TP 19

Mesures et rendement sur Eolicc

Avant de commencer le TP notez dans votre agenda le travail à faire pour la prochaine séance :

1 - Réviser et éventuellement terminer ce TP

2 - Préparer le prochain TP en apportant et en ayant en tête tous les pré-requis

Mise en situation et objectifs du TP

Objectifs à atteindre

Ce TP a pour but de maîtriser la prise de mesure sur les différents capteurs du système Eolicc, puis d'étudier le fonctionement interne du convertisseur fréquence/tension de l'anémomètre.

Rappel des différents capteus d'Eolicc

L'éolienne à pas variable Eolicc possède 3 capteurs délivrant des informations mesurables à partir de ses coffrets :

Capteur

Grandeur physique mesurée

Symbole de la grandeur physique

Nature de l'information en sortie du capteur

Coffret

odomètre

vitesse de rotation de l'éolienne

Vrot

signal rectangulaire de fréquence proportionnelle à la vitesse de rotation

EOLIENNE

anémomètre

vitesse linéaire du vent

Vvent

tension continue proportionnelle à la vitesse du vent

VENTILATION

orientation des pales

angle des pales

Apal

tension continue proprtionnelle à l'orientation des pales

EOLIENNE

Rappel de la procédure de base pour obtenir une puissance maximale

Pour obtenir une puissance maximale en sortie de l'aérogénérateur pour une vitesse de vent constante, la procédure globale est la suivante :

régler les pales à 25°

régler la vitesse du vent constante (40 km/h par exemple)

attendre que l'éolienne atteigne une vitesse de rotation fixe en observant la sortie de l'odomètre

baisser l'orientation des pales à 18° environ

laisser l'éolienne accélérer et attendre qu'elle atteingne une vitesse de rotation constante

baisser l'orientation des pales à 10° environ

attendre que la vitesse de rotation de l'éolienne se stabilise

baisser lentement l'orientation des pales jusqu'à obtenir une puissance maximale Ps en sortie

Important : la puissance maximale en sortie de l'aérogénérateur ou la stabilisation de la vitesse de rotation sont donnés par les appareils de mesure correctement utilisés et non par votre propre ressenti.

Documentation et logiciel disponible

Pour effectuer ce TP vous disposez :

de la fiche pratique "La fonction monostable"

du logiciel Proteus (dont l'utilisation est parfaitement connue aujourd'hui)

de votre cahier marque tout avec les solutions de tous les TP passés

de votre expérience personnelle acquise dans toutes les activités de Génie Electrique passées

de la procédure suivante permettant de suivre point par point sur ordinateur un relevé de mesure effectué avec le multimètre orange Meterman 38XR :

Procédure pour tracer sur ordinateur une courbe de mesure en utilisant le multimètre Meterman 38XR

1 - effectuer la connexion et le calibrage correct du multimètre Meterman 38XR sur le capteur à mesurer

2 - relier le multimètre au port série de l'ordinateur en utilisant le cordon spécial du multimètre

3 - lancer le logiciel Multimètre Meterman 38XR sur l'ordinateur

4 - appuyer sur le bouton RS232 du multimètre pour établir la liaison avec l'ordinateur

5 - prendre une mesure avec le multimètre : l'afficheur du multimètre est retranscrit sur l'ordinateur

6 - appuyer sur le bouton START du logiciel : les points de mesure sont enregistrés dans le temps

7 - utiliser librement toutes les autres fonctionnalités du logiciel si elles répondent à un besoin de mesure

Travail demandé

Rappels :

Vous devez arriver en TP en ayant en tête tous les pré-requis et en ayant fait à la maison tout le travail préparatoire de révision.

Toutes les réponses (mesures, schémas, courbes, algorigrammes, explications, grafcet, logigrammes, chronogrammes, tableaux, solutions, etc.) ne rentrant pas sur les photocopies du sujet sont à rédiger sur votre cahier marque-tout à la page de ce TP. A la fin du TP vous ne repartirez qu'avec ce que vous avez rédigé. A la veille de l'épreuve pratique du bac vous n'aurez que votre cahier marque-tout pour réviser tous les TP et leurs solutions.

