Faire varier la résistance d'un moteur fonctionnant en générateur

[Mat1006]

Bonjour,

Je suis en CPGE filière PC, et pour mon TIPE (projet exprimentale), je souhaite étudier une manière de produire de l'électricité en utilisant la force déployée par des athlètes dans des salles de sports.
Pour cela, je souhaite étudier le cas d'une machine à tirage verticale, dont on va remplacer la fonte par un moteur à courant continue.

L'intèret de ce montage est de produire un courant tout en simulant la résistance mécanique occasionnée par la fonte avec le couple magnétique du moteur.

Je souhaiterais faire varier ce couple (pour simuler le choix du poids sur la machine) en utilisant un hacheur et une carte arduino pour moduler le courant de sortie.

Cela est-il possible ?
Si oui, comment dois-je m'y prendre pour déterminer le couple à appliquer pour qu'il soit équivalent au poids fixé ?
Et enfin comment dois-je m'y prendre pour moduler le courant ?

Sachant que je possède un hacheur L298N.
Merci par avance,
Cordialement MB Mathis.
-----

[Murayama]

Bonjour!

Une machine comme celle-ci ne fonctionne qu'en traction.
On tire, la fonte monte, on relache doucement, la fonte descend.
Pourquoi ne pas laisser la fonte et utiliser l'énergie prouite quand la
fonte descend?

Addendum:
Avec en plus l'avantage de ne pas laisser la fonte en chute libre
quand on lâche tout.

Pascal

[gienas]

Bonjour Matt1006 et tout le groupe

] ...Une machine comme celle-ci ne fonctionne qu'en traction.
On tire, la fonte monte, on relache doucement, la fonte descend.
Pourquoi ne pas laisser la fonte et utiliser l'énergie prouite quand la
fonte descend? ...

+1

Pour en rajouter ”une couche” il faut savoir que pour utiliser la puissance délivrée par le moteur pour modifier sa résistance (mécanique) il faut du mouvement. Or, celui-ci est nul à l’arrêt.

Cette circonstance condamné donc l’idée du projet, mais pas forcément celle de la fourniture d’électricité.

Dynamo ou alternateur peuvent fonctionner dans les deux sens, au tirage comme au relâchement. Bien sûr l’énergie électrique fournie viendra s’ajouter à l’énergie physique développée, et impossible à quantifier. Ce sera équivalent à un alourdissent du poids, mais d’une quantité non fixé et non quantifiable.

[Mat1006]

En fait le but pour l'instant est juste de pouvoir contrôler la résistance "mécanique" du moteur. C'est à dire, accrocher un fil au moteur, tirer dessus (on ne s'occupe pas de la phase de descente pour l'instant) et constater que le moteur "résiste" (puisqu'il délivre un courant), puis dans un second temps essayer de faire varier cette résistance et de pouvoir la choisir. Ma prof de physique à l'air de dire que c'est possible avec un hacheur et une carte Arduino, qu'en pensez-vous ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[gienas]

Bonjour à tous

... juste de pouvoir contrôler la résistance "mécanique" du moteur. C'est à dire, accrocher un fil au moteur, tirer dessus ... et constater que le moteur "résiste" (puisqu'il délivre un courant) ... Ma prof de physique à l'air de dire que c'est possible avec un hacheur ...

Je vois mal ce qu'un hacheur peut bien vouloir faire dans cette galère.

Pour qu'il résiste, il faut l'alimenter pour qu'il tire dans le sens opposé. C'est vrai que dans ce cas, un hacheur, probablement asservi, peut faire le job.

Sauf qu'il ne conviendra pas du tout pour l'autre partie (à venir), de ta demande.

Nous ne savons rien du type de moteur concerné. Mais si ce moteur peut se transformer en générateur (condition obligatoire), le "pire" qui puisse lui arriver, c'est de la mettre en court circuit (sur une résistance nulle).

Essaie de le court circuiter et de voir l'effet sur la ficelle qui le tire.

Comme à l’arrêt, il délivre une tension nulle, il fournit une puissance nulle, donc sa résistance (mécanique) est nulle.

Quand sa vitesse augmentera, sa résistance augmentera, mais cette résistance est très limitée.

Puisque c'est à toi que la question est posée, et que tu es supposé avoir des idées sur la question, qu'en penses-tu?

