Eclairage de l'hippodrome des Flandres

21/10/2017
Publication REE REE 2005-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-3:20559
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Eclairage de l'hippodrome des Flandres

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Repères L'ECLAIRAGE (2 IME PARTIE) Eclairage de l'hippodrome des Flandres Par Jean-François SERGENT Université des sciences et technologies de Lille Mots clés Étudede systèmes, Éclairage, Transpositiondidactique, Similitude, Invariants Avant-propos Environ 10 %* de l'énergie électrique produite sur notre territoire est consacrée à l'éclairage (tous secteurs confondus). Cette part de consommation, sans être négligeable, place ce secteur loin derrière les applications liées à la force motrice et aux applications électrother- miques ; il existe cependant un certain nombre de sites où l'éclairage constitue le premier poste pour la facture énergétique, et conditionne le choix de la plupart des équipements électriques (type d'alimentation, transfor- mateurs, câbles, protection...). Il mérite dans ce cas une attention particulière. L'hippodrome de Marcq-en-BaroeuF en est une bonne illustration et peut donner lieu à des exploitations pédagogiques originales et parfaitement accessibles aux élèves de lycées techniques. 1. Mise en situation 1.1. Présentation L'hippodrome des Flandres, situé sur la commune de Marcq-en-Baroeul (métropole lilloise), accueille chaque année une quarantaine de manifestations, dont certaines sont pourvues du label PMU national. Afin d'enrichir le site, la rrtunicipalité décide en 2000 de le doter d'un système d'éclairage de façon à permettre des courses en nocturne. Cette amélioration devait permettre l'éclairage des pistes de trot et de galop, tout en procurant une souplesse c d'utilisation pour l'organisation de salons d'expositions CI ou de toute autre manifestation. 1.2. Contraintes à respecter Du CCTP (cahier des clauses techniques particu- lières), on peut extraire certaines informations concernant le système d'éclairage. Celui-ci doit permettre les niveaux d'éclairement figurant dans le tableau donné à la page suivante. Les valeurs indiquées sont extraites des normes imposées pour les retransmissions en télévision à haute définition. yh. f'fn/.'- ! ; f f/n/< :/ ; f9f :'/' rc'/) r/f/C' ; f/f : .SfrCt.S'/ ; ;/7f// ! tf6'6'.. ' ('fN/7 ;' ;.S f/ (/ ; ;//.'É'.'.' ( ;'/'./f ;/.W// ;/ f'f Cfnf f//'fH/' f'C t'<' ;/ ! N'/ À titre de comparaison, l'hippodromedeVichy, avecunepistedegalopde 2100 iiiètieq. coiiipoite 612 piojecietii-s de 2 kW. 5 5 N T 1 L'enseignement technique dans les classes préparant aux baccalauréats privilégie largement les activités pédagoglques 1 expérimentales. Pour 'option « Génie Electrotechnique », les thèmes retenus concernent toujours des procédés ou systèmes liés à l'utilisation de l'énergie électrique. Parmi es applications possibles, l'éclairage constitue un domaine riche en perspectives et qui couvre divers aspects du programme à enseigner. Le sup- port technique de référence étant défini puis analysé, il convient d'envisager la transposition didactique sur une maquette dont l'échelle de similitude devra évidemment tenir compte des contraintes d'encombrement, de coût et de sécurité. A travers un exemple concret, le présent article décrit un outil de caractérisation permettant de tester et de valider la transposition à échelle réduite. Une fois cette étude terminée, on peut envisager certaines activités pédagogiques sans toutefois perdre de vue l'application réelle. YNOPSIS Technical education in the preparatory classes for the technology- based " baccalauréat " prioritize experimental teaching activities. With the option " Génie Electrotechnique ", the subjects always deal with systems or processes connected with the use of elec- trical energy. Among the differents topics, a lighting system brings to many prospects which cover various points of the tea- ching syllabus. After defining and studying the technical object, it is necessary to consider