Les composants d’une รฉolienne
ย ย Il existe deux types d’รฉoliennes : รฉolienne ร axe vertical et รฉolienne ร axe horizontal. L’รฉolienne ร axe horizontal est la plus courante. L’axe du rotor est parallรจle au sol. Elle est le plus souvent utilisรฉe dans des applications de faible puissance. L’รฉolienne est formรฉe de diffรฉrents composants : le rotor, le gรฉnรฉrateur ou l’alternateur, la tour, les batteries et les onduleurs. Le rotor est formรฉ de pales ayant un profil aรฉrodynamique. Le diamรจtre des= pales dรฉtermine la quantitรฉ d’รฉlectricitรฉ produite par le systรจme. On compteย habituellement 2 ร 3 pales. Lorsque le vent fait tourner les pales, celles ci font tourner le rotor qui fait tourner le mรฉcanisme d’entraรฎnement et le gรฉnรฉrateur. Le gรฉnรฉrateur/alternateur produit l’รฉlectricitรฉ grรขce ร la rotation des pales de l’รฉolienne. Le gรฉnรฉrateur produit du courant continu et l’alternateur produit du courant alternatif. La boรฎte d’engrenages : les รฉoliennes dont la puissance est supรฉrieure ร 10 kW sont munies d’une boรฎte d’engrenages qui permettent d’adapter la vitesse du rotor ร celle du gรฉnรฉrateur. Mais dans la plupart des mini-systรจmes, le gรฉnรฉrateur/alternateur tourne ร la mรชme vitesse que le rotor. L’empennage: un mรฉcanisme ร lacet maintient l’รฉolienne ร axe horizontale dans la ligne du vent. Des mรฉcanismes spรฉciaux de dรฉverrouillage permettent de se servir du systรจme ร lacet pour faire pivoter les รฉoliennes et les sortir de l’influence des vents forts lorsqu’ils risquent de les endommager. La tour : elle supporte l’รฉolienne et fait partie intรฉgrante du systรจme รฉolien. Elle doit รชtre conรงue pour porter le systรจme et rรฉsister aux intempรฉries. On utilise souvent les tours basculantes pour les petits systรจmes car elles facilitent l’entretien sรฉcuritaire de l’รฉolienne. Les batteries : permettent de stocker de l’รฉlectricitรฉ et de la restituer quand le vent n’est pas propice. Elles doivent avoir une forte profondeur de dรฉcharge (c’est la quantitรฉ d’รฉnergie qu’on peut extraire d’une batterie sans compromettre sa recharge).Les onduleurs : 1′ รฉnergie stockรฉe dans les batteries est sous forme de courant continu. Certains appareils d’รฉclairage et รฉlectromรฉnagers utilisรฉs dans le matรฉriel de camping, de navigation et dans les vรฉhicules rรฉcrรฉatifs sont conรงus au dรฉpart pour รชtre alimentรฉs en courant continu. Mais la plupart des appareils รฉlectromรฉnagers classiques utilisent le courant alternatif. L’onduleur convertit leย courant continu d’une batterie en courant alternatif. Il existe plusieurs types d’onduleurs: pour service lรฉger (100 ร 1000 W) sont gรฉnรฉralement alimentรฉs par un courant continu de 12 V et conviennent aux ampoules d’รฉclairage et aux petitsappareils tels que les postes de tรฉlรฉvision et de radio, ainsi qu’aux petits outils manuels. Les onduleurs ร usage industriel de 400 ร 10000 W peuvent รชtre reliรฉs ร diffรฉrentes tensions: 12, 24 ou 48 V.
Fluides รฉlectro-rhรฉologiques (ER)
ย Les fluides ER sont composรฉs de particules polarisables immergรฉes dans un fluide diรฉlectrique. Les particules utilisรฉes en gรฉnรฉral pour ces fluides sont : la silice, le titane, les zรฉolithes dont le diamรจtre varie de 0,1 ร 100 microns. Les huiles peuvent รชtre l’huile de silicone ou l’huile minรฉrale. Sous l’effet d’un champ รฉlectrique appliquรฉ de l’ordre de 1 kV/mm, ces particules forment des chaรฎnes, cet arrangement a pour consรฉquence de faire varier la rhรฉologie de ces fluides dont l’augmentation de la viscositรฉ. Winslow [4] a expliquรฉ cet effet dans les annรฉes 1940, ce qui lui a valu le nom de l’effet de Winslow pour ce phรฉnomรจne รฉlecto rhรฉologique. Dรฉjร en 1947 Winslow proposa quelques applications des fluides รฉlectre rhรฉologiques mais qui n’ont pas suscitรฉ beaucoup d’intรฉrรชt ร l’รฉpoque. Ces derniรจres annรฉes plusieurs chercheurs se sont intรฉressรฉs aux fluides ER [5]. Ces fluides rรฉpondent mรฉcaniquement ร la stimulation รฉlectrique de faรงon rapide (quelques millisecondes) et rรฉversible et se manifestent par la transition d’un รฉtat liquide ร un รฉtat gรฉlatineux sous l’application d’un champ รฉlectrique extรฉrieur. L’รฉnergie mรฉcanique des chocs et des vibrations peut รชtre absorbรฉe par ces matรฉriaux sous l’effet d’un champ รฉlectrique extรฉrieur. On observe alors une haute contrainte de cisaillement.
