Page 1/4
BACCALAUREAT TECHNOLOGIQUE – SESSION 1999
SCIENCES ET TECHNOLOGIES INDUSTRIELLES
Spécialité : GENIE MECANIQUE - Toutes options
EPREUVE DE SCIENCES PHYSIQUES
Durée : 2 heures Coefficient : 5
Le sujet comporte 3 pages d’énoncé et une page de document réponse à rendre avec la copie.
Les deux exercices sont indépendants(les paragraphes 1°, 2°, 3° de l’exercice 1 sont indépendants).
Le document réponse est à rendre avec la copie.
* * *
Nous étudions dans ce problème, le principe d’une voiture électrique. Le moteur a courant continu utilise une électronique de puissance simple en sortie de batterie.
C'est la raison pour laquelle certains constructeurs décident d'équiper leur première génération de voiture de ce type de moteur.
EXERCICE 1 ( 17 points ) 1° Le moteur à courant continu.
Les caractéristiques du moteur sont les suivantes :
⇒ Machine à excitation indépendante, la force électromotrice E est proportionnelle à la vitesse de rotation angulaire Ω ( en rad/s ) :
E = K.Ω Ω avec K = 1,31 V/rad.s-1;
⇒ la résistance du circuit d’induit : R = 0,15 ΩΩ ;
⇒ le moment du couple de pertes magnétiques et mécaniques est négligé : TP = 0 ;
⇒ la tension d’induit est constante : U = 260 V.
1.1. Le moteur est travers é par un courant d’intensité I = 170 A 1.1.1. Représenter le modèle électrique équivalent de l’induit.
Calculer :
1.1.2. la force électromotrice E du moteur ;
1.1.3. la fréquence de rotation n du rotor en tr/min ; 1.1.4. les pertes pJ dissipées par effet Joule dans l’induit; 1.1.5. la puissance utile Pu ;
1.1.6. le moment Tu du couple utile.
1.2. Le moteur entraîne le véhicule électrique.
1.2.1. Caractéristique mécanique du moteur.
Deux essais préalables du moteur ont été réalisés :
• un essai à vide pour lequel no = 1880 = 1880 tr/min ;
• un essai en charge : n = 1700 tr/min et Tu = 234 N.m.
Tracer la caractéristique mécanique du moteur Tu ( n ) sur le document réponse 1.
1.2.2. le véhicule roule en terrain plat
Le moteur de la voiture est soumis à un couple résistant dont le moment est lié à la fréquence de rotation par la caractéristique mécanique TR ( n ) donnée sur le document-réponse 1.
a. Déterminer :
• le moment T1 du couple résistant;
• la fréquence de rotation n1 ( en tr/min ) du moteur.
b. Justifier que Tu est proportionnel à I. En déduire l’intensité I1 du courant traversant l’induit de la machine.
Le moteur
Page 2/4
2° Le dispositif électronique.
Le moteur est alimenté par l’intermédiaire d’un convertisseur continu-continu. L’énergie électrique est stockée dans une batterie placée à l’arrière du véhicule.
Le schéma de principe du circuit de puissance est le suivant :
2.1. Quel est le nom de ce convertisseur continu-continu ?
2.2. Quel est le rôle de la bobine ?
2.3. On observe la tension u aux bornes de la charge. L’oscillogramme de la tension u aux bornes de la charge est donné ci-contre :
Déterminer :
2.3.1. la fréquence de la tension u ; 2.3.2. le rapport cyclique α ;
2.3.3. la valeur moyenne <u> de la tension u.
2.4. Quel appareil de mesure peut-on utiliser pour mesurer la valeur moyenne de la tension u ( préciser le nom et le type ) ?
Dispositif électronique
Batterie
Convertisseur de puissance
i
M.C.
C
Batterie
UB u
Base de temps : 10 µµs par division.
Calibre tension :50 V par division.
Origine de la voie :0V.
Page 3/4
3° La charge de la batterie d’accumulateurs.
Pour recharger la batterie, on utilise un montage représenté dont le schéma de puissance est le suivant :
L’inductance de la bobine est suffisante pour que l’intensité du courant iC soit constante.
3.1. On règle l’angle de retard à l’amorçage θo = π/4. La tension uS est esquissée sur le document réponse 2.
Tracer la tension uC sur le document réponse 2.
3.2. La valeur moyenne de la tension uC est donnée par l’expression :
<uC> =
(
0)
S 2 1 cos
U + θ
π où US est la valeur efficace de la tension uS.
On donne : <uC> = 300 V pour θo = π/4 rad.
3.2.1. Déterminer la valeur efficace US de la tension uS .
3.2.2. Quel appareil de mesure peut-on utiliser pour mesurer la valeur efficace de la tension uS ( préciser le nom et le type ) ?
3.3. Déterminer le rapport de transformation du transformateur qui est connecté au réseau 220 V , 50 Hz.
3.4. La charge de la batterie dure 8 h. Le courant est constant et a pour intensité Ic = 20A ; la tension a pour valeur UB = 300V.
3.4.1. Déterminer l’énergie électrique ( en kWh ) reçue par la batterie lors de la charge.
3.4.2. Le prix du kWh est estimé à 0,35 F. Calculer le prix de la charge ( ce qui correspond à une autonomie du véhicule d’environ 100 km ).
EXERCICE 2 ( 3 points) )
1. Le véhicule électrique se déplace à vitesse constante sur une route parfaitement plane.
Dans ce cas, le module de la force de traction Fr
est égale à celui de la force résistante Rr :
1.1. Calculer le travail effectué par la force Fr
lors d’un parcours de 160 km.
1.2. Déterminer la puissance moyenne fournie par le véhicule pour une vitesse constante de 80 km/h.
2. Pour alléger et améliorer leurs véhicules, les constructeurs utilisent de plus en plus de pièces en matériaux composites. Citer un exemple de matériau composite.
Transformateur monophasé
Pont mixte uS
uS
uC
UB
IC
Réseau : 220 V
50 Hz Batterie
R r F r
F = R = 1600 N.
Page 4/4
DOCUMENT REPONSE A REMETTRE AVEC LA COPIE Document Réponse 1
Document Réponse 2
-600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 500
600 Tension uS
0 50 100 150 200 250
0 500 1000 1500 2000
fréquence de rotation en tr/min
Moment du couple résistant en N.m