PARTIE 1 : prise de mesure et rendement du système (durée 1h30)

En utilisant un multimètre Meterman 38XR en fréquencemètre pour mesurer la fréquence issue de l'odomètre, ainsi qu'un voltmètre Meterman 35XL et un ampèremètre MX22 sur le calibre 10A en mode DC pour mesurer la puissance en sortie de l'aérogénérateur, effectuer les relevés suivant sous forme de courbe à tracer dans votre cahier marque tout :

1 - Pour une vitesse de vent de 40 km/h et avec l'ampoule comme récepteur, tracer les courbes Vrot=f(t) et Ps=f(t) pour un cycle complet respectant la procédure de base donnant une puissance maximale. A cette vitesse du vent et avec ce récepteur quel angle pour quel angle d'orientation des pales obtient-on une puissance Ps maximale ?

2 - Pour une vitesse de vent de 20 km/h et avec l'ampoule comme récepteur, tracer les courbes Vrot=f(t) et Ps=f(t) pour un cycle complet respectant la procédure de base donnant une puissance maximale. A cette vitesse du vent et avec ce récepteur quel angle pour quel angle d'orientation des pales obtient-on une puissance Ps maximale ?

3 - Pour une vitesse de vent de 10 km/h et avec l'ampoule comme récepteur, tracer les courbes Vrot=f(t) et Ps=f(t) pour un cycle complet respectant la procédure de base donnant une puissance maximale. A cette vitesse du vent et avec ce récepteur quel angle pour quel angle d'orientation des pales obtient-on une puissance Ps maximale ?

4 - Reprendre les questions 1 à 3 mais en utilisant cette fois la résistance comme récepteur.

5 - Déduire de ces expérience les conditions donnant la puissance maximale en sortie (type de récepteur, procédure, réglage de l'orientation des pales, etc.).

6 - En utilisant un voltmètre, mesurez la tension de sortie de l'anémomètre pour les 3 vitesses du vent du tableau suivant :

Vitesse du vent

Tension en sortie de l'anémomètre

0 km/h

20 km/h

40 km/h

7 - Le coffret EOLIENNE indique sur sa face avant que la tension en sortie de l'anémomètre peut être comprise entre 0V et 5V.

Pour quelle vitesse du vent la tension en sortie de l'anémomètre vaut 0 V ?

Pour quelle vitesse du vent la tension en sortie de l'anémomètre vaut 5 V ?

Déduire de vos remarques et de vos mesures la sensibilité et la plage de mesure de l'anémomètre d'Eolicc.

PARTIE 2 : étude du convertisseur fréquence/tension de l'anémomètre (durée 1h30)

2 - 1 : Principe du convertisseur fréquence/tension

L'anémomètre d'Eolicc, de rayon 40 mm, délivre un signal impultionnel contenant 4 impulsions par tour. Ce signal est converti en une tension continue proportionnelle à sa fréquence grâce à un convertisseur fréquence/tension interne à Eolicc (seule la tension continue en sortie est mesurable sur les bornes d'Eolicc). Le but de cette seconde partie est d'étudier expérimentalement sous Proteus le principe de la conversion fréquence/tension.

Un convertisseur fréquence tension s'obtient en mettant en cascade 2 fonctions électroniques :

un monostable

un filtre passe bas

Structure de conversisseur fréquence tension

Point

Grandeur physique

A

vitesse du vent

B

signal rectangulaire à fréquence variable

C

signal rectangulaire à rapport cyclique variable

D

tension continue proportionnelle à la vitesse du vent

Explications du convertisseur fréquence/tension :

A la sortie de l'anémomètre (en B) on obtient un signal rectangulaire présentant 4 impulsions par tour de la roue à aube (en raison des ILS et des aimants internes à l'anémomètre). On obtient donc en B un signal dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse du vent (mais dont la valeur moyenne reste constante et ne dépend pas de la vitesse du vent).

A chaque front montant du signal en B le monostable est déclenché. On obtient donc en sortie du monostable (au point C) un signal dont la fréquence est la même que celle du signal B (elle dépend du vent) mais avec un temps haut constant (correspondant à la temporisation du monostable). Le rapport cyclique du signal en C est donc proportionnel à la vitesse du vent.

Enfin le filtre va convertir le signal C en une tension continue égale à la valeur moyenne du signal. On obtient donc à la sortie du convertisseur fréquence/tension (en D) une tension continue proportionnelle à la vitesse du vent.