Prothรจse intelligente ร FM
ย Une des nouvelles applications les plus passionnantes de la technologie des fluides MR est le contrรดle d’amortissement en temps rรฉel des mรฉcanismes avancรฉs de prothรจses. Dans de tels systรจmes [11], un petit amortisseur de fluide MR appelรฉ ‘Smart Magnetic System’ est utilisรฉ pour le contrรดle en temps rรฉel du mouvement d’un membre artificiel basรฉ sur des donnรฉes d’un ensemble de dรฉtecteurs sensibles. Ce systรจme de genou basรฉ sur l’amortissement par les fluides MR contrรดlables a รฉtรฉ introduit dans le commerce du marchรฉ orthopรฉdique et de commerce en l’an 2000. Les amortisseurs classiques de prothรจses pour le genou artificiel devaient รชtre ajustรฉs pour accommoder les diffรฉrentes conditions de marche, mais ils ne pouvaient le faire en temps rรฉel. On devait les changer manuellement pour aller d’un mode ร un autre.
Historique des freins ร disques
ย Le frein ร disque [17], [18] a รฉtรฉ rรฉvรฉlรฉ au grand public lors des 24 heures du Mans de1953, avec sa premiรจre utilisation par Jaguar. Cette technologie avait fait l’objet de brevets depuis 1902 avec un dรฉpรดt au nom de Lanchester. Pour les avions, l’utilisation du frein ร disque est apparue durant la seconde guerre mondiale avec l’augmentation de l’รฉnergie ร dissiper rรฉsultant des atterrissages ร des vitesses de plus en plus grandes des avions. Une extension vers le frein multidis que qui permet d’augmenter les surfaces d’รฉchange est actuellement utilisรฉ pour le freinage des avions gros porteurs. D’autres domaines comme le transport ferroviaire et l’industrie utilisent le frein ร disque quand les รฉnergies ร dissiper sont importantes. Les disques ont la forme d’un cylindre de faible longueur dans leur partie active. Les surfaces opposรฉes du disque forment les pistes de frottement.La commande de freinage s’effectue par 1′ application des matรฉriaux de friction sur les faces du disque, ce qui est le rรดle des diffรฉrents รฉtriers de freins.
Frein aรฉrodynamique
ย Il existe aussi des systรจmes de freinage tel que le frein aรฉrodynamique, que nous avons au laboratoire et dont on va faire le calcul thรฉorique du couple de freinage. Il s’agit du systรจme Windcharger. C’est un systรจme qui fonctionne sous l’action de la force centrifuge. Il est montรฉ sur 1′ axe de 1 ‘hรฉlice. Il est constituรฉ par deux plaques courbรฉes, articulรฉes sur des bras diamรฉtralement opposรฉs calรฉs ร 90 degrรฉs par rapport ร l’hรฉlice supposรฉ bipale. La partie avant des palettes plus lourde et plus longue que la partie arriรจre, est reliรฉe ร un ressort. Si la vitesse du vent est infรฉrieure ร 8,50 m/s, le rรฉgulateur n’intervient pas, les palettes รฉtant maintenues en position concentrique par des ressorts. Lorsque la vitesse du vent dรฉpasse 8,50 mis, les ailerons du rรฉgulateur s’ouvrent automatiquement sous l’action de la force centrifuge. La pression de l’air qui vient s’exercer aussi renforce l’effet de cette derniรจre. L’ensemble agit comme un frein aรฉrodynamique.
Frein magnรฉtique
ย On utilise pour cela un frein magnรฉtique ร courant de Foucault de type Magtrol [24] qui peut fournir un couple de freinage maximal de 100 in-lbs (11,29 Nm). Cette expรฉrience consiste ร freiner le moteur par รฉtapes successives jusqu’ร son arrรชt complet et ร noter la valeur des couples correspondants. On calcule alors les valeurs de puissance correspondantes et on trace la courbe de puissance du moteur. On rรฉalise cet essai ร partir de plusieurs valeurs initiales de la vitesse de rotation. Pour faire varier la vitesse de rotation, on utilise un variateur de vitesse รฉlectronique dont la plage de frรฉquence varie de 2 ร 60 Hz.