the educational adaptation by a model whose reductlon scale must take into account the dimensions, cost and security constraints. Thanks a concrete example this paper describes a tool that brings to test and confirm the sma scale mode Some teaching activi- ties can be then considered but never losing touch with the actual application. REE NI 1 i Mars2005 i, i v- ell.,l - li : - " --D L'ÉCLAIRAGE 2'mE PARTIE) Eclairement vertical Eclairement horizontal Eviiioy lux) Uniformité Eiimoy (lux) Uniformité 0,75 Zone courante Trot >800 0,75 >300 0,75 Galop > 600 > 0,5 > 340 > 0,75 Ligne droiteavant Trot >990 = 0,6 >- 500 > 0,75 tribune Galop >980 0,5 > 420 017 Ligne droite Trot >1150 = 0,35 > 560 > 0,7 devant tribune Galop >1120 0,6 > 460 0,7 Tablenu 1. Extl-ciit (lit CCTP. t :z r vr t E · Ïl s « 5 o p AY7 f,A1 v " b t' w # 7z ` 1" S'' s q a t.., t ., `'fd`sro,r,x'` t '_ x. .''` uê'a''8 3` "'F vfr,<§ ; xrajt ,. yri ; . M'i 2LF °ÇH. H^" 9v " t.' 'â: if s. sa,.,. "'tw °wN' ; f : . a.-`.-_ " ,a3g^ " S',..at-', ? . : :' i. x t N JY k:j *w F, l ` rtç & 2 fy` vd'Y · y (y.v , Si d,.. "S.' " ""k. . 29 : it, :, q.. Y t r s. :. aa'a` :. ` ",.... Photo 1. Ai-éli (i Vi.ioii MVF 403 (iiie de'liic-e). Photo 2. Ai-éliÉi Visioti MVF 403. 1.3. Solutions techniques adoptées l3. 1. Choix technologiques des luminaires Compte-tenu des niveaux d'éclairement exigés et de la nécessité d'obtenir un bon rendu des couleurs (IRC > 80), le choix des sources lumineuses s'est tout naturellement porté sur des lampes à iodures métalliques à haut flux (MHD 2000/400 856) de Philips). Ces lampes sont installées dans trois types de projecteurs munis d'optiques différentes (Aréna Vision MVF 403 catégorie A2, A4 ou A6). 1.3.2. Répartition des projecteurs . zone courante : 26 mâts de 15 mètres espacés de 55 m (26 x 8 projecteurs) . ligne droite avant tribune : 2 mâts de 20 mètres c distants de 100 m (2 x 23 projecteurs) . ligne droite devant tribune : 1 mât de 25 mètres (40 c projecteurs) Un éclairage de secours (2 lampes halogènes de 1000 W avec projecteur de type Cormoran) est prévu sur l'ensemble des 29 mâts de l'hippodrome. : 'i na.t... .a, - ,,: : r.4 Tf T "ç ,., ÿ T·, "._ .% w , `rv' 4. ^ a rï Photo 3. Vite tie Ici piste cle galol (7,olze É-oiii-ciiite). REE N 1 Mars 2005 Éclairage de hippodrome des Flandres 1.3.3. Alimentation électrique Le mât le plus éloigné est distant de plus de 700 mètres du poste de livraison ; une alimentation en basse tension conduirait à une section de câbles prohibitive (limitation de la chute de tension). Les 294 projecteurs sont donc alimentés depuis le poste de livraison HTA/HTI à travers un réseau souter- rain intermédiaire en 5500 volts (réseau HTI) ; des trans- formateurs HTI/BT (5500 V/400 V) enterrés à proximité des mâts assurent l'adaptation finale en tension ; cette solution présente l'avantage de minimiser les coûts d'investissement. L'éclairage de secours est quant à lui alimenté par le réseau de distribution publique basse-tension. Les câbles sont dimensionnés de facon à limiter les chutes de tension, dans le pire des cas, à 2 % en HTI et à 3 % en BT. 1.4. Performances obtenues Une première étude effectuée à l'aide du logiciel Calculux de la société Philips Eclairage a montré qu'avec les lampes initialement retenues (MHD 1800 W - flux lumineux égal à 180 000 lin) 1,éclairement était en certains points inférieur aux valeurs requises. Cela a conduit à retenir dans la version définitive des lampes légèrement plus puissantes (MHD-2000 W-200 000 lm). La mise en service de l'installation a confirmé les valeurs obtenues par simulation ; deux problèmes imprévus sont cependant apparus. Les habitants de demeures situées à proximité de l'hippodrome se sont plaints de nuisances consécutives à un phénomène de « pollution lumineuse », qui a imposé un nouveau réalage de la position des projecteurs. On sait d'autre part que le flux lumineux issu de chaque projecteur oscille autour d'une valeur moyenne à une fréquence de 100 Hz. Un équilibrage minutieux sur chaque phase permettrait, en théorie, d'atténuer l'effet stroboscopique induit au niveau de la « caméra » numé- rique qui fournit la photo d'arrivée (photo finish), la mise en oeuvre de cette modification ne donne pas actuellement entière satisfaction aux utilisateurs. 