CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D’UN NOUVEAU FREIN MR

Les composants d’une éolienne

   Il existe deux types d’éoliennes : éolienne à axe vertical et éolienne à axe horizontal. L’éolienne à axe horizontal est la plus courante. L’axe du rotor est parallèle au sol. Elle est le plus souvent utilisée dans des applications de faible puissance. L’éolienne est formée de différents composants : le rotor, le générateur ou l’alternateur, la tour, les batteries et les onduleurs. Le rotor est formé de pales ayant un profil aérodynamique. Le diamètre des= pales détermine la quantité d’électricité produite par le système. On compte habituellement 2 à 3 pales. Lorsque le vent fait tourner les pales, celles ci font tourner le rotor qui fait tourner le mécanisme d’entraînement et le générateur. Le générateur/alternateur produit l’électricité grâce à la rotation des pales de l’éolienne. Le générateur produit du courant continu et l’alternateur produit du courant alternatif. La boîte d’engrenages : les éoliennes dont la puissance est supérieure à 10 kW sont munies d’une boîte d’engrenages qui permettent d’adapter la vitesse du rotor à celle du générateur. Mais dans la plupart des mini-systèmes, le générateur/alternateur tourne à la même vitesse que le rotor. L’empennage: un mécanisme à lacet maintient l’éolienne à axe horizontale dans la ligne du vent. Des mécanismes spéciaux de déverrouillage permettent de se servir du système à lacet pour faire pivoter les éoliennes et les sortir de l’influence des vents forts lorsqu’ils risquent de les endommager. La tour : elle supporte l’éolienne et fait partie intégrante du système éolien. Elle doit être conçue pour porter le système et résister aux intempéries. On utilise souvent les tours basculantes pour les petits systèmes car elles facilitent l’entretien sécuritaire de l’éolienne. Les batteries : permettent de stocker de l’électricité et de la restituer quand le vent n’est pas propice. Elles doivent avoir une forte profondeur de décharge (c’est la quantité d’énergie qu’on peut extraire d’une batterie sans compromettre sa recharge).Les onduleurs : 1′ énergie stockée dans les batteries est sous forme de courant continu. Certains appareils d’éclairage et électroménagers utilisés dans le matériel de camping, de navigation et dans les véhicules récréatifs sont conçus au départ pour être alimentés en courant continu. Mais la plupart des appareils électroménagers classiques utilisent le courant alternatif. L’onduleur convertit le courant continu d’une batterie en courant alternatif. Il existe plusieurs types d’onduleurs: pour service léger (100 à 1000 W) sont généralement alimentés par un courant continu de 12 V et conviennent aux ampoules d’éclairage et aux petitsappareils tels que les postes de télévision et de radio, ainsi qu’aux petits outils manuels. Les onduleurs à usage industriel de 400 à 10000 W peuvent être reliés à différentes tensions: 12, 24 ou 48 V.

Fluides électro-rhéologiques (ER)

  Les fluides ER sont composés de particules polarisables immergées dans un fluide diélectrique. Les particules utilisées en général pour ces fluides sont : la silice, le titane, les zéolithes dont le diamètre varie de 0,1 à 100 microns. Les huiles peuvent être l’huile de silicone ou l’huile minérale. Sous l’effet d’un champ électrique appliqué de l’ordre de 1 kV/mm, ces particules forment des chaînes, cet arrangement a pour conséquence de faire varier la rhéologie de ces fluides dont l’augmentation de la viscosité. Winslow [4] a expliqué cet effet dans les années 1940, ce qui lui a valu le nom de l’effet de Winslow pour ce phénomène électo rhéologique. Déjà en 1947 Winslow proposa quelques applications des fluides électre rhéologiques mais qui n’ont pas suscité beaucoup d’intérêt à l’époque. Ces dernières années plusieurs chercheurs se sont intéressés aux fluides ER [5]. Ces fluides répondent mécaniquement à la stimulation électrique de façon rapide (quelques millisecondes) et réversible et se manifestent par la transition d’un état liquide à un état gélatineux sous l’application d’un champ électrique extérieur. L’énergie mécanique des chocs et des vibrations peut être absorbée par ces matériaux sous l’effet d’un champ électrique extérieur. On observe alors une haute contrainte de cisaillement.

