Agrégation sciences industrielles de l'ingénieur externe 2024, épreuve 1Sujet

AGREGATION
CONCOURS EXTERNE

Section : SCIENCES INDUSTRIELLES DE L'INGÉNIEUR

ANALYSE ET EXPLOITATION PÉDAGOGIQUE D'UN SYSTÈME PLURITECHNOLOGIQUE

INFORMATION AUX CANDIDATS

Option : sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie mécanique

Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie électrique

Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie des constructions

Option : Sciences industrielles de l'ingénieur et ingénierie informatique

• -l'énoncé du sujet commençant par la mise en situation et comportant cinquante questions (pages 3 à 31) ;
• -le dossier réponse comportant six documents réponse : DR1 à DR6 ;
• -le dossier technique comportant huit documents techniques : DT1 à DT9 ;

Site de test d'hydroliennes

I. Mise en situation

I. 1 Contexte de l'étude

Figure 1 - Essai de l'hydrolienne OpenHydro d'EDF au large de l'île de Bréhat

Figure 2 - Localisation du site SEENEOH dans l'estuaire de la Gironde

Figure 3 - Implantation des moyens d'essais sur le site de Bordeaux

I. 2 Présentation de la plateforme BILBAO

Figure 4 - Principaux équipements de la plateforme BILBAO

• -un flotteur monobloc compartimenté en acier,
• -quatre treuils électriques d'amarrage régulés automatiquement,
• -quatre armoires électriques étanches,
• La mise en place de l'hydrolienne est réalisée par l'intermédiaire d'un châssis, propre à chaque turbinier, qui est installé sur le cadre de fixation de la plateforme (voir figure 4). La turbine est acheminée sur site à l'aide d'une barge de transport et d'une grue de chargement.

Figure 5 - Installation et inauguration de l'essai de l'hydrolienne Hydroquest River

I. 3 Gestion du positionnement de la plateforme

• -maintenir une tension identique dans les amarres d'une même paire ;
• -repositionner la plateforme à un emplacement prédéfini lors d'une étale de marée haute ou basse, ou après une séquence de mise en sécurité.

Figure 6 - Gestion du positionnement de la plateforme en fonction de la marée

Figure 7 - Détail du cheminement des amarres sur la plateforme

I. 4 Cahier des charges et objectifs de l'étude

• -permettre aux turbiniers de communiquer avec la plateforme et l'hydrolienne pour la mesure et la gestion des paramètres d'essai ;
• -contrôler le positionnement de la plateforme quelles que soient les conditions extérieures ;
• -gérer l'énergie produite par l'hydrolienne.

• II - Analyse des stratégies de pilotage et de communication (exigence id.1.4.1)
• III - Validation du dimensionnement de la chaîne de puissance assurant le positionnement de la plateforme BILBAO (exigence id.1.6.2.2)
• IV - Commande et gestion de la chaine de puissance des treuils d'amarrage (exigences id.1.6.2.2 et id.1.6.2.1)
• V- Analyse thermique et évolution du local technique (exigence id.1.4.2.1)
• VI - Bilan énergétique du site d'exploitation (exigence id.1.4.2.1)

II. Stratégies de pilotage et de communication

II. 1 Structure du réseau informatique du site de test d'hydroliennes

• Q1.À partir de la description du réseau donnée dans les documents techniques, décrire le fonctionnement du site en précisant les éléments qui interviennent dans :
  • -la gestion de l'orientation de la plateforme,
  • -la mesure des données du fleuve,
  • -la gestion de l'hydrolienne,
  • -la production et la distribution de l'énergie.
• Q2.Expliquer la raison pour laquelle le réseau est de classe C. Indiquer quelle sera la forme des adresses IP des composants du réseau LAN.