2. Transposition didactique 2.1. Objectifs du travail Pour développer autour de ce thème une séiie de travaux pratiques (essais de systèmes et de sous-systèmes) des- tinés à des classes de lycées techniques, nous nous sommes appuyés sur un système d'éclairage réalisé au sein de l'USTL par un étudiant-professeur inscrit à FIUFM dans le cadre de la préparation au CAPET génie électrique. Afin d'être aussi fidèle que possible à l'installation réelle, nous avons tenté tout d'abord de respecter un certain nombre de choix technologiques, notamment en ce qui concerne : . le type de source lumineuse (lampes à iodures métalliques) . le type de réseau d'alimentation terminal (triphasé BT sans neutre) . le mode d'implantation des projecteurs (mât avec position réglable). Compte-tenu du découpage des pistes en plusieurs secteurs, l'étude ne portera que sur la zone courante réduite à un espace entourant deux mâts ; cela permet de restreindre le nombre de projecteurs à installer sur le banc d'étude tout en conservant un coefficient d'uniformité proche de la valeur réelle. 2.2. Critères de similitude Le respect de la similitude matérielle ne permet pas à lui seul de conclure quant à la crédibilité du banc didactique censé avoir un comportement global similaire au système réel. A ce stade nous définirons par conséquent des éléments de comparaison appelés « invariants » ; nous appelons « invariant » tout élé- ment, grandeur ou paramètre conservé lors de la trans- position didactique. On pourra bien entendu définir plusieurs catégories d'invariants selon qu'ils seront mesurables ou observables (invariant fonctionnel, matériel, technologique...). Parmi les grandeurs physiques relatives au système étudié, il faut identifier celles qui permettent une caracté- risation pertinente de son comportement ; on pourra être amené à distinguer : . des invariants absolus (grandeur physique telle que la puissance, l'éclairement, le flux lumineux, l'efficacité lumineuse...) . des invariants relatifs (valeur numérique sur une échelle arbitraire ou un nombre sans dimension obtenu à partir du rapport de deux grandeurs physiques identiques. Exemple : rendement, IRC, coefficients d'uniformité...). Un système didactique devant facilement s'intégrer en milieu scolaire, la recherche d'invariants absolus est souvent illusoire, et cela constitue plutôt l'exception que la règle ; de même la recherche systématique d'invariants technologiques peut aboutir dans certaines situations à des choix injustifiables ou incohérents. Pour notre étude, l'éclairement au sol (Eh) a pu être retenu comme invariant absolu, la surface à éclairer étant limitée à quelques mètres carrés. Cela permet de travailler avec des sources lumineuses de 70 W et donc de limiter le coût des constituants. REE N 1 Mars 2005 Repères 1 L'ECLAIRAGE (2'mE PARTIE) Elément de comparaison Nombre de luminaires (pour deux mâts) Projecteurs Lampes (type) Puissance unitaire Hippodrome des Flandres 16 (2 x 8) Symétriques (hémisphérique type Aréna vision MVF 403) Iodures métalliques (Philips MHD) 2000 W Banc didactique 8 (2 x 4) Asymétrique Iodures métalliques (Osram Han 70W Invariant inv. tech. Indice de rendu des couleurs Flux lumineux 85 90 200 000 lm par lampe 5 500 lm par lampe inv.rel. Efficacité lumineuse Courant absorbé (avec condensateur) Durée de mise en régime Eclairement horizontal (piste de trot) lOOtm/W 80 Im/W 5,6 A 0,33 A 5 mn 300 lux 6 mn 217 lux* inv.abs. inv.abs. inv. abs. inv. abs. Eclairement horizontal (piste de galop) Coefficients d'uniformité (trot) Coefficients d'uniformité (galop) Hauteur des mâts 340 lux 288 lux* Evmini/Evmax = 0,75 Evmin/Evmoy = 0,86 EvminilEvmax = 0,65 Evmin/Evmoy = 0,85 Evnitni/Evmax = 0,76 Evmin/Evmoy = 0,88 15 m EvminiEvmax = 0,58 Evmin/Evmoy = 0,74 1,3 rn inv.rel. inv.rel. Distance entre deux mâts 50 m 2,65 m Largeur des pistes Puissance absorbée Tension d'alimentation Trot : 10 m Galop : 16 m Zone morte : 5 m Trot : 0,8 m Ga) op: 1,3 m Zone morte : 0 m 32 kW 0,56 kW 3x4OOV-50 Hz 3 x 230 V - 50 Hz Tableau 2. Caractéristiques coiiipa-ées des deux iiistallatioiis. 