la de la sonde est   la tension est alors de  = 250V. donc = = = 150 V 4  Déterminer la valeur maximale et la valeur minimale,  de l’intensité du courant absorbé par l’induit du moteur. Valeur      divisions soit soit A = 1.6 A    2 divisions soit soit encore A Valeur  5  En déduire l’ondulation Al du courant et sa valeur moyenne Al 0.6 A , R et E soit  k.n + 6 Ecrire la relation entre u i n =
7  Calculer la fréquence de rotation n du moteur. n =    k soit
n 1290
seruerm mttèw ta et 80 W = 1e P1merèpma ecnip al,0 4 =I2e quriétlaucel rA a. )C on seconla tensiahc ,egrriadne e*I Z= 2 2. V =V2e saobinoyauns nef,rd  eavelqéiuunà e ntitcuir cirés LR i noS .empédance est Z =1 ,1W6e  tos nafeuctder ui panssC ec 8SO8,0=eL.9.egrahc rtnoM  )l euq re =*4,611Vb4 6, 4b bo ealse tni esista ré R danceiudél erup aassi=R ,310.  W dEnosmmeép rac teetnce active P2conionnemence fonct11203203.tRpWI0j*,.,) ,c01241191l erav ad nEiudé2250048212011112eu rvÉlab, )12,4 ear pesrtpes le snad eluoJ teff ertnafsroamitno ou rapport du nrbmoed eips  ser= m /NN2mN1.V1NVp iuW : eca ssnabée bsorle ppar .eriamiruclaC )a rler le drtpoap al snetcacied eurleff eV 2 va:  0 =012,v di.eIPndaire àion secoba tnaruoc ud étsiennti ldee ac4 ,8B0= .e2Vamri prir leé pasorbangrurdesus aniva nOsem  éru selA : valeur efficet sI:01= 0 2, 4soé isalsien tusà iasse ér ediv , VInaleVIN.0 = iramnop onimri e naiss E -W2.,11nud tigas lI2oaireprim du e R1341321631c11VRcIvaa urleullc lersisécnat ed r al= 12 V ;é : V1c 6, 4.AaCI c1= 3 tnoc noigér euniOne.bllaures m a,Séd6  . enuisngurcee sotens de rpernesés étl rufia regu,  3gepaitun; l  ecséham du montage est c no ineseasu  nlisé réaOn a no1iassE - 1.zH 05  = fceenquré fde52V e  tV N1= 2 efficacee valeurisned nou sut enEDu soF  rleeaéslimest apar nté ue rmrtaéie tédudue irmafonsra tAHPONOM irp eLÉS 2TRANSFORMATEURrPboèlemla fsur e 4,igur e 6p gat ar ;elatrmfonst esr euétnemilanetsuos sion primaire noimanel .oPrus mierula  larch, geu noilitu esb en euaemén eartola Z.Zire,onda sec12021111ccccsIVm,W,,,*4440213048 inec ah 4 -sEasnaleLe srge nominom egatméhcud aseréé ntst eep roc ud rues tnaruerullccalevaa  lriu-ticc2.c,tI airecondcour de 1044,,11 )b,laC mAIIcccc08212160edl ipmdénaect culer la valeur Sa) .a A860,= c c1Isrola tse ere tri, lessacet na s,ed  tuqhcnasionrédéêtt  creruetuep fsnaamrocourantsour les raaftip c moemp  ecc éstl ga cauaruos tnnoceriad secondairede coru-ticcriu,t  2Iurcoe  Lsoabt anl rapébriamirp emiae no2n pl, I1Vccuo r 3.V =,8es ednoc iasL3onou c-crtreaist et neisnona tossue.3 - Es nominaldér noisnet suosntraou cLe. teui erptel ti ériucnté limere aimaiasovsnq eul sep 9 = 10 WOr nous fp c = 02,011,0- p = +f0j0 pon dofmrarsn rtétauen chee, ltargesemêm se ediv à fes teer lntsor  de cettlemploitsfiei rede  tujr fevià nsdae  lrep  setruelsed  p10videe.A inaln moiaerrpmioi nnstes ou sgearchne ruelav emêm e