Sujet du Bac STI2D Ingénierie, Innovation et Développement Durable 2024 · Métropole - Energies et Environnement (EE)

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Données de circulation comparatives

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

Partie 1: Le téléphérique de Toulouse Téléo est-il une solution de mobilité urbaine durable et environnementale ?

Question 1.1

À partir du document DT2, citer le moyen de transport qui reste majoritairement utilisé en France métropolitaine pour les déplacements en 2019.

Indiquer l'évolution des parts des modes de transports de la voiture et des transports en commun entre 2008 et 2019.

Données de circulation

En voiture, le trajet de $7{,}4\text{ km}$ entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole dure en moyenne $14\text{ minutes}$ en temps normal et $28\text{ minutes}$ en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de $3\text{ km}$.

Question 1.3

Calculer, en minutes, la durée du trajet en téléphérique entre l'Université Paul Sabatier et l'Oncopole à la vitesse de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ et en tenant compte d'un arrêt de $20\text{ s}$ en gare du CHU de Rangueil.

Calculer, en minutes, pour le même parcours, le gain de temps réalisé par rapport au transport en voiture en temps normal et en heures de pointe.

Question 1.4

À partir des documents DT4 et DT5, calculer le rapport des émissions de gaz à effet de serre du mode de transport par voiture sur le mode de transport par téléphérique.

Comparer la valeur trouvée précédemment avec la valeur communiquée par TISSEO (DT5).

Question 1.5

Justifier l'utilité du téléphérique de Toulouse, d'un point de vue fonctionnel et environnemental.

Mise en situation

Le projet d'un téléphérique urbain, de 3 km, à Toulouse, reliant l'Oncopole à l'Université Paul Sabatier et passant par le CHU de Rangueil, a été inauguré le 13 mai 2022 sous le nom de Téléo.

Trois gares ont été implantées: une gare motrice au niveau de l'Université Paul Sabatier (UPS), une gare retour à l'Oncopole (ONC) et une gare intermédiaire au CHU de Rangueil (CHU).

Le choix d'un téléphérique urbain

Le choix d'un téléphérique et le tracé ont été choisis pour proposer une alternative efficace aux véhicules personnels qui circulent sur un réseau saturé. En effet, la rocade de Toulouse est très souvent embouteillée aux heures de pointe.

Particularités du type de téléphérique à câbles retenu

Le téléphérique est de type 3S; constitué de trois câbles: un câble tracteur et deux câbles porteurs. Le câble tracteur met en mouvement les cabines et les deux câbles porteurs supportent le déplacement de l'ensemble chariot, suspente et cabine.

Données de circulation comparatives

En voiture, le trajet de 7,4 km entre la gare de l'Université Paul Sabatier (UPS) et la gare de l'Oncopole dure en moyenne 14 minutes en temps normal et 28 minutes en heures de pointe. La distance parcourue par le téléphérique entre la gare de l'Université Paul Sabatier et la gare Oncopole est de 3 km.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

DT2: évolution des parts des modes de transport (en nombre de déplacements) en France métropolitaine entre 2008 et 2019

DT3: caractéristiques des différentes typologies des télécabines à mouvement unidirectionnel continu

DT4: comparatif des émissions de gaz à effet de serre de différents modes de transport

DT5: document d'informations du téléphérique réalisé par TISSEO

a)

Relever les valeurs associées à l'exigence « besoin performance » (Id = 11) concernant le débit attendu de passagers:

pers / h / sens

pers / h / sens

b)

Justifier la typologie de télécabines à mouvement unidirectionnel continu retenue (télécabines tri-câble 3S) pour le téléphérique de Toulouse, en vous appuyant sur le document DT3 et les caractéristiques du parcours:

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

Document réponses DR1 (Question 2.2)

Document réponses DR3 (Tableau de synthèse des questions 2.4 à 2.9)

Les calculs sont réalisés pour une vitesse constante des cabines.

Question 2.1 (DT6)

•

•

•

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

Document réponses DR1 (Question 2.2)

Document réponses DR3 (Tableau de synthèse des questions 2.4 à 2.9)

Les calculs sont réalisés pour une vitesse constante des cabines.

Question 2.2 (DR1): Compléter les diagrammes ibd partiels des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2, en précisant la nature des flux d'énergies en utilisant les termes suivants:

énergie électrique modulée – énergie mécanique de rotation adaptée – énergie mécanique de rotation – énergie électrique

1.

2.

3.

4.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

Document réponses DR1 (Question 2.2)

Document réponses DR3 (Tableau de synthèse des questions 2.4 à 2.9)

Les calculs sont réalisés pour une vitesse constante des cabines.

Questions 2.4 à 2.6: Cinématique et puissance mécanique

2.4

Relever la vitesse maximale et la durée du trajet en secondes pour le fonctionnement à vitesse 2 entre les gares UPS et Oncopole (document DT7).

Comparer la durée du trajet UPS-Oncopole en téléphérique à la durée du même trajet en voiture qui est de 14 minutes en temps normal.

Compléter les trois premières lignes du document réponses DR3.

m·s⁻¹

s

2.5

Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Les vitesses des cabines sont de $6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V1 et de $6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ pour V2.

