Concours PLP2 EXTERNEGENIE ELECTRIQUE

OptionELECTROTECHNIQUE ET ENERGIE

Session

Épreuve sur dossier

DossierUsine d'eau potable

PAGES1 -DOSSIER TECHNIQUE 3

1.1 - Introduction 3 1.2 - Présentation de l’usine 4

1.3 - Présentation générale de l’usine 5 1.4 – Processus employé pour traitement d’eau de surface 6 1.5 - Système de pompage et refoulement de l’eau brute vers l’usine 9

1.6 - Cahier des charges 111.7 - Schéma de l’organisation matérielle du système 13

1.8 - Schémas de l’installation électrique 14

2 -DOSSIER PEDAGOGIQUE 20

2.1 - Analyse fonctionnelle 202.2 - Premier niveau de décomposition 222.3 - Guide d’étude des modes de marches et arrêts GEMMA 232.4 - Approche fonctionnelle : GRAFCETS 242.5 - Intentions pédagogiques 262.6 - T.P. 28

1. DOSSIER TECHNIQUE :

1.1 IntroductionAvec l’aide de l’usine de traitements d’eaux potable, j’ai pu réaliser ce dossier technique, dans le cadre de la préparation au concours du C.A.P.L.P. Génie Electrotechnique option Electrotechnique et Energie.

L’objectif est de présenter un système industriel pluri-technologique faisant intervenir divers composants du domaine de l’électrotechnique.

Le système étudié dans l’usine est le pompage et le refoulement de l’eau brute vers un réservoir, se situant dans une autre usine de traitement d’eau, à un peu plus de dix kilomètres.

Buts visés

Il s’agit d’analyser le fonctionnement d’un produit industriel, évoluant dans un environnement réel.

Intérêt du système

Dans ce système de pompage et de refoulement d’eau, on y retrouve deux moteurs triphasés asynchrones, chacun piloté par un démarreur électronique, des capteurs (capteurs de pression, débitmètres, sondes de niveau), le tout géré par un Automate Programmable Industriel (Télémécanique TSX 37). Ces éléments de bases se retrouvent dans les systèmes industriels d’aujourd’hui.

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1.2 Présentation de l’usine

L’usine d'eau potable a été construite en 1974, afin d’alimenter la zone sud de la Communauté en eaux potables, soit pour environ 60 000 habitants, puis en eaux brutes, l’usine de traitement d’eau, située à plus de dix kilomètres.

L’usine est alimentée par un lac artificiel, qui a un volume de 9,5 millions de m3 d’eau, et une superficie de 230 hectares.

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1.3 Présentation générale de l’usine

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Distribution

Barrage : arrivée d'eau

brute

Bâche EB 200 m3

Bâche EB 400 m3

Refoulement La Couronne

Motopompes eau brute

potassium

CO 2 + lait de chaux

prétraitement

sulfate d'aluminium

bioxide de chlore

Décanteur couloir (700 m2)

Polymère

Filtres à sable

Poste ozonation

Etape 1 Etape 2 Etape 3

Etape 3 Etape 4

Bâche 1000 m2

Etape 5

Coagulation-Floculation

1.4 Le processus employé par l’usine pour le traitement d’eau de surface, se compose en plusieurs étapes   :

L’eau à traiter doit être en permanence analysée afin d’ajuster le traitement de l’eau au cours du temps

Etape 1 :

La prise d’eau   :

Pompage de l’eau brute à travers un dégrillage statique pour écarter les gros déchets.

Etape 2   :

Le prétraitement de l’eau   :

La reminéralisation   :

Pauvre en sels minéraux une reminéralisation  de l’eau s’avère nécessaire, on injecte pour cela, du lait de chaux et du gaz carbonique.

L’oxydation   :

Pour la dégradation, du fer, du manganèse (qui sont à eux deux responsables de dépôts dans les réseaux, et provoquent des phénomènes de corrosion), des matières organiques, de l’ammoniaque, on utilise un oxydant comme l’ozone (c’est la préozonation) et le bioxyde de chlore.

Si l'ozone ou le bioxyde de chlore s'est avéré insuffisant, il est possible d'injecter dans la conduite de refoulement, un autre oxydant comme le permanganate de potassium.

