REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR THERMIQUE ALIMENTE …
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Encadreurs : Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka UNIVERSITE D’ANTANANARIVO ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL PARCOURS: GENIE INDUSTRIEL Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur, grade Master, en Génie Industriel Présenté par : MAHARIDINY Lahy Soutenu le 09 Septembre 2015 Promotion 2014 « REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR THERMIQUE ALIMENTE AU GAZ DE GAZOGENE »
Transcript of REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR THERMIQUE ALIMENTE …
Encadreurs : Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur
Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL
PARCOURS: GENIE INDUSTRIEL
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur, grade Master, en Génie Industriel
Présenté par : MAHARIDINY Lahy
Soutenu le 09 Septembre 2015
Promotion 2014
« REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR
THERMIQUE ALIMENTE AU GAZ DE GAZOGENE »
Membres du jury
Président: - Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré, Maître de conférences à l’Ecole
Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
Examinateurs : - Monsieur JOELIHARITAHAKA Rabeatoandro, Enseignant Chercheur à
l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
- Monsieur RAMAHAROBANDRO Germain, Enseignant Chercheur à
l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
- Monsieur RANDRIANATOANDRO Grégoire, Enseignant Chercheur à
l’Ecole Supérieure Polytechnique d’Antananarivo
Encadreurs : - Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur
- Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka
Présenté et soutenu le 09 Septembre 2015 au Bloc technique de l’E.S.P.A
UNIVERSITE D’ANTANANARIVO
ECOLE SUPERIEURE POLYTECHNIQUE D’ANTANANARIVO
MENTION : GENIE MECANIQUE ET INDUSTRIEL
PARCOURS: GENIE INDUSTRIEL
Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du diplôme d’ingénieur, grade Master, en Génie Industriel
« REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR
THERMIQUE ALIMENTE AU GAZ DE GAZOGENE »
Promotion 2014
i
REMERCIEMENTS
Cette œuvre est l’aboutissement de cinq années d’études au sein de l’Ecole Supérieure
Polytechnique d’Antananarivo. Je rends grâce à Dieu pour sa bonté, de m’avoir donné la force et la
santé durant l’élaboration de ce mémoire. Je tiens également à adresser mes vifs remerciements à :
Monsieur ANDRIANARY Philippe, Directeur de l’Ecole Supérieure Polytechnique
d’Antananarivo, pour mes cinq années de formation dans cette école ;
Monsieur RAKOTOMANANA Charles Rodin, Responsable de la Mention Génie
Mécanique et Industriel, qui a fait que nos années d’études se déroulent dans de bonnes
conditions;
Monsieur RANARIJAONA Jean Désiré, Maître de conférences à l’ESPA qui a eu la
bienveillance de présider cette soutenance ;
Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur et Monsieur
RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka, respectivement encadreur
pédagogique et encadreur professionnel de ce mémoire, pour leur patience et leurs conseils
tant pour la partie réalisation que pour la partie rédaction de ce mémoire ;
Monsieur JOELIHARITAHAKA Rabeatoandro, Monsieur RAMAHAROBANDRO
Germain et Monsieur RANDRIANATOANDRO Grégoire, tous enseignants chercheurs à
l’ESPA, pour l’honneur qu’ils m’ont fait en acceptant d’examiner ce travail.
Que les responsables et l’ensemble du personnel de l’entreprise ARTICOM trouvent ici mes
sincères sentiments de reconnaissance pour leur accueil et leur collaboration.
Mes sincères remerciements s’adressent également à toute ma famille et à mes amis.
ii
Sommaire
INTRODUCTION ..................................................................................................................1
PARTIE I. GENERALITES ...............................................................................................2
Chapitre 1. Le gazogène ..................................................................................................2
Chapitre 2. La régulation automatique [5] [9] [13] .......................................................16
PARTIE II. METHODOLOGIE ....................................................................................24
Chapitre 3. Principe du régulateur .................................................................................28
Chapitre 4. Conception ..................................................................................................33
Chapitre 5. Résultats expérimentaux et conclusion ......................................................46
PARTIE III. REGARD SUR L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET AMELIORATIONS 53
Chapitre 6. Mise en contexte [23] .................................................................................53
Chapitre 7. Améliorations et recommandations ............................................................58
CONCLUSION ....................................................................................................................60
iii
Liste des abréviations et symboles
Bit: Binary digit
C:commande
CAN: Convertisseur Analogique Numérique
CNA : Convertisseur Numérique Analogique
CPU : Central Processing Unit
e:écart de réglage
E : force électromotrice induite en Volt
eta1,eta2: état de sortie du capteur
f : fréquence en Hertz
f.é.m : force électromotrice
IR : Infrarouge
K : coefficient de Kapp
Kv: coefficient de la vitesse
LCD: Liquid Crystal Display
n : vitesse de rotation en tours par seconde
N : nombre de conducteurs d’une phase de la machine (1 spire = 2 conducteurs)
q: débit de gaz
Φ : flux maximum à travers un enroulement en Weber
p : nombre de paires de pôles
PWM: Pulse Width Modulation
RAM: Random Access Memory
iv
ROM: Read Only Memory
Ta: Temps d'actualisation
Tc: Temps de calcul
Te: Temps d'échantillonnage
TOR: Tout OU Rien
tr/min: Tours par minute
U: tension
Vs; Vitesse de rotation à la sortie
Z : impédance
v
Liste des figures
Figure 1:Schéma d'une installation de force motrice à gazogène [17] ...................................2
Figure 2:Les différentes zones dans un gazogène [15] ..........................................................6
Figure 3:Schéma d’un système en boucle Ouverte (en haut) et en boucle fermée (en bas).17
Figure 4: La chaîne de traitement de l'information ..............................................................17
Figure 5: Schéma d'une chaîne-type de régulation [12] .......................................................19
Figure 6: La commande par calculateur ...............................................................................20
Figure 7: Cycle de base d’un programme d’un calculateur .................................................22
Figure 8: Schéma de principe de la production d'électricité ................................................24
Figure 9: Courbe de statisme ................................................................................................25
Figure 10: Mode isochrone ..................................................................................................25
Figure 11: Régulateur à boules [3] .......................................................................................29
Figure 12:Schéma de principe avec microcontrôleur ...........................................................31
Figure 13: Schéma de principe du système ..........................................................................32
Figure 14: Esquisse du mélangeur .......................................................................................34
Figure 15: Schéma synoptique de l'ensemble avec microcontrôleur ...................................37
Figure 16: Algorigramme du programme principal .............................................................39
Figure 17: Algorigramme du calcul de la vitesse V .............................................................41
Figure 18: Algorigramme de l’affichage ..............................................................................42
Figure 19:Algorigramme du mouvement du papillon ..........................................................43
Figure 20: Schéma de la connectique de l'ensemble ............................................................45
Figure 21: Courbe de la tension (essai type 1) .....................................................................46
Figure 22: Courbe de la fréquence(essai type 1) ..................................................................47
Figure 23: Courbe de la vitesse (essai type 1) ......................................................................48
Figure 24: Courbe de la tension (essai type 2) .....................................................................49
Figure 25: Courbe de la fréquence (essai type 2) .................................................................50
Figure 26: Courbe de la vitesse (essai type 2) ......................................................................51
vi
Liste des photos
Photo 1:Le gazogène ..............................................................................................................4
Photo 2: Le combustible utilisé ..............................................................................................6
Photo 3:Le cyclone .................................................................................................................9
Photo 4: Le refroidisseur ......................................................................................................10
Photo 5: Le filtre et l'épurateur .............................................................................................10
Photo 6: Le mélangeur .........................................................................................................11
Photo 7 : Aspirateur de démarrage .......................................................................................11
Photo 8: le groupe moteur ....................................................................................................13
Photo 9: les conduites d'alimentation du moteur..................................................................34
Photo 10: Le servomoteur ....................................................................................................35
Photo 11:Le capteur .............................................................................................................36
Photo 12: Le microcontrôleur monté sur une carte Arduino ................................................37
Photo 13: L'afficheur LCD ...................................................................................................38
vii
Liste des tableaux
Tableau 1:Caractéristiques usuelles du gaz de gazogène [6] .................................................8
Tableau 2: Vocabulaire utilisé dans une chaîne de régulation [12] .....................................20
Tableau 3: Structure générale du programme ......................................................................40
Tableau 4: Valeurs de la tension (essai type 1) ....................................................................46
Tableau 5: Valeurs de la fréquence (essai type 1) ................................................................47
Tableau 6: Valeurs de la vitesse (essai type 1).....................................................................47
Tableau 7: Valeurs de la tension (essai type 2) ....................................................................48
Tableau 8: Valeurs de la fréquence (essai type2) ................................................................49
Tableau 9: Valeurs de la vitesse (essai type2)......................................................................50
Introduction
1
INTRODUCTION
Le contexte énergétique actuel incite à trouver des alternatives aux produits pétroliers, en
raison de l’indisponibilité progressive de ceux-ci mais aussi dans un souci de protection de
l’environnement. L’utilisation de la biomasse comme source d’énergie, pour la production
d’électricité, se présente comme une solution en utilisant le procédé de la gazéification. Ceci est
possible avec les méthodes et les matériels adéquats comme les gazogènes. Le gaz produit est alors
utilisé dans un moteur thermique pour fournir de la force motrice qui sert à entraîner une génératrice
électrique.
Au fil des années, des améliorations et des optimisations ont été apportées au système de gazogène
comme le contrôle de l’entrée d’air dans le foyer, l’automatisation de l’alimentation en combustible,
l’optimisation des appareils de traitement du gaz,... Ce présent ouvrage en fait partie.
L’objet de ce mémoire est la régulation du régime d’un moteur thermique, alimenté au gazogène,
qui entraîne un alternateur pour produire de l’électricité.
Dans cette étude, on réalisera un régulateur numérique qui va agir sur le débit de gaz introduit dans
le moteur. Le but est d’assurer une vitesse constante dans les plages de puissance du système
gazogène – groupe moteur.
Le contenu de cet ouvrage est structuré comme suit : les généralités, sur l’installation à gazogène
et la régulation automatique, seront vues dans la première partie.
La deuxième partie sera consacrée à la méthodologie : la conception, la réalisation du régulateur
et l’étude des résultats des essais.
La troisième partie concerne l’évaluation des impacts sur l’environnement et les améliorations
possibles du projet.
