Agrégation concours externe
Section : Sciences Industrielles de l’Ingénieur
Options :
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Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Mécanique,
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Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie Électrique,
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Sciences Industrielles de l’Ingénieur et Ingénierie des Constructions.
ÉPREUVE DE SCIENCES INDUSTRIELLES DE L’INGÉNIEUR
Support : Installation de transport collectif urbain : le tramway
Présentation du système et de l'étude
1 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 ClTADlS® par ALSTOM - 1](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image3.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuve#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
Tramway ClTADlS® par ALSTOM
2 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.
![Tramway ClTADlS® par ALSTOM - 2](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image4.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuve#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
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.
![Tramway ClTADlS® par ALSTOM - 3](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image5.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuve#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
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.
3 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.
![Tramway ClTADlS® par ALSTOM - 4](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image6.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuve#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
![Tramway ClTADlS® par ALSTOM - 5](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image7.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuveg#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
Structure matérielle permettant de commander la vitesse : diagramme de définition de blocs
![Tramway ClTADlS® par ALSTOM - 6](http://eduscol.education.fr/sti/system/files/images/concours-examens/835/835-image8.jpg#overlay-context=concours_examens/epreuve-de-sciences-de-lingenieur-agregation-externe-sciences-de-lingenieur-epreuve#overlay-context=concours_examens/epreuve-admissibilite-agregation-sciences-industrielles-de-lingenieur-concours)
Des diagrammes complémentaires utiles à l'étude sont disponibles sur les documents ressources 1, 2 et 3.
4 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.
Nota : Page 39, document ressource 5, il faut lire pour J, moment d'inertie, J = ½ m ( R2² + R1² ) (signe + au lieu du signe -)