Prothèse intelligente à FM

  Une des nouvelles applications les plus passionnantes de la technologie des fluides MR est le contrôle d’amortissement en temps réel des mécanismes avancés de prothèses. Dans de tels systèmes [11], un petit amortisseur de fluide MR appelé ‘Smart Magnetic System’ est utilisé pour le contrôle en temps réel du mouvement d’un membre artificiel basé sur des données d’un ensemble de détecteurs sensibles. Ce système de genou basé sur l’amortissement par les fluides MR contrôlables a été introduit dans le commerce du marché orthopédique et de commerce en l’an 2000. Les amortisseurs classiques de prothèses pour le genou artificiel devaient être ajustés pour accommoder les différentes conditions de marche, mais ils ne pouvaient le faire en temps réel. On devait les changer manuellement pour aller d’un mode à un autre.

Historique des freins à disques

  Le frein à disque [17], [18] a été révélé au grand public lors des 24 heures du Mans de1953, avec sa première utilisation par Jaguar. Cette technologie avait fait l’objet de brevets depuis 1902 avec un dépôt au nom de Lanchester. Pour les avions, l’utilisation du frein à disque est apparue durant la seconde guerre mondiale avec l’augmentation de l’énergie à dissiper résultant des atterrissages à des vitesses de plus en plus grandes des avions. Une extension vers le frein multidis que qui permet d’augmenter les surfaces d’échange est actuellement utilisé pour le freinage des avions gros porteurs. D’autres domaines comme le transport ferroviaire et l’industrie utilisent le frein à disque quand les énergies à dissiper sont importantes. Les disques ont la forme d’un cylindre de faible longueur dans leur partie active. Les surfaces opposées du disque forment les pistes de frottement.La commande de freinage s’effectue par 1′ application des matériaux de friction sur les faces du disque, ce qui est le rôle des différents étriers de freins.

Frein aérodynamique

  Il existe aussi des systèmes de freinage tel que le frein aérodynamique, que nous avons au laboratoire et dont on va faire le calcul théorique du couple de freinage. Il s’agit du système Windcharger. C’est un système qui fonctionne sous l’action de la force centrifuge. Il est monté sur 1′ axe de 1 ‘hélice. Il est constitué par deux plaques courbées, articulées sur des bras diamétralement opposés calés à 90 degrés par rapport à l’hélice supposé bipale. La partie avant des palettes plus lourde et plus longue que la partie arrière, est reliée à un ressort. Si la vitesse du vent est inférieure à 8,50 m/s, le régulateur n’intervient pas, les palettes étant maintenues en position concentrique par des ressorts. Lorsque la vitesse du vent dépasse 8,50 mis, les ailerons du régulateur 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 dernière. L’ensemble agit comme un frein aérodynamique.

Frein magnétique

  On utilise pour cela un frein magnétique à courant de Foucault de type Magtrol [24] qui peut fournir un couple de freinage maximal de 100 in-lbs (11,29 Nm). Cette expérience consiste à freiner le moteur par étapes successives jusqu’à son arrêt complet et à noter la valeur des couples correspondants. On calcule alors les valeurs de puissance correspondantes et on trace la courbe de puissance du moteur. On réalise cet essai à partir de plusieurs valeurs initiales de la vitesse de rotation. Pour faire varier la vitesse de rotation, on utilise un variateur de vitesse électronique dont la plage de fréquence varie de 2 à 60 Hz.

