DEVOIR

AUTOMATIQUE- ELECTROTECHNIQUE

HYDRAULIQUE

METIERS DE L’EAU (1ère année)

L'usage de la calculatrice est autorisé conformément

aux dispositions de la circulaire n' 86.228 du 28 juillet 1996

L'usage des documents personnels est interdit

INSTRUCTIONS DESTINEES AUX CANDIDATS:

Le sujet comprend trois parties indépendantes:

1ère partie: ELECTROTECHNIQUE

Durée conseillée: 30 min.

2ème partie: AUTOMATIQUE

Durée conseillée: 50 min.

3ème partie : HYDRAULIQUE

Durée conseillée : 30 minutes

Présentation générale des PARTIES

ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE et REGULATION

La lecture de la présentation générale n’est pas nécessaire pour

traiter les parties Electrotechnique, Automatique et régulation

La CNR Créée en 1933, la Compagnie Nationale du Rhône (CNR) reçoit de

l’Etat en 1934 la concession unique du fleuve Rhône pour l’aménager et l’exploiter selon trois

missions solidaires :

- la production d’électricité

- le développement de la navigation

- l’irrigation et autres usages agricoles

La CNR est un producteur d'électricité français détenu à 9,95% par Electrabel (groupe

GDF-Suez), à 29,45% par la Caisse des Dépôts et à 20,6% par les collectivités locales. Grâce

à ses nombreuses installations de production hydroélectriques, la CNR est le deuxième

producteur d'électricité sur le territoire français après EDF (qui exploite essentiellement des

centrales nucléaires) et devant la SNET (spécialiste des centrales au charbon). La CNR

exploite 19 barrages dont le barrage de Motz alimentant l’usine d’Anglefort.

L’usine de production de Motz

PCH : petite centrale hydroélectrique

Figure 1 Figure 2 Région Rhône-Alpes, Inventaire général, 2010/IGN-2008

En 1980, la CNR met en service l’usine de production d’énergie hydroélectrique de

Motz (Savoie) composée de deux groupes produisant un maximum de 45 MW chacun. Cela a

nécessité la création d’un canal artificiel (représenté sur la figure 1 et noté canal principal)

long de 11 km et présentant un dénivelé de 18 m.Avec une hauteur de chute de 18 m, il

alimente la centrale d'Anglefort (production annuelle moyenne : 449 GWh).

Au total, l'aménagement a une longueur de 14,2 km dont 3,2 km pour le canal de fuite

(canal d’amenée équipé aussi d’une petite centrale hydroélectrique). Le niveau normal de la

retenue est situé à 252 m au-dessus du niveau de la mer. Il a fortement modifié le cours du

Rhône en créant un canal d’amenée rectiligne supprimant les nombreuses îles et lônes qui

tressaient le fleuve.

Profil hydraulique de l’usine de production de Motz

Sur le site de Motz, le débit du Rhône varie de 275 m3.s-1 en hiver à 600 m3.s-1 en été

avec une moyenne sur l’année de 400 m3.s-1 . L’essentiel du débit est dirigé vers l’usine de

Motz, le reste circulant dans le lit initial du fleuve, dorénavant appelé Vieux-Rhône.

L’écoulement se fait de A vers B suivant un tube de courant, il permet d’entrainer la

turbine de chaque alternateur.

NGF 252m

NGF 234m

B

A

PARTIE ELECTROTECHNIQUE (12 points)

Dans cette partie, on s’intéresse à la production d’électricité assurant l’alimentation en

particulier de la station de traitement.

E.1) L’usine hydroélectrique de Motz est une usine de basse chute. Nommer les deux autres

types de centrales hydroélectriques en France.

Usine de moyenne chute et usine de haute chute /1

E.2) Distinguer clairement le principe d’une centrale hydraulique et d’une centrale

thermique.

Pour une centrale hydraulique, la turbine est entraînée par de l’eau liquide tandis que pour une

centrale thermique, la turbine est entraînée par de la vapeur /1

E.3) Dans le cas de l’usine de Motz, l’énergie moyenne annuelle produite est de 449 GWh, en

déduire la puissance moyenne en MW produite par l’alternateur 1.