Généralités
2
PARTIE I. GENERALITES
Chapitre 1. Le gazogène
1.1 Description de l’installation à gazogène
Un gazogène est un appareil permettant de produire un gaz combustible, qui peut alimenter des
moteurs spéciaux, dits à gaz pauvres, des moteurs à explosion classiques ou bien des chaudières, à
partir de matières solides et combustibles tels que le bois, le charbon de bois,…[22]
Une installation à gazogène comprend en générale :
le générateur de gaz ;
divers appareils pour le conditionnement du gaz produit ;
et l’unité d’utilisation de ce gaz.
Figure 1:Schéma d'une installation de force motrice à gazogène [17]
Généralités
3
1.1.1 Le gazogène [16]
Historique du gazogène d’essai
Le gazogène utilisé pour cette étude est celui conçu et mis en œuvre par la société ARTICOM dans
le cadre de l’étude approfondie de Mr Randriamorasata Ravaka. Cette étude avait pour objet de
concevoir, de dimensionner, de réaliser et de mettre en œuvre une plateforme de production
d’électricité à partir d’un groupe électrogène alimenté au gaz de gazogène. Cette étude préliminaire,
témoignant un rendement intéressant, des essais pratiques concluants et une étude économique
avantageuse, a ouvert d’autres problématiques que sont d’optimiser chaque maillon du système, en
vue de la vulgarisation effective de la technologie de gazéification.
Depuis la présentation des résultats de cette recherche, les activités suivantes ont été effectuées sur
le gazogène en question:
2012 : - Etude de l’épuration du gaz de gazogène en utilisant des matériaux conventionnels
(technologie d’adsorption).
- Essais prolongés du gazogène en utilisant des copeaux de pin, des copeaux de bois dur.
2013 : - Modification du système d’épuration, et essai des pouvoirs de filtration des charbons de
bois et des charbons actifs.
- Conception de gazogène « Tar free » limitant la production de goudron et améliorant la
qualité et le rendement de gazéification.
- Essai du gazogène en mode multi-étage (séchage, pyrolyse, combustion et réduction
séparés dans des lits différents).
- Recherche des conditions optimales en vue de l’automatisation de la conduite de gazogène.
2014 : - Amélioration du système d’épuration et de refroidissement par ajout de cyclone, de
radiateur de gaz, et de chambre de détente des gaz.
- Optimisation des combustibles de bois pour la conduite des gazogènes (essence du bois,
dimensions, taux d’humidité).
2015 : - Essai d’un pyroliseur sécheur de combustible à bois pour les gazogènes.
Généralités
4
-Utilisation du gazogène avec un moteur thermique essence, couplé à un alternateur.
-Essai prolongé du comportement dynamique du système gazogène moteur alternateur.
-Modification de la géométrie et des tuyères du foyer pour la conduite du gazogène au
charbon de bois.
- Régulation numérique du régime d’un moteur thermique alimenté au gazogène (présente
étude).
-Conception d’un turbocompresseur pour l’utilisation en dual fuel d’un moteur diesel
alimenté au gazogène (étude en cours).
Description
Le gazogène est un élément crucial de l’installation. La production du gaz combustible se fait dans
celui-ci et la qualité de ce gaz dépend fortement des conditions qui s’y trouvent. Le gazogène utilisé
est du type Imbert, à combustion renversée, à lit fixe (le combustible forme un lit dense au sein du
réacteur et se déplace verticalement). Le tirage du gaz se fait par le bas. Le gaz et l'air primaire
circulent dans le même sens que le combustible. Le choix du type de gazogène dépend de la nature
du combustible à utiliser, de la puissance que l’on désire obtenir, et de l’utilisation du gaz obtenu.
Photo 1:Le gazogène d’essai
Généralités
5
Il comprend deux parties fonctionnellement distinctes mais groupées dans la même enveloppe de
tôle, à savoir d'une part, la trémie et d'autre part, le corps du gazogène qui englobe lui-même le
système d'admission d'air, le foyer et le cendrier.
La trémie est destinée à recevoir la réserve de combustible. Le foyer, quant à lui, occupe à la partie
inférieure du gazogène un espace relativement réduit, enclos dans une enceinte en tôle. Il est séparé
du cendrier par une grille.
Pour le fonctionnement, le corps du générateur de gaz se décompose en différentes zones [1] [15]:
la zone de séchage ;
la zone de pyrolyse ;
la zone d’oxydation ;
et la zone de réduction.
Dans la zone de séchage, l'humidité présente dans le combustible est évacuée par évaporation. Cette
phase endothermique se produit à une température inférieure à 200°C.
La zone de pyrolyse c’est là où se forment les matières volatiles.
La zone d’oxydation correspond à l'arrivée de l'air distribué par des tuyères. Une couronne permet
de distribuer l'air sur les orifices de façon régulière. Le lit de charbon en réaction repose sur la grille
qui peut être actionnée mécaniquement lors de la formation de bouchon.
Généralités
6
Figure 2:Les différentes zones dans un gazogène [15]
La température dans le foyer et le débit d’air primaire sont des facteurs très importants dans le
processus de gazéification.
Le combustible
Le combustible utilisé est le charbon de bois.
Photo 2: Le combustible utilisé
L’humidité et la granulométrie du combustible sont des facteurs très influents sur la qualité du gaz
et le fonctionnement du gazogène. On préconise d’utiliser du combustible dont le taux d’humidité
est inférieur à 20 % [1].
Généralités
7
En effet, un combustible de faible taille permet d’obtenir une zone de pyrolyse bien définie et qui
ne se déplace pas au cours du processus contrairement à un combustible de taille plus importante.
Mais si le calibre est trop petit, l’air ne passe pas assez vite et le combustible brûle mal, et risque
d’étouffer le foyer. [15]
Le combustible doit aussi être exempt de poussières pour éviter les tassements et encrassements du
foyer du gazogène. L’idéal est donc que le charbon de bois descend facilement, sans former de
voûte.
Le charbon de bois a une valeur calorifique de l’ordre de 7500 Kcal/kg [19].
Le gaz produit [1]
La production gazeuse repose sur la technique de conversion thermochimique du combustible. Le
gaz qui sort du gazogène est un gaz pauvre. En effet la source d'oxygène est l'air ambiant, le gaz
contient donc une grande proportion d'azote, ce qui nuit à ses propriétés énergétiques.
Par réaction thermochimique, à des températures élevées (supérieures à 600 °C), et avec un déficit
en oxygène à haute température, la matière carbonée est pyrolysée. L'énergie apportée par la
combustion des produits de pyrolyse permet ensuite la réaction des gaz de combustions avec la
matière carbonée.
L'équilibre entre la pyrolyse et la combustion reste délicat et le gaz obtenu par gazéification
contient, comme pour tous dispositifs de combustion, de nombreux composés indésirables tels que
des oxydes d'azote (NOx), du sulfure d'hydrogène (H2S) et des goudrons à cycle benzénique.
Les réactions chimiques se déroulant dans le gazéificateur peuvent se décomposer en trois groupes:
Les réactions d'oxydation:
𝐶 + 02 → 𝐶𝑂2
Les réactions d'hydrogénation:
𝐶 + 𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂 + 𝐻2
𝐶 + 2𝐻2𝑂 → 𝐶𝑂2 + 2𝐻2
Les réactions de réduction :
Généralités
8
𝐶𝑂2 + 𝐶 → 2𝐶𝑂
L’accès de l’air au foyer est provoqué par la dépression créée lors de l’admission du moteur : le
tirage est dit aspiré.
Ainsi, les gaz obtenus en utilisant du charbon de bois comme combustible sont :
du monoxyde de carbone CO (20 à 30%) ;
de l'hydrogène H2 (10 à 20%) ;
du méthane CH4 (2% à 5%) ;
et des produits inertes à savoir 5% à 10% de dioxyde de carbone CO2 et de l'azote N2 (45%
à 60%).
Tableau 1:Caractéristiques usuelles du gaz de gazogène [6]
Ma
sse
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lum
iqu
e
(kg
/m3)
p0=
1,0
13
ba
r
T0=
28
8K
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(MJ
/m3)
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n
(%)
Vit
esse
de
com
bu
stio
n
(cm
/s)
1,1 à 1,2
supérieur
4,8 à 6,1
inférieur
4,6 à 5,8
0,9 à
1,2 5 à7 80
supérieure
20
inférieure
73 20 à 40
1.1.2 Le cyclone
C’est le premier élément qui effectue le traitement du gaz à la sortie du gazogène.
Avant l'admission dans le moteur, le gaz doit être complètement débarrassé des poussières qu'il
entraîne et dont l'action sur les organes mécaniques du moteur se traduirait par une usure rapide
[17].
Généralités
9
Photo 3:Le cyclone
En passant à travers le cyclone, le gaz est débarrassé des poussières les plus grosses, par la force
centrifuge. Il impose au gaz une rotation rapide afin d'en séparer les fines particules solides qui y
sont mélangées .
1.1.3 Le refroidisseur
Comme le gaz sort du gazogène à une température très élevée, son volume massique est très
important (plus un gaz est chaud et plus son volume molaire est important, et donc la quantité de
gaz de gazogène admise moins importante), ce qui entraîne la nécessité de le refroidir avant de
l'utiliser dans un moteur.
Le refroidissement permet en outre d'éviter la détérioration des éléments comme l’épurateur ainsi
que les risques d'inflammation spontanée lors du mélange du gaz avec l'air frais de combustion [1].
Le système de réfrigération du gaz est constitué comme un système réfrigérant de machine
thermique avec de l'eau froide circulant autour des conduits pour récupérer la chaleur, il est
constitué par une série de tubes. Les parois extérieures des tubes sont refroidies par le courant d'air
qui les frappe.
Généralités
10
Photo 4: Le refroidisseur
1.1.4 Le filtre et l’épurateur
L’aspiration entraîne avec les gaz, des poussières et des vapeurs. Le rôle de l’épurateur est de retenir
ces impuretés dont le moteur ne saurait s’accommoder.