II. 2 Acquisition des paramètres du fleuve

Figure 8 - Capteur ADCP

Figure 9 - Situation du capteur sur la plateforme

1\t74\t12\t50\t218\t-113\t356\t335\t27\t-11\n

• -Gain statique unitaire : K = 1,
• -Constante de temps : τ,
• - e(t), signal brut renvoyé par le capteur,
• - s(t), signal filtré.

Figure 10 - Valeurs réelles et valeurs filtrées

def filtrage(Te,e_1,s_0,tau): #filtre récursif
    # Te : période d'échantillonnage
    # e_1 : valeur mesurée (n)
    # s_0 : signal filtré (n-1)
    # s_1 : signal filtré (n)
    # tau : constante de temps.
À compléter sur copie
    return s_1

II. 3 Commande de la plateforme

Figure 11 - Diagramme d'états partiel

• Q7.Expliquer à partir du diagramme de la figure 11 comment est géré le changement de marée.

• Q8.La gestion de la plateforme à marée montante et descendante étant symétrique, modifier, dans le seul cas du jusant, le diagramme du document réponse DR2 en faisant apparaitre la gestion de l'effort minimal dans chaque treuil TV1 et TV2.

II. 4 Évolution du réseau

• -fréquence : f = 2, 4GHz;
• -distance maximale de la portée en mètres : d;
• -pertes de propagation en espace libre : α = 93dB avec α = − 20log(λ/(4πd));
• -longueur d'onde des signaux WIFI émis par la plateforme : λ;
• -célérité des ondes électromagnétiques dans le vide : c = 3 × 10^8 m ⋅ s^(− 1).

III. Validation du dimensionnement de la chaîne de puissance assurant le POSITIONNEMENT DE LA PLATEFORME

III. 1 Architecture de la chaîne de puissance

Figure 14 - Treuil EMCÉ Winches

• Q12.À partir de la description précédente et du document DT4.1, compléter le diagramme des blocs internes du document réponse DR3. Indiquer les différentes grandeurs flux et effort.

III. 2 Analyse et validation du dimensionnement des composants du treuil

Un modèle simplifié de l'amarrage de la plateforme en phase d'exploitation est proposé sur la figure 15. L'orientation angulaire des amarres (i)_(i ∈ [ [1, 4] ]) par rapport au référentiel R_0(O_0, x⃗_0, y⃗_0, z⃗_0) est définie sur la figure 16.

Figure 15 - Modélisation simplifiée de l'amarrage de la plateforme

Figure 16 - Paramétrage de l'orientation des amarres (i)_(i ∈ [ [1, 4] ])

Paramétrage et hypothèses de l'étude

• - R_0(O_0, x⃗_0, y⃗_0, z⃗_0) : repère supposé galiléen lié à la terre ;
• -ensemble {E} = { plateforme + hydrolienne + équipements} ;
• -l'ensemble {E} est en équilibre statique par rapport à R_0;
• -position du centre de gravité G de l'ensemble {E} : O_0 G^(→−) = z_G z⃗_0;
• -position du centre de carène C : O_0 C^(→−) = z_c z⃗_0;
• -point d'application de la résultante hydrodynamique : O_0 H^(→−) = z_H z⃗_0
• -position des points d'ancrages de chaque amarre : O_0 O_1^(→−) = − ax⃗_0 − by⃗_0; O_0 O_2^(→−) = − ax⃗_0 + by⃗_0; O_0 O_3^(→−) = ax⃗_0 + by⃗_0; O_0 O_4^(→−) = ax⃗_0 − by⃗_0;
• -chaque moteur de treuil ( m_i ) maintient une tension T_i dans l'amarre i ∈ [ [1, 4] ];
• -le chargement et la géométrie de la plateforme sont symétriques par rapport au plan (O_0, x⃗_0, z⃗_0), ainsi :
  • - α_i = (x⃗_0, u⃗_i) = (y⃗_0, v⃗_i), avec α_2 = − α_1, α_3 = π + α_1 et α_4 = π − α_1;
  • - θ_i = (w⃗_i = z⃗_0, z⃗_i) = (u⃗_i, x⃗_i), avec θ_2 = − θ_3 = − θ_4 = θ_1;