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Table des matières

SOMMAIRE
ABSTRACT
REMERCIEMENTS
TABLE DES MATIÈRES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES FIGURES
LISTE DES ABRÉVIATIONS ET DES SIGLES
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 APERÇU SUR L’ÉNERGIE ÉOLIENNE
1.1 Introduction
1.2 Courbe de Rayleigh
1.3 Théorie de Betz
1.4 Classification des systèmes éoliens
1.5 Les composants d’une éolienne
1.6 Évaluation des besoins en énergie électrique
CHAPITRE 2 PRÉSENTATION DES FLUIDES MAGNÉTO ET ÉLECTRORHÉOLOGIQUES
2.1 Introduction
2.2 Propriétés et applications des fluides électro ou magnéto rhéologiques
2.2.1 Fluides électro-rhéologiques (ER)
2.2.2 Les fluides magnéto-rhéologiques
2.3 Intérêt des fluides ER et MR
2.4 Représentation des fluides ER et MR
2.5 Modèles des mécanismes contrôlés par les fluides MR
2.6 Comparaison des fluides MR et ER
2. 7 Quelques exemples de systèmes à fluides MR
2.7.1 Amortisseur pour suspension de siège de véhicule lourd
2. 7.2 Système de contrôle sismique des vibrations des structures
2.7.3 Prothèse intelligente à FM
2.7.4 Frein MR étudié
CHAPITRE 3 SYSTÈMES DE FREINAGE
3.1 Généralités
3.2 Frein à particules magnétiques
3 .2.1 Description générale
3.2.2 Caractéristiques et mode de fonctionnement
3.3 Freins électriques à courant de Foucault
3 .3 .1 Principe de fonctionnement
3.3.2 Caractéristiques du frein à courant de Foucault
3.4 Systèmes de freinage à friction
3.4 .1 Historique des freins à disques
3.4.2 Les différents freins à friction
3.4.3 Exemples de performances des freins à friction
3.5 Qualités demandées à un frein
3.5.1 Problème de freinage
3.5.2 Travail et puissance de freinage
CHAPITRE 4 DISPOSITIFS DE RÉGULATION DES PETITES ÉOLIENNES 
4.1 Introduction
4.2 Exemples de systèmes de régulation des petites éoliennes
4.2.1 Mise en drapeau de l’éolienne
4.2.2 Frein aérodynamique
4.2.3 Calcul théorique du couple de freinage du frein aérodynamique
4.3 Inconvénients de ces dispositifs de régulation
CHAPITRE 5 MONTAGE DU BANC ET RÉALISATION DES ESSAIS 
5.1 Conditions d’étude
5.2 Banc d’essai
5.3 Caractéristiques du moteur utilisé
5.3.1 Caractérisation du moteur en utilisant un frein magnétique
5.3.1.1 Freinmagnétique
5.3 .1.2 Essais à partir d’une vitesse de rotation de 300 RPM
5.3.1.3 Essais à partir d’autres vitesses de rotation
5.3.2 Caractérisation du moteur en utilisant le frein MR
5.3.2.1 Essai à partir d’une vitesse de rotation de 300 RPM
5.3.2.2 Essais à partir d’autre vitesse de rotation
5.3.2.3 Comparaisons entre ces deux freins
CHAPITRE 6 RÉALISATION DES ESSAIS SUR LE FREIN MR
6.1 Premiers essais du frein MR (Lord) 
6.1.1 Essai de ralentissement contrôlé
6.1.2 Essai à maximum de puissance
6.1.2.1 Ralentissement à partir 700 rpm
6.1.2.2 Ralentissement à partir 615 rpm
6.1.3 Interprétation des résultats des premiers essais du frein MR
6.2 Remarque importante 
6.3 Estimation de la température interne du frein 
6.4 Essais du frein MR avec maintien du freinage dans le temps
6.4.1 Freinage de 524 à 500 rpm
6.4.2 Freinage de 552 à 500 rpm
6.4.3 Freinage de 576 à 500 rpm
6.4.4 Freinage de 600 à 500 rpm
6.4.5 Interprétation des résultats des essais avec maintien du freinage
6.5 Essai du frein sous système de refroidissement à l’air
6.6 Calcul théorique du débit de fluide pour refroidir le frein MR