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Table des matiรจres
SOMMAIRE
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIรRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRรVIATIONS ET DES SIGLES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 APERรU SUR L’รNERGIE รOLIENNE
1.1 Introduction
1.2 Courbe de Rayleigh
1.3 Thรฉorie de Betz
1.4 Classification des systรจmes รฉoliens
1.5 Les composants d’une รฉolienne
1.6 รvaluation des besoins en รฉnergie รฉlectrique
CHAPITRE 2 PRรSENTATION DES FLUIDES MAGNรTO ET รLECTRORHรOLOGIQUES
2.1 Introduction
2.2 Propriรฉtรฉs et applications des fluides รฉlectro ou magnรฉto rhรฉologiques
2.2.1 Fluides รฉlectro-rhรฉologiques (ER)
2.2.2 Les fluides magnรฉto-rhรฉologiques
2.3 Intรฉrรชt des fluides ER et MR
2.4 Reprรฉsentation des fluides ER et MR
2.5 Modรจles des mรฉcanismes contrรดlรฉs par les fluides MR
2.6 Comparaison des fluides MR et ER
2. 7 Quelques exemples de systรจmes ร fluides MR
2.7.1 Amortisseur pour suspension de siรจge de vรฉhicule lourd
2. 7.2 Systรจme de contrรดle sismique des vibrations des structures
2.7.3 Prothรจse intelligente ร FM
2.7.4 Frein MR รฉtudiรฉ
CHAPITRE 3 SYSTรMES DE FREINAGE
3.1 Gรฉnรฉralitรฉs
3.2 Frein ร particules magnรฉtiques
3 .2.1 Description gรฉnรฉrale
3.2.2 Caractรฉristiques et mode de fonctionnement
3.3 Freins รฉlectriques ร courant de Foucault
3 .3 .1 Principe de fonctionnement
3.3.2 Caractรฉristiques du frein ร courant de Foucault
3.4 Systรจmes de freinage ร friction
3.4 .1 Historique des freins ร disques
3.4.2 Les diffรฉrents freins ร friction
3.4.3 Exemples de performances des freins ร friction
3.5 Qualitรฉs demandรฉes ร un frein
3.5.1 Problรจme de freinage
3.5.2 Travail et puissance de freinage
CHAPITRE 4 DISPOSITIFS DE RรGULATION DES PETITES รOLIENNESย
4.1 Introduction
4.2 Exemples de systรจmes de rรฉgulation des petites รฉoliennes
4.2.1 Mise en drapeau de l’รฉolienne
4.2.2 Frein aรฉrodynamique
4.2.3 Calcul thรฉorique du couple de freinage du frein aรฉrodynamique
4.3 Inconvรฉnients de ces dispositifs de rรฉgulation
CHAPITRE 5 MONTAGE DU BANC ET RรALISATION DES ESSAISย
5.1 Conditions d’รฉtude
5.2 Banc d’essai
5.3 Caractรฉristiques du moteur utilisรฉ
5.3.1 Caractรฉrisation du moteur en utilisant un frein magnรฉtique
5.3.1.1 Freinmagnรฉtique
5.3 .1.2 Essais ร partir d’une vitesse de rotation de 300 RPM
5.3.1.3 Essais ร partir d’autres vitesses de rotation
5.3.2 Caractรฉrisation du moteur en utilisant le frein MR
5.3.2.1 Essai ร partir d’une vitesse de rotation de 300 RPM
5.3.2.2 Essais ร partir d’autre vitesse de rotation
5.3.2.3 Comparaisons entre ces deux freins
CHAPITRE 6 RรALISATION DES ESSAIS SUR LE FREIN MR
6.1 Premiers essais du frein MR (Lord)ย
6.1.1 Essai de ralentissement contrรดlรฉ
6.1.2 Essai ร maximum de puissance
6.1.2.1 Ralentissement ร partir 700 rpm
6.1.2.2 Ralentissement ร partir 615 rpm
6.1.3 Interprรฉtation des rรฉsultats des premiers essais du frein MR
6.2 Remarque importanteย
6.3 Estimation de la tempรฉrature interne du freinย
6.4 Essais du frein MR avec maintien du freinage dans le temps
6.4.1 Freinage de 524 ร 500 rpm
6.4.2 Freinage de 552 ร 500 rpm
6.4.3 Freinage de 576 ร 500 rpm
6.4.4 Freinage de 600 ร 500 rpm
6.4.5 Interprรฉtation des rรฉsultats des essais avec maintien du freinage
6.5 Essai du frein sous systรจme de refroidissement ร l’air
6.6 Calcul thรฉorique du dรฉbit de fluide pour refroidir le frein MR
6.6.1 1er cas: refroidissement ร l’eau
6.6.2 2ecas: refroidissement par รฉthyleneglycol