Calculer la vitesse angulaire $\omega_{\text{poulie}}$ d'une poulie motrice en $\text{rad}\cdot\text{s}^{-1}$ pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

rad·s⁻¹

2.6

Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

Vérifier que la puissance mécanique fournie par le moteur pour la vitesse 2 est $917{,}6\text{ kW}$.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

Document réponses DR1 (Question 2.2)

Document réponses DR3 (Tableau de synthèse des questions 2.4 à 2.9)

Les calculs sont réalisés pour une vitesse constante des cabines.

Question 2.3

À partir du DR1, calculer les rendements globaux $r_1$ et $r_2$ des systèmes d'entraînement principaux 1 et 2.

En déduire le système d'entraînement principal le plus avantageux concernant l'optimisation de la consommation d'énergie.

a)

b)

c)

Question 2.7

Le rendement global variateur-moteur est de 95 % pour les deux plages horaires. Pour la vitesse 2, la puissance mécanique fournie par le moteur est de 917,6 kW.

Calculer la puissance électrique consommée par le moteur en kW pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

kW

Question 2.8

La durée de fonctionnement à la vitesse 2 est de 2 heures par jour.

Calculer l'énergie totale consommée en une journée par le moteur en kW·h pour la vitesse 2. Reporter la valeur sur le DR3.

kW·h

Question 2.10

Conclure sur les moyens mis en œuvre pour réduire la consommation énergétique du système motorisé d'entraînement principal du câble tracteur, tout en gardant un service rendu satisfaisant à l'utilisateur.

Partie 2: quelles solutions mettre en œuvre pour optimiser la consommation énergétique du téléphérique ?

La variation de la vitesse des cabines en fonction des heures d'affluence et l'optimisation du rendement du système d'entrainement principal du câble tracteur sont deux des solutions envisagées afin de réduire la consommation énergétique du téléphérique.

Pour la suite, l'étude porte sur le cas où un seul moteur actionne le système d'entrainement principal du câble tracteur par l'intermédiaire d'une poulie.

Choix du système d'entrainement principal du câble tracteur:

Deux typologies de systèmes motorisés et pilotés par un variateur de vitesse ont été envisagées par le bureau d'études pour l'entrainement principal du câble tracteur:

Système d'entrainement principal 1: un moteur asynchrone associé à un réducteur de vitesse entraine la poulie motrice.

Système d'entrainement principal 2: un moteur brushless est en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive).

Étude de l'influence du choix de la variation de vitesse selon des plages horaires:

Le bureau d'études a choisi de mettre en place le système d'entrainement motorisé en prise directe avec la poulie motrice (Direct Drive) et de limiter la vitesse de déplacement des cabines en fonction des plages horaires:

Vitesse 1: vitesse de fonctionnement en heures normales ($v_1 = 6\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

Vitesse 2: vitesse de fonctionnement en heures de pointe ($v_2 = 6{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$).

DT6: système d'entrainement principal du câble tracteur

Représentation schématique simplifiée du système d'entrainement principal du câble tracteur à la gare Université Paul Sabatier:

Le système d'entrainement principal du câble tracteur est composé de:

2 motorisations d'entrainement: Les moteurs M1 et/ou M2 entrainent le câble à une vitesse maximale de $7{,}5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$ via les poulies motrices 1 et 2. Chaque moteur est dimensionné pour pouvoir entrainer seul le câble tracteur. Si le choix est fait d'utiliser les deux moteurs pour entrainer le câble tracteur, alors ils fonctionnent à puissance réduite. Le diamètre d'une poulie motrice est de $4{,}55\text{ m}$. Le couple de la poulie motrice est égal à $307\text{ kN}\cdot\text{m}$ quelle que soit la vitesse des cabines.

1 poulie de déviation permet de contrôler la tension du câble tracteur et garantir son adhérence sur les poulies motrices.

DT7: vitesse du téléphérique sur le trajet UPS-CHU-Oncopole à Vitesse 1 et à Vitesse 2

Document réponses DR1 (Question 2.2)

Document réponses DR3 (Tableau de synthèse des questions 2.4 à 2.9)

Les calculs sont réalisés pour une vitesse constante des cabines.

Lorsque la vitesse des cabines est fixée à sa valeur maximale, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de $19\,200\text{ kW}\cdot\text{h}$.

Lorsque le déplacement des cabines est géré en fonction des deux vitesses $V_1$ et $V_2$, l'énergie consommée en une journée par le moteur est de $15\,569\text{ kW}\cdot\text{h}$.

Question 2.9 En sachant que le prix TTC du $\text{kW}\cdot\text{h}$ est de $0{,}075\text{ €}$, calculer l'économie journalière en euros réalisée par la mise en œuvre d'une variation de vitesse des cabines. Reporter la valeur sur le DR3.

€

Partie 3: comment faciliter l'accès du Téléo aux personnes à mobilité réduite (P.M.R.) ?

Tous les moyens de transport, y compris les téléphériques, doivent être accessibles aux personnes en situation de handicap.

• Zone « parking » Oncopole:

3.1

Vérifier la conformité du parking vis-à-vis des quatre exigences manquantes de la réglementation à savoir: situation, nombre, caractéristiques dimensionnelles, atteintes et usages.

