ETUDE D’UNE STATION D’EPURATION

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ETUDE DE CAS

METIERS DE L’EAU (1ère année)

L'usage de la calculatrice est autorisé conformément

aux dispositions de la circulaire n' 86.228 du 28 juillet 1996

L'usage des documents personnels est interdit

INSTRUCTIONS DESTINEES AUX CANDIDATS:

Le sujet comprend cinq parties indépendantes:

PRESENTATION DE L’USINE

Durée conseillée : 5 minutes

ELECTROTECHNIQUE

Durée conseillée : 45 minutes

REGULATION

Durée conseillée: 25 min

AUTOMATIQUE

Durée conseillée: 40 min.

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Présentation de l’usine :

Les parties Régulation, Electrotechnique et Automatiques sont indépendantes et

s’intéressent à différents aspects de la filière de traitement de l’eau de la station d'épuration de

la Communauté de Communes Coeur Côte Fleurie.

LA FILIERE DE TRAITEMENT DE L'EAU

Arrivée et relevage des effluents

Les eaux brutes sont recueillies au sein du poste de relèvement

existant et relevées vers les prétraitements via 7 pompes pour

un débit de 2 000 m3 /h.

Les prétraitements

Après les prétraitements conventionnels conservés,

l’effluent passe sur un tamisage à maille ronde.

En parallèle, il est prévu la possibilité d’accueillir

des matières de vidange, des graisses externes, et

des matières de curage.

Ecrêtage et bassin tampon : traitement du pluvial

L’écrêtage et le stockage des effluents prétraités

permet de lisser les variations de débits et

d’optimiser les consommations électriques de la

station.

Les décanteurs primaires et les bassins biologiques

existants sont réutilisés, couverts et désodorisés,

pour devenir une nouvelle capacité de rétention et

de traitement des eaux pluviales.

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Traitement biologique

2 files de traitement parallèles interconnectables,

soit 2 bassins d’aération, avec zone de « contact /

anoxie », avec « chenal d’oxydation » circulaire aéré

par séquences et dans lequel s’effectuent la

nitrification et la dénitrification des eaux (traitement

de l’azote et traitement biologique du phosphore).

Traitement membranaire

Le traitement membranaire BIOSEP® intervient à ce

stade ; il est constitué de canaux spécifiques équipés de 20

modules de 1 500 m² en quatre files (4x5) pour une surface

filtrante totale de 30 000 m2.

Cette technologie, appliquée maintenant au traitement des

eaux usées, met en œuvre une barrière physique avant le

rejet des eaux au milieu récepteur.

Comptage et contrôles

Avant rejet dans la Touques, les eaux traitées empruntent un canal de

comptage qui permet au public lors du parcours du circuit de visite de

voir l’effluent traité.

Il est le point de mesure du débit et de prélèvement pour les contrôles

quotidiens de bon fonctionnement des ouvrages, par l’exploitant,

comme par les organismes de contrôle.

Les eaux traitées rejoignent ensuite la

Touques dans son dernier parcours

jusqu’à la mer.

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Partie Electrotechnique

Au sein de la station, un grand nombre de moteurs d’entrainement de pompes sont

utilisés. On s’intéresse ici plus particulièrement à une technique innovante de pompage, le

pompage en ligne. Ce pompage en ligne est placé juste avant la phase de traitement

biologique.

Photo du pompage en ligne

Les deux moteurs d’entraînement des pompes sont protégés par des relais thermiques,

disjoncteurs… présents dans l’armoire électrique photographiée ci-dessous.

Photo de l’armoire électrique

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Le plan électrique partiel de cet armoire est représenté ci-dessous

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Pour les questions E.1, E.2 et E.3, on utilise le plan électrique page 5.

E.1 Déterminer si les moteurs d’entraînement des pompes sont de type monophasés ou

triphasées.

E.2 Déterminer si les moteurs doivent être ou non mis à la terre.

E.3 Déterminer la valeur de la tension composée du réseau électrique.