6.6.1 1er cas: refroidissement à l’eau
6.6.2 2ecas: refroidissement par éthyleneglycol
6.6.3 Représentation du débit d’eau et d’ éthyleneglycol
6.7 Essais du frein MR à froid
6. 7.1 Réalisation du montage
6.7.2 Freinage de 521 à 500 rpm
6.7.3 Essai 2
6.7.4 Freinage de 576 à 500 rpm
6.7.5 Freinage de 600 à 500 rpm
6.7.6 Interprétation des résultats des essais à froid
6. 7. 7 Récapitulatif des résultats des essais à froid sans maintien de freinage
6.8 Comparaison des résultats des essais à froid et à température ambiante 
6.8.1 Comparaison des voltages appliqués dans l’essai à froid et à température ambiante
6.8.2 Comparaison des puissances
6.9 Résumé des résultats des essais précédents
CHAPITRE 7 SIMULATION DU FREINAGE PAR LE FREIN MR
7.1 Position du problème
7.2 Simulation de l’algorithme de freinage
CHAPITRE 8 SYSTÈME DE CONTRÔLE DE LA VITESSE DE ROTATION 
8.1 Commande du frein MR par un contrôleur PID
8.2 Aspects matériels des régulateurs PID
8.3 Influence des trois termes pris séparément
8.3 .1 Action proportionnelle
8.3.2 Action intégrale
8.3.3 Action dérivée
8.4 Réglage des paramètres des régulateurs
8.4.1 Fonction de transfert d’un PID
8.4.2 Méthode pratique des réglages
8.4.3 Ajustement et réglage des gains
8.4.4 Accord des gains par la méthode de Ziegler Nichols
8.5 Description du PID utilisé
8.6 Ajustement automatique du PID (auto-tuning)
8.7 Montage avec contrôleur PID
CHAPITRE 9 CONCEPTION ET DIMENSIONNEMENT D’UN NOUVEAU FREIN MR
9.1 Position du problème
9.2 Augmentation de la viscosité des fluides MR sous un champ magnétique
9.3 Dimensionnement du frein MR
9.3.1 Foree développée
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 composé d’un seul disque
9.4.2.2 Deuxième cas: frein composé de 3 disques reliés en parallèle
9.4.3 Calcul de l’épaisseur des disques
9.4.3.1 Premier cas : frein composé d’un seul disque
9.4.3.2 Deuxième cas: frein composé de 3 disques reliés en parallèle
9.4.4 Calcul du circuit magnétique
9.4.4.1 Premier cas : frein composé d’un seul disque
9.4.4.2 Deuxième cas: frein composé de 3 disques reliés en parallèle
9.5 Solution retenue
9.6  Récapitulatif
CHAPITRE 10 ESSAIS DU NOUVEAU FREIN MR
1 0.1 Montage du nouveau frein sur le banc d’essai et refroidissement à eau 
10.2 Caractérisation du fluide MR utilisé avec refroidissement à eau 
10.3 Essais du frein pour arrêter le système en rotation avec refroidissement à 1 ‘eau
10.3.1 Essai à partir de 335 rpm
1 0.3.2 Essai à partir de 520 rpm
10.3.3 Évaluation de ces essais avec refroidissement à l’eau
10.4 Essais de freinage avec maintien et refroidissement à l’air
10.5 Essai de freinage jusqu’à une vitesse de consigne
10.5.1 Refroidissement à l’air
10.5.2 Refroidissement à l’eau
10.5.3 Comparaison des résultats des deux types de refroidissement
10.5.4 Commentaire sur ces résultats
10.5.5 Extrapolation des résultats
10.6 Régulation
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXES
1 : Spécification du frein Rheonetic MRB-2107
2 : Détermination de la raideur du ressort
3 :Vérification du bon étalonnage du ressort du tachymétre
4 : Caractérisation du moteur par frein Magtrol
5 : Caractérisation du moteur par le frein MR
6: Photos du banc d’essai
7: Fluide MRF 132
8 : Plan du nouveau frein MR
9 : Évaluation du coût du frein magnétique
BIBLIOGRAPHIE

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