L'épuration des gaz est physique. A la sortie du gazogène les gaz ne doivent contenir ni pyroligneux,
ni goudrons qui ont dû être brûlés lors de leur passage dans le foyer. [16]
Photo 5: Le filtre et l'épurateur
1.1.5 Mélangeur [3]
Il effectue la carburation du gaz, en jouant deux rôles :
il sert à mélanger le gaz épuré avec de l’air secondaire en quantité suffisante pour assurer la
combustion. Le volume normal d’air minimum pour une combustion du gaz est compris
entre 0.9 et 1.2 fois le volume normal de gaz, cette variation augmente selon que la valeur
calorifique du gaz (dosage stœchiométrique qui correspond au dosage théorique permettant
une combustion complète du gaz avec l’air) [5] augmente ;
Généralités
11
il règle aussi la quantité du mélange air-gaz à introduire dans le moteur, afin de contrôler la
puissance de ce dernier.
.
Photo 6: Le mélangeur
Les modifications pour la régulation se feront sur le mélangeur.
1.1.6 Appareillage auxiliaire [16]
Aspirateur de démarrage
Cet appareil sert à créer du tirage pour permettre l'allumage de la charge de combustible. Le
gazogène est alors isolé de l'admission moteur par une vanne. Quand la qualité du gaz est bonne,
on coupe le ventilateur, on ouvre la vanne d'isolement, et on actionne le démarreur du moteur. Une
fois le moteur démarré, la dépression aspire la quantité de gaz nécessaire au fonctionnement du
moteur et entretien le foyer.
Photo 7 : Aspirateur de démarrage
Généralités
12
Brûleur
Cet appareil se monte sur la ligne de refoulement de l’aspirateur de démarrage. En brûlant le gaz,
cet appareil permet de vérifier la qualité de ce gaz à partir de la couleur de la flamme (quand la
qualité est bonne, la flamme est d’une couleur bleu-rougeâtre).
1.2 La production d’électricité à partir d’une installation à gazogène [14]
[15]
Il y a divers possibilités techniques pour produire de l’électricité à partir du gaz combustible du
gazogène comme l’emploi des turbines à gaz (principalement utilisées pour les grandes puissances),
alimentation des moteurs thermiques ou des chaudières,…Ces appareils vont engendrer une force
motrice qui va entraîner une génératrice électrique.
Les moteurs offrent l'avantage d'être plus tolérants envers les impuretés que les turbines. Pour les
moteurs alimentés en gaz de gazogène, on distingue deux modes de fonctionnements : en dual-fuel
(diesel-gaz) ou en tout-gaz.
Le moteur dual-fuel utilise en permanence une fraction de gazole (15-20%) et peut en cas de panne
dans la production du gaz de gazogène fonctionner comme un groupe électrogène classique. Son
inconvénient est qu'il consomme toujours de l'énergie non renouvelable.
Le moteur tout gaz par contre fonctionne à 100% au gaz de gazogène. Son utilisation présente
l'inconvénient de rompre l'approvisionnement en électricité en cas de panne au niveau de la chaîne
de gaz.
1.2.1 Le groupe moteur
1.2.1.1 Le moteur thermique
Pour cette étude, le gaz est introduit dans la chambre de combustion d’un moteur thermique en
fonctionnement tout-gaz. Les caractéristiques du gaz de charbon sont satisfaisantes pour le
fonctionnement du moteur. Le gaz est mélangé avec de l'air en proportion stœchiométrique afin que
la combustion dans la chambre soit complète. Le gaz de gazogène ayant un pouvoir calorifique bien
moins important que l'essence, il pourra être nécessaire d'introduire une plus grande quantité de
mélange gaz-air que de mélange air-essence. Cette substitution de carburant entraine donc une
baisse jusqu’à 20 % de la puissance nominale du moteur par rapport à sa version standard [1].
Généralités
13
Le moteur utilisé est un moteur à allumage commandé classique, modifié pour les besoins de l’étude
(carburateur et pipe d’admission supprimés). Il est à injection indirecte (le mélange carburé air +
gaz est réalisé par le mélangeur avant son introduction dans le cylindre). Il transforme l’énergie
chimique contenue dans le mélange en une énergie mécanique sous forme de rotation du
vilebrequin. La dépression créée à chaque cycle dans le cylindre provoque une aspiration de gaz et
l’entretien du foyer.
Le contrôle de la puissance consiste à maitriser la quantité de gaz fourni par cycle au moteur. Cette
quantité conditionne la valeur de la pression moyenne effective (PME ou charge thermique du
moteur) dont les paramètres de contrôle sont le coefficient de remplissage et la richesse [15].
1.2.1.2 L’alternateur
Il convertit l’énergie mécanique du moteur thermique en énergie électrique. Il est entraîné par le
moteur par une courroie. La vitesse de rotation de l’alternateur est donc directement liée à celle du
moteur thermique.
Photo 8: le groupe moteur
Réglage en charge d’un alternateur [2] [3] [7] [20]
Un alternateur est une machine électrique de type synchrone utilisée en générateur de courants
alternatif. Le terme synchrone vient du fait que la vitesse de la machine est en synchronisme
(proportionnelle) à la fréquence des f.é.m. qu’elle produit (alternateur) ou du réseau qui l’alimente
(moteur) c’est-à-dire que la vitesse de rotation de l’arbre de sortie est égale à la vitesse de rotation
du champ tournant.
Les conséquences d’une augmentation de la puissance active débitée par un alternateur sont:
Généralités
14
sur la fréquence
La fréquence diminuera. Quand la charge d’un alternateur augmente sa vitesse diminue. Ce
changement est traduit par la relation suivante :
𝑓 = 𝑝 ∗ 𝑛
où f : la fréquence des f.é.m. induites
p : le nombre de paires de pôles
n : la vitesse de rotation du champ tournant
Donc si la vitesse diminue, la fréquence diminue dans les mêmes proportions.
sur la tension
La tension diminuera aussi. Trois causes sont à l’origine de cette diminution :
la vitesse
𝐸 = 𝐾 ∗ Φ ∗ 𝑁 ∗ 𝑝 ∗ 𝑛
où E : valeur efficace de la f.é.m induite
K : coefficient de Kapp
Φ : flux maximal pour une spire
N : nombre de conducteurs d’une phase de la machine
p : nombre de paires de pôles
Comme le produit K*Φ*N*p est constant, alors E diminue en fonction de n.
la chute de tension
𝑈 = 𝐸 − 𝑍𝐼
où U : valeur efficace de la tension entre phase et neutre
Z : valeur efficace de l’impédance intérieur du générateur
I : valeur efficace de l’intensité
U diminue et Z*I augmente
la réaction d’induit qui diminue le flux résultant
Généralités
15
Si Φ diminue, alors E aussi.
Lorsqu’un utilisateur enclenche un appareil, la puissance consommée supplémentaire est prélevée
sur l’énergie cinétique de rotation du rotor du générateur électrique. En l’absence de mesures
correctrices, il s’ensuit un ralentissement de toutes les machines synchrones, soit une baisse de la
fréquence. Toute variation de fréquence reflète ainsi un déséquilibre entre production et
consommation.
La fréquence du réseau et la vitesse de rotation de la génératrice synchrone sont donc liées
c’est-à-dire la variation des charges couplées au générateur électrique a une influence sur la qualité
du courant à la sortie. Pour les charges résistives, telles que les résistances chauffantes, la puissance
électrique est indépendante de la fréquence tandis que les charges inductives (les machines
électriques) sont eux sensibles aux changements de la fréquence.
Généralités
16
Chapitre 2. La régulation automatique [5] [9] [13]
La régulation automatique est la technique offrant les méthodes et les outils nécessaires à la prise
de contrôle d’une ou plusieurs grandeurs physiques d’un système en vue d’en imposer le
comportement.
Les grandeurs physiques, ou signaux (vitesse, température, pression, courant, etc.), doivent être
mesurées afin de vérifier leur état puis de déterminer à l’aide d’un traitement approprié l’action à
entreprendre sur le système ou processus (installation de production, robot, alimentation
électronique stabilisée, disque dur, etc.) pour qu’elles se comportent comme souhaité.
Avec le qualificatif automatique, on admet qu’aucune intervention manuelle n’est nécessaire ou s’il
y a intervention, elle est réduite, pour atteindre cet objectif.
Les méthodes de l’automatique offrent donc la possibilité de modifier le comportement statique et
dynamique d’une ou plusieurs grandeurs physiques d’un processus, afin qu’elles évoluent
conformément aux exigences de l’application. D’un certain point de vue, ces méthodes contribuent
significativement à augmenter la valeur ajoutée aux produits, en offrant les moyens d’améliorer les
performances de ceux-ci.
2.1 Principe
La régulation automatique repose sur le principe de contre-réaction ou ”feedback”, c’est à dire
réagir en fonction de ce qui est réalisé, connaissant ce qui est demandé.
L’objet d’application de l’automatique est appelé système. Un système se caractérise par ses
grandeurs d’entrée et de sortie. Les grandeurs d’entrée sont les grandeurs qui agissent sur le
système. Il en existe de deux types :
les commandes : celles que l’on peut maîtriser ;
les perturbations : celles que l’on ne peut pas maîtriser.
Un système est en boucle ouverte lorsque la commande est élaborée sans l’aide de la connaissance
des grandeurs de sortie : il n’y a pas de feedback. Dans le cas contraire, le système est dit en boucle
fermée.
Généralités
17
Figure 3:Schéma d’un système en boucle Ouverte (en haut) et en boucle fermée (en bas)
2.1.1 La chaîne de traitement de l’information [11]
Figure 4: La chaîne de traitement de l'information
Le contrôle de procédé met en œuvre une chaîne d’outils à plusieurs niveaux. Schématiquement, le
lien entre le capteur et l’actionneur peut se représenter comme ci-dessus. Le but étant de maîtriser
le procédé et, soit de le piloter, soit de l’empêcher d’évoluer en raison de perturbations.
2.1.2 Les éléments de la chaîne
Le système se décompose en trois zones : mesurage, algorithme et commande.
Le mesurage englobe le capteur, l’acquisition par le capteur et le traitement de la mesure ;
L’algorithme correspond à la partie calcul de la commande, en respectant les consignes ;
La commande représente l’écriture sur la carte de sortie ainsi que l’actionneur.
Généralités
18
o Le capteur
C’est l’élément d’interface avec le réel. Le calculateur sait uniquement acquérir des
informations électriques. Il est donc nécessaire de transformer l’information à traiter en valeurs
de tension ou de courant représentatives. C’est le rôle du capteur qui est en réalité composé de
deux parties : capteur et transmetteur.
o L’acquisition de la mesure
Le processeur de traitement gère exclusivement des éléments appartenant au monde numérique.
