Plp Ext Genie Elec Sujet

CAPLP - CAFEP gnie lectrique option lectrotechnique Epreuve Analyse dun dossier technique Page 1 sur 35

Les candidats devront restituer lensemble des pages du dossier Les candidats devront restituer lensemble des pages du dossier

Section : GENIE ELECTRIQUE Option : ELECTROTECHNIQUE ET ENERGIE

PARTIE A : DISTRIBUTION HAUTE TENSION ................................................................... 2

A1. Etude du poste de livraison et du poste de transformation principal. ......................... 2 A2. Etude du transformateur ............................................................................................. 3

PARTIE B : DISTRIBUTION BASSE TENSION ................................................................... 6

B1. Etude de lquipement de distribution lectrique de la centrale hydraulique. ............ 6 B2. Vrification du dimensionnement du cble dalimentation : ....................................... 7 B3. Choix de la protection : ............................................................................................... 9

B4. Relvement du facteur de puissance de la centrale hydraulique. ............................ 11 B5. Rgulation de la temprature de lhuile de la centrale hydraulique .......................... 14

PARTIE C : MOTORISATION ET SUPERVISION DE LA COUPOLE DU TBL ................. 19

C1. Modification de la motorisation de lentrainement de la coupole .............................. 19 C2. Analyse des harmoniques de la motorisation de la coupole .................................... 22 C3. Communication des quipements avec la supervision ............................................ 25

PARTIE D : Centrale photovoltaque de la Station Mto Communicante ........................ 29 D1. Etude de lexistant et analyse de leffet de lenvironnement sur les modules

photovoltaques. ............................................................................................................. 29

D2. Calcul de lnergie consomme. .............................................................................. 30 D.3. Calcul de lnergie produire. ................................................................................ 31 D4. Calcul de la taille du gnrateur. .............................................................................. 31

D5 Dimensionnement du parc de batteries. ...................................................................32D6. Etude de la solution retenue .................................................................................... 33

Section : GENIE ELECTRIQUE

OBSERVATOIRE DU PIC DU MIDI

Modernisation du tlescope Bernard LYOT

PARTIE : SUJET

EFE GET 1

F

(Suivi, sil y a lieu, du nom dpouse) Nom :

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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$

N dinscription : $$$$$$$$$$

N(e) le : $$/$$/$$$$

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(Le numro est celui qui figure sur la convocation ou la feuille dmargement)

Modle ENSD NEOPTEC

Concours Section/Option Epreuve Matire

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Tournez la page S.V.P.

PARTIE AQuestions A1.1 A2.1

F1



PARTIE A : DISTRIBUTION HAUTE TENSION

La desserte en nergie lectrique du Pic du Midi est amene subir des conditions climatiques svres de par son implantation en zone de haute montagne. Le site hberge galement un poste TDF autonome pour la diffusion de la tlvision dans le grand Sud-Ouest de la France. Un cble de secours a t pos entre TDF et le Pic du Midi pour ralimenter le site en cas davarie grave sur son alimentation lectrique. On vous demande de vrifier les procdures de mise sous tension de ce cble.

A1. Etude du poste de livraison et du poste de transformation principal.

A1.1. Indiquer le type dalimentation du poste de livraison de lobservatoire du pic du midi : A1.2. Indiquer le type dalimentation du poste de livraison de TDF : A1.3. Expliquer lincidence du dysfonctionnement de la cellule N1S-1 du poste de livraison de lobservatoire du pic du midi? On prcise que lalimentation en fonctionnement normal du poste est effectue par EDF 1. A1.4. Expliquer pourquoi lalimentation du btiment TDF est moins sre que celle de lobservatoire du pic du midi ? A1.5. Citer les repres des diffrents appareils qui permettent de secourir TDF en cas de dfaut de son arrive EDF.



A1.6. Le dossier technique indique ltat des cellules HT dans le cas dun fonctionnement normal . Prciser ltat des appareils de la distribution en fonctionnement secours dans le cas de lindisponibilit de la ligne arienne depuis La Mongie.