6.6.3 Reprรฉsentation du dรฉbit d’eau et d’ รฉthyleneglycol
6.7 Essais du frein MR ร froid
6. 7.1 Rรฉalisation du montage
6.7.2 Freinage de 521 ร 500 rpm
6.7.3 Essai 2
6.7.4 Freinage de 576 ร 500 rpm
6.7.5 Freinage de 600 ร 500 rpm
6.7.6 Interprรฉtation des rรฉsultats des essais ร froid
6. 7. 7 Rรฉcapitulatif des rรฉsultats des essais ร froid sans maintien de freinage
6.8 Comparaison des rรฉsultats des essais ร froid et ร tempรฉrature ambianteย
6.8.1 Comparaison des voltages appliquรฉs dans l’essai ร froid et ร tempรฉrature ambiante
6.8.2 Comparaison des puissances
6.9 Rรฉsumรฉ des rรฉsultats des essais prรฉcรฉdents
CHAPITRE 7 SIMULATION DU FREINAGE PAR LE FREIN MR
7.1 Position du problรจme
7.2 Simulation de l’algorithme de freinage
CHAPITRE 8 SYSTรME DE CONTRรLE DE LA VITESSE DE ROTATIONย
8.1 Commande du frein MR par un contrรดleur PID
8.2 Aspects matรฉriels des rรฉgulateurs PID
8.3 Influence des trois termes pris sรฉparรฉment
8.3 .1 Action proportionnelle
8.3.2 Action intรฉgrale
8.3.3 Action dรฉrivรฉe
8.4 Rรฉglage des paramรจtres des rรฉgulateurs
8.4.1 Fonction de transfert d’un PID
8.4.2 Mรฉthode pratique des rรฉglages
8.4.3 Ajustement et rรฉglage des gains
8.4.4 Accord des gains par la mรฉthode de Ziegler Nichols
8.5 Description du PID utilisรฉ
8.6 Ajustement automatique du PID (auto-tuning)
8.7 Montage avec contrรดleur PID
CHAPITRE 9 CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D’UN NOUVEAU FREIN MR
9.1 Position du problรจme
9.2 Augmentation de la viscositรฉ des fluides MR sous un champ magnรฉtique
9.3 Dimensionnement du frein MR
9.3.1 Foree dรฉveloppรฉe
9.3.2 Dimensionnement de l’arbre
9.4 Conception du frein MR
9.4.1 Choix du fluide MR
9.4.2 Calcul des rayons des disques
9.4.2.1 Premier cas: frein composรฉ d’un seul disque
9.4.2.2 Deuxiรจme cas: frein composรฉ de 3 disques reliรฉs en parallรจle
9.4.3 Calcul de l’รฉpaisseur des disques
9.4.3.1 Premier cas : frein composรฉ d’un seul disque
9.4.3.2 Deuxiรจme cas: frein composรฉ de 3 disques reliรฉs en parallรจle
9.4.4 Calcul du circuit magnรฉtique
9.4.4.1 Premier cas : frein composรฉ d’un seul disque
9.4.4.2 Deuxiรจme cas: frein composรฉ de 3 disques reliรฉs en parallรจle
9.5 Solution retenue
9.6ย Rรฉcapitulatif
CHAPITRE 10 ESSAIS DU NOUVEAU FREIN MR
1 0.1 Montage du nouveau frein sur le banc d’essai et refroidissement ร eauย
10.2 Caractรฉrisation du fluide MR utilisรฉ avec refroidissement ร eauย
10.3 Essais du frein pour arrรชter le systรจme en rotation avec refroidissement ร 1 ‘eau
10.3.1 Essai ร partir de 335 rpm
1 0.3.2 Essai ร partir de 520 rpm
10.3.3 รvaluation de ces essais avec refroidissement ร l’eau
10.4 Essais de freinage avec maintien et refroidissement ร l’air
10.5 Essai de freinage jusqu’ร une vitesse de consigne
10.5.1 Refroidissement ร l’air
10.5.2 Refroidissement ร l’eau
10.5.3 Comparaison des rรฉsultats des deux types de refroidissement
10.5.4 Commentaire sur ces rรฉsultats
10.5.5 Extrapolation des rรฉsultats
10.6 Rรฉgulation
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXES
1 : Spรฉcification du frein Rheonetic MRB-2107
2 : Dรฉtermination de la raideur du ressort
3 :Vรฉrification du bon รฉtalonnage du ressort du tachymรฉtre
4 : Caractรฉrisation du moteur par frein Magtrol
5 : Caractรฉrisation du moteur par le frein MR
6: Photos du banc d’essai
7: Fluide MRF 132
8 : Plan du nouveau frein MR
9 : รvaluation du coรปt du frein magnรฉtique
BIBLIOGRAPHIE
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