[Mat1006]

En temps normal, le hacheur sert à piloter la vitesse de rotation du moteur avec une carte Arduino. Or ici on souhaite l'utiliser de manière rversible pour qu'il module la résistance du moteur.
De plus, vous avez dit : "Pour qu'il résiste, il faut l'alimenter pour qu'il tire dans le sens opposé" mais ici on ne souhaite justement pas l'alimenter, on veut le faire fonctionner en générateur pour que lorsqu'on le fasse tourner, il produise un courant qu'on pourrait potentiellement utiliser pour alimenter une batterie tout en fournissant une certaine résistance mécanique induite par cette production d'énergie (la résistance serait créée par la force de Laplace, donc une sorte de freinage magnétique).
On utiliserait à priori un moteur à courant continue pour l'expérience.

"Sauf qu'il ne conviendra pas du tout pour l'autre partie (à venir), de ta demande" --> Pour l'instant on essaye de réaliser la phase de tirage indépendamment de la phase de descente

"Quand sa vitesse augmentera, sa résistance augmentera, mais cette résistance est très limitée" --> Il nous importe peu que la résistance soit très faible le plus important serait de pouvoir quantifier et faire varier cette résistance à notre guise, en effet il s'agit d'un TIPE donc on ne va bien sur pas construire une machine de sport mais seulement proposer d'étudier une machine qui pourrait théoriquement fonctionner sur ce principe.

[antek]

Le principe du freinage avec un moteur DC consiste à l'utiliser en générateur.
Pour que l'effet soit variable il faut pouvoir faire varier la charge connectée en sortie.
Avec une GROSSE résistance variable, ou bien avec un transistor commandé (d'où arduino, mais on peut faire sans) soit en mode linéaire soit en tout ou rien.

[gienas]

En temps normal, le hacheur sert à piloter la vitesse de rotation du moteur avec une carte Arduino. Or ici on souhaite l'utiliser de manière rversible pour qu'il module la résistance du moteur.
De plus, vous avez dit : "Pour qu'il résiste, il faut l'alimenter pour qu'il tire dans le sens opposé" mais ici on ne souhaite justement pas l'alimenter, on veut le faire fonctionner en générateur pour que lorsqu'on le fasse tourner, il produise un courant qu'on pourrait potentiellement utiliser pour alimenter une batterie tout en fournissant une certaine résistance mécanique induite par cette production d'énergie (la résistance serait créée par la force de Laplace, donc une sorte de freinage magnétique).
On utiliserait à priori un moteur à courant continue pour l'expérience.

"Sauf qu'il ne conviendra pas du tout pour l'autre partie (à venir), de ta demande" --> Pour l'instant on essaye de réaliser la phase de tirage indépendamment de la phase de descente

"Quand sa vitesse augmentera, sa résistance augmentera, mais cette résistance est très limitée" --> Il nous importe peu que la résistance soit très faible le plus important serait de pouvoir quantifier et faire varier cette résistance à notre guise, en effet il s'agit d'un TIPE donc on ne va bien sur pas construire une machine de sport mais seulement proposer d'étudier une machine qui pourrait théoriquement fonctionner sur ce principe.

Désolé, mais je vais devoir casser le mythe et aussi le rêve.

Pour commencer, oublie l’idée que tu vas utiliser le moteur pour "s’autofreiner” et résister avec une force constante (le ”poids” de ta fonte).

J’entends bien que tu veux que la poignée que tu tiens au bout de ta corde soit comme un poids de 50 kg même si tu allonges/déplaces la corde. En ”instantané” le moteur qui exerce la force est à l’arrêt, il ne fait que tirer, dans le sens opposé, sans bouger. Il tire, lui aussi.

pour exercer cette tension il faut lui envoyer du courant, dosé pour que la traction soit de 50 kg, fixe. Il faut donc introduire un capteur de force entre la corde et la poignée, et asservir/réguler le courant moteur pour que la force reste constante, malgré le déplacement de la corde, qui va s’allonger pendant la période dite de montée de la charge.

Pendant sa ”descente” il corde devra se raccourcir, et ce cycle montre descente va se répéter à l’infini...

Pause pour faire un premier bilan.

Pour assurer cette fonction de résistance il faut alimenter le moteur avec une puissance quasiment constante majorée de la consommation du capteur et des circuits de contrôle. Et, même à l’arrêt, la consommation doit se maintenir alors que la ”production” possible (la récupération d’une énergie électrique) est totalement nulle.