Aprés avoir étudier séparément le monostable et le filtre passe bas vous validerez sous Proteus une solution réalisant la conversion fréquence/tension pour l'anémomètre d'Eolicc.

2 - 1 - 1 - En utilisant la fiche pratique "Fonction monostable" expérimentez dans Proteus le montage monostable à base du circuit intégré NE555. Vous rechercherez le circuit NE555 dans le mémotech électronique afin d'avoir un complément d'information sur son rôle et sur son fonctionnement.

Remarques :

le circuit intégré NE555 étant un circuit analogique, il se trouve dans le chapitre 3 du mémotech électronique

le sommaire du chapitre 3 du mémotech électronique se trouve à la fin du chapitre 3

comme le montre le mémotech, la résistance R' utilisée dans le montage monostable à NE555 sur la fiche pratique "Fonction monostable" n'est pas obligatoire

les bornes 4 et 5 du circuit NE555 peuvent rester non connectées

le câblage le plus simple du NE555 en monostable est donc le suivant :

Fonction monostable à base de circuit NE555

A retenir : la fonction monostable permet de générer, à partir d'un signal rectangulaire, un autre signal rectangulaire dont le niveau haut est constant. Elle permet de passer d'un signal à "fréquence variable" à un signal à "rapport cyclique variable".

2 - 1 - 2 - Le filtre passe bas utilisé est un simple circuit RC :

Pour que ce filtre passe bas convertisse un signal rectangulaire en une tension continue de valeur égale à la valeur moyenne du signal d'entrée il faut que la constante de temps RxC du circuit soit supérieure à la période du signal rectangulaire d'entrée.

Expérimenter sous Proteus le filtre passe bas en mesurant la valeur moyene de diffrents signaux rectangulaire et en visualisant les signaux d'entrée et de sortie du filtre en temps réel sur l'oscilloscope de Proteus.

A retenir : le filtre passe bas permet de convertir un signal variable en une tension continue égale à sa valeur moyenne. Il permet de passer d'un signal à "rapport cyclique variable" à une tension continue proportionnelle à ce rapport cyclique.

2 - 1 - 3 - En utilisant un monostable suivie d'un filtre passe bas, tous les deux correctement dimentionés, validez sous Proteus une solution réalisant la fonction conversion fréquence/tension d'Eolicc sachant que :

la fréquence d'entrée devra être prise dans la plage réelle des fréquences délivrées par l'anémomètre (pour un vent allant de 0 km/h à 40 km/h)

la tension de sortie devra être dans la même plage que celle donné par Eolicc : la sensibilté de votre montage doit être la même que celle de l'anémomètre d'Eolicc

on précise que l'anémomètre d'Eolicc a un rayon de 30 mm et délivre 4 impulsions par tour

Voici le schéma structurel de base du convertisseur fréquence/tension :

Important : la durée du monostable est 1.1.R4.C2, et la constante de temps du filtre est égale à R1.C1.

Ces deux constantes de temps (R4.C2 et R1.C1) doivent être adaptées à la fréquence des signaux à convertir.

Pour une valeur donnée de R4.C2 et une valeur de R1.C1, le montage ci-dessus ne pourra convertir en tension que des signaux dont la fréquence est comprise dans un intervalle bien limité.

Il vous appartient de constater par l'expérience (grâce aux possibilités interactives de Proteus) la conséquence d'une fréquence trop élevée ou trop faible à l'entrée de monostable, puis de trouver les bonnes valeurs des composants permettant de convertir en tension un signal issue de l'anémomètre et image d'un vent allant de 0 km/h à 40 km/h.

Le signal issue de l'anémomètre sera simulé par un GBF, et un voltmètre mesure la tension continue en sortie :

Afin de visualiser la forme des signaux, ajoutez un oscilloscope à la sortie du monostable, à la sortie du filtre, et éventuellement à la sortie du GBF :

L'oscillogramme ci-desssous représente un "petit vent", avec (pour exemple) une fréquence de 33 hertz au niveau de l'anémomètre. Le monostable est donc déclenché 33 fois par seconde :

Avec une fréquence de 63 Hz ("Vent moyen") le monostable est déclenché 63 fois par seconde. Le temps haut en sortie du monostable est toujours le même. Par contre le temps bas est inférieur au temps bas pour le "petit" vent. Il en résulte donc une modification du rapport cyclique, et donc une modidication de la valeur moyenne (consultez votre voltmètre) :