Complétez le document réponses DR4 ci-dessous:

Exigences

Critères réglementaires

OUI/NON

Justification

Situation

Places de stationnement adaptées localisées à proximité d'une entrée

Repérage

Présence d'un marquage au sol

Oui

Indiqué sur la vue en plan

Présence d'une signalisation verticale

Oui

Indiqué sur le repérage

Nombre

2% du nombre total de places de parking

Caractéristiques dimensionnelles

Dévers inférieur ou égal à 2%

Largeur minimale des places adaptées est de 3,30m

Longueur minimale des places adaptées est de 5 m.

Atteinte et usage

Appareils d'interphonie munis d'un système permettant de visualiser le conducteur.

• Rampe d'accès nord de la gare Oncopole:

3.2

Calculer la pente moyenne en % entre les profils 1N et 6N.

%

Lorsqu'une dénivellation ne peut être évitée, un plan incliné de pente inférieure ou égale à 6 % doit être aménagé afin de la franchir.

3.3

Conclure quant à la conformité de la zone « parking Oncopole » y compris la rampe d'accès nord vis-à-vis de la réglementation.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne:

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

DT10: besoin en vidéoprotection

* Bonnes conditions: les personnes se déplacent à vitesse raisonnable et sous un angle où les détails sont suffisamment visibles, ce qui se produit le plus souvent à l'intérieur, lorsque l'éclairage est uniforme, ou encore à l'extérieur, avec un éclairage supplémentaire.

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

4.1

Compléter le DR2 en proposant des adresses IP compatibles avec leurs masques de sous-réseau associés pour les caméras de la gare CHU:

V_CHU01:

/

V_CHU02:

/

V_CHU03:

/

V_CHU04:

/

4.2

clients

Partie 4: comment identifier une personne à distance ?

Le site comprend 280 caméras connectées au réseau informatique local.

Configuration du réseau informatique:

Le document réponses DR2 représente de manière simplifiée le réseau de vidéoprotection limité à quatre caméras par gare.

Rappel: un masque de sous-réseau 255.255.0.0 peut aussi s'écrire « /16 ».

Identification de la personne:

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

DT10: besoin en vidéoprotection

* Bonnes conditions: les personnes se déplacent à vitesse raisonnable et sous un angle où les détails sont suffisamment visibles, ce qui se produit le plus souvent à l'intérieur, lorsque l'éclairage est uniforme, ou encore à l'extérieur, avec un éclairage supplémentaire.

Identification de la personne

Le schéma simplifié ci-dessous représente la zone surveillée par la caméra V_CHU01:

Quand une cabine se présente à la gare CHU, le quai est filmé par une caméra positionnée à une distance de 6 mètres face aux portes de la cabine. Son angle de vue horizontal est de 70°.

Question 4.3

À partir du schéma simplifié en vue de dessus, calculer la largeur de la zone surveillée en m.

m

La largeur de la zone surveillée est de 8,5 mètres.

Question 4.4

En sachant que la caméra a une résolution horizontale de 2 688 pixels, calculer la largeur en cm que représente 1 pixel sur l'image captée par la caméra.

cm

Question 4.5

Citer le type de besoin opérationnel imposé par le cahier des charges fonctionnel concernant la vidéoprotection. En déduire le nombre minimum de pixels horizontaux pour filmer un visage.

pixels

La largeur d'un pixel sur l'image captée représente 0,32 cm.

Question 4.6

En considérant qu'une personne a une largeur de visage de 16 cm, justifier par un calcul et une comparaison que l'exigence sur l'identification des personnes est bien validée.

pixels

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

Principe de fonctionnement de la ventilation

Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL: la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRÊT PROLONGÉ: sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION: avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING: tous les ventilateurs sont arrêtés.

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine ( VB) et en toiture ( VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers ( DP).

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière. Le spoiler est un élément de carrosserie dont la forme a été étudiée pour canaliser le flux d'air. Il permet de diminuer les turbulences et d'améliorer le débit d'air.

Résultats des tests de confort thermique

Date du test: 21 juin 2022 — Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

· Spoiler AR · Spoiler AV · Fonctionnement normal · Arrêt prolongé

Test n°1 · retiré · retiré · 38,5 °C · 44 °C

Test n°2 · en place · retiré · 38 °C · 42,7 °C

Test n°3 · retiré · en place · 38,5 °C · 42,7 °C

Test n°4 · en place · en place · 37,7 °C · 42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine; Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Pilotage des ventilateurs de la cabine

Les bits B0 et B1 permettent de coder le mode de fonctionnement de la ventilation.

Un niveau logique 0 sur VB ou VEX signifie que le ventilateur est à l'arrêt (1 = en fonctionnement).

Un niveau logique 1 sur DP signifie qu'une personne est détectée dans la cabine (0 = pas de passager).

Partie 5: Confort thermique des passagers

5.1

Citer l'exigence imposée concernant le confort thermique de la cabine en fonctionnement normal et en arrêt prolongé par temps chaud (document DT1).