Dans une année ,il y a 365*24 heures (8760 heures) donc

Pour un alternateur : 449*GWh/2=224,5 GWh

=> Puisssance moyenne=224,5*109/8760=25,628 MW /2

E.4) Le réseau 20 kV représenté sur le schéma ci-dessus est un réseau triphasé équilibré de

tension composée 20 kV efficace de fréquence 50 Hz

a) Déterminer la valeur maximale de la tension composée en indiquant clairement la

formule utilisée.

Umax=√2*20000=28284V /1

b) Calculer la période des tensions simples et composées en indiquant clairement la

formule utilisée.

T=1/f=20 ms /1

Canal

Principal

E.5) L’alternateur 1 est équipée d’une plaque à bornes identique à celle d’un moteur. Les

enroulements ont chacun pour résistance 17Ω et sont couplés en triangle.

a) Représenter la plaque à bornes de l’alternateur

U1 V1 W1

W2 U2 V2

/1

b) Représenter dans une autre couleur les fils de couplage /1

c) Calculer la valeur de la résistance mesuré par un ohmmétre entre les bornes de

phase statoriques U1 et V1 lors du couplage triangle.

Req= (17+17)*17/((17+17)+17) = 11,33Ω /1

E.6) En supposant qu’un alternateur produit environ 25.6 MW sous une tension de 20 kV avec

un facteur de puissance de 0.91, calculer le courant par fil de ligne sur le réseau triphasé.

Pélec=√3*U*I*cosφ => I=25,6/(√3*20000*0.91)=812 A /1

E.7) L’électricité produite par la centrale est acheminée sur le réseau 20 kV puis un

transformateur élévateur ne faisant pas partie de l’usine permet de passer à une tension de 400

kV.

On suppose que le courant sur le réseau 20 kV est d’environ 1600 A,

La puissance apparente côté primaire d’un transformateur est égale à la

puissance apparente côté secondaire.

a) Calculer le courant par fil de ligne côté sur le réseau de transport en

400 kV.

Sprimaire=Ssecondaire =>√3*20000*1600=√3*400000*I

I=1600*20000/400000=80 A /1

b) Justifier l’affirmation suivante : « transporter en Très haute tension

permet de minimiser les pertes par effet Joule »

Vu que les pertes Joule sont de type RI² si on diminue I on diminue

les pertes joules /1

PARTIE Automatique Logique (6 points)

Lors des crues , pour éviter des efforts trop importants sur l’arbre liant la turbine au

multiplicateur, la station hydroélectrique doit être stoppée. En effet en cas d’élévation

anormale du niveau du Rhône, le débit augmente et le dénivelé entre l’amont et l’aval du

barrage atteint un maximum.

Pour détecter ces élévations de niveau anormales (crues décennales), on a placé 4

détecteurs de niveau de type NO assurant la commande des installations.

détecteur variable Fonction

Niveau haut max amont LH1 Détecte un niveau très haut en amont du barrage

Niveau haut amont LH2 Détecte un niveau haut en amont du barrage

Niveau haut max aval LH3 Détecte un niveau très haut en aval du barrage

Niveau haut aval LH4 Détecte un niveau haut en aval du barrage

Rappel : un détecteur type NO est un détecteur qui vaut 0 lorsqu’il ne détecte pas l’eau.

L’autorisation de fonctionnement des installations dépend des détecteurs LH1,…,LH4.

Cette autorisation est visualisée grâce à 3 voyants V1, V2 et V3. Par hypothèse, une lampe

allumée est une lampe qui vaut 1.

Règle n°1 : V1 s’allume si le niveau est simultanément supérieur au niveau très haut côté

avat et amont (et donc supérieur aux niveaux haut aval et amont)

Règle n°2 : V2 s’allume si le niveau est simultanément inférieur au niveau haut côté aval et

amont. (et donc inférieur aux niveaux très haut aval et amont)

Règle n°3 : V3 s’allume dans tous les autres cas .