Elle permet d’éliminer plus facilement ces substances au cours de l’étape suivante dite de

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clarification.

Etape 3 :

La Clarification   :

La clarification permet l’élimination des particules en suspension.

La coagulation – floculation   :

Pour faciliter cette étape, et en particulier éliminer les particules en suspension de très petites tailles, l’ajout d’un produit chimique (un coagulant) permet à ces particules de s’agglomérer.

Plus grosses et plus lourdes, les nouvelles particules sont plus facilement décantées et filtrées. On appelle ce procédé la coagulation/floculation.

La coagulation des particules est effectuée par l’adjonction des réactifs de WAC (Polychlorure d’alumine), de polymère et de Sulfate d’aluminium. Un agitateur rapide assure l’homogénéité du mélange dans l’eau et la floculation.

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Polymère

WACSulfate d’aluminium

La décantation   :

L’eau est acheminée dans des bassins dits de décantation. Là, sous l’effet de leur poids, les particules gravitent vers le fond où elles se déposent, les boues décantées sont raclées, puis évacuées au poste de traitement des boues.

La filtration   :

L’eau décantée est ensuite filtrée à travers quatre couches de sable, qui retient les particules les plus fines.

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Etape 4:

La désinfection :

La désinfection permet l’élimination des micro-organismes (bactéries et virus). On utilise pour cela un bactéricide comme l’ozone, ou en secours du chlore.

Etape 5 :

Le PH est de nouveau contrôlé et rectifié si besoin. De plus, pour éviter toute prolifération bactérienne, pendant le voyage de l’eau dans le réseau de distribution, une désinfection au chlore gazeux permet de maintenir un résiduel de chlore.

Et enfin, refoulement de l’eau traitée vers les réservoirs principaux (châteaux d’eaux).

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1.5 Système de Pompage et refoulement de l’eau brute vers l’usine qui se situe à 10 Km

Fonction d’usage du système  

Il permet d’alimenter une bâche de capacité de 500m3 en eau brute, d’une autre usine de traitement, si l’eau de source qu’elle reçoit est inférieure à 300 m3/h (surtout en été).

1

1.6 Cahier des charges

1- Généralités   :

Suite à des incidents sur les canalisations (coup de bélier), il a été décidé de remplacer, un démarrage direct par un démarrage progressif, en rajoutant au système un démarreur-ralentisseur, pour chaque moteur.

Les coups de bélier correspondent à la transformation brusque de l’énergie cinétique de l’eau en pression. Le fait de bloquer l’eau brusquement par une vanne ou l’arrêt d’une motopompe engendre des ondes de surpression et de dépression qui se propagent dans la conduite en s’amortissant peu à peu. Il est très fortement recommandé d’éviter les coups de bélier qui peuvent provoquer des dégâts extrêmement importants, parfois à retardement, notamment dans les conduites.

2- matériel existant   :

Deux motopompes  centrifuges fonctionnant à vitesse fixe, avec un débit respectif de 260 et 360 m3/h sous 17 bars et 17.8 bars.

Conduite de DN 500.

Deux capteurs de niveau à ultra-ondes, un côté bâche usine de la Sorme et un côté bâche usine de la couronne, qui permettent la demande en eau de chaque bâche.

Deux capteurs de type flotteur, un côté bâche usine de la Sorme, un autre côté bâche usine de la couronne, qui indique un niveau d’eau maximum à atteindre dans chaque bâche. Ils sont là pour palier une défaillance éventuelle, des capteurs de niveaux à ultra-ondes.

Deux débitmètres, placés sur chaque refoulement des motopompes, qui permettent surtout la détection d’un manque d’eau, arrêt obligatoire dans ce cas là.

Deux manomètres placés sur chaque refoulement des motopompes, qui permettent surtout la détection de fuites.

Un Automate Programmable Industriel (TSX37) qui gère le fonctionnement du système, à partir des informations, délivrées par des capteurs (de niveaux, débits,...).

Une supervision pour le pilotage et le contrôle du système à distance.

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3-Caractéristiques générales   :

4-Maintenance   :

Pompes centrifuge : Graissage des paliers, une fois par mois.

Ballon : Vérification de la pression d’azote, une fois par semestre.