Cellules HT N1S-1 N1S-2 N1S-3 N1S-4 N1-5

Interrupteur-sectionneur

Sectionneur MALT

A1.7. A laide du dossier technique, numrer dans lordre chronologique les manuvres raliser sur les diffrents appareils, ainsi que le mouvement des cls permettant la mise sous tension du cble de secours de TDF par la rgie du Pic du Midi. ETAPE LIEU ACTION

Dconsignation de la ligne dchange

NB : Remplir lavis de consignation partie fin de travaux

1

2

3

Mise sous tension du cble dchange

4

5

A2. Etude du transformateur En vue de travaux de rnovation sur le site de lobservatoire du Pic du Midi pour dvelopper laccueil du public, la rpartition des puissances est amene changer. On vous demande de vrifier les possibilits de couplage des deux transformateurs T1 et T2 sur linstallation de distribution HT/BT. A2.1. Indiquer les types de dfaut contre lesquels les transformateurs doivent tre protgs :


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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


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PARTIE A (suite et fin)Questions A2.2 A2.6

F2



A2.2. Raliser un schma de la plaque bornes permettant de faire apparatre le couplage des enroulements et le repre des bornes. Linstallation est de type triphas quilibr:

A2.3. Donner la valeur de lindice horaire de couplage, et tracer le diagramme des tensions primaires et secondaires du transformateur T1 :


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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


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PARTIE BQuestions B1.1 B2.5

F3



PARTIE B : DISTRIBUTION BASSE TENSION En vue de la rfection de linstallation HT/BT du tlescope Bernard Lyot, et afin damliorer lefficacit nergtique, il a t dcid de rnover larmoire lectrique de la centrale hydraulique.

B1. Etude de lquipement de distribution lectrique de la centrale hydraulique.

Objectif : pour le dpart dalimentation de cette centrale, vous allez devoir effectuer le choix de linterrupteur sectionneur Q0.

B.1.1. A laide du dossier technique, prciser si le fonctionnement simultan des pompes HP est possible. En dduire lincidence que cela pourrait avoir sur le dimensionnement de la distribution. B1.2. Identifier le type de dmarrage mis en uvre pour les pompes HP. Justifier son emploi. 1 B1.3. Donner le principe de ce dmarrage. B1.4. De faon dimensionner linstallation, complter le tableau suivant.

P utile unitaire

(kW)

Rendement (!)

P absorbe unitaire

(kW)

Coefficient simultanit

P absorbe totale (kW)

Cos "

Tan "

Q (kVAR)

Agitateur 0.85 1 0.86

Chauffage 1 1 1 Pompe groupe 1

0.7 0.82

Pompe groupe 2

0.7 0.82

Circuits auxiliaires

0.5 1 0,5 1 0.5 1 0 0

Ventilateur 16 0.94 1 0.86 0.59 Total :



Pour la suite de ltude on prendra une puissance absorbe totale de 52kW et une puissance ractive totale de 28 kVAR. B1.5. Dterminer la puissance apparente TOTALE :

Formule Application numrique

B1.6. Calculer le courant par phase.


B2. Vrification du dimensionnement du cble dalimentation :

Larmoire de distribution de la centrale hydraulique, situe proximit des pompes, est installe 72m du TGBT o seront implantes toutes les protections des diffrents quipements. Le responsable technique souhaite savoir sil est ncessaire de remplacer le cble dalimentation existant Ca4. Linstallation est de type triphas quilibr et les risques extrieurs ne prsentent pas de risque dexplosion. Le cble existant est en aluminium (isolant PRC) et enterr dans un conduit profil. Le sol prsente une rsistivit thermique de 1K.m/W (terrain sec) avec une temprature de 10C.

B2.1. On vous demande de complter le tableau ci-dessous laide du document ressource :

Rsultats

K

Ith 85A

Coefficient f1

Coefficient f2

Coefficient f3

Mthode de rfrence (tab S4)

Numro du mode de pose

Coefficient f4

Coefficient f8

Coefficient f9

Coefficient f10

Coefficient f12

Coefficient f

Iz



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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


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PARTIE B (suite)Questions B2.6 B4.4

F4



Pour la suite on considrera que le courant de court circuit aval est de 3500 A B2.6. Choisir linterrupteur sectionneur Q0, en sachant quil est ncessaire de prvoir une commande extrieure latrale gauche. Justifier votre choix.