5.5

À partir des résultats des tests de confort thermique (document DT11, $T_{\text{ext}} = 37{,}5\ ^\circ\text{C}$), montrer que seul ce choix (équiper la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière) permet de répondre aux exigences de confort imposées.

Partie 5: comment assurer le confort thermique des passagers d'une cabine ?

La cabine ne dispose pas de fenêtres ouvrantes. En cas d'arrêt prolongé en plein soleil, la température intérieure peut atteindre des valeurs difficilement supportables pour les passagers.

DT1: diagramme d'exigences partiel du téléphérique

Principe de fonctionnement de la ventilation

Quatre fonctionnements sont possibles:

En fonctionnement NORMAL: la cabine est en mouvement et elle se ventile naturellement grâce aux grilles d'aération hautes et basses. Sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent et tout l'air est rejeté à l'arrière de la cabine du fait de son déplacement.

En fonctionnement ARRÊT PROLONGÉ: sans passager, tous les ventilateurs sont arrêtés. En présence de passager(s), les ventilateurs bas (VB) fonctionnent tout comme le ventilateur d'extraction (VEX) qui extrait l'air de la cabine entrant par les grilles d'aération.

En fonctionnement EXTRACTION: avec ou sans passager(s), tous les ventilateurs fonctionnent.

En fonctionnement PARKING: tous les ventilateurs sont arrêtés.

DT11: principe de la ventilation de la cabine

La ventilation passive est réalisée grâce à des grilles d'aération en bas et au plafond à l'avant et à l'arrière de la cabine. La ventilation active est réalisée par des ventilateurs situés en bas de la cabine ( VB) et en toiture ( VEX). Un détecteur de mouvements fixé au plafond détecte la présence de passagers ( DP).

En plus de la ventilation, les concepteurs ont équipé la cabine de deux spoilers, un à l'avant et un à l'arrière. Le spoiler est un élément de carrosserie dont la forme a été étudiée pour canaliser le flux d'air. Il permet de diminuer les turbulences et d'améliorer le débit d'air.

Résultats des tests de confort thermique

Date du test: 21 juin 2022 — Température extérieure: 37,5 °C

Relevés des températures ambiantes à l'intérieur de la cabine:

· Spoiler AR · Spoiler AV · Fonctionnement normal · Arrêt prolongé

Test n°1 · retiré · retiré · 38,5 °C · 44 °C

Test n°2 · en place · retiré · 38 °C · 42,7 °C

Test n°3 · retiré · en place · 38,5 °C · 42,7 °C

Test n°4 · en place · en place · 37,7 °C · 42 °C

Spoiler AR = spoiler à l'arrière de la cabine; Spoiler AV = spoiler à l'avant de la cabine

Pilotage des ventilateurs de la cabine

Les bits B0 et B1 permettent de coder le mode de fonctionnement de la ventilation.

Un niveau logique 0 sur VB ou VEX signifie que le ventilateur est à l'arrêt (1 = en fonctionnement).

Un niveau logique 1 sur DP signifie qu'une personne est détectée dans la cabine (0 = pas de passager).

5.2

Compléter le DR5 en représentant avec des flèches les flux d'air entrant et sortant de la cabine en présence de passagers en fonctionnement NORMAL et en ARRÊT PROLONGÉ.

Exemple fourni pour le fonctionnement NORMAL sans passager:

Document réponses DR5 à compléter:

5.3

Compléter la table de vérité de VB sur le document réponses DR5.

Un niveau logique 0 sur VB ou VEX signifie que le ventilateur est à l'arrêt. Un niveau logique 1 sur DP signifie qu'une personne est détectée dans la cabine.

Fonctionnement

B1

B0

DP

VB

VEX

NORMAL

0

0

0

0

0

0

0

1

0

ARRÊT PROLONGÉ

0

1

0

0

0

1

1

1

EXTRACTION

1

0

0

1

1

0

1

1

PARKING

1

1

0

0

1

1

1

0

5.4

Compléter l'algorigramme du pilotage des ventilateurs en utilisant les termes: activer ou arrêter.

Fonctionnement NORMAL ? (oui)

Si présence de passagers ? → OUI

VB:

VEX:

Si présence de passagers ? → NON

VB:

(VEX rejoint la commande d'arrêt)

Fonctionnement ARRÊT PROLONGÉ ? (oui)

Si présence de passagers ? → OUI

VB:

VEX:

Si présence de passagers ? → NON

VB:

VEX:

Fonctionnement EXTRACTION ? (oui)

VB:

VEX:

Fonctionnement PARKING (non à EXTRACTION)

VB:

VEX:

Mise en situation

La continuité de service et la disponibilité d'une source d'alimentation en énergie électrique ont été la priorité des concepteurs du téléphérique. En effet, il faut pouvoir ramener en station tous les usagers en cas de défaillance du système principal motorisé d'entrainement du câble tracteur ou de défaut d'alimentation en énergie électrique principale.

Partie A: comment ramener en gare les usagers lors d'une défaillance sur le système motorisé principal d'entrainement du câble tracteur ou d'un défaut d'alimentation en énergie électrique ?

Le Téléphérique Urbain Sud (TUS) de Toulouse est doté de trois modes d'entrainement du câble tracteur déplaçant les cabines. Ils sont décrits plus en détails dans le DTS1. Une vue des différentes motorisations est donnée ci-dessous.