1

MOTEUR 1 POMPE 1 MOTEUR 2 POMPE 2MARQUE Alstom Bergeron

RateauAlstom Bergeron

RateauTYPE HORIZONTAL

APU 315MBRC 15/34

SRCentrifuge

HORIZONTALAPU 315L

BRC 20/374R

CentrifugeNUMERO 67022/02 901356A-1 67022/01 901356-1PUISSANCEABSORBEE

220KW 189 .5KW 250KW 224KW

TENSION 220/380V 220/380VINTENSITE 665/385A 828/478AVITESSE 1475tr/mn 1480tr/mn 1475tr/mn 1480tr/mnCOS 0,84 0,84ANNEE 1990 1990DEBIT 260m3/H 358m3/HHMT 170m 178mIP 23 S 23 S

MARQUE CHARLATTEN° SERIE 3500 103CAPACITE 3500 LITRESPRESSION DE SERVICE

20 BARS

PRESSION D’EPREUVE

30 BARS

FIXE OUICONTENU AZOTEVESSIEDATE DE 1ERE EPREUVE

SEPT-01PERIODICITE DE VISITE

3 ANSPERIODICITE D’EPREUVE

10 ANS

MOTOPOMPES

BALLON

1.7 Schéma de l’organisation matérielle du système

Capteur niveau d'eau

1

Retenue de la

source

Bache d'eau brute

Clapets anti-retour

Pressostat

Débit mètre

Flotteur de secours

Bache de la couronne

400 m3

160 m

10 km

moteurs + pompes

1.8 SCHEMAS ELECTRIQUES 

1

1

1

1

1

1

2

2. DOSSIER PEDAGOGIQUE :

2.1 Analyse fonctionnelle des activités du système

Actigramme A-0

L’actigramme A-0 décrit la fonction d’usage du système choisi, le premier niveau de décomposition A0 reprend la forme canonique du procédé élémentaire.

Avec :W: Energies disponiblesC : Configurations (algorithmes)R : Réglages (consignes, paramètres)E : Exploitation (données d’exploitation)

Energie

électrique

Opérateur

- Mise en et hors tension- ATU

/

- réarmement thermique-Auto\manu-Commande manuelle

, ,

Informations visuellesd’états du système

RR

A-0

Manuel

-Réglage des paramètres du démarreur-ralentisseur

Système de pompageet de refoulement des eaux

DistribuerL’eau

Eau brute puisée

Eau bruterefoulée

CC

-Programme API-Informations d’état du système(débit, niveaux d’eau)

WW EE

Programmes- algorithme démarreur-ralentisseur

2

2.2 Premier niveau de décompositionFonction : Pomper et refouler l’eau brute

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Communiquer les

ordres A1

Pomper et refouler l’eau bruteA4

Distribuerl’énergie A3

Traiter les

données A2

Energie

-Réseau B.T.

Configurations

-Programmes API-Algorithmes démarreur-ralentisseur

Réglages

-Electriques

Exploitation

-Ordres opérateurs

Capter les états du système A5

Sectionneur, protection, distribution des alimentations

Automate programmableTSX

W1, W2, W3

W

W1

W2

Programme console d’exploitation

Console d’exploitation

ElectropompesRéservoir

W3

Sonde de niveauxDébitmètre

Information niveaux, débit

Ordres opérateur

Données à afficher

Energie du réseauAloorithme démarreurs-ralentisseurs Paramètre démarreurs-

ralentisseurs

Visu

Données à traiter

Ordre d’exploitation

Eau brute refoulée a la bache de l’usine de la couronne

Eau brute puisée

Manu

2.3 Guide d’étude des modes de marches et d’arrèts «   GEMMA   »

23

Manuel

Pompage et refoulement de l’eau brute

État repos de la machine

Production normalPompage et refoulement d’eau

brute

Vérification et/ou traitement de la défaillance

Arrêt motopompesCoupure d’énergi e P.O.