E.4 Rappeler la valeur de la fréquence du réseau électrique en France.

Le moteur d’entraînement de l’une des deux pompes dispose de la plaque signalétique

suivante.

E.5 Déterminer le couplage des enroulements de ce moteur. Justifier.

E.6 Dessiner la plaque à bornes du moteur, ajouter en rouge les fils (barrettes) de

couplage.

E.7 Vu le plan électrique page 5, déterminer s’il s’agit du moteur de la pompe 1 ou du

moteur de la pompe 2.

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On s’intéresse maintenant à un autre moteur au sein de la station dont la plaque

signalétique est fournie ci-dessous. Les calculs seront effectués au point nominal vis-à-vis de

cette plaque signalétique.

FORMULAIRE D’ELECTROTECHNIQUE

p: nombre de paires de pôles du moteur (nombre d’électro-aimant constituant chaque enroulement du

moteur)

f: fréquence électrique en Hertz

N: vitesse de rotation du moteur (axe du moteur) en tr/min

U: tension composée

I : courant par fil de ligne (au point nominal sur la plaque signalétique)

J: courant dans un enroulement

V : tension aux bornes d’un enroulement

C: couple en N.m (moment du couple)

: vitesse de rotation du moteur (axe du moteur) en rad/s

: déphasage entre tension aux bornes d’un enroulement et courant par enroulement

cos : facteur de puissance

1. Vitesse de synchronisme Ns en tr/min p

60.fNs

2. glissement g en % 100.Ns

NNsg

3. Puissance absorbée en Watts: Pélec = cos.J.V.3cosI.U.3

4. Pméca=Puissance utile en Watts = Puissance mécanique = Puissance fournie par le moteur= puissance

indiquée par la plaque signalétique

Pméca = C.

5. Rendement Rdt= Pméca/Pélec

Attention, toutes les grandeurs énoncées précédemment varient en fonction du point de fonctionnement

sauf la vitesse de synchronisme (vitesse idéale du rotor)

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E.8 Calculer la puissance électrique Pn absorbée au point nominal.

E.9 Calculer le rendement du moteur au point nominal.

E.10 Calculer le moment du couple nominal du moteur.

E.11 Calculer le glissement au point nominal

E.12 Déterminer le nombre de paires de pôle de chaque enroulement.

On fournit ci-dessus la documentation nécessaire à la compression de l’indice IP.

E.13 Le moteur utlisé page 7 est actuellement dans un local abrité et ventilé, il va être

déplacé à l’extérieur à proximité du canal de mesure en fin de filière de traitement. Justifier si

ce changement est possible ou non.

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Partie Régulation

La mesure de débit sur le canal en sortie de la station est réalisée grâce à un déversoir

rectangulaire avec contraction latérale.

Un déversoir rectangulaire est dit « avec contraction latérale » lorsque la largeur du

canal B est supérieure à la largeur L du déversoir. P est la hauteur de pelle. h1 est la hauteur

de lame.

Technologie 1 :

Grâce à un capteur de pression placé au fond du canal en amont du déversoir, on

mesure la pression et donc la hauteur P+h1

R.1 Rappeler la relation d’hydrostatique reliant la pression au fond du canal et la hauteur

P+h1.

R.2 Cette mesure est, dans le cadre de notre étude, parfois imprécise. Justifier.

Technologie 2 :

Grâce à un capteur à ultrason placé 1,4 mètre au-dessus du fond du canal en amont

du déversoir, on mesure la hauteur Y entre le capteur et la hauteur d’eau. La hauteur de Pelle

est de 50 cm.

Capteur à ultrasons

Y

P+h1

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Pour mesurer une distance avec des ultrasons, il faut d'abord connaître leur vitesse v

de déplacement. Elle est de l'ordre de 340 mètres par seconde dans l’air.

Le capteur à ultasons émet l’ultrason qui est réfléchi par l’obstacle. L’ultrason revient

sur le capteur (qui devient cette fois récepteur).