Enfin, avec un signal de 88 Hz à la sortie de l'anémomètre ("Grand vent"), le rapport cyclique est proche de 1, le monostable étant déclenché 88 fois par seconde. On voit ici qu'on a atteind la valeur maximale de la fréquence que ce montage convertisseur fréquence/tension peut convertir. Pour convertir des fréquences supérieures, il faudra réduire la durée du monostable en modifiant les valeurs de R4 ou de C2 :

Une fois fonctionnelle, relevez dans votre cahier marque tout votre fonction convertisseur fréquence/tension en dimentionnant tous les composants (R4, C2, R1 et C1) et en commentant leur rôle.

2 - 2 : Utilisation d'un circuit convertisseur fréquence/tension spécialisé

Il existe des circuits spécialisés dans la conversion fréquence/tension. C'est la cas par exemple du circuit LM331.

Le montage suivant, utilisant un circuit LM331, réalise la fonction conversion fréquence/tension avec une sensibilité de 1 volt par kilo hertz :

Si la fréquence d'entrée est de 1.7 kHz, alors la tension de sortie est de 1.7 V :

Si la fréquence d'entrée est de 6.3 kHz, alors la tension de sortie est de 6.3 V :

Si la fréquence d'entrée est de 11.4 kHz, alors la tension de sortie est de 11.4 V :

Et ansi de suite pour les différente valeur de la fréquence d'entrée.

En appelant Fin la fréquence d'entrée (en Hz) et Vout la tension de sortie (en volt) on a la relation linéaire suivante :

Vout = k.Fin

avec k la sensibilité du montage : k = 1 V.kHz-1 dans le montage précédent

2 - 2 - 1 - Expérimentez ce nouveau schéma dans Proteus en ajoustant la position du potentiomètre afin d'obtenir exactement une sensibilité de 1 V.kHz-1.

Explication du montage :

Calcul de la tension de sortie

La tension de sortie Vout est fonction de la fréquence d'entrée Fin, selon la formule suivante :

Vout = Fin * 2.09 * (R9 / (R7 + RV2)) * R8 * C3

(valeur des résistances et potentiomètre en ohms, et valeur du condensateur en farads)

Exemple 1 : Fin = 10 KHz (pot RV2 réglé à 2K2)
Vout = 10000 * 2.09 * (100000 / (12000 + 2200)) * 6800 * 0.00000001
Vout = 10,00 V

Exemple 2 : Fin = 4 KHz (pot RV2 réglé à 2K2)
Vout = 4000 * 2.09 * (100000 / (12000 + 2200)) * 6800 * 0.00000001
Vout = 4,00

Modification de la fonction de transfert

Exemple : vous souhaitez produire une variation de 10 V en sortie pour une fréquence d'entrée max de 100 Hz (1 V pour 10 Hz). La formule donnée précédement s'applique toujours, et comme le condensateur C3 est un des composants prenant part dans la formule, on peut se contenter d'en modifier sa valeur dans un rapport de 100. De 10 nF, il passe ainsi à 1 uF.

Exemple 1 : Fin = 100 Hz (pot RV2 réglé à 2K2)
Vout = 100 * 2.09 * (100000 / (12000 + 2200)) * 6800 * 0.000001
Vout = 10,00 V

2 - 2 - 2 - Quelle est la fréquence en sortie de l'anémomètre lorsque le vent souffle à 0 km.h-1 et à 40 km.h-1 sachant que l'anémomètre d'Eolicc a un rayon de 30 mm et délivre 4 impulsions par tour ?

2 - 2 - 3 - D'après vos mesures quelle est la tension en sortie de l'anémomètre d'Eolicc lorsque le vent souffle à 0 km.h-1 et à 40 km.h-1 ? En déduire la sensibilité du convertisseur fréquence / tension utilisé dans l'anémomètre d'Eolicc.

2 - 2 - 4 - En utilisant un circuit LM331, proposez puis validez dans Proteus une solution pour réaliser la fonction conversion fréquence / tension de l'anémomètre d'Eolicc, c'est-à-dire un convertisseur fréquence / tension ayant la même sensibilité et donnant les mêmes valeurs qu'Eolicc. Une fois fonctionnelle, relevez votre solution sur votre cahier marque tout.

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