Règle n°4 : un certain nombre de combinaisons sont impossibles dans ces cas les valeurs des

variables V1, V2, V3 sont indifférentes et seront notées Φ dans les tables de vérité ou tables

de Karnaugh.

Par hypothèse, les quatres détecteurs de niveaux sont de type NO, donc lorsque l’eau est en

dessous d’un détecteur, le détecteur vaut 0.

A.1 Compléter la table de vérité de V2 et V3 sur le document réponse.

A.2 On pose Φ=0, déterminer l’équation logique de V1 directement à partir de la table de

vérité.

A.3 Onpose Φ=1, compléter la table de Karnaugh de V1 sur le document réponse.

A.4 Déterminer l’équation logique minimale de V1 à partir de votre table de Karnaugh.

A.5 Représenter l’équation minimale de V1 sous forme de logigramme.

PARTIE Régulation (7 points)

Pour assurer un suivi précis du débit du Rhône, on utilise des capteurs de niveau de

type capteur de pression installés en fond de Rhône. On étudie deux capteurs de pression que

l’on nommera capteur A et capteur B.

CapteurA: le capteur A est capable de mesurer une pression relative en mètre de colonne

d’eau de 0 mCE à 40 mCE et délivre linéairement en image de 0 mCE la valeur d’intensité

0mA et pour 40mCE l’intensité 20mA. La caractéristique statique du capteur A est

représentée ci-dessous.

Ia (mA)

20

0

0 40 Pression en mCE

Caractéristique statique du capteur A

1°) Pour une pression de 10 mCE, déterminer la valeur du courant Ia délivrée par le capteur A

en mA.

I=5mA /1

Capteur B: le capteur B délivre une intensité Ib de 4 à 20 mA lorsque la pression en mCE

évolue de 0 à 40 mCE.

2°) Représenter la caractéristique statique du capteur B. (Tracé de Ib en fonction de la

pression en mCE)

VOIR CORRIGE EN CLASSE /1

3°) Pour une pression de 10 mCE, déterminer la valeur du courant délivrée en mA.

I=1/4*16+4=8mA /1

CAPTEUR A ET CAPTEUR B :

4°) Réaliser le tracé de Ib en fonction de Ia

Voir corrige en classe /1

5°) Déterminer la relation mathématique entre le courant Ib délivré par le capteur B et le

courant Ia délivré par le capteur A

Ib= Ia*16/20+4 /1

6°) En supposant que la pression mesurée corresponde à une profondeur du Rhône de 29,8%

vis-à-vis des capacités des capteurs, déterminer les valeurs de Ia et Ib.

29.8%*40=11.92mCE

Ia= 29.8*20mA=5.96mA /1

Ib = 8,768mA /1

DOCUMENT REPONSE

III.2 table de vérité

LH1 LH2 LH3 LH4 V1 V2 V3

0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 1 0 0 1

0 0 1 0 Φ Φ Φ

0 0 1 1 0 0 1

0 1 0 0 0 0 1

0 1 0 1 0 0 1

0 1 1 0 Φ Φ Φ

0 1 1 1 0 0 1

1 0 0 0 Φ Φ Φ

1 0 0 1 Φ Φ Φ

1 0 1 0 Φ Φ Φ

1 0 1 1 Φ Φ Φ

1 1 0 0 0 0 1

1 1 0 1 0 0 1

1 1 1 0 Φ Φ Φ

1 1 1 1 1 0 0

/1 /1

III.2 V1=LH1.LH2.LH3.LH4 /1

III.4 table de Karnaugh de V1

LH1 LH2

LH3 LH4

0 0

0 1

1 1

1 0

0 0

0

0

0

1

0 1

0

0

0

1

1 1

0

0

1

1

1 0

1

1

1

1

/1

V1=LH3.LH4/ + LH1.LH2/ +LH1.LH3 /1

Derniere question logigramme voirs en classe /1