Rfrence

Justification

B3. Choix de la protection :

Vous devez prsent choisir et rgler la protection Q4 alimentant le cble Ca4. Cette protection est implante dans le TGBT TBL situ au niveau 1. Le btiment est aliment par le transformateur T4 de type ONAN (immerg dans lhuile) de 1000KVA.

B3.1. A laide du dossier ressource, dterminer la valeur du courant de court circuit prsume au niveau du transformateur

1 B3.2. Choisir la rfrence commerciale du disjoncteur tripolaire dans la gamme H125. Justifier.

Rfrence commerciale :

Numro didentification :

Justification :

Valeur du calibre de la protection magntique :

Avant de plomber le capot protgeant les rglages de la protection thermique, on vous demande de les dterminer.

B3.3. Dterminer la valeur de rglage du thermique.

Plages de rglage du thermique:

Si In=100A, valeur du rglage retenue pour lapplication :


Les candidats devront restituer lensemble des pages du dossier

B3.4. Dterminer le temps de dclenchement de la protection en cas de court circuit :

Courant de court circuit prsum:

Temps de dclenchement :

B3.5. Dterminer le temps de coupure maximum du dispositif de protection :

FORMULE APPLICATION NUMERIQUE

Conclure :

B3.6. Identifier, daprs le schma du dossier technique du TBL, le schma des liaisons la terre utilis et lister ses caractristiques :

Votre responsable technique vous demande sil est ncessaire dassocier un dispositif diffrentiel ce disjoncteur afin dassurer la protection des personnes intervenant sur larmoire de la centrale hydraulique.

B3.7. Justifier votre rponse :




B4. Relvement du facteur de puissance de la centrale hydraulique. On vous demande danalyser la qualit de lnergie. La centrale hydraulique consommant trop dnergie ractive, il a t dcid de modifier linstallation afin de relever le facteur de puissance au niveau minimum impos par EDF. Objectif : laide de la documentation ressource, vous devez choisir lquipement de compensation dnergie mettre en uvre. Pour cette tude, on considrera que la puissance absorbe totale est de 52kW et la puissance ractive totale de 28 kVAR. B4.1. Calculer le facteur de puissance de cette installation.


B4.2. Calculer la tg " de linstallation.


/2 B4.3. Calculer la puissance ractive (Qc) totale fournir par les batteries de condensateurs.


A prsent, on supposera que lon doit installer une batterie de condensateurs de 10kVAR minimum de faon ne pas tre pnalis par EDF avec une puissance dalimentation de 60KVA. B4.4. Calculer le nouveau courant par phase. Conclure



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F5



En vue de raccorder la batterie Varset notre installation, on vous demande de tracer le schma de raccordement du rgulateur NR6. Lquipement est cbl en sortie dusine pour un rseau avec distribution du neutre. Vous devez ladapter lalimentation 3x400V 50Hz dans laquelle le conducteur de neutre nest pas distribu. B4.9. Complter le nouveau schma de branchement :




B5. Rgulation de la temprature de lhuile de la centrale hydraulique Pour rpondre efficacement une demande croissante de lutilisation du Tlescope Bernard Lyot et afin damliorer la rapidit de prparation, il a t convenu avec les exploitants de prchauffer lhuile en permanence en mettant en uvre une boucle de rgulation. Modlisation dune rgulation Le choix des responsables sest port sur une rgulation de type PID. B5.1. Donner la signification et laction de chacun des termes du PID.

B5.2. Etablir le schma de principe de la boucle de rgulation en y intgrant le rgulateur, le gradateur, les thermoplongeurs et le capteur de temprature.