Document technique DTS1: description des systèmes d'entrainement du câble tracteur et de leurs alimentations possibles selon le mode de fonctionnement

Document technique DTS2: schéma électrique de distribution

Document technique DTS3: diagramme d'exigences partiel du Téléphérique

Principe de redondance

Appliquée à un système technique, la redondance est un principe utilisé afin de sécuriser la fonction à réaliser: elle consiste à multiplier les systèmes techniques qui assurent la même fonction. Tous ces systèmes techniques permettent que la fonction à réaliser puisse se concrétiser même en cas de défaillance d'un système technique.

Partie A: comment ramener en gare les usagers lors d'une défaillance sur le système motorisé principal d'entraînement du câble tracteur ou d'un défaut d'alimentation en énergie électrique ?

Le Téléphérique Urbain Sud (TUS) de Toulouse est doté de trois modes d'entraînement du câble tracteur déplaçant les cabines. Une vue des différentes motorisations est donnée ci-dessous:

Question A.1

Pour chaque mode de fonctionnement (L0, L1 et L2), indiquer les moteurs qui peuvent entraîner le câble tracteur (remarque: dans le mode L0, il y a plusieurs solutions possibles).

Question A.2

À partir de l'analyse du schéma électrique de distribution, nommer toutes les sources d'énergie électrique pouvant alimenter les différents moteurs d'entraînement du câble tracteur.

Question A.3

Compléter les cases vides du tableau du DRS1 en indiquant la position ouvert ou fermé des disjoncteurs pour chaque mode de fonctionnement.

Mode de fonctionnement

Indiquer l'état (ouvert ou fermé) des disjoncteurs

DIS1_1

DIS2_1

DIS1 à DIS4

DIS5 à DIS8

Mode L0

M1 et M2 fonctionnent sur arrivée ENEDIS 1

fermés

fermés

Mode L0

Seul M1 fonctionne sur arrivée ENEDIS 1

fermés

ouverts

Mode L0

Seul M2 fonctionne sur arrivée ENEDIS 2

Mise en situation

La continuité de service et la disponibilité d'une source d'alimentation en énergie électrique ont été la priorité des concepteurs du téléphérique. En effet, il faut pouvoir ramener en station tous les usagers en cas de défaillance du système principal motorisé d'entrainement du câble tracteur ou de défaut d'alimentation en énergie électrique principale.

Partie A: comment ramener en gare les usagers lors d'une défaillance sur le système motorisé principal d'entrainement du câble tracteur ou d'un défaut d'alimentation en énergie électrique ?

Le Téléphérique Urbain Sud (TUS) de Toulouse est doté de trois modes d'entrainement du câble tracteur déplaçant les cabines. Ils sont décrits plus en détails dans le DTS1. Une vue des différentes motorisations est donnée ci-dessous.

Document technique DTS1: description des systèmes d'entrainement du câble tracteur et de leurs alimentations possibles selon le mode de fonctionnement

Document technique DTS2: schéma électrique de distribution

Document technique DTS3: diagramme d'exigences partiel du Téléphérique

Principe de redondance

Appliquée à un système technique, la redondance est un principe utilisé afin de sécuriser la fonction à réaliser: elle consiste à multiplier les systèmes techniques qui assurent la même fonction. Tous ces systèmes techniques permettent que la fonction à réaliser puisse se concrétiser même en cas de défaillance d'un système technique.

A.4

Indiquer à quelle exigence de type « besoin service attendu » répond le fait d'avoir plusieurs sources d'énergie à disposition et plusieurs systèmes d'entraînement du câble tracteur.

Appliquée à un système technique, la redondance est un principe utilisé afin de sécuriser la fonction à réaliser: elle consiste à multiplier les systèmes techniques qui assurent la même fonction. Tous ces systèmes techniques permettent que la fonction à réaliser puisse se concrétiser même en cas de défaillance d'un système technique.

A.5

Afin de répondre à la problématique de la partie A, conclure sur l'intérêt d'avoir choisi plusieurs solutions technologiques d'entrainement du câble tracteur et plusieurs sources d'énergie électrique.

Partie B: comment déterminer la valeur de la super-capacité de stockage de l'énergie électrique à embarquer dans la cabine ?

Certains matériels embarqués dans la cabine nécessitent un apport en énergie électrique en continu. Lorsque les cabines emmènent les passagers d'une station à une autre, cet apport ne pouvant pas se faire de manière continue, il est nécessaire de prévoir un stock-tampon de l'énergie permettant à ces matériels électriques de rester opérationnels. Le schéma électrique simplifié de l'alimentation d'une cabine lors de son passage en gare est donné dans le DRS2.

— Un redresseur, situé en amont de l'ensemble rails en gare, permet de convertir la tension monophasée $400\text{ V}_{\text{AC}}$ à une tension continue de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ sur les collecteurs présents sur les cabines. Cette même tension de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ est donc présente sur la super-capacité. Les rails fixes, les frotteurs et les prises débrochables permettent de récupérer l'énergie à embarquer dans la cabine lors du passage en gare de la cabine.