Si donc une récupération est envisageable, ce c’est que pendant les déplacements, par exemple en faisant tourner une poulie par la corde qui retient le moteur (la fonte), rotation qui représente une goutte d’eau par rapport à l’énergie qu’il faut dépenser pour simuler le poids.

Essaye de revoir tes espérances à la lumière de ce scénario.

Le générateur entraîné par la poulie mentionnée ici ne servira qu’à alléger d’autant la puissance pompée sur l’alimentation indiepensable servant à alimenter le moteur principal qui ne fait que tirer, et qui absorbe une puissance constante.

[Mat1006]

Je comprends votre point de vue mais justement je ne compte pas alimenter le moteur...
Je crois que vous avez mal compris mon intention, le but n'est pas d'alimenter le moteur pour le faire tourner et le tirer dans l'autre sens en espérant que cela freine le mouvement, nous voulons simplement le faire fonctionner en générateur c'est à dire sans alimentation. En effet, en faisant tourner un moteur manuellement, il y a création d'un courant induit qui convertir l'énergie mécanique en énergie électrique et qui, de fait, exerce une force ayant tendance à freiner le mouvement. Notre but est juste de moduler et de contrôler ce freinage moteur.

[Mat1006]

Bonjour Antek, j'ai l'impression que vous avez saisi mon idée, avez vous une idée du montage à réaliser ?

[gienas]

... Je crois que vous avez mal compris mon intention ...

C’est sûr et ce qui me rassure, c’est que je ne suis pas le seul.

Le générateur que tu vas ajouter, va récupérer des fifrelins que tu dois consommer immédiatement ou les stocker pour un usage ultérieur. Quant à moduler un couple résistant, là tu rêves.

[Mat1006]

Très bien merci quand même pour vos réponses

[Antoane]

Bonjour,

le fonctionnement alternatif va effectivement être un, sinon le, gros problème. Cela peut se contourner en utilisant une machine produisant à trè faible vitesse de rotation ou en ajoutant une mécanique spécifique (eg basée sur une roue d'inertie alimentée pendant la phase de traction et qui délivre constament un coupl à la génératrice), mais cela va modifier la sensation pour l'utilisateur.

Si on met de côté la faible quantité d'énergie récupérable, et la faible innovation (des générations d'étudiants ont mené ce projet), on peut en revanche regarder, au moins en première étude, sur un équipement plus adapté, eg un vélo dàppartement/home trainer.

Dans ce cas, intercaller un convertisseur à decoupage (eg buck) entre la génératrice et une résistance de charge R (qui va modéliser le système récupérnt l'énergie dans un premier temps), va permettre de moduler lèffort que doit fournir le cycliste.
Sous quelques hypothèses raisonnables, le buck se modélise comme un ciuit sans perte tel que la tension de sortie Vout est reliée à la tension 'entrée Vin par le rapport cyclique dc d'un cignal de controle tel que : Vout = dc*Vin
L'analyse est aisée en termes de puissance : la puissance de sortie du buck est égale à sa puissance d'entrée (ie. la puissance fournie par le cycliste). La puissance de sortie s'exprime en fonction de R et de Vout, et donc de R, Vin et dc. Cela dépendra en pratique de la machine, mais on peut généralement écrire que la tension délivrée par la génératrice est proportionelle à sa vitesse de rotation ω : Vin = k*ω. Tu peux écrire ces quelques équations triviales et en arriver à démontrer que pour faire varier l'effort, ie la puissance, fournie par le cycliste, il suffit de jouer sur dc.

En pratique, suivant le niveau du cycliste, il n'est pas délirant d'espérer récupérer une centaine de W.

Tu peux aussi r´fléchir à les réinjecter sur le secteur, ce n'est pas très compliqué en thérie, ni en pratique si l'équipement (un onduleur dont tu peux controler la commande) est disponible.

[antek]

Bonjour Antek, j'ai l'impression que vous avez saisi mon idée, avez vous une idée du montage à réaliser ?

C'est le montage proposé par Antoane

. . . intercaller un convertisseur à decoupage (eg buck) entre la génératrice et une résistance de charge R (qui va modéliser le système récupérnt l'énergie dans un premier temps), va permettre de moduler lèffort que doit fournir le cycliste.