Fin de cycle

Auto

AU + manque d’eau + défauts moteurs

Manuel Commande Manuel de ou des motopompes

Auto

Coupure d’énergie

Pause

Fin de pause

Motopompes inhibés

AU + manque d’eau + défauts moteurs

2.4 Approche fonctionnelle temporelle des événements (Grafcets de la partie opérative du système)

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0

1

F/GC (10) F/GPN (20) Voyants défauts Sirène

Autoriser l'évolution du GRAFCET de conduite

AU. manque d'eau. Défauts moteurs. BP réarmement

AU + manque d'eau + Défauts moteurs.

GRAFCET de sureté G.S.

GRAFCET de conduite G.C.

10

11

X1

Voyant machine prête A1

11

AUTO

Autoriser l'évolution du GPN F1

12

fin de pause

pausex 34

Signalisation motopompe inhibée A4

13

AUTO

MANU

Marche de vérificationdans le désordre F4

14

MANU

X0

Préparation pour remise en ordre après défaillance A5

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GRAFCET de production normale GPN

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31 Démarrage motopompes

32 Décélération et arrêt motopompes

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X11. niveau haut bache. Demande de pause

niveau haut bache + demande de pause + auto. Démarrage terminé.

Auto. Décélération terminée.

X11.

Auto. Décélération terminée.

2.5 Intentions pédagogiques  

Le système automatisé proposé, permet de convertir une énergie électrique en énergie mécanique et comporte des composants élémentaires, comme le démarreur-ralentisseur (commande de l’énergie), le couplage moteurs (machines asynchrones).

Les Etudes   :

Etudier la commande d’un moteur asynchrone triphasé qui démarre en direct (Fonction commander la puissance par contrôle tout ou rien), puis étude d’un démarreur associé à un moteur asynchrone triphasé (Fonction « Commander la puissance par modulation d’énergie »), à l’aide d’un système de pompage didactique.

Objectif poursuivi :

- Identifier les problèmes rencontrés lors du démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé et leurs conséquences sur les installations.

- Mettre en évidence les avantages du démarrage électronique, notamment dans les applications de pompage (suppression du coup de bélier).

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Les TP   :

Classe de 24 élèves, deux groupes de douze élèves pour Les TP.

Bac pro ELEEC2ème Semestre, niveau terminal

1ère semaine, présentation des TPEnsuite, 4 TP pour binôme et deux Td tertiaire (Trace élec) pour 4 élèves.

Pour les TP, on pourra trouver :

- TP aqualec +- TP éclairage- TP levage 4 quadrants- TP S/S variateur U/F

et à la 8ème semaine Correction TP et évaluation de synthèseCes TP se déroulent de Février à Pâques

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2.6 DIDACTISATION DU SYSTEME REEL

Aqualec

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Aqualec

Platine démarrage direct

Platine démarrage

Avec démarreur-ralentisseur

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Nom de l’élève :

Démarrage direct d’un moteur asynchrone triphasé

On dispose :

D’un réseau triphasé 3x400 V – 50 HZ.D’une platine permettant un démarrage direct, d’un moteur asynchrone triphasé.D’un banc moto-pompe Aqualec.D’un oscilloscope numérique portatif (Fluke).De deux sondes de mesure de courant pour oscilloscope.

Identification du groupe motopompe :

Relever les informations portées sur la plaque signalétique du groupe motopompe et donner la signification des caractéristiques relevées.Quel est le couplage des enroulements statoriques du moteur, en fonction du réseau d’alimentation et du moteur, expliquer votre choix.Réaliser le couplage sur la plaque à borne du moteur.

Réponses :

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Schéma de montage   :

1. Compléter le schéma de montage ci-dessous, et compléter afin de pouvoir mesurer la tension statorique du moteur (Us), l’intensité statorique du moteur (Ia) et la puissance (Pa) absorbée par le moteur, à l’aide de l’oscilloscope numérique portatif (Fluke) :

Manipulation   :

5. Raccorder le groupe motopompe avec la platine démarrage direct, un sens de marche. Alimenter le débitmètre Bürkert, avec l’adaptateur de tension fourni. Raccorder les appareils de mesure. Vérifier que la vanne manuelle soit complètement ouverte.

Faire vérifier par le professeur avant de mettre sous tension !