— Un régulateur de tension continue permet de passer de la tension aux bornes de la super-capacité ($69\text{ V}_{\text{DC}}$ max) à une tension de $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$ nécessaire à la charge de la batterie.

— Un régulateur continu permet d'alimenter en $24\text{ V}_{\text{DC}}$ les composants électroniques nécessitant un niveau de tension régulé: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué (CRSE) et composants du Réseau informatique MultiServices (RMS).

Document réponses DRS2: schéma électrique simplifié de l'alimentation de la cabine

La super-capacité assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Normal L0.

Ainsi, le bureau d'études a fixé que la valeur de la super-capacité doit être dimensionnée pour:

fournir l'énergie $E_1$ en mode Normal sur le temps le plus long entre deux gares, ce qui correspond à un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$;

fournir l'énergie $E_2$ pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares ($E_2 = 6{,}74\text{ kJ}$).

On rappelle la relation liant l'énergie $E$ (exprimée en Joule), la tension $U$ (exprimée en Volt), l'intensité $I$ (exprimée en Ampère) et le temps $\Delta t$ (exprimé en seconde):

$$E_{(\text{J})} = U_{(\text{V})} \times I_{(\text{A})} \times \Delta t_{(\text{s})}$$

Calcul de la capacité totale de deux super-condensateurs

Document technique DTS4: répartition des temps en ligne en exploitation continue (mode Normal)

Document technique DTS5: bilan des consommations énergétiques des composants d'une cabine

Les bilans de consommation énergétique des matériels embarqués dans une cabine qui nécessitent un apport en énergie sont donnés ci-dessous selon les deux cas: exploitation continue (mode Normal) et arrêt en ligne (mode Secours).

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Normal

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $8{,}75\text{ A}_{\text{DC}}$ · $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Secours

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $25{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}2\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

CRSE: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué

RMS: Réseau informatique MultiServices

Document technique DTS6: extrait des schémas électriques d'une cabine

Repère · Désignation · Référence · Fabricant · Qté

101.04G0401 · Supercondensateur 69V Max 130F · XLM-69R0137 · Eaton · 2

101.04G0101 · Batterie LiFePO4 12V 125Ah · CAV13 · Green Cell · 2

Partie B: comment déterminer la valeur de la super-capacité de stockage de l'énergie électrique à embarquer dans la cabine ?

Question B.1

Compléter le document réponse DRS2 en indiquant la nature de la tension AC ou DC en entrée et sortie des convertisseurs et régulateurs puis indiquer les valeurs de tensions présentes sur ces mêmes entrées-sorties.

1. Arrivée de l'alimentation des rails en gare (Convertisseur)

2. Stockage par super-capacité

3. Régulateur de charge de la batterie

4. Ligne d'alimentation Éclairage et Ventilation

5. Régulateur composants électroniques (CRSE, RMS, Wifi, Automate)

Partie B - Dimensionnement de la super-capacité embarquée

Partie B: comment déterminer la valeur de la super-capacité de stockage de l'énergie électrique à embarquer dans la cabine ?

Certains matériels embarqués dans la cabine nécessitent un apport en énergie électrique en continu. Lorsque les cabines emmènent les passagers d'une station à une autre, cet apport ne pouvant pas se faire de manière continue, il est nécessaire de prévoir un stock-tampon de l'énergie permettant à ces matériels électriques de rester opérationnels. Le schéma électrique simplifié de l'alimentation d'une cabine lors de son passage en gare est donné dans le DRS2.

— Un redresseur, situé en amont de l'ensemble rails en gare, permet de convertir la tension monophasée $400\text{ V}_{\text{AC}}$ à une tension continue de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ sur les collecteurs présents sur les cabines. Cette même tension de $69\text{ V}_{\text{DC}}$ est donc présente sur la super-capacité. Les rails fixes, les frotteurs et les prises débrochables permettent de récupérer l'énergie à embarquer dans la cabine lors du passage en gare de la cabine.

— Un régulateur de tension continue permet de passer de la tension aux bornes de la super-capacité ($69\text{ V}_{\text{DC}}$ max) à une tension de $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$ nécessaire à la charge de la batterie.

— Un régulateur continu permet d'alimenter en $24\text{ V}_{\text{DC}}$ les composants électroniques nécessitant un niveau de tension régulé: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué (CRSE) et composants du Réseau informatique MultiServices (RMS).

Document réponses DRS2: schéma électrique simplifié de l'alimentation de la cabine

La super-capacité assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Normal L0.

Ainsi, le bureau d'études a fixé que la valeur de la super-capacité doit être dimensionnée pour:

fournir l'énergie $E_1$ en mode Normal sur le temps le plus long entre deux gares, ce qui correspond à un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$;

fournir l'énergie $E_2$ pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares ($E_2 = 6{,}74\text{ kJ}$).