Il est donc nécessaire de convertir la mesure en une valeur mémorisable dans un champ de bits.
Les capteurs numériques réalisent directement cette conversion et envoient la valeur binaire
correspondante. L’acquisition réalisée par une carte d’entrée présente des caractéristiques dues
à l’échantillonnage et à la quantification.
o Le traitement de la mesure
En général, la valeur acquise n’est pas directement exploitable. En effet, des bruits parasites
peuvent avoir été générés, la mesure peut avoir été réalisée avec une stratégie qui impose une
opération mathématique pour la rendre utilisable.
Cette partie, si elle n’est pas systématique, doit cependant être maîtrisée car elle fournit les bases
des informations pour la suite.
o Le traitement de l’algorithme de régulation
A partir des informations actuelles et de la stratégie de commande choisie, l’algorithme va
définir les actions à effectuer. C’est en général la partie la mieux traitée par les développeurs
bien qu’elle ne puisse pas toujours résoudre des problèmes antérieurs qui auraient été négligés.
o La commande
Généralités
19
La valeur calculée par l’algorithme de régulation n’est pas obligatoirement envoyée directement
au procédé. Elle peut être modifiée (cas des servomoteurs) ou contrainte. La valeur finale est
ensuite envoyée sur une carte de sortie pour être convertie en valeur électrique (TOR ou
analogique).
o L’actionneur
C’est l’interface d’action sur le procédé. Cela peut être une vanne, une pompe, etc.
o Le procédé
Le procédé fournit une nouvelle valeur au capteur à partir de la commande passée mais aussi à partir
des perturbations qui vont le solliciter. La connaissance de son comportement est donc nécessaire.
L’évolution interne sera plus souvent vue comme une perturbation, plutôt que comme un élément
de pilotage. Le procédé pourra être stable ou instable.
Figure 5: Schéma d'une chaîne-type de régulation [12]
Généralités
20
Tableau 2: Vocabulaire utilisé dans une chaîne de régulation [12]
2.2 Régulation numérique [4] [5] [11]
L’utilisation des calculateurs numériques utilisés en temps réel pour commander, piloter,
guider…des procédés ou systèmes physiques qui par essence sont le plus souvent continus, a donné
naissance aux systèmes commandés échantillonnés (discrets/numériques).
La commande par calculateur, ou processeur, d’un procédé nécessite la mise en œuvre d’un certain
nombre d’éléments :
un processeur (calculateur) qui élabore la commande et réalise l’échantillonnage ;
des convertisseurs analogique-numériques, CAN ;
CNA
Procédé
Calculateur
CAN
Capteur Actionneur
Figure 6: La commande par calculateur
Généralités
21
des capteurs ou organes de mesure qui transmettent au calculateur les informations
recueillies sur le système continu, à travers les convertisseurs analogiques numériques ;
des convertisseurs numérique-analogiques, CNA.
En régulation numérique, le régulateur est réalisé sous la forme d’un algorithme de traitement,
programmé, s’exécutant à intervalles réguliers (période d’échantillonnage). Cela signifie que la
grandeur réglée est échantillonnée, c’est à dire observée qu’aux instants d’échantillonnage.
L’algorithme du régulateur est alors exécuté et délivre une grandeur de commande également à
intervalles réguliers.
2.2.1 Intérêts de la commande par calculateur
La souplesse d’utilisation du calculateur (machine programmable) à la place d’un correcteur
analogique (machine câblée) est remarquable :
la flexibilité de la programmation permet de réaliser des correcteurs finis, facilement
ajustables et auto-ajustables ;
fourni une grande précision, résout de problème de complexité (grand nombre de
paramètres), augmente les rendements, améliore les performances, etc.
Le choix du calculateur est évidemment très important puisqu’il a une incidence sur le coût, les
langages utilisables, les performances, la fréquence d’échantillonnage (via le temps et la vitesse
de calcul), etc. Il faut en général prendre en compte l’ensemble de l’architecture de commande
pour faire ce choix.
Un calculateur est constitué de plusieurs éléments. Quelle que soit la taille et la puissance de
calcul de la machine l’architecture est similaire :
L’élément central est l’unité de traitement arithmétique et logique (CPU) qui effectue les
séquences de programme et les calculs ;
Les programmes sont enregistrés dans une mémoire qui garde l’information même quand
l’alimentation électrique est coupée. Une autre mémoire est dédiée au stockage des données
; cette partie de la mémoire peut être ou non volatile, c’est-à-dire qu’elle s’efface quand la
tension d’alimentation est coupée ;
Les entrées-sorties sont les liens entre l’automate et son environnement. Leur type dépend
des caractéristiques du signal qu’elles doivent capter ou générer : signaux binaires ou
analogiques.
Généralités
22
Une alimentation pour les circuits électroniques internes.
Des interfaces de communication qui servent à l’échange d’informations numériques avec
le monde extérieur. Une de ces interfaces est utilisée pour charge le programme dans la
mémoire de le calculateur.
Figure 7: Cycle de base d’un programme d’un calculateur
2.2.2 Etapes de mise en œuvre de la commande par calculateurs :
Choix de la période d’échantillonnage ;
Quand on discrétise une loi de commande analogique, il faut remplacer une équation
différentielle par une équation aux différences. Le problème principal est donc celui de
l’approximation discrète d’une dérivée continue, ce qui impose une fréquence
d’échantillonnage très rapide.
Quand on commande un procédé discrétisé, on peut, par contre, choisir librement la fréquence
d’échantillonnage sous réserve d’avoir un modèle du procédé représentant correctement son
fonctionnement aux instants d’échantillonnage, ce qui est toujours possible.
On peut même choisir la fréquence en fonction de considérations tout à fait différentes, par
exemple en tenant compte de contraintes de temps de calcul.
Détermination du correcteur numérique à partir d’un cahier de charge ;
Généralités
23
Le correcteur, calculé en général dans le domaine fréquentiel, conduit, par retour au domaine
temporel au programme du calculateur (loi de commande).Il élabore en temps réel la
commande qu’il enverra à chaque instant ou pas d’échantillonnage au processus.
L’évolution du système dépend alors à chaque instant des résultats élaborés par le calculateur ; on
parle de commande par calculateurs en temps réel.
2.2.3 Qualités d’une bonne régulation :
Les qualités exigées d’une régulation industrielle sont définies par les critères suivants :
— la stabilité : la sortie doit toujours converger vers un point d’équilibre stable, et ne doit pas
osciller autour du point de consigne ;
— la précision : en régime établi, la grandeur régulée doit être maintenue en permanence au plu
près de la consigne ;
— la rapidité : on cherchera à atteindre le point d’équilibre en prenant le moins de temps possible
2.2.4 Applications
Les applications de la régulation automatique se rencontrent donc dans tous les systèmes dont une
(ou plusieurs) grandeur physique (température, pH, débit, pression, courant, vitesse, force, altitude,
profondeur, orientation, etc.) doit correspondre à une valeur prescrite, la consigne, laquelle pouvant
être variable, et cela sans intervention manuelle, c’est à dire de manière complètement automatique.
Méthodologie
24
PARTIE II. METHODOLOGIE
Nécessité de la régulation de vitesse du moteur
Le gazogène est, ici, utilisé pour produire de l’électricité. Chacun des appareils, qui composent
l’installation, transforme l’énergie qu’il reçoit en une autre forme d’énergie, pour obtenir finalement
de l’énergie électrique. Le point de départ est l’énergie chimique du combustible employé, le
charbon de bois.
Quand l’installation est en fonctionnement, le moteur thermique est alimenté en gaz, il produit une
force motrice que l’alternateur convertit en énergie électrique utilisable à la sortie. Comme
l’électricité produite ne peut être stockée, il faut constamment adapter la production à la demande.
En général l’alternateur produira en même temps de la puissance active et de la puissance réactive.
Ces puissances devront être égales à celles du réseau alimenté.
Si la puissance active fournie par l'alternateur est trop faible sa vitesse baisse, la fréquence diminue.
Pour maintenir la fréquence, le débit du gaz dans le moteur qui entraîne l'alternateur devra être
augmenté.
Inversement, si la puissance active fournie par l'alternateur est trop élevée, sa vitesse croit, la
fréquence augmente, on devra diminuer le débit de combustible dans le moteur d’entraînement.
La montée en vitesse du moteur peut avoir des conséquences graves :
pour la génératrice qui peut « griller » par fonte des vernis isolants les fils des enroulements.
pour un appareil qui se trouverait branché à ce moment-là et serait obligé de fonctionner
sous une tension et fréquence trop élevée, détériorant ces circuits électriques.
l'échauffement des moteurs asynchrones tels que les ventilateurs et pompes.
Gazogène
Ligne de
traitement du gaz
Moteur
thermique
Alternateur
Utilisateur
Figure 8: Schéma de principe de la production d'électricité
Méthodologie
25
Comme la vitesse du moteur thermique et de l’alternateur est directement liée, la mise en place d’un
système de régulation de vitesse du moteur, s’avère donc nécessaire, afin de garantir un
fonctionnement sécurisé et optimisé de la production électrique.
Modes de régulation possibles [8]
Deux modes de régulation peuvent être utilisés pour réguler la vitesse d’un alternateur :
la régulation de vitesse en mode statisme : dans ce type de régulation, la vitesse du
générateur diminue avec le pourcentage de charges. C’est-à-dire qu’entre le régime à
vide et la charge maximale, la fréquence décroît régulièrement selon une courbe linéaire.
Le statisme s’exprime en pourcentage (3 à 5 %)
la régulation de vitesse en mode isochrone : la vitesse de la machine est maintenue
constante indépendamment du pourcentage de charge, il n’y a plus de proportionnalité
vitesse-charge. Le régulateur de vitesse est lié au moteur d’entraînement.
Fréquence Courbe de statisme
Charge
Figure 9: Courbe de statisme
Fréquence
Charge
Figure 10: Mode isochrone
Méthodologie
26
Dans ce travail c’est la régulation de vitesse en mode isochrone qui est adoptée.
Elaboration du cahier des charges
La définition des caractéristiques du système qu'on souhaite produire est une étape très importante
dans la réalisation du projet de régulation.
Il s'agit de remplir un cahier des charges où seront notées toutes les exigences techniques à satisfaire,
que ce soit dans une situation de fonctionnement normal qu'en situation dégradée.