• -masse totale de l'ensemble {E} : M_E = 65t;
• -rendement de la chaine de transmission du treuil : η = 0, 96;
• -rapport de réduction du treuil : r = 1/(413);
• - θ_1 = 10^∘ et α_1 = 17^∘;
• -torseur des efforts hydrodynamiques (générés par l'hydrolienne) en phase d'exploitation :
  {F_(h → E)} = {R→_(h → E) = F_h x→_0; 0→}}}{{_H avec F_h = 200kN
• -torseur des actions mécaniques de l'eau sur l'ensemble {E} :
  {F_(e → E)} = {R⃗_(e → p) = P_e z⃗_0 + R_e x⃗_0; 0→}}}{{_C
  où R_e = 52kN et P_e représente la contribution de la poussée d'Archimède.

III.2.1 Couple de maintien en phase d'exploitation

• Q13.À partir de la modélisation proposée figure 15, déterminer une relation littérale entre les tensions T_i, les efforts F_h, R_e et les paramètres angulaires θ_1 et α_1. Expliciter clairement la démarche utilisée.

• Q14.
  Donner l'expression littérale du diamètre d'enroulement D_T d'une amarre sur le tambour en fonction du nombre de couche n_c, du diamètre d'une amarre d et du diamètre du tambour d_T. Réaliser l'application numérique pour n_c = 4.
  

  Figure 17 - Modèle géométrique du tambour de treuil

III.2.2 Validation du système de freinage centrifuge en phase de dévirage du treuil

Figure 18 - Modélisation cinématique du frein centrifuge

• -Le corps du frein centrifuge de rayon intérieur R = 80mm est représenté par le solide (0), un repère R_0(O, x⃗_0, y⃗_0, z⃗_0) supposé galiléen lui est associé.

• -L'arbre (1) est en liaison pivot d'axe (O, z⃗_0) avec le corps (0) paramétrée par l'angle θ_m(t) = (x⃗_0, x⃗_1) = (y⃗_0, y⃗_1). Un repère R_1(G_1, x⃗_1, y⃗_1, z⃗_1) est attaché à l'arbre (1) dont le centre de gravité G_1 est situé sur l'axe de rotation (O, z⃗_0).
• -Le repère R_2(O, x⃗_2 = x⃗_1, y⃗_2 = y⃗_1, z⃗_0) est lié à la masselotte de friction (2) de masse m_2 = 220 g. La position relative de son centre de gravité est définie telle que : BG_2^(→−) = b_2 x⃗_2 avec b_2 = 15mm. Le mécanisme est constitué de n = 6 masselottes de friction.
• -En phase de régulation ou de freinage ( θ˙_m ≥ ω_(lim) ), la position du centre de gravité d'une masselotte par rapport au centre de rotation est définie par OG_2^(→−) = r_2 x⃗_2 avec r_2 = 66mm.
• -Un ressort (3), de longueur à vide l_0 = 20 mm et de raideur k = 20 N ⋅ mm^(− 1) est positionné entre l'arbre (1) - en A - et la masselotte (2) - en B - afin d'assurer le rappel de la masselotte lorsque la vitesse de rotation est inférieure à la vitesse limite de freinage notée ω_(lim). La longueur courante du ressort est notée l(t) = AB^(→−) ⋅ x⃗_1 et la position du point A est définie par OA^(→−) = a_1 x⃗_1 avec a_1 = 27mm.
• -La tension maximum dans l'amarre connectée au treuil est supposée égale à T_(max) = 15t.
• -Dans la configuration la plus défavorable mécaniquement, quatre couches d'amarres sont enroulées sur le tambour. Le diamètre d'enroulement vaut alors D_T = 700 mm.
• -En phase de régulation le contact entre la masselotte (2) et le corps (0) se fait avec frottements. Pour modéliser les actions mécaniques transmises par ce contact, le modèle de Coulomb est utilisé (avec un coefficient de frottement f = 0,4) et le torseur d'actions mécaniques est simplifié sous la forme suivante pour la liaison entre (2) et (0) :
  {F_(0 → 2)} = {− N_(02)x⃗_2 − T_(02)y⃗_2; 0→}_C
  avec N_(02) > 0 et T_(02) > 0 si θ˙_m(t) > 0.
• -Les effets de pesanteur sont négligés devant les effets dynamiques et les efforts mis en jeu.

