1 - Eduscol

Commande de la vitesse de la rame : diagramme d'activité ..... la fréquence de rotation f (en tours/seconde) d'un moteur asynchrone à 2p pôles alimenté par un  ...


un extrait du document






















Sujet de l’épreuve de sciences industrielles de l’ingénieur
Installation de transport collectif urbain : le tramway

Présentation du système et de l'étude

Généralités

L’accessibilité et la mobilité sont des préoccupations incontournables dans la gestion et le développement des villes. Les réseaux de transport collectif constituent l’ossature des échanges sociaux, économiques et culturels, et font l’objet d’une attention croissante de la part des responsables de l’aménagement urbain.
Après une période marquée par la prolifération de la circulation automobile et une vision incomplète de la politique des transports, on assiste actuellement à une réflexion évoluée sur la hiérarchisation des réseaux urbains. Le renouveau du tramway s’inscrit dans cette architecture des transports collectifs modernes, où il occupe une place bien spécifique entre le bus et le métro.













Tramway CITADIS® par ALSTOM
Architecture générale d’une ligne de tramway

La ligne est constituée traditionnellement de rails et d’une ligne aérienne de contact (LAC), constituant les deux polarités de l’alimentation électrique du véhicule (les véhicules sur pneus nécessitent quant à eux deux lignes aériennes de contact). Le contact glissant de captage de l’énergie sur la LAC met en œuvre un pantographe muni d’un archet. Le captage côté rail se fait via les essieux et les roues.

Les réseaux de transports en commun internes aux villes sont principalement alimentés en courant continu. Cette disposition permet d’alléger les matériels roulants, soumis à des cadences élevées de démarrages et d’arrêts : un trajet inter-stations moyen dure en effet environ une minute et une ligne de tramway comporte de 15 à 40 stations. L’énergie électrique est apportée à la LAC depuis le réseau haute tension via des sous-stations de traction qui contiennent les transformateurs de traction, les groupes de redressement et les organes de protection. L’électrification de la voie ferrée est assujettie à la norme EN50163, qui fixe en particulier les valeurs admissibles des divers potentiels.

Le matériel roulant d’une ligne de tramway est constitué de rames automotrices légères. Ces véhicules ont largement évolué au cours des deux dernières décennies. Les tramways modernes sont équipés de planchers bas intégraux, disposition autorisée par l’évolution technologique des bogies. L’accès des usagers est ainsi grandement facilité, et l’habitabilité est augmentée.

Le tramway est porté par des bogies. Un bogie est une sorte de chariot à quatre roues auquel la rame de tramway est liée par une liaison de type rotule. Les bogies assurent le guidage et l’appui au sol de la rame, ainsi que sa motorisation dans le cas des bogies moteurs. Le tramway étudié ici comporte 2 bogies moteurs (4 roues motrices) et 1 bogie central porteur. Tous les bogies comportent des freins. Les tramways modernes font appel aux multiples ressources de l’électronique de puissance et l’on obtient de la sorte un fonctionnement satisfaisant des moteurs de tractions, notamment en termes de niveau sonore et de souplesse d’emploi.
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Au cours de sa desserte, le tramway passe par des phases d’accélération et de freinage, et doit vaincre les efforts de résistance à l’avancement, aussi bien en palier (trajet sans dénivellation) que lors de l’ascension des rampes. En vue d’améliorer les échanges énergétiques sur la LAC, et aussi dans le but d’autoriser des phases de fonctionnement en totale autonomie, des solutions embarquées de stockage d’énergie sont actuellement développées. L'une d'entre elles est le stockage par volant d'inertie. On peut ainsi optimiser l’implantation des sous-stations de traction et libérer l’espace urbain des nuisances liées aux supports d’électrification.

Description formelle du système

Les différents états d'une rame ainsi que des précisions sur la constitution du système sont donnés ci-dessous en langage SysML.

Diagramme d’état
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Commande de la vitesse de la rame : diagramme d’activité
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Structure matérielle permettant de commander la vitesse : diagramme de définition de blocs

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Des diagrammes complémentaires utiles à l'étude sont disponibles sur les documents ressources 1, 2 et 3.

Contexte de l'étude

Ce mode de transport se développe beaucoup actuellement après une période de désintérêt. La partie 2 a pour objectif de dégager quelques éléments, dans une approche sociétale liée aux transports, pour comprendre cette évolution et de mettre en évidence les caractéristiques globales du système de transport par une recherche architecturale et environnementale comprenant une optimisation technique.

L’implantation sur un site, la conception et la réalisation des rames et les besoins en énergie nécessitent des solutions technologiques performantes et innovantes pour répondre aux contraintes environnementales actuelles. Dans ce sujet, seules quelques problématiques seront abordées :
la partie 3 vise à estimer les besoins en énergie pour assurer la desserte et à vérifier les possibilités nouvelles qu'un volant d'inertie peut apporter en termes de rendement et d'autonomie ;
la partie 4 analyse le dimensionnement et le mode d'utilisation du volant de stockage d'énergie embarqué, en vue de l'optimiser sur des critères de performance technique et environnementale ;
la partie 5 vérifie le bon dimensionnement du système d'évacuation thermique des moteurs de traction.



Partie 2 : Recherche architecturale et environnementale 

Analyse d’un mode de transport, le tramway

L’objectif de cette partie est de proposer une analyse globale sur ce mode de transport.

à partir du document ressource 4, dégager les éléments qui expliquent pourquoi ce type de transport est utilisé à nouveau dans notre espace urbain après une période de désintérêt.

à partir du document ressource 4, proposer un argumentaire qui pourrait permettre de conseiller une équipe de maitrise d’ouvrage en charge d’étudier une nouvelle ligne de tramway pour une grande ville de province inscrite dans les appels à projet du Grenelle de l’environnement.

Vibrations dues au passage d’un tramway

L’objectif de cette partie est de proposer des solutions techniques permettant d’atténuer les vibrations générées dans le sol par le passage du tramway.

Les vibrations générées dans le sol par les transports guidés urbains peuvent conduire à des nuisances importantes pour les populations riveraines, en particulier dans le cas de rues étroites. La propagation de ces vibrations, de la voie aux bâtiments, puis la régénération de ces vibrations à l’intérieur des bâtiments peuvent être la source d’un bruit de grondement audible dans la bande de fréquence 30-200 Hz. Des vibrations sensibles par l’homme dans la gamme 5-80 Hz peuvent également être présentes.

Le problème des vibrations générées dans le sol soulève en effet de nombreuses questions dont les plus fréq