Dans l’exploitation d’une unité de production électrique, il faut s’assurer que la tension, le courant
et la fréquence produits par le générateur ne dépassent pas les valeurs admissibles normalisées. Pour
maintenir ces conditions, le générateur doit être muni de système de protection et de système de
régulation, pour permettre un fonctionnement correct lors d’une variation de la charge
(enclenchement ou déclenchement).
Le but recherché est d'obtenir à une vitesse constante du moteur (fréquence constante) une tension
égale pour toutes les valeurs de la charge.
Dans ce cas-ci, le régulateur devra assurer le maintien de la vitesse de rotation du moteur à
combustion interne à une valeur nominale ou à défaut, dans un intervalle de valeurs autorisée et
dans lequel il n'y a pas de risque de détérioration de la machine. Il sera de ±10% de la vitesse
nominale. En outre, il devra répondre en un temps relativement court aux perturbations qui
surviendront.
Le système doit assurer l'alimentation régulière du moteur aussi bien au ralenti que pendant la
marche à plein régime.
L’alternateur doit être régulé avec une consigne de vitesse de 1500 tr/min. Le régulateur mis en
place devra permettre d’apporter au système :
- un dépassement inférieur à 10% par rapport à la consigne ;
- un temps de réponse inférieur à 4 secondes ;
- et une stabilité de fonctionnement en régime permanent.
Méthodologie
27
Pour pouvoir surveiller le fonctionnement du moteur, il faut aussi mettre en place un appareil qui
permettrait de suivre, en temps réel, l’évolution de variables du processus de régulation.
Après cette description, il faut définir les variables d’entrée-sortie c’est-à-dire fixer les variables à
régler, la réglante et les perturbations:
• La vitesse de rotation de l’alternateur, c’est la grandeur à régler. La valeur nominale de la
vitesse de fonctionnement est 1500 tr/min ;
• La variation de la charge à la sortie du moteur sera la perturbation ;
• Le débit de gaz à l’entrée du moteur, qui est fonction de l’angle d’ouverture de la vanne [5
à 90°], sera la grandeur réglante.
Exigences du cahier des charges
Vitesse :1500 tr/min + 10 %
- 10%
Fréquence : 50 Hz + 1 Hz
- 1 Hz
Tension : 220V + 3 V
- 3 V
Temps de réponse : 4s < 4 s
Stabilité Stabilité en régime permanent
Méthodologie
28
Chapitre 3. Principe du régulateur
Le système actuel
La variation de la puissance se fait actuellement à l’aide d’une vanne qu’un opérateur règle
manuellement, en fonction de la vitesse constatée du moteur et de la tension en sortie de
l’alternateur. On peut noter que ce régulateur mécanique est sujet aux erreurs de réglages vus que
ces derniers sont faits manuellement.
L’adaptation du principe de régulation manuelle en vue d’une automatisation est indispensable. Il
y a plusieurs raisons justifiant le remplacement de l’opérateur par un système entièrement
automatique :
– pour augmenter la fiabilité de l’installation ;
– le système peut être trop rapide pour être géré manuellement ;
– pour améliorer la sécurité de l’opérateur et de l’installation elle-même ;
l’opérateur, libéré de la tâche de régulation, pourra se consacrer à la bonne marche
et la surveillance de l’installation.
3.1 Choix technologique
Pour la réalisation du régulateur de vitesse, deux options se présentent : mécanique et électronique.
Pour le régulateur mécanique, c’est le régulateur à boules qui est le plus utilisé pour le maintien de
la vitesse de rotation d’une machine qui utilise du combustible fluide.
Méthodologie
29
Figure 11: Régulateur à boules [3]
Par son principe même, le régulateur ne modifie la position de la vanne d'admission que s'il y a
variation de vitesse de la machine. Quand la vitesse augmente, le régulateur diminue l’admission et
la puissance décroît, quand la vitesse diminue, le régulateur augmente l'admission et la puissance
croit.
Mais par rapport à un système mécanique, un système électronique offre plus de possibilités. Les
avantages d’un système électronique sont :
la précision ;
le temps de réponse aux perturbations réduit ;
réduction des interventions humaines ;
encombrement moindre…
Pour un régulateur électronique, il y a deux grandes classes qui sont : le régulateur analogique et le
régulateur numérique.
Le régulateur analogique est réalisé avec des composants analogiques (essentiellement des
amplificateurs opérationnels et des résistances) et dispose d'un signal de sortie qui évolue de
manière continue dans le temps.
Méthodologie
30
Le régulateur numérique est réalisé à l’aide d'un système programmable (microcontrôleur par
exemple), son signal de sortie étant alors le résultat d'un algorithme de calcul. On obtient alors un
système linéaire échantillonné.
Actuellement, la tendance est à l'électronique programmée ou électronique embarquée. Par cette
méthode les schémas électroniques sont simplifiés et par conséquent l’utilisation de composants
électroniques est réduite. Il en résulte des systèmes plus complexes et performants pour un espace
réduit. C’est dans cette optique que le choix s’est tourné vers la réalisation d’un régulateur
numérique. Ceci offre de la souplesse et surtout de possibilités d’amélioration de fonctionnement :
si jamais le cahier des charges venait à changer, ce qui impliquerait un changement des paramètres
du régulateur, pour une régulation analogique on serait obligé de changer complètement le circuit
alors qu’en numérique on n’aura qu’à reprogrammer le régulateur.
Le régulateur sera donc réalisé avec une unité programmable : un microcontrôleur. [26]L’utilisation
d’un microcontrôleur pour les circuits programmables a plusieurs points forts :
Il intègre dans un seul et même boîtier ce qui, avant nécessitait une dizaine d’éléments
séparés. Il résulte donc une diminution évidente de l’encombrement de matériel et de circuit
imprimé ;
L’augmentation de la fiabilité du système puisque, le nombre des composants diminuant, le
nombre des connexions composants/supports ou composants/circuit imprimé diminue ;
Simplification du tracé du circuit imprimé puisqu’il n’est plus nécessaire de véhiculer des
bus d’adresses et de donnée d’un composant à un autre.
Pour la surveillance des variables de fonctionnement, un afficheur LCD est approprié pour cette
tâche.
Le schéma de principe est donc :
Méthodologie
31
Figure 12:Schéma de principe avec microcontrôleur
Pour l’entraînement du volet papillon, un moteur électrique combiné à une tringlerie fera cette
tâche.
Ce sera donc de l’électronique programmée, associée à un dispositif mécanique. Le microcontrôleur
gèrera les mouvements du volet papillon via le moteur électrique et il veillera aussi à l’affichage de
l’évolution des variables en temps réel à l’aide de l’afficheur LCD.
3.2 Principe de fonctionnement
Le principe du mécanisme installé est le suivant :
Quand le groupe moteur sera en marche, le dispositif devra adapter le débit de gaz introduit dans le
moteur en fonction de la demande en puissance. C’est-à-dire maintenir la vitesse de rotation du
moteur dans des valeurs admissibles (consigne).
Un capteur placé à la sortie du moteur mesurera la vitesse de rotation de celle-ci. Cette information
sera renvoyée dans le régulateur auquel est donnée une valeur de consigne. Un comparateur fera la
différence entre la valeur lue par le capteur et la consigne fixée. En fonction de l'écart entre les deux
valeurs, le régulateur délivrera une commande au papillon motorisé. Cette commande déterminera
l’angle d’ouverture du papillon donc le débit de gaz nécessaire pour ramener la vitesse du moteur à
la valeur de consigne.
Méthodologie
32
Figure 13: Schéma de principe du système
C: commande venant du régulateur à la vanne motorisée
q : débit de gaz combustible introduit dans le moteur
Vs : vitesse de rotation à la sortie du moteur
Méthodologie
33
Chapitre 4. Conception
Cette étape consiste en la compréhension du fonctionnement de l’installation et de ses applications.
D’après le chapitre 3, le système se présentera sous deux différentes parties : une partie mécanique
et une autre partie électronique.
Hypothèses
Dans tout ce qui va suivre, le gaz, à la sortie du gazogène, sera supposé à pouvoir calorifique
élevé et à qualité constante.
Le moteur étudié est déjà en fonctionnement, en régime stable et non transitoire, c'est-à-dire
après la phase de démarrage, après qu'il ait atteint sa vitesse de fonctionnement nominale.
La régulation sera faite autour du point de fonctionnement nominal du moteur considéré.
Seules les oscillations d'amplitude faibles seront prises en compte.
Ces conditions seront les hypothèses du travail et leur précision est nécessaire afin de bien cerner
la zone de fonctionnement dans laquelle seront prélevées les données pour la régulation.
4.1 Description de la partie mécanique du système
Le dispositif d'alimentation en gaz comprend :
une première conduite amenant le gaz du gazogène après conditionnement (1);
une deuxième amenant de l’air secondaire pour la combustion (2) ;
et enfin une troisième, formée de la jonction des deux premières, qui amène le mélange gaz
+ air vers l’admission du moteur.
Sur cette dernière se trouve un volet (5) dont l’axe est mut, à l’aide d’une tringle (3), par un
servomoteur (4). L’ouverture variable du volet installée sur la conduite d'alimentation, permet de
doser la quantité de gaz admise dans le cylindre du moteur.
Méthodologie
34
Figure 14: Esquisse du mélangeur
Photo 9: les conduites d'alimentation du moteur
Méthodologie
35
Le servomoteur
C’est un système motorisé capable d’atteindre des positions prédéterminées puis de les maintenir.
Le servomoteur intègre un système électronique qui convertit un signal numérique en un angle qui
sera reproduit sur le palonnier grâce au moteur électrique à courant continu. Il est asservi c'est-à-
dire qu'un circuit interne contrôle en permanence sa position.
La commande du servomoteur se fait par la technique de la MLI (Modulation de la Largeur
d’Impulsion). C’est par l’entrée d’impulsion du servomoteur que le microcontrôleur envoie le signal
numérique modulé en impulsions pour gérer les mouvements de celui-ci.
Il servira à mouvoir le papillon.
Photo 10: Le servomoteur
4.2 Description de la commande automatique du système
La commande automatique du système de régulation comprend les trois parties suivantes:
l’unité d’acquisition des signaux ;
l’unité de contrôle et de décision;
et la partie programmation.
4.2.1 Unité d’acquisition des signaux
L’unité d’acquisition des signaux c’est le capteur de vitesse.