- +

mesure

erreur consigne


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F6



B5.3. On dispose de deux solutions techniques pour la mise en uvre dun gradateur : - le gradateur train dondes, - le gradateur angle de phase. Pour lapplication propose, on vous demande de prciser la solution la mieux adapte et de justifier votre choix. Le capteur de temprature utilis est une sonde PT100. Il existe des capteurs comportant 2 fils ou 3 fils. Exemples : montage en pont de Wheatstone :

Montage deux fils Montage trois fils B5.4. Dmontrer par le calcul lintrt dutiliser une sonde PT100 trois fils pour les longues distances. Pour cela donner lexpression de X en fonction de A, B, C et r. Montage deux fils :

Distance qui peut tre importante

A

B C

X PT100

r (rsistance fils)

r

r

Distance qui peut tre importante

A

B C

X PT100

r (rsistance fils)

r



Montage trois fils : Conclusion :

Lhuile utilise dans les patins hydrostatiques va tre rgule une temprature de 25C. Dans le cas le plus dfavorable la temprature minimale de lhuile avant la chauffe sera de 5C. B5.5. Calculer lnergie de chauffe ncessaire pour une monte en temprature en 20mn. Dtermination des paramtres de la fonction de transfert du rgulateur : La puissance de chauffe des thermoplongeurs est module linairement par un gradateur. La consigne est nomme Y et varie de 0 100 %. La plage de travail du rgulateur est de 20C. Afin de dterminer les paramtres de correction du rgulateur, il est ncessaire didentifier le systme par un essai exprimental. Il sagit dun relev en rponse indicielle (chelon) en boucle ouverte. Cet essai est ralis avec une consigne de temprature de 25 C. Compte tenu de lallure gnrale de la rponse indicielle, cest la mthode de Broda qui a t retenue.


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PARTIE B (suite et fin)Questions B5.6 B5.9

F7



B5.6. A partir de la mthode Broda, identifier la fonction de transfert correspondant la courbe releve.

B5.7. Dterminer les paramtres K, T et caractrisant la fonction de transfert en boucle ouverte de ce systme conformment au modle de Broda .



Paramtres de la fonction de transfert : B5.8. Dterminer le type de correcteur : B5.9. Dterminer les paramtres du correcteur :


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PARTIE CQuestions C1.1 C1.9

F8



C1.4. Calculer la vitesse de rotation dun moteur pour assurer une remise en position initiale de la coupole en moins de 2min 30s aprs une journe ou une nuit dobservation.

C1.5. Donner la rfrence du moteur retenir : Justifier votre choix. C1.6. Prciser la rfrence du variateur multiaxe associ, afin dobtenir un pilotage du positionnement sans automate embarqu. On rappelle que linstallation est environ 2900m daltitude.

Le contrle de la rotation de la coupole doit tre asservi celui de la calotte pour assurer le suivi dun astre. La commande de cet ensemble assurera un positionnement multiaxes avec une alimentation sur rack. C1.7. Choisir le module dalimentation de puissance du rack.




C1.8. Choisir le filtre rseau de taille normale associ.

C1.9. Choisir la protection adapte.


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PARTIE C (suite)Questions C2.1 C2.9

F9



C2. Analyse des harmoniques de la motorisation de la coupole

Le mouvement de la coupole ncessite lutilisation simultane de 5 moteurs. On associe un automate pour la synchronisation et un variateur pour lalimentation simultane des 5 moteurs. On se propose de justifier lutilisation dun filtre en amont de ce variateur. Causes et effets dune pollution harmonique C2.1. Identifier les causes principales de ces perturbations harmoniques : C2.2. Citer les principaux effets engendrs par ces perturbations : Pour cette tude, nous chercherons rduire les perturbations harmoniques provoques par le variateur associ la motorisation de la coupole. Le variateur de vitesse propos a une structure de puissance classique : redressement par pont parallle double triphas (PD3) Schma quivalent simplifi : Relev des signaux du variateur :

I



Dtermination du taux distorsion harmonique provoqu par le variateur

On vous rappelle le principe de la dcomposition dun signal en srie de Fourrier :

Avec et

C2.3. Montrer que le courant i1(t) scrit

C2.4. Calculer ci-dessous les valeurs efficaces des courants harmoniques de rang k : Ik partir de la formule de i(t). On prendra 0 = 35,4 A.

Rang 1 3 5 7 9 11 13 15

Ik (A)

Ik!(A!)

C2.5. Calculer le taux de distorsion Harmonique THD en se limitant au rang 15 (exprimer la valeur en %).




C2.6. Daprs lextrait de la norme NFC15-100 donn, dterminer le niveau de pollution harmonique de linstallation.