III.2.3 Synthèse sur le dimensionnement de la chaîne de puissance

IV. Commande et gestion de la chaine de puissance des treuils D'AMARRAGE

Figure 19 - Chaine de puissance électrique d'un treuil

Figure 20 - Schéma de principe du capteur d'effort

• Q23.Déterminer le rapport V_S/V_e en fonction de R_j, R_1, R_2, et R_3. Calculer, pour les valeurs de la mesure décrite précédemment, la valeur de ce rapport. La documentation constructeur indique une sensibilité de 1,280 mV/V pour une charge de 28 tonnes, en déduire la valeur de l'effort mesuré. Citer un avantage d'utiliser une transmission en boucle de courant de type 4-20 mA.

Figure 21 - Centrale de contrôle de la plateforme

• Q24.À partir des informations issues de la centrale de contrôle, du diagramme des exigences du document DT2.3 (id.1.6.2.1) et du résultat de la question précédente, indiquer le mode de fonctionnement du moteur correspondant au capteur TA2.

Figure 22 - Schéma électrique de l'onduleur avec module de freinage

IV. 2 Motorisation d'un treuil électrique.

Figure 23 - Schéma équivalent d'une phase de la machine asynchrone ramené au stator

IV. 3 Alimentation de la machine asynchrone.

Figure 24 - Redresseur triphasé double alternance

Figure 25 - Onduleur triphasé

• Q31.Sur le document réponse DR5, tracer les signaux V_(A0) et V_(B0), les tensions électriques aux bornes des interrupteurs inférieurs des deux premiers bras de l'onduleur, puis la tension électrique composée U_(AB).

Figure 26 - Amplitude des harmoniques entre 0 et 500Hz de la tension électrique composée U_(AB) pour une commande dite « pleine onde »

• Q32.À partir des tracés obtenus à la question précédente et du spectre de la tension U_(AB) (voir figure 26), expliquer pourquoi certaines harmoniques sont nulles.

Figure 27 - Schéma de la commande de l'onduleur

Figure 28 - Analyse spectrale de la tension électrique composée U_(AB) pour une commande MLI
Q34. À partir de l'analyse fréquentielle présentée figure 28, conclure sur l'intérêt d'utiliser une commande MLI par rapport à une commande dite « pleine onde ».

V. Analyse thermique et évolution du local technique

V. 1 Fonctions et contraintes thermiques du local technique

Figure 29 - Local technique

• Q36.Donner les trois modes de transfert thermique à considérer dans l'étude du local technique et expliquer succinctement le principe physique mis en jeu pour chacun d'eux.
• Q37.Justifier l'installation d'une climatisation réversible pour chacun des boxs de conversion.
• V.2 Élaboration du modèle de transfert thermique du local technique et prédimensionnement du dispositif de régulation de température

• -la température du local technique est considérée constante et uniforme dans la totalité du local technique et valant T_0 = 23^∘C;
• -la température extérieure au local technique est notée T_1;

• -les transferts thermiques sont considérés comme totaux, c'est-à-dire sans accumulation de chaleur dans les matériaux ou dans l'air ;
• -les transferts thermiques via le plancher sont négligés ;
• -les seuls transferts thermiques considérés sont ceux réalisés à travers les parois des murs, du toit et des vitres (voir document technique DT9) ;
• -les différents ponts thermiques (passage de techniciens ou d'exploitants dans le local, étanchéité des jointures, ...) sont négligés.