Méthodologie
36
Un capteur c’est un organe sensible, transformant la grandeur à mesurer en un signal électrique,
normalisé, représentatif de l'information originelle.
Ici c’est un détecteur de proximité (référence FC-51), accommodé aux besoins de l’étude qui sert
de capteur de vitesse .Il fonctionne en étant associé à un réflecteur. Il est doté d’un émetteur et d’un
récepteur infrarouge. Le principe est le suivant : l’émetteur envoie une onde IR qui est réfléchie sur
le réflecteur puis récupérée par le récepteur
L’ensemble est placé à la poulie d’entrainement de l’alternateur. Le capteur est placé de telle sorte
qu’il est à l’abri d’éventuelles perturbations (forte lumière, vibrations,…).
A chaque passage du réflecteur, l’état de sortie du capteur va changer.
Photo 11:Le capteur
L’information du capteur (tension délivrée), est transmise en permanence au microcontrôleur qui
fonctionne avec le changement du niveau de tension (0V, 5V). Le calcul de la vitesse se fera à partir
du signal du capteur.
4.2.2 Unité de contrôle et décision :
La commande du système de régulation est basée sur le microcontrôleur ATMEGA 328P du
fabricant Atmel. C’est une unité de traitement d’information de type microprocesseur contenant
tous les composants d’un système informatique, à savoir microprocesseur, des mémoires et des
périphériques (ports, timer, convertisseurs…).
Méthodologie
37
Photo 12: Le microcontrôleur monté sur une carte Arduino
Le microcontrôleur reçoit les informations issues du capteur et du moteur entraînant le papillon.
Ces informations sont traitées afin de connaître la vitesse du moteur ainsi que l’angle d’ouverture
du volet papillon.
L’ATMEGA 328 a une mémoire programmable dans laquelle sont enregistrées des instructions qui
mettent en application les diverses fonctions employées pour le contrôle automatique de la vitesse
du système. Il convient parfaitement en termes de rapidité de calcul et d’entrées/sorties nécessaires.
L’afficheur LCD
Il permet de suivre en temps réel l’évolution des variables (vitesse et position angulaire). Pour cette
étude c’est un écran LCD alphanumérique 16 x 2 (16 colonnes et 2 lignes) qui est utilisé.
Capteur
Micro
con
trôleu
r
Afficheur
Servomoteur
Figure 15: Schéma synoptique de l'ensemble avec microcontrôleur
Alimentation
Méthodologie
38
Photo 13: L'afficheur LCD
Un circuit intégré de commande spécialisé, le LCD-Controller, est chargé de la gestion du module.
Le contrôleur remplit une double fonction: d'une part il commande l'affichage et de l'autre se charge
de la communication avec l'extérieur.
4.3 Partie programmation
Le microcontrôleur est programmé afin que l’interface matérielle (servomoteur, écran LCD) reçoive
les bonnes instructions, au moment idéal pour remplir sa fonction dans les bonnes conditions.
L’implémentation du régulateur sur celui-ci a été réalisée intégralement sur ordinateur via un
environnement de développement intégré de programmation dédié au microcontrôleur. Le code est
écrit, puis compilée et le fichier binaire peut alors être chargé dans le microcontrôleur.
4.3.1 Méthodologie logicielle
Voici les étapes pour développer une application avec un microcontrôleur :
1. Définition des paramètres d'entrées et de sorties du microcontrôleur :
Les signaux qui relient la logique câblée à la logique programmée (microcontrôleur, ROM,
RAM, entrées/sorties) sont : le signal venant du capteur comme entrée et les signaux vers
le servomoteur et l’afficheur LCD comme sorties.
2. Définition du programme principal :
Le programme principal consiste à l’acquisition du signal venant du capteur pour le calcul
de la vitesse, le traitement des données et l’envoi de la commande.
Voici l’algorigramme du programme principal :
Méthodologie
39
Figure 16: Algorigramme du programme principal
Le microcontrôleur effectuera en continu un cycle de Te millisecondes durant lequel les opérations
suivantes seront effectuées :
– la vitesse de rotation du moteur sera connue à partir du capteur (« Acquisition vitesse »);
– en fonction de la consigne donnée et des vitesses obtenues aux points précédents, le
microcontrôleur traitera les nouvelles données (« Traitement ») ;
– la nouvelle position angulaire du papillon sera faite, et les données (vitesse, position
angulaire, valeurs affichées) misent à jour (« Action »).
« marche » signifie que l’installation est en fonctionnement et que le circuit est alimenté.
Méthodologie
40
3. Définition des variables et des constantes :
Les constantes sont essentiellement la consigne et les différents coefficients utilisés pour le
calcul. Les variables étant la vitesse, la position angulaire et le temps.
4. Définition des différentes fonctions :
Les fonctions sont le calcul de la vitesse, la comparaison, la commande et l’affichage.
Tableau 3: Structure générale du programme
En-tête déclarative Fichiers d’inclusion
Déclaration des constantes
Déclaration des variables globales
Fonction Setup Déclaration des variables locales
Configuration des broches
Initialisation des variables
Initialisation des interruptions
Fonction Loop Instructions exécutées en boucle
4.3.2 Algorigrammes des différents sous programmes
Un algorithme est une série d’actes ou d’opérations élémentaires qu’il faut exécuter en séquence
pour accomplir une tâche quelconque, en suivant un enchaînement strict.
Un algorigramme est la représentation graphique d’un algorithme. Cet outil graphique prépare à
l’écriture du programme. Il est utilisé dans le but de programmer un système, généralement géré
par microprocesseur ou microcontrôleur. C’est une phase qui permet de décrire un comportement
et d’envisager les réactions du système. Il y a donc lien directe entre algorigramme et programme.
Le programme a été divisé en différentes parties à savoir le calcul de la vitesse, l’affichage et la
commande du servomoteur. Ceci facilite l’implémentation et favorise la réutilisabilité du travail
effectué.
Méthodologie
41
Calcul de la vitesse
La mesure de la vitesse se fait simplement en comptant le nombre de changement d’état pendant un
temps fixe. Les données sont les suivantes :
Le capteur est fixé en face de la poulie d’entraînement de l’alternateur et sur laquelle est
fixé le réflecteur.
La sortie du capteur change d’état à chaque passage du réflecteur (état haut, état bas).
La cadence d’échantillonnage utilisée est représentée par la variable Tc en millisecondes
Figure 17: Algorigramme du calcul de la vitesse V
Méthodologie
42
L’état de sortie du capteur est constamment surveillé. Kv est une constante dont la valeur dépend
du temps d’échantillonnage.
L’affichage
Figure 18: Algorigramme de l’affichage
Ta correspond à la fréquence d’actualisation des valeurs affichées (vitesse de rotation du moteur et
angle d’ouverture du papillon).
Méthodologie
43
Le mouvement du volet papillon
Dans les faits, la valeur réelle de la grandeur réglée, c’est-à-dire la vitesse, diffère de la consigne.
Si l’écart e est compris dans les limites admissibles de tolérance, c'est-à-dire à l’intérieur du «
différentiel » de réglage (± 15 tr/min correspondant à une fréquence du courant de l’alternateur de
50 Hz ± 0,5 Hz), les conditions de fonctionnement de l’équipement ne sont pas modifiées.
Figure 19:Algorigramme du mouvement du papillon
Méthodologie
44
4.4 Mise en œuvre
4.4.1 Le régulateur
Après la programmation du microcontrôleur, il ne reste plus qu’à mettre en œuvre l’ensemble et
tester réellement les fonctionnalités.
L’alimentation
L’alimentation doit satisfaire la consommation d’énergie totale du système (microcontrôleur,
écran LCD, servomoteur). Elle servira à fournir de l’énergie électrique au montage sous forme
de courant continu. Le microcontrôleur fonctionne sous 5V tout comme le servomoteur, l’écran
LCD, et le capteur. Le choix s’est donc tourné vers l’utilisation d’un adaptateur secteur pouvant
fournir une tension continue de 4.5V à 12V sous 500mA (l’obtention du 5V se fera à l’aide d’un
régulateur de tension).
Réglage du capteur
La réponse du capteur est sensible à la lumière, alors il faut régler sa sensibilité afin qu’il ne soit
réceptif qu’aux rayons réfléchis par le réflecteur.
Branchement
L’écran LCD fonctionne avec des données numériques, il utilise donc les broches de sorties
numériques du microcontrôleur. L’afficheur utilise les commandes à interface 8bits, ici la
commande a été faite sur 4 bits raison du nombre de broches disponible sur le microcontrôleur. La
vitesse de transmission est réduite mais assez pour les besoins de l’application.
Seuls les 4 bits de poids fort (D4 à D7) de l'afficheur sont utilisées pour transmettre les données et
les lire. Les 4 bits de poids faible (D0 à D3) sont alors connectés à la masse. On a donc besoin, hors
alimentation, de sept fils pour commander l'afficheur. Les données sont alors écrites ou lues en
envoyant séquentiellement les quatre bits de poids fort suivi des quatre bits de poids faible.
Méthodologie
45
Figure 20: Schéma de la connectique de l'ensemble
Le servomoteur est branché sur une sortie PWM du microcontrôleur.
La sortie signal du capteur est sur une entrée numérique.
4.4.2 Le gazogène
Concernant le gazogène, les étapes de mise en service sont :
le préchauffage du foyer avec du charbon incandescent et mise en marche de l’aspirateur
de démarrage;
après quelques minutes, on peut commencer à remplir la trémie par du charbon et puis on
ferme l’enceinte avec le couvercle du haut ;
on teste la qualité du gaz, et si elle est assez riche (la flamme est longue et d'une couleur
bleu-rougeâtre) pour faire tourner le moteur, on arrête l’aspiration et on démarre le moteur.
Méthodologie
46
Chapitre 5. Résultats expérimentaux et conclusion
Les séries de test ont été effectuées sur l’installation expérimentale qui se trouve à Itaosy, chez
l’entreprise ARTICOM, afin d’évaluer l’efficacité du système de régulation. Pour les mesures, des
charges ont été branchées sur l’alternateur.
Deux modes de fonctionnement ont été étudiés : le mode de fonctionnement sans perturbations
(type 1) et le mode de fonctionnement avec perturbations (type 2). Le premier correspond à une
marche à vide ou à une marche où aucune autre charge n’est ajoutée en cours de fonctionnement.