C2.7. Quelles solutions prconisez vous afin de lutter contre ces courants harmoniques ?

Filtrage des harmoniques On se propose dannuler les harmoniques de rang 5, 7 et 11 en plaant un filtre de type RLC srie entre chaque phase et le neutre (V = 230V). C2.8. Dans ces conditions calculer le nouveau taux de distorsion. Son niveau est il acceptable ?

Le facteur de qualit de ce filtre est avec X0 = Il faudra que limpdance de linductance soit gale limpdance du condensateur. On admettra une rsistance R = 2#. C2.9. Dessiner ci-dessous le schma quivalent de ce filtre.


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PARTIE C (suite)Questions C2.10 C3.2

F10



C2.10. Dterminer les paramtres L et C pour une pulsation de k# centre sur lharmonique de rang 5.

C3. Communication des quipements avec la supervision

La modernisation de ce site doit permettre une meilleure gestion des quipements implants sur ce btiment. De ce fait, une supervision va tre implante afin de piloter lensemble des motorisations du tlescope, mais aussi des motorisations de lensemble coupole/calotte.

Ce poste de commande et de mesure sera situ ltage immdiatement infrieur au tlescope. Le choix de la communication entre les diffrents modules sest port sur le bus CAN Open.

Lors dune coupure du rseau dalimentation, on souhaite faire une analyse de la trame afin de retrouver la position. Etude de la trame C3.1. Recherche de ladresse des codeurs : A partir de la position des potentiomtres des codeurs de la coupole et de la calotte du tlescope, dterminer leur adresse respective et leur COB-ID, sur les diffrentes bases de numration suivantes : base 10, base 2 et base 16. Pour notre application la valeur du PDO sera gale : 0011(2)



Codeur coupole Codeur calotte

Codeur couple Codeur calotte

Adresse _coupole (10) = Adresse_calotte (10) =



COB-ID_coupole (2) = COB-ID_calotte (2) =

C3.2. Complter le chronogramme correspondant au champ darbitrage pour ces deux codeurs :

SO

F

Identificateur (11 bits)

RTR

10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

Codeur coupole Codeur calotte

1 ou rcessif

Signal sur le bus 0 ou dominant

Lequel est le plus prioritaire pour accder au bus CAN ? Justifier votre rponse.

x10

x10


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PARTIE C (suite et fin)Questions C3.3 C3.9

F11



C3.3. Donner la valeur binaire et hexadcimale du champ darbitrage.

COB-ID (2) COB-ID (16)

La transmission de la position des capteurs rotatifs seffectue suite une demande de la supervision. Etant donn que la trame mise par le capteur contient un grand nombre de bits, elle a t dcompose en 4 lignes : - ligne 1 : SOF, champ darbitrage et champ de contrle - ligne 2 : octets de donnes, - ligne 3 : octets de donnes, - ligne 4 : octets de donnes, CRC - ligne 5 : CRC (suite), ACK, champ de fin de trame et espace inter trame C3.4. Dlimiter les diffrents champs du protocole CAN Open sur la figure ci-dessous :

Champs

SO

F

Signal Ligne1 S

Champs

Valeurs (16)

Signal Ligne2 S S S S

Champs

Valeurs (16)

Signal Ligne3 S S S

Champs

Valeurs (16)

Signal Ligne4 S S

Champs

Signal Ligne5 S

C3.5. Dcoder les valeurs hexadcimales de la ligne 2, 3 et 4 en le compltant dans la trame ci-dessus.

S : Bit de Stuffing


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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


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PARTIE DQuestions D1.1 D1.5

F12



PARTIE D : Centrale photovoltaque de la Station Mto Communicante

Le responsable technique souhaite faire voluer nergtiquement une partie de linstallation existante. Vous devez proposer une modification de linstallation photovoltaque en vous aidant du dossier ressource.