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6. Faîtes varier le débit de l’eau en agissant sur la vanne à commande manuelle. Compléter, pour les débits imposés, le tableau suivant :

En régime établi   :

*La pression est à relever, directement sur le manomètre à aiguille**Pu = pression x débit x 1000 / 36

Ia (A)

Pression*(bars)

U (V)

Débit 8 7 6 5 4 3 2 1 0 (m3/h)

Pa (W)

Pu** (W)

η (%)

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7. Régler le débit à 2m3 / h et arrêter le système. A l’aide de la documentation, utiliser l’oscilloscope portatif en mode recorder :

En régime transitoire   :

Mettre en marche et observer au démarrage, les points suivants   :

1. Allure du courant absorbé.2. Comportement du manomètre à aiguille.3. Comportement des canalisations.

Arrêter et observer, les points suivants   :

4. Comportement du manomètre à aiguille.5. Comportement des canalisations.

8. Relever et calculer, grâce à l’oscilloscope portatif :

1. La valeur du courant efficace au démarrage : Id2. La valeur du courant en régime nominal : In3. Le rapport Id/In 4. Commenter ces valeurs

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Démarrage progressif d’un moteur asynchrone triphasé

On dispose   :

D’un réseau triphasé 3x400 V – 50 HZ.D’une platine avec un démarreur-ralentisseur, permettant un démarrage progressif, d’un moteur asynchrone triphasé.D’un banc moto-pompe Aqualec.D’un oscilloscope numérique portatif (Fluke).De deux sondes de mesure de courant pour oscilloscope

9. Identification du démarreur :

1. Donnez la référence du démarreur-ralentisseur, ainsi que ses caractéristiques2. Vérifiez et justifiez, si le démarreur-ralentisseur peut piloter le moteur de la motopompe

1.

2.

Schéma de montage   :

10. Complétez le schéma de montage ci-dessous, et complétez afin de pouvoir mesurer la tension statorique du moteur (Us), l’intensité statorique du moteur (Ia) et la puissance (Pa) absorbée par le moteur, à l’aide de l’oscilloscope numérique portatif (Fluke) :

L1

L2

L3

Platine

Démarreur-ralentisseur

M3~

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Manipulation   :

11. Raccordez le groupe motopompe avec la platine démarrage progressif. Alimentez le débitmètre Bürkert, avec l’adaptateur de tension fourni. Raccordez les appareils de mesure. Vérifiez que la vanne manuelle soit complètement ouverte.

Faire vérifier par le professeur avant de mettre sous tension !

12. Après la mise sous tension, paramétrez le démarreur-ralentisseur (utiliser sa notice) :

1. Le courant de réglage en fonction des données moteur.2. La limitation du courant de démarrage en fonction des données moteur.3. Une rampe d’accélération de 10 secondes.4. Une rampe de décélération de 10 secondes.

13. Faîtes varier le débit de l’eau en agissant sur la vanne à commande manuelle. Complétez, pour les débits imposés, le tableau suivant :

En régime établi   :

Pression (bars)

Débit 8 5 1 m3/h

U (V)

Ia (A)

Pa (W)

Pu (W)

η (%)

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14. Réglez le débit à 2m3 / h et arrêter le système. A l’aide de la documentation, utilisez l’oscilloscope portatif en mode recorder :

En régime transitoire   :

Mettre en marche et observez au démarrage, les points suivants   :

6. Allure du courant absorbé.7. Comportement du manomètre à aiguille.8. Comportement des canalisations.

Arrêtez et observez, les points suivants   :

9. Comportement du manomètre à aiguille.10. Comportement des canalisations.

15. Relevez et calculez, grâce à l’oscilloscope portatif :

5. La valeur du courant efficace au démarrage : Id.6. La valeur du courant en régime nominal : In.7. Le rapport Id/In.8. Vérifiez la rampe de tension fournie au moteur par le démarreur-ralentisseur.9. Imprimez et mettre en évidence les rampes d’accélération et de décélération.10. Commentez ces valeurs.

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Analyses

16. Quels sont les inconvénients d’un démarrage direct et les conséquences que peuvent avoir ces phénomènes sur les installations et en particulier dans le domaine du pompage ?

17. Quels sont les avantages d’un démarrage progressif et en particulier dans le domaine du pompage ?

18. Quelle est la différence entre un démarreur-ralentisseur et un variateur de vitesses pour moteur asynchrone triphasé ?