CPGE PC TIPE ça ne me dit pas grand chose, tu peux donner le cahier des charges exact pour cette étude ? Quel niveau ?

[Mat1006]

Bonjour, Antoane

Tout d'abord merci pour votre réponse.

Quand vous parlez de convertisseur à découpage parlez vous de hacheur ? Avez vous un type de hacheur précis à utiliser ? Car ma prof de physique m'a dit qu'il fallait surement qu'il soit réversible, est-ce que par exemple le L298N semble convenable ?

CPGE PC TIPE ça ne me dit pas grand chose, tu peux donner le cahier des charges exact pour cette étude ? Quel niveau ?

Nous sommes en 2ème année de prépa donc il est difficile de gérer à la fois les cours et le TIPE, ce qui fait nous n'avons pas de cahier des charges précis mais notre ambition n'est pas de révolutionner l'industrie du sport ou même de construire une machine à grande échelle mais seulement de réaliser une machine miniature qui si on augmentait la taille des composants fonctionnerait en théorie. Nous n'avons donc pas forcément un gros niveau technique en électronique...

[Antoane]

Bonjour,

> Quand vous parlez de convertisseur à découpage parlez vous de hacheur ?
Oui.

> Avez vous un type de hacheur précis à utiliser ?
Je ne connais pas le programme de PC en matière d'électronique de puissance, mais ca pourrait par exemple être un buck / step-down / hacheur dévolteur / hacheur abaiseur.

> Car ma prof de physique m'a dit qu'il fallait surement qu'il soit réversible
Ca se discute... est ce que vous compter non seulement extraire de la puissance du moteur mais aussi lui en fournir ? si non, inutile qu'il soit réversible. Ca simplifie cependant un peu les choses.

> Est-ce que par exemple le L298N semble convenable ?
C'est un composant d'un autre âge aux performances pitoyables, qui contient deux ponts complets, ie. 4 fois trop de composants de puissance, mais il peut convenir, avec l'avantage d'être simple d'utilisation.



Pour réaliser un démonstrateur, la premièse chose sera sans doute de choisir la génératrice et la mécanique adaptée. Le dimensionnement de l'électronique ad hoc est comparativement relativement simple.

[jiherve]

Bonjour,

Dans ce cas, intercaller un convertisseur à decoupage (eg buck) entre la génératrice et une résistance de charge R (qui va modéliser le système récupérnt l'énergie dans un premier temps), va permettre de moduler lèffort que doit fournir le cycliste.

bon c'est commercialisé depuis longtemps (D..n) sur celui de ma femme il ne manque que les prises USB pour qu'elle puisse recharger téléphones et tablettes.
JR

[Mat1006]

Il n'y a presque rien dans le programme de PC en terme d'éléctronique de puissance mais la prof à dit qu'il suffisait de se renseigner sur le sujet en faisant appel par exemple à des personnes comme vous qui s'y connaissent bien mieux.

En effet, je ne crois pas qu'on aura besoin de lui fournir de la puissance. Donc vous pensez qu'au niveau des branchements, il suffit d'inverser les rôles de l'accumulateur et du moteur ? Et pensez vous qu'il faudra passer par de la programmation pour faire varier le couple résistant de mon moteur (Arduino par exemple) ?

En ce qui concerne le L298N je vous parle de celui-ci car c'est celui qui est disponible au labo, mais si vous en avez un en particulier à conseiller qui serait aussi simple d'utilisation et abordable en terme de prix je suis preneur.

[Mat1006]

bon c'est commercialisé depuis longtemps (D..n) sur celui de ma femme il ne manque que les prises USB pour qu'elle puisse recharger téléphones et tablettes.
JR

Oui bien évidemment ! On ne prétend pas concevoir de toute pièce une telle machine et révolutionner le marcher mais seulement l'étudier dans un but éducatif

[jiherve]

re
je pense que dans celui que nous avons c'est un alternateur classique type GE (redressé ?) couplé à une charge active car l'effort peut être modulé de façon statique ou dynamique.
C'est totalement autonome et non ventilé !!!!
JR

[Kondelec]

Bonjour!

Une machine comme celle-ci ne fonctionne qu'en traction.
On tire, la fonte monte, on relache doucement, la fonte descend.
Pourquoi ne pas laisser la fonte et utiliser l'énergie prouite quand la
fonte descend?