Dans le deuxième mode, on a ajouté d’autres charges à l’alternateur déjà en fonctionnement.
5.1 Résultats
Mode de fonctionnement sans perturbations
Les résultats suivants sont ceux d’un essai où on a fait tourner à vide l’alternateur.
Tableau 4: Valeurs de la tension (essai type 1)
Temps (s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tension (V) 230 219 220 220 220 220 220 220 220 220 220
Figure 21: Courbe de la tension (essai type 1)
216
218
220
222
224
226
228
230
232
0 10 20 30 40 50 60
Ten
sio
n e
n v
olt
Temps en seconde
La tension
Méthodologie
47
Au démarrage du moteur, on a une tension de 230 V. Cette valeur est ramenée aux alentours de
220V (±3 V) après 3 secondes et atteint exactement 220V à partir de la 9ème seconde après
démarrage.
Tableau 5: Valeurs de la fréquence (essai type 1)
Temps (s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Fréquence
(Hz)
51 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
Figure 22: Courbe de la fréquence (essai type 1)
C’est seulement au démarrage qu’on a une valeur supérieure à la consigne. Les valeurs se trouvent
dans le différentiel de réglage (± 1 Hz) en moins de 3 secondes.
Tableau 6: Valeurs de la vitesse (essai type 1)
Temps
(s)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Vitesse
(tr/min)
1560 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500 1500
Méthodologie
48
Figure 23: Courbe de la vitesse (essai type 1)
C’est comme pour la fréquence, c’est seulement au démarrage qu’on a une valeur supérieure à la
consigne. Les valeurs se trouvent dans le différentiel de réglage (± 15 tr/min) en moins de 3
secondes.
Mode de fonctionnement avec perturbations
Lors de cet essai, on a branché une ampoule électrique à l’alternateur déjà en fonctionnement.
Tableau 7: Valeurs de la tension (essai type 2)
Temps
(s)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Tension
(V)
220 220 220 218 221 220 220 220 220 220 220
Méthodologie
49
Figure 24: Courbe de la tension (essai type 2)
Lors de cet essai, l’ampoule a été branchée à la 15ème seconde d’un fonctionnement normal (toutes
les valeurs étaient nominales jusqu’au branchement de la charge). La tension a baissée à 218V et le
régime de consigne (±1%) a été atteint juste 3 secondes après.
Il n’y a pas de risque pour la charge car les valeurs ne dépassent pas les limites données par le
constructeur (charge utilisée : ampoule électrique).
Tableau 8: Valeurs de la fréquence (essai type2)
Temps (s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Fréquence
(Hz)
50 50 50 49 50,4 50 50 50 50 50 50
Méthodologie
50
Figure 25: Courbe de la fréquence (essai type 2)
La fréquence a baissée à 49 Hz lors du branchement de la charge. Mais cette baisse a été compensée
en 4 secondes. Le dépassement n’est pas conséquent car la valeur se trouve toujours dans la marge
de sécurité ±0.5 Hz.
Tableau 9: Valeurs de la vitesse (essai type2)
Temps
(s)
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Vitesse
(Hz)
1500 1500 1500 1475 1505 1500 1500 1500 1500 1500 1500
Méthodologie
51
Figure 26: Courbe de la vitesse (essai type 2)
Autre résultat :
On a aussi effectué des tests pour observer le comportement du système vis-à-vis du type de la
charge branchée. Pour une charge résistive on a utilisé une ampoule électrique et une meuleuse
comme charge inductive. Il est apparu que le temps de réponse mesuré tourne pratiquement autour
de 3 secondes pour les deux types de charges. Le temps de réponse maximal relevé a été de 4
secondes.
5.2 Interprétations et conclusion
Pour l’essai de type 1 on a fait marcher à vide l’alternateur on observe que toutes les valeurs sont
toutes supérieures aux consignes lors du démarrage. Elles reviennent à leurs valeurs nominales en
3 secondes donc la rapidité du système à atteindre la consigne est donc de 3 secondes. On constate
aussi qu’il n’y a pratiquement pas d’oscillations donc les paramètres du régulateur ont été bien
calculés pour ne permettre aucune perte de stabilité. On a observé une légère baisse de la vitesse
donc l’effet de la perturbation se traduit par une diminution du régime moteur on constate aussi une
légère oscillation de la sortie. Le système a détecté la diminution et a envoyé une action d’ouverture
de la vanne pour injecter plus de gaz dans le moteur pour compenser cette baisse de régime. Après
comme il y a un risque de dépassement par rapport à la consigne. Le régulateur a ordonné une
fermeture de la vanne pour limiter la quantité de gaz dans le moteur et ainsi ajuster la puissance du
moteur il n’y a qu’une seule oscillation le système est donc stable et comme l’erreur statique est
Méthodologie
52
pratiquement nul le système est donc précis. En conclusion on peut dire que le système de régulation
tel qu'il a été conçu répond aux exigences fonctionnelles de performance requises par le cahier des
charges. En effet le temps de réponse maximal relevé est de 4 secondes ce qui est assez court, il n’y
a pratiquement pas d’oscillations. Pour améliorer ce temps de réponse, on peut proposer
d’augmenter la fréquence d’échantillonnage et ainsi augmenter le nombre d’action du servomoteur
en une période, mais cela risque d’entraîner une instabilité.
Concernant le régulateur, c’est le temps de réponse qui reste à améliorer pour avoir un
fonctionnement optimal. Il faudrait revoir la partie mécanique, car la transmission du mouvement
du servomoteur vers le papillon prend du temps. Cela est dû aux jeux mécaniques et aux frottements.
La limite du système reste cependant la qualité du gaz qui est susceptible de changer en cours de
fonctionnement.
Exigences du cahier des
charges
Résultats obtenus
Vitesse :1500 tr/min + 10 %
- 10%
+ 0,3 %
- 1,6 %
Fréquence : 50 Hz + 1 Hz
- 1 Hz
+ 0,4 Hz
- 1 Hz
Tension : 220V + 3 V
- 3 V
+ 1 V
- 2 V
Temps de réponse : 4s < 4 s 3 s
Stabilité Stabilité en régime permanent Stable en régime permanent
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
53
PARTIE III. REGARD SUR L’IMPACT
ENVIRONNEMENTAL ET AMELIORATIONS
Chapitre 6. Mise en contexte [23]
L’adoption de la loi portant Charte de l’Environnement Malagasy (CEM) et la promulgation du
décret relatif à la Mise en Compatibilité des Investissements avec l'Environnement (MECIE)
impliquent une obligation, conformément à l’article 10 de la loi N° 90-033 du 21 décembre 1990,
pour les projets d’investissements publics ou privés susceptibles de porter atteinte à l'environnement
d’être soumis soit à une étude d’impact environnemental (EIE), soit à un programme d’engagement
environnemental (PREE), selon la nature technique, l’ampleur de ces projets et la sensibilité de
leurs milieux d’implantation.
Un impact sur l’environnement d’un projet peut se définir comme l’effet, sur une période de temps
donnée et dans un espace défini, d’une activité humaine sur une composante de l’environnement
biophysique et humaine, en comparaison de la situation en l’absence du projet.
Dans cette partie, l’impact environnemental de l’installation à gazogène sera traité mais aussi les
effets de la régulation automatique.
6.1 Les impacts sur l’environnement
6.1.1 De l’installation à gazogène
L’unité de gazéification de biomasse peut être classée parmi les développements qui nécessitent la
réalisation d’une étude d’impact environnemental.
Impacts négatifs
Les problèmes environnementaux d’un projet sont généralement dus à la pollution de l’eau, de l’air
et du sol, aux bruits et aux déchets.
Pollution de l’air
Pour l’installation à gazogène, le principal problème se situe au niveau de la pollution de l’air à
cause des fumées provoquées par la combustion et des gaz d’échappement des moteurs à
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
54
combustion interne. Pour remédier à ce problème des traitements comme la dénitrification des gaz
de combustion, la désulfurisation des fumées sont des solutions possibles.
Nuisance sonore
Il y a aussi la nuisance sonore, qui est liée à l’utilisation des machines tournantes comme les moteurs
qui donne lieu à des vibrations. Des mesures peuvent être prises pour atténuer cette pollution sonore,
comme la mise en place d’un dispositif qui peut aider à insonoriser le fonctionnement du moteur en
l'isolant de l'armature métallique qui le maintien, ainsi les vibrations seront absorbées. L’utilisation
des protections auditives est aussi une option pour le personnel travaillant sur l’installation.
Déchets
En ce qui concerne les déchets, ce sont essentiellement les cendres. Des traitements pourraient être
envisagés avant rejet dans le milieu naturel. Ainsi, les cendres peuvent être utilisées comme
amendement agricole.
Risque pour la biodiversité
A plus grande échelle, il y a aussi le risque d’altération de la biodiversité liée à la surexploitation
de la forêt pour la production du combustible.
Impacts positifs
Bilan carbone neutre
D’un autre côté, la gazéification de la biomasse contribue de façon significative à la réduction des
émissions de CO2 bien que ce procédé de valorisation énergétique dégage du dioxyde de carbone
(principal responsable de l'effet de serre), celui-ci n'est pas comptabilisé. En effet, contrairement
aux combustibles classiques, la biomasse est une source d’énergie renouvelable. L’énergie de
combustion de la biomasse provient principalement du cycle naturel du carbone, échangé par les
plantes et l’atmosphère. Lors de la photosynthèse, sous l’effet du soleil, les plantes captent du CO2
atmosphérique. Le carbone ainsi stocké constitue la base des molécules ligno-cellulosiques des
plantes. En brûlant du bois, on récupère l’énergie d’oxydation du carbone avant la restitution du
CO2 à l’atmosphère. C’est la raison pour laquelle, on dit que le bois est un combustible neutre du
point de vue du cycle du carbone. Par contre, l’utilisation des combustibles fossiles est responsable
de l’augmentation critique de la concentration en gaz à effet de serre dans l’atmosphère. La
substitution des combustibles actuels par de la biomasse diminue donc fortement les émissions de
CO2.
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
55
Cependant, la biomasse ne peut être considérée comme une énergie renouvelable qu'à condition de
maintenir le potentiel existant. Il s'agit de replanter au moins l'équivalent de la biomasse prélevée,
afin de maintenir l'équilibre entre le carbone présent dans l'atmosphère et le carbone piégé sous
forme végétale.