On rappelle la relation liant l'énergie $E$ (exprimée en Joule), la tension $U$ (exprimée en Volt), l'intensité $I$ (exprimée en Ampère) et le temps $\Delta t$ (exprimé en seconde):

$$E_{(\text{J})} = U_{(\text{V})} \times I_{(\text{A})} \times \Delta t_{(\text{s})}$$

Calcul de la capacité totale de deux super-condensateurs

Document technique DTS4: répartition des temps en ligne en exploitation continue (mode Normal)

Document technique DTS5: bilan des consommations énergétiques des composants d'une cabine

Les bilans de consommation énergétique des matériels embarqués dans une cabine qui nécessitent un apport en énergie sont donnés ci-dessous selon les deux cas: exploitation continue (mode Normal) et arrêt en ligne (mode Secours).

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Normal

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $8{,}75\text{ A}_{\text{DC}}$ · $27{,}2\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

Énergie embarquée / Bilan de consommation en mode Secours

Consommateur · Courant moyen $A_{\text{DC}}$ · Tension moyenne $V_{\text{DC}}$

Ventilation · $25{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Éclairage · $1{,}2\text{ A}_{\text{DC}}$

Autres composants CRSE + RMS · $3{,}8\text{ A}_{\text{DC}}$ · $24\text{ V}_{\text{DC}}$

Client Wifi + Automate Cabine · $1{,}9\text{ A}_{\text{DC}}$

CRSE: Composants du Réseau de communication Sol Embarqué

RMS: Réseau informatique MultiServices

Document technique DTS6: extrait des schémas électriques d'une cabine

Repère · Désignation · Référence · Fabricant · Qté

101.04G0401 · Supercondensateur 69V Max 130F · XLM-69R0137 · Eaton · 2

101.04G0101 · Batterie LiFePO4 12V 125Ah · CAV13 · Green Cell · 2

La super-capacité assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Normal L0.

Ainsi, le bureau d'études a fixé que la valeur de la super-capacité doit être dimensionnée pour:

fournir l'énergie E1 en mode Normal sur le temps le plus long entre deux gares, ce qui correspond à un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$; et

fournir l'énergie E2 pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares.

Question B.2

À partir du document technique DTS4, relever le temps le plus long entre deux gares lors d'un fonctionnement à vitesse d'exploitation de $5\text{ m}\cdot\text{s}^{-1}$.

Question B.3

On rappelle la relation liant l'énergie $E$ (exprimée en Joule), la tension $U$ (exprimée en Volt), l'intensité $I$ (exprimée en Ampère) et le temps $\Delta t$ (exprimé en seconde):

$$E_{(\text{J})} = U_{(\text{V})} \times I_{(\text{A})} \times \Delta t_{(\text{s})}$$

À partir du document technique DTS5, calculer l'énergie E1, en kilojoules (kJ), à fournir par la super-capacité en mode Normal lors du temps le plus long entre deux gares pour alimenter l'ensemble des récepteurs.

Question B.4

L'énergie E2 pour le rechargement en continu de la batterie sur le temps le plus long entre deux gares est égale à $6{,}74\text{ kJ}$.

Calculer l'énergie totale que doit fournir la super-capacité.

La valeur de la capacité totale de deux super-condensateurs se calcule de la manière suivante selon leur disposition:

Question B.5

La super-capacité placée sur une cabine est constituée de deux super-condensateurs identiques.

À l'aide du document technique DTS6, relever la valeur de la capacité d'un super-condensateur et préciser la disposition (série ou parallèle).

Calculer alors la capacité totale de la super-capacité réellement installée.

Question B.6

Le bureau d'études a évalué la valeur totale de la super-capacité à 206 Farads (F).

La valeur de la capacité en Farad d'un super-condensateur dépend des conditions d'utilisations; la température par exemple. Le constructeur garantit pendant 10 ans une valeur minimale de capacité égale à 80% de la valeur initiale du super-condensateur.

Conclure quant au choix effectué de la super-capacité.

Partie C: comment justifier le choix des batteries embarquées dans la cabine ?

Le parc batteries assure l'alimentation en énergie électrique de matériels embarqués dans la cabine lors du fonctionnement en mode Secours et en cas d'arrêt prolongé d'exploitation. Ainsi, le bureau d'études a fixé que la capacité du parc batteries doit être dimensionnée pour:

fournir la capacité énergétique $Q_1$ en $\text{A}\cdot\text{h}$ en mode Secours, mode où les cabines restent en ligne (décharge de la batterie sans possibilité de recharger au passage en gare) pendant un temps correspondant à la durée maximale fixée pour la récupération des passagers de $1\text{ h } 45\text{ min}$;

fournir la capacité énergétique $Q_2$ en $\text{A}\cdot\text{h}$ consommée par le client Wifi et l'automate GTB lors de l'interruption de l'exploitation de 0h30 à 5h15; ceci pour permettre de gérer la mise hors / sous tension de la cabine à distance par télécommande depuis le sol.

Document technique DTS5: bilan de consommation en mode Secours

Consommateur

Courant moyen $I_{\text{DC}}$

Tension moyenne $U_{\text{DC}}$

Ventilation

$25{,}8\text{ A}$

$24\text{ V}$

Éclairage

$1{,}2\text{ A}$

Autres composants CRSE + RMS

$3{,}8\text{ A}$

$24\text{ V}$

Client Wifi + Automate Cabine

$1{,}9\text{ A}$

C.1

Question C.1: Calculer la capacité $Q_1$ en $\text{A}\cdot\text{h}$ à fournir par le parc batteries en mode Secours pour la durée maximale de récupération des passagers fixée à $1\text{ h } 45\text{ min}$. Arrondir le résultat à l'unité supérieure.