Addendum:
Avec en plus l'avantage de ne pas laisser la fonte en chute libre
quand on lâche tout.

Pascal

Et comment tu fais pour moduler l'effort ? C'est un peu le but de la question.

[antek]

. . . mais seulement l'étudier dans un but éducatif

Dans ce cas commence par regarder le principe du buck dont parle Antoane -> https://fr.wikipedia.org/wiki/Convertisseur_Buck
Le hacheur est l'interrupteur avec sa logique de commande dans le schéma de principe, ce peut être un L298N (!) ou un simple transistor.
La logique de commande peut être réalisée avec un arduino (c'est pratique pour un prof -> y'a tout ce qu'il faut sur le net . . .) ou autre chose, mais il faut avant tout la définir.

[Mat1006]

Oui en effet, j'essaye de faire des recherches sur le sujet mais je n'arrive pas à trouver un moyen de faire varier mon couple résistant. Effectivement, il y a beaucoup d'information sur internet pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur avec un hacheur et une Arduino, mais aucune information pour faire l'inverse donc faire fonctionner le moteur en générateur c'est pour cela que je vous contacte. La difficulté réside également dans la programmation d'un tel dispositif car il y a des tutos pour le sens conventionnel mais pour le sens inverse, je ne sais pas s'il suffit de garder le même code et simplement d'inverser le rôle du moteur et de la batterie (stockage d'énergie) ou alors s'il faut totalement revoir le code. Surtout que je n'ai pour l'instant aucune connaissance en Arduino...

[Antoane]

Bonjour,

Oui en effet, j'essaye de faire des recherches sur le sujet mais je n'arrive pas à trouver un moyen de faire varier mon couple résistant. Effectivement, il y a beaucoup d'information sur internet pour faire varier la vitesse de rotation d'un moteur avec un hacheur et une Arduino, mais aucune information pour faire l'inverse donc faire fonctionner le moteur en générateur c'est pour cela que je vous contacte.

J'ai donné tous les éléments pour écrire les 3 équations nécessaires... L'as tu fait ?
Une fois que tu as ces équations sous les yeux, qu'est ce qui n'est toujours pas clair ?

La difficulté réside également dans la programmation d'un tel dispositif car il y a des tutos pour le sens conventionnel mais pour le sens inverse, je ne sais pas s'il suffit de garder le même code et simplement d'inverser le rôle du moteur et de la batterie (stockage d'énergie) ou alors s'il faut totalement revoir le code. Surtout que je n'ai pour l'instant aucune connaissance en Arduino...

C'est une question de mise en oeuvre, inutile de s'intéresser à comment tu vas faire qqch tant que tu ne sais pas quoi faire.

[Pascal071]

bonjour

Si le moteur est bien bloqué lorsqu'il est en C.c.
essayer une charge fictive, nombreux montages.
il faudra une diode en série, car la charge ne fonctionne que dans un sens.
https://www.google.fr/search?sca_esv...w=1350&bih=688

Cdlt

[Mat1006]

Voilà l'étude théorique que je viens de réaliser est-elle correcte ?TIPE.pdf

[Gyrocompas]

Bonjour,
Quand un temps frisquet et humide s'invite, le cycliste utilise ce type de matériel chez lui : https://www.garmin.com/fr-FR/p/696770
Grosso modo, selon le type de parcours choisi, plat ou bosse, une force résistance adaptée à ce qui est projeté est appliquée à la roue.
Faire un tour chez le D...thlon du coin, ils en ont en vente.

Les poids lourd utilisent un ralentisseur électrique : https://fr.wikipedia.org/wiki/Ralent..._(poids_lourd)

[Antoane]

Bonjour,

Voilà l'étude théorique que je viens de réaliser est-elle correcte ?Pièce jointe 487311

Ca me parait correct.
Note qu'étant donnés les valeurs limites que peut prendre dc, ton calcule montre que le système ne fonctionne que si la génératrice tourne à vitesse suffisante.

[Mat1006]

Bonjour Pascal071,
Quel serait l'intérêt d'une charge fictive par rapport à l'utilisation d'un hacheur ?

[Mat1006]

Merci beaucoup Antoane pour votre aide !

Est-ce que je peux avoir un moyen de vous contacter si je rencontre un problème ou si j'ai une question à vous poser ?