• - Φ_p, le flux thermique traversant la paroi ;
• - T_(se, p), la température de la surface extérieure de la paroi ;
• - T_(si, p), la température de la surface intérieure de la paroi ;
• - e_p, l'épaisseur de la paroi ;
• - S_p, l'aire de la surface de la paroi ;

• - λ_p, la conductivité thermique du matériau de la paroi.

• - λ_(mur) = λ_(toiture) = 0, 045W.m^(− 1).K^(− 1);
• - λ_(vitre) = 0, 80W ⋅ m^(− 1) ⋅ K^(− 1);
• - e_(mur) = e_(vitre) = 70 mm;
• - e_(toit) = 62, 5 mm.

• - h_(i, mur) = h_(i, vitre) = 9W.m^(− 2).K^(− 1), le coefficient de transfert thermique du film d'air intérieur avec les parois verticales ;

• - h_(e, mur) = h_(e, vitre) = 16 W.m^(− 2).K^(− 1), le coefficient de transfert thermique du film d'air extérieur avec les parois verticales ;
• - h_(i, toit) = 11W.m^(− 2).K^(− 1), le coefficient de transfert thermique du film d'air intérieur avec la paroi horizontale ;
• - h_(e, toit) = h_(e, vitre) = 20W.m^(− 2).K^(− 1), le coefficient de transfert thermique du film d'air extérieur avec la paroi horizontale ;
• - T_e, la température extérieure à la paroi ;
• - T_i, la température intérieure à la paroi.

Figure 30 - Évolution annuelle de la température extérieure

• Q43.Commenter le choix du dispositif de régulation en température en termes de puissance, ainsi que la validité des hypothèses de pré-dimensionnement.

V. 3 Évaluation des déperditions thermiques du local technique

• Q44.Donner les avantages de l'utilisation d'un modèle BIM dans le dimensionnement d'un bâtiment, et préciser son utilité dans cette étude.

Figure 31 - Évolution annuelle du flux thermique à fournir pour maintenir la température à 23°C (résultats de simulation)

• Q45.Justifier le changement de signe de la tendance du flux thermique à fournir, ainsi que les pics d'oscillation visibles sur la figure 31.
• Q46.À partir de la figure 31, déterminer les valeurs minimale et maximale du flux thermique à fournir par le système de régulation en température pour maintenir la température à 23^∘C. Expliquer les éventuelles différences avec les résultats de la question Q42 et conclure sur son dimensionnement à la vue de l'étude menée ici.

V. 4 Évolution du local technique

• Q47.Calculer, à partir du résultat de la question Q41, les valeurs de flux thermique maximum et minimum lors des pics de température évoqués, et conclure sur la capacité du dispositif de régulation en température à respecter l'exigence id.1.4.2.1 .
• Q48.Proposer deux solutions, une sur le dispositif de régulation en température et une sur le bâtiment du local technique afin de respecter l'exigence id.1.4.2.1, en donnant à chaque fois la caractéristique globale à modifier et le cas échéant le moyen d'y parvenir.

VI. Bilan énergétique du site d'exploitation

Figure 32 - Relevés de la vitesse du courant du fleuve sur trois jours (a) et courbe de puissance d'une hydrolienne en fonction de la vitesse du courant (b)

Figure 33 - Modélisation de la puissance produite

DT1 - Glossaire marin

DT2-1 - Diagramme des exigences

DT2-2 - Diagramme des exigences

DT2-3 - Diagramme des exigences

DT3 - Diagramme de définition des blocs

DT4.1 - Treuil d'amarrage : constitution

DT4.2 - Treuil d'amarrage : dimensions caractéristiques

DT4.5 - Caractéristiques du frein centrifuge EIDE

DT5 - Architecture du réseau de communication

DT6 - Trame ASCII du capteur ADCP

DT7 - Langage Python : fonctions usuelles et syntaxe

DT8 - Format d'une trame ethernet