C.2

La capacité $Q_2$ est égale à $9\text{ A}\cdot\text{h}$.

Question C.2: Justifier par calcul, que la capacité totale du parc batteries doit être de $67\text{ A}\cdot\text{h}$ pour satisfaire le besoin en énergie.

Document technique DTS6: extrait des schémas électriques d'une cabine

Nomenclature des éléments:

Repère

Désignation

Référence

Fabricant

Qté

101.04G0401

Supercondensateur 69V Max 130F

XLM-69R0137

Eaton

2

101.04G0101

Batterie LiFePO4 12V 125Ah

CAV13

Green Cell

2

C.3

Le parc batteries est constitué de 2 batteries LiFePO4 disposées en série.

Question C.3: Relever la valeur de la tension et de la capacité d'une batterie. Justifier la disposition des batteries qui sont en série.

C.4

Question C.4: Indiquer la valeur de la capacité totale du parc batteries.

C.5

L'énergie stockée dans les batteries jouant un rôle essentiel de sécurité, le dimensionnement de la capacité totale du parc batterie calculée initialement est majorée d'un rapport égal à 50 %.

Question C.5: Conclure quant au choix effectué du parc batteries.

Partie D: comment fournir l'alimentation en énergie électrique de l'éclairage de sécurité installé sur les cavaliers servant de balisage de câbles ?

Les cavaliers permettent de maintenir les distances entre les câbles porteurs et de supporter le câble tracteur afin d'en limiter la flèche sur le tracé.

Ils permettent également de baliser les câbles pour prévenir l'aviation civile: ils sont de couleur rouge pour le balisage diurne (en journée) et certains comportent un éclairage de sécurité « NAVILITE » (balisage nocturne). L'alimentation en énergie électrique de l'éclairage de sécurité est un kit solaire autonome en énergie car il n'est pas possible de se raccorder au réseau électrique pour le balisage nocturne entre certains pylônes.

Le bureau d'études a réalisé un modèle multiphysique pour vérifier que le kit solaire permet bien de récupérer en une journée, même dans les conditions météorologiques défavorables, la quantité d'énergie journalière consommée par la lampe « NAVILITE » la nuit.

Document technique DTS7: description du kit solaire photovoltaïque

Le kit solaire photovoltaïque de balisage nocturne placé sur les cavaliers est composé des éléments suivants:

1 panneau solaire photovoltaïque monocristallin 50Wc,

1 régulateur de charge avec détection crépusculaire (mesure de la tension du PV),

1 batterie acide-plomb $12\,\text{V}_{\text{DC}}$ – $32\,\text{A}\cdot\text{h}$,

1 lampe BI-A type « NAVILITE » de type et couleur rouge fixe. Tension: $12\,\text{V}_{\text{DC}}$, puissance: $3\,\text{W}$, courant: $250\,\text{mA}$,

1 coffret électrique pré-câblé et le support mécanique de liaison au cavalier.

Question D.1

DTS8, DRS3: Compléter les paramètres du modèle multiphysique concernant le panneau solaire photovoltaïque sur le document réponse DRS3, à partir des caractéristiques du document DTS8.

Paramètres du bloc PV (Simulink)

Question D.2

DTS7, DRS3: Pour la simulation, le paramètre de l'état de charge de la batterie (SOC: State Of Charge) sera initialement réglé à 100%. Compléter les paramètres du modèle multiphysique concernant la batterie sur le document réponse DRS3.

Paramètres du bloc Batterie (Simulink)

Question D.3

DTS7, DRS3: Le modèle équivalent sous SIMULINK de la lampe NAVILITE peut être une résistance soumise à une tension provenant de la batterie. À l'aide de la loi d'Ohm, calculer la valeur de la résistance équivalente lorsque la lampe NAVILITE est allumée. Compléter le paramètre du modèle multiphysique concernant la lampe NAVILITE sur le document réponse DRS3.

Paramètres du bloc NAVILITE (Simulink)

Document technique DTS9: résultats de la simulation du modèle multiphysique

Les résultats de la simulation du modèle multiphysique dans les conditions météorologiques défavorables, c'est-à-dire pour une journée au mois de janvier à Toulouse, sont donnés dans le DTS9 ci-dessous. L'origine de la simulation commence à 16h00. Le kit solaire doit permettre de récupérer en un jour, une quantité d'énergie électrique au moins égale à la quantité d'énergie électrique consommée par la lampe NAVILITE la nuit.

Question D.4

DTS9: Relever l'état de la charge de la batterie (SOC: State Of Charge) à l'origine de la simulation et à la fin de la simulation. Conclure quant au choix du kit solaire comme source d'énergie autonome de la lampe Navilite.

Question D.5

DTS9: Relever le taux de décharge de la batterie en % lors de l'intervalle de temps pendant lequel la lampe NAVILITE est restée allumée. Conclure quant au choix du kit solaire comme source d'énergie autonome de la lampe NAVILITE qui doit permettre une autonomie de 6 jours minimum.