2.3. Comparaison système réel - système didactique Le travail précédent nous permet d'établir une comparaison des comportements physiques entre l'installation réelle et le banc didactique. En y inté- grant d'autres critères on peut pousser l'analyse de façon à établir un polygone de siniilitude. Chaque critère de comparaison est apprécié sur une échelle arbitraire qui va de 1 à 5 (niveau 1 : distorsion impor- tante, niveau 5 similitude maximale). La figure ainsi obtenue permet de montrer les distorsions apportées par la transposition didactique, ainsi que les points à améliorer. Le polygone étant relativement voisin du cercle exté- rieur, le dispositif réalisé peut donc être considéré comme Il s'agit évidemmentdela valeurmoyenne, voir la figure4 pourlesrelevésde l'éclairementendifférentspointsde la pistesynthétique. 92 REE N 1 c Mars2005 Éclairage de l'hippodrome des Flandres Contraintes (réglages, 4 configuration, exploitation) Fonction d'usage Décomposition foncfionnelle 1 du:vscème dustème --- Matières d'oeuvre. "" ,.......' Décomposition ion' (enttantes. -',, X " ..- --' "'" " " "" ' " -.. "' "" ". \ / " \ -- " "-- " \ i'3 /n ïYt /', -', , J. \. \ t f s :iIt '/,, 1 2 3 `- ;a 5 AIk,'\., / "' -2 X" \ \ / / . x \ \ -'- -" \ 1 2 11%4 ntes \ f''/1 2 3 \4 5 .es. _____________) ____ ! _______j____ ! ____j____.____) \ ! t\.J ! ation, dion) 1 l a'\. 1 \/,/'X/ \.' "' \ --/ "\/' \,. "- \ \ Aiciteclure J i L'-- "/'/ '. " p/ " Sùiùâttide pluique \ fy Silnilihlde pfryique \ \ ! (Contrôte-C< J i : lrchitechue matétielle , (Gestion énergie) ryrlvtecture matédelle (Contrôle-Comiande) Comportement dymantique Figure 1. Polygor2ede similitude étant globalement satisfaisant ; il est très certainement perfectible au prix par exemple d'un remplacement des projecteurs par des versions ayant un diagramme polaire beaucoup plus proche de celui des projecteurs Aréna Vision. 3. Exploitation du banc didactique 3.1. Activités pédagogiques envisageables Autour de ce thème voici quelques pistes de travail : . simulation des performances (électriques et photo- métriques) de l'installation réelle grâce à un logi- ciel spécialisé (vérification du respect du cahier des charges) . étude structurelle et justification des choix techno- logiques relatifs à l'hippodrome des Flandres (poste de livraison, réseaux d'alimentation, technologie des sources lumineuses) . détermination des caractéristiques photométriques obtenues en régime permanent sur le banc didac- tique (déterminations des éclairements moyens, des coefficients d'uniformité) qualité de la lumière (IRC) . étude des grandeurs photométriques et électriques à la mise sous tension . étude du raccordement électrique (facteur de puissance, choix des protections, influence de la longueur et de la section des câbles). 3.2. Exemple d'une séance de travaux pratiques La séance s'adresse à un public d'élèves en pre- mière génie électrotechnique ayant les connaissances de base en éclairage, et leur permet ainsi de se fami- liariser avec les grandeurs utilisées par les éclaira- gistes. A travers la mesure et l'observation de certaines grandeurs elle doit conduire à une réflexion aidant d'une part à la compréhension des phénomènes phy- siques mis en jeu, et d'autre part à la justification des choix techniques. Séance - Résumé du travail à effectuer : Le banc didactique représente une partie de la zone courante des pistes de courses de l'hippodrome des Flandres (Nord). Nous étudierons simplement l'éclairage entre deux mâts, les mâts étant situés à intervalles régu- liers, l'éclairement reste le même et se répète le long de cette zone. Objectifs : 1) L'élève doit être capable de calculer les coefficients d'uniformité sur les différentes pistes, et évaluer ainsi la qualité d'une installation d'éclairage. 