R.3 Vu les données précédentes, déterminer la relation entre Y, t (temps d’aller-retour de

l’ultrasons) et v vitesse de l’ultrasons dans l’air.

R.4 Calculer le temps t lorsque le canal est vide.

R.5 Calculer le temps t lorsque la hauteur h1 est 20 cm.

Le capteur utilisé est le capteur à ultrason UZAM 30 page 11.

R.6 Valider le choix du UZAM 30.

R.7 Indiquer la plage de température à respecter pour le bon fonctionnement du capteur.

Dans le cadre de notre étude, la largeur du canal B est le double de la largeur L du

déversoir avec contraction latérale. La largeur L est égale à 60 cm. On rappelle que la

hauteur de la pelle est de 50 cm.

R.8 En vous aidant des données de la page 12, en prenant Cv=1, calculer le débit passant

dans le canal pour une hauteur h1 de 20 cm

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données pour la question R.8

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Partie Automatique logique

Au sein de la station, on trouve un grand nombre d’électrovannes permettant le

passage ou non des liquides. L’objecif de la partie automatique logique est de synthétiser

sous forme d’équations logiques et de chronogrammes de deux électrovannes ev1 et ev2 en

fonction de détecteurs.

Principe d’une électrovanne

Une électrovanne est composée de deux parties :

1. Une tête magnétique constituée principalement d’une bobine, tube, culasse, bague de

déphasage, ressort(s).

2. Un corps, comprenant des orifices de raccordement, obturés par clapet, membrane, piston,

etc. selon le type de technologie employée.

L'ouverture et la fermeture de l’électrovanne est liée à la position du noyau mobile qui est

déplacé sous l'effet du champ magnétique engendré par la mise sous tension de la bobine.

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Schéma logique d’une électrovanne :

Sur un schéma électrique le symbole d’une électrovanne est le suivant

La bobine a pour bornes A1, B1. La vanne laisse passer le liquide

Hypothèse : pour qu’une électrovanne laisse passer le liquide, il faut faire passer du

courant dans la bobine

On souhaite ici assurer la commande d’une électrovanne ev1. On ne représente que la

bobine de ev1 en fonction d’interrupteur K

.

Sur le schéma électrique ci-dessus, l’électrovanne ev1 est passante si on ferme K1 =>

ev1 =1 si K1=1

A.1 On souhaite maintenant que ev1 soit passante si K1 est égale à 1 ou si K2 est égale à 2.

Représenter le schéma électrique.

A.2 Remplir la table de vérité de ev1 en fonction de K1, K2.

On s’intéresse maintenant à ev2 commandée par 4 interrupteurs. Le fonctionnement

de ev2 est donné par la table de vérité de la page suivante.

A.3 Représenter la table de Karnaugh de ev2 suivant la forme K1K2 en colonnes et K3K4

en ligne.

A.4 Déterminer une expression minimale de Ev2 en utilisant la table de Karnaugh.

A.5 Représenter sous forme de logigramme votre équation minimale.

A.6 Compléter le chronogramme de Ev2 sur le document réponse. Page 16.

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Table de vérité de Ev2

K1 K2 K3 K4 Ev2

0 0 0 0 1

0 0 0 1 1

0 0 1 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 0 0

0 1 0 1 1

0 1 1 0 1

0 1 1 1 1

1 0 0 0 1

1 0 0 1 0

1 0 1 0 0

1 0 1 1 0

1 1 0 0 0

1 1 0 1 0

1 1 1 0 1

1 1 1 1 1

A.8 Vu l’équation de Ev2, justifier si le fonctionnement est régi par une équation de

logique combinatoire ou de logique séquentielle.

A.9 Expliquer si la prise en compte de K1, K2, K3 et K4 se fait sur des niveaux logiques

ou sur des fronts.

A.10 Sur le chronogramme de K1, indiquer clairement le ou les front(s) descendant(s).

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CHRONOGRAMME A COMPLETER ET A RENDRE

K1

1

0

K2

1

0

K3

1

0

K4

1

0

Ev2

1

0

temps

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