D1. Etude de lexistant et analyse de leffet de lenvironnement sur les modules photovoltaques. A laide de la position GPS une premire tude laide du logiciel PVgis est ralise. La station mto est sur une crte et il n y a pas de masque li un obstacle proche. Voici le Relev de masque sur le site prvu Location: 4255'11" Nord, 09'47" Est, 2047 m altitude Daprs le relev de masque ci-dessus : D1.1. Indiquer par une croix, quelle sera linfluence des ombres portes des montagnes situes devant les modules :

Perte de 5% du productible Perte de 25% du productible Perte de 70% du productible

D1.2. Donner la dfinition de la puissance crte STC dun module

Le courant de court-circuit d'une cellule PV est de 3,1 A sous 1000 w/m!. D1.3. Indiquer le courant la puissance maximale aux conditions STC :


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PARTIE D (suite)Questions D2.1 D5.1

F13



D2.1. Complter le tableau ci-dessous afin de dterminer quelle sera la consommation totale en nergie journalire en Ah :

Appareil

Nombre

Tension

Puissance

Courant

Dure dutilisation/jour

(h/j)

Conso journalire

(Ah) Existant

Acclromtre 1 24 VDC

10 mA 24 h 0.24 Thermomtre 1 24 VDC 100mA 24 h 2.4 Dtecteur de neige 1 24 VDC 200mA 24 h 4.8 Rayonnement solaire

1 24 VDC 0 24 h 0

Pluviomtre 1 24 VDC 100mA 24 h 2.4 Anmomtre 1 24 VDC 0 0 Girouette Chauffage temp



Voila les donnes dirradiation du point relev ou sera installe notre station mto

Votre responsable vous prconise un angle dinclinaison de 60 pour vos modules. D4.1. Calculer la puissance crte installer (prendre le mois le plus dfavorable).

D5 Dimensionnement du parc de batteries. Pour notre tude, nous voulons une autonomie de 5 jours. La dcharge maximale admissible des batteries sera de 20% comme le prconise le fabricant. D5.1. Calculer la capacit des batteries.


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Prnom : $$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$$


N(e) le : $$/$$/$$$$

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PARTIE D (suite et fin)Questions D6.1 D6.7

F14



D6. Etude de la solution retenue

La solution retenue par le bureau dtude se compose de :

! 8 modules photovoltaques photowatt 50W ! 4 Batteries plomb scells gel solaire de 185 Ah-12V, ! 1 rgulateur charge-dcharge STECA PR20 20 A- 12 -24V

D6.1. Calculer dans cette version, la production nergtique minimale par jour en hiver en tenant compte des coefficients de pertes en courant de 0.72 :

D6.2. Calculer dans cette version la production nergtique maximale par jour en tenant compte des coefficients de pertes en courant de 0.72 :

D6.3. Prciser l'excdent de production si lon prend une consommation journalire de 28Ah. On prendra le mois le plus dfavorable et le plus favorable de lanne.

Suite de nombreux dysfonctionnement sur plusieurs sites isols en Montagne, le responsable technique souhaite savoir si lon peut conserver le rgulateur existant : Steca PR20.20. En tenant compte des conditions denvironnement une temprature de -20C un module Photowatt une tension Voc = 25.15 V. Pour une temprature de 55C le courant de court circuit sera de 3.13A. Vous devez vrifier ladquation Rgulateur Champs Photovoltaque et choisir le rgulateur correspondant notre utilisation.



D6.4. Complter le tableau ci-dessous :

Rgulateur STECA PR 20.20 Champs Photovoltaque

Tension maximale

Courant maximal Conclusion

Rgulateur BlueSolar MPPT Tension

maximale

Courant maximal

Conclusion

Choix

Les modules choisis supportent 2 fois le courant maxi Istc en inverse soit 5.8 A. De ce fait, votre responsable technique vous demande de proposer une solution pour protger votre systme si un des modules est masqu par la neige. D6.5. Prciser les protections que lon peut mettre en uvre. Argumenter votre choix.

D6.6. Choisir le boitier de jonction. Justifier votre choix.

Rfrence Tension

d'utilisation (v)

Intensit d'utilisation

(A)

Tension max (v)

Nb d'entres

Nb de sorties justification




D6.7. Complter le schma de raccordement du nouveau rgulateur.

EFE GET 1_Partie1EFE GET 1_Partie2EFE GET 1_Partie3EFE GET 1_Partie4EFE GET 1_Partie5EFE GET 1_Partie6

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