2) Il saura également justifier le choix des projecteurs suivant l'éclairement vertical et/ou horizontal désiré. 3) L'élève doit enfin savoir démontrer le choix judicieux de l'emplacement des armoires de commande aux REE No 3 Mars 2005 " n, Il F *, " L'ECLAIRAGE (2 EMI PARTIE pieds des mâts et de la distribution en haute tension afin de limiter la chute de tension. Critères d'évaluation : Conditions d'acceptation Critères d'évaluation Pertinence des mesures de flux Qualité des mesures de flux On exige : Que la mesure soit réalisée au point indiqué Des mesures d'éclairement horizontal et vertical évoluant dans l'espace, conformes à l'essai initial. De retrouver une différence d'uniformité entre les relevés établis sur le système didactique et ceux effectués sur le site de l'hippodrome. Justesse du calcul'Une exactitude du de la chute résultat en fonction de tension des données On tolère : Un écart de 15 % avec les mesures réalisées lors de l'essai initial Mise en évidence de l'influence du projecteur Mise en évidence de l'influence de la chute de tension Une observation de la diminution du flux lumineux lors de l'insertion d'une très grande longueur de câble. Une différence de 5 % dans les mesures par rapport à l'essai initial feu de brouillard feu de recul 4. Conclusion Sur un thème original et présentant des contraintes ZD spécifiques, les choix technologiques opérés sur une installation réelle d'éclairage peuvent être justifiés pour peu que l'on prenne un certain nombre de précautions (recherche d'un minimum d'invariants). De nombreux aspects des référentiels des classes de lycées techniques et professionnels sont accessibles depuis cette maquette. De nouveaux travaux sont en cours afin de mettre en évi- dence les limites de l'installation actuelle : il s'agit en l'occurrence de montrer les problèmes causés par les projecteurs placés face à la zone d'arrivée. En effet les logiciels utilisés dans la phase d'avant-projet (Calculux, Dialux...) effectuent les calculs d'éclairement en s'appuyant sur les valeurs moyennes des flux émis. La non-prise en compte du caractère modulé de la lumière élude complètement les problèmes rencontrés en imagerie numérique. Références Etude préliminaire Philips Eclairage de l'hippodrome des Flandres (projet 99NE865 CPE Ivry juillet 1999), . Techniques de l'IIlgénieur (Sources de lumière du XXlc siècle par Georges Zissis et J.J Damelincourt - Sources de lumière de l'éclairage électrique D 5800, D 5810 - Eclairage. Données de base. C 3340 par Marc La Toison). CD ROM Philips. . Epreuve d'admissibilité CAPET interne génie électrique (session 2001). Eclairage de 'hippodrome des Flandres (dossier CAPET session 2002 par Almonacid Vincentl. Ed e u r Jean-François Sergent, né en 1957, ancien élève de FEcote normale supérieure de Cachan, est agrégé de génie électrique et tltulaire d'un diplôme d'études approfondies en génie élec- trique obtenu à l'université de Jussieu. Il enseigne à l'universi- té des sciences et technologies de Lille où il intervient dans différents cursus unlversltalres flicence STA mention EEA, master professionnel GR2E, préparation à l'agrégation de génie électrique) En liaison avec UFM Nord-Pas-de-Calais, il participe également à la préparation aux concours de recrutement des professeurs de l'enseignement technique ; à ce titre il a développé un certain nombre de bancs didactiques inspirés d'installations réelles. REE N, i Mars 2005 Eclairage de l'hippodrome des Flandres i i uj- (_j! -----j t/ûtL 4 w t a ` ''-. L---t 1 --. j) %%%' t i Sf-- " 9 U -W ''' ! --''r "' " n-J-J '' ! j''} ; i._--- __Ut Ë%*M ' !! ' = "' - Qs ;'.', ;'r 1 r lfJ -1''''' ?8 !''--''' \\: . o '''j ë%S 9 iJ" " -\'-" ' '-j \.'M J !' ? > -' \ t " i -- r r \ -- " '- ' -'. " F ë - < "'- S ir \.'*'*-' -*- t) ? t.'f i-. ! *c -'- 'vy'C t t r\s. -o'S ''5 - " t-. " ' "'g " ' K \' - -'/%> S b " !' " n - ?? 'L-" '' " ''' ! 9 '0 : 0 --N ci \ \.\ i' "' - a) ' ; r\' '\..' : " < '' ! [. k' K \1 M <- kxi r " -''-j ki K k' T. Û ; EL- - '