Amélioration du niveau de vie
L’électrification, amenée par la gazéification, favorisera l’amélioration du niveau de vie. En effet,
l’accès à l’électricité est un besoin vital au même titre que l’accès à l’eau ou à la nourriture
actuellement.
Participe à l’économie
L’effet sur l’économie n’est pas négligeable car le gazogène permet de valoriser une ressource
locale. Cela va générer une source de revenu aux ménages : développement des petites entreprises
pour le conditionnement et la production des combustibles par exemple. La vente de l’électricité
produite est aussi une de revenu. A plus grande échelle, la réduction des importations des produits
pétroliers, souvent onéreux, contribuera au développement économique.
L’indépendance énergétique
Les ressources utilisées sont toutes locales donc la capacité à satisfaire de manière autonome les
besoins énergétiques est augmentée, sans recourir à l’importation.
6.1.2 De la régulation automatique
Deux types d’environnements seront pris en considération : l’environnement interne et celui externe
au projet.
Internes
La qualité de l’électricité
La qualité de l’électricité recouvre trois notions différentes : la continuité d’alimentation, la qualité
de l’onde de la tension et la qualité de service. Avec la mise en place du système de régulation
automatique, la qualité du courant électrique fournie par l’installation se trouve améliorée. Ce qui
permettrait, d’une part de protéger les appareils de production et de fournir constamment une
énergie de qualité dont les paramètres sont maintenus à des valeurs nominales.
L’économie de combustible
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
56
Le système de régulation électronique permet de ramener la tension à sa valeur de consigne dans
des temps relativement brefs en cas de perturbations. Ce gain de temps est un aspect très important
qui permet de faire des économies au niveau du combustible utilisé pour produire le gaz au niveau
du gazogène. En effet, la quantité de gaz consommée sera d'autant plus grande que le temps mis
pour stabiliser la vitesse sera long. Cette économie de combustible n’a pas été quantifiée dans cette
étude mais elle n’est pas négligeable.
L’amélioration des conditions de travail
Les conditions de travail de l’opérateur sont améliorées. Par exemple pour la sécurité : il n’y a pas
de manipulation directe avec le moteur en marche.
Externes
Dans un contexte plus généralisé, l’automatisation réduit la pénibilité du travail humain et améliore
la productivité au travail. Il existe d’autres raisons qui justifient l’automatisation d’un
environnement de production. En voici quelques-unes :
l’augmentation de la productivité
Les performances de la solution automatisée sont supérieures à celles du manuel. Il n’est pas
possible d’évaluer cette augmentation mais elle est réelle.
la sécurité et les conditions de travail
La mise en place d’un système automatique permet de sécuriser le travailleur dans un
environnement à risque.
Dans ce sens, l’automatisation contribue grandement à l’amélioration de la qualité de vie du
travailleur. Mais d’autre part elle peut avoir une incidence sur l’emploi. En effet, en permettant une
croissance de la production à un moindre coût, l’introduction d’une machine à la place d’un ou de
plusieurs postes de travail, supprime nécessairement des emplois.
Mais d’un autre côté, en permettant de créer de nouveaux produits, l’automatisation engendre
l’apparition d’activités nouvelles, elles-mêmes génératrices d’emplois.
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
57
Synthèse
On constate que les impacts positifs devancent ceux des négatifs. De plus, des mesures d’atténuation
peuvent être prises pour remédier à ces impacts négatifs. Ainsi, on peut dire que ce projet respecte
l’environnement.
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
58
Chapitre 7. Améliorations et recommandations
Voici quelques idées d’améliorations et de recommandations pour l’installation :
Pour le système de régulation, la mise en œuvre du capteur devrait être revue car le signal
issu du capteur est quelque fois sujet aux parasites.
Pour le régulateur, l’idéal c’est qu’il ne maintient pas seulement la sortie dans la plage de
valeurs autorisées, mais qu'il la ramène tant que possible à sa valeur de consigne même.
Faire une étude économique liée à l’installation du régulateur, c’est-à-dire les coûts et les
répercussions financières de la mise en place du régulateur.
L’automatisation
L’installation se doit être pleinement automatisée, permettant ainsi un fonctionnement autonome.
Les dispositifs suivants sont susceptibles d’être automatisés :
o l’alimentation en combustible ;
o l’alimentation en oxygène du gazogène (mise en place d’une vanne de régulation) ;
o le réglage de la richesse (ratio air/gaz) ;
o l’évacuation des cendres ;
o le traitement des combustibles (calibrage, dépoussiérage).
L’utilisation d’un outil de mesure électronique avec un tableau de bord qui permettra de
contrôler la qualité du gaz produit. La température dans le foyer devrait être aussi surveillée.
L'utilisation d'un turbocompresseur afin d'améliorer le rendement énergétique du moteur
thermique.
Le gaz de gazogène ayant un pouvoir calorifique bien moins important que l'essence, il est
nécessaire d'introduire une plus grande quantité de mélange gaz de gazogène et air que de mélange
air-essence. Le turbocompresseur est destiné à augmenter la pression de gaz admis, permettant ainsi
un meilleur remplissage.
Il peut être nécessaire de refroidir le gaz ainsi compressé afin d'éviter les phénomènes de cliquetis
(auto-allumage). En effet, lors de la compression la pression et la température du gaz vont
augmenter, si elles dépassent un seuil, alors il peut y avoir une combustion à contre temps d'une
partie du gaz indépendamment de l'étincelle de la bougie d'allumage. Une deuxième raison de
refroidir les gaz après le turbocompresseur est que plus un gaz est chaud et plus son volume molaire
est important, et donc la quantité de gaz de gazogène admise moins importante.
Regard sur l’impact environnemental et améliorations
59
La cogénération
Le principe de la cogénération consiste à produire deux énergies différentes, le plus souvent de la
chaleur et de l’électricité, à partir d’un combustible.
En récupérant l’énergie thermique lors de la production d’énergie électrique, cela augmentera
nettement le rendement et l’efficacité énergétique de l’installation par rapport à des filières séparées.
Conclusion
60
CONCLUSION
L’objectif de ce travail était d’assurer une vitesse constante dans les plages de puissance du
système utilisant un gazogène, un moteur thermique et un alternateur, dans la production
d’électricité.
Un aperçu sur le gazogène et sur la régulation automatique a été fait. Le régulateur numérique à
base de microcontrôleur, a été réalisé. Le système de régulation, agissant sur l’alimentation en gaz
du moteur, est fonctionnel. Les résultats des essais montrent les bonnes performances du régulateur,
conformément au cahier des charges.
Concernant l'apport personnel du projet, il a aidé à approfondir nos connaissances en automatique
et en programmation, mais il a permis aussi de nous familiariser avec le gazogène, son
fonctionnement et son utilisation.
Les perspectives de poursuite, d’améliorations du projet sont multiples et le régulateur de vitesse a
d’autres applications possibles. L'ajout de nouveaux matériels devrait être simple et ne nécessiter
que la reprogrammation du microcontrôleur.
Bibliographie
[1] A. CALLEWAERT, J. MARTIN, P. WAUTERS, Adaptation optimale de groupes
moteurs à combustion interne à gazogène, Commission des Communautés Européennes,
EUR 9714 FR, 1985, 32 pages.
[2] B. BAYALA, La Machine Synchrone, Cours Machines Electriques, document pdf 53
pages
[3] C. CHEVASSU, Couplage des alternateurs, Réseau National de Ressource
Electrotechnique, document pdf 82 pages.
[4] C. FOULARD, Algorithmique de la commande par calculateur, © Techniques de
l’Ingénieur, traité Informatique industrielle, 16 pages.
[5] D. ARZELIER, Représentation et analyse des systèmes linéaires, LAAS-CNRS, 283
pages
[6] J-L MAGNET, Georges DESCOMBES, Moteurs à gaz, Etat de l’art, © Techniques de
l’Ingénieur, traité de Génie mécanique, 12 pages.
[7] M. MARTY, D. DIXNEUF, DELPHINE G. GILABERT, Principes d'électrotechnique,
DUNOD, Paris 2005, 665 pages
[8] MAHAVELONA MICHAËL ULRICH, Simulation de la régulation de vitesse dans une
centrale électrique, Mémoire de fin d’études, Février 2011, ENSET Antsiranana, 72 pages
[9] J.M ALLENBACH, Systèmes asservis, Volume 1, EIG, édition 2005, 175 pages
[10] MARC CORREVON, Systèmes électroniques, Les régulateurs standards, I.A.A,
document pdf51 pages.
[11] Magazine Intersections, La régulation, Schneider Electric, Juin 2004, 16 pages.
[12] MICHEL BERTRAND, Chaînes de régulation type, © Techniques de l’Ingénieur, traité
d'Informatique industrielle, 16 pages.
[13] MICHEL ETIQUE, Régulation automatique, Yverdon-les-Bains Haute Ecole
d’Ingénieurs et de Gestion du canton de Vaud, mars 2005,280 pages.
[14] P. GIORDANO, Production d’électricité à partir du bois, Août 1998, EF Nr 195.146,
55 pages.
[15] PHILIPPE AUDEBERT, SEBASTIEN SAILLER, Etude expérimentale d'un gazogène
de type Imbert avec différents types de combustible bois, Clermont Université, Université
Blaise Pascal, EA 3867, 6 pages.
[16] RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY ANDY RAVAKA, Valorisation de la
biomasse pour la production d’électricité, Mémoire de fin d’études en vue de l’obtention du
Diplôme d’Etude Approfondie en Ingénierie de Projets Industriels, 2008, 86 pages.
[17] Revue TECHNICA d'armistice, LES GAZOGENES, N° 20, Juillet 1941, 34 pages.
[18] Roger D. HERSCH, Microcontrôleurs : principes et aspects temps réel, © Techniques
de l’Ingénieur, traité Informatique industrielle, 27 pages
Webographie
[19] http://www.openclassrooms.com/ Arduino pour bien commencer en électronique et en
programmation
[20] http://www.fao.org/docrep/s4550f/ s4550f09.htm/ Charbon de bois
[21] http://pagesperso-orange.fr/fabrice.sincere/ Electrotechnique
[22] http://forum.arduino.cc/ Forum Arduino
[23] http://fr.m.wikipedia.org/wiki/ Gazogène
[24] http://www.Droit-Afrique.com Madagascar-Environnement
[25] http://www.ac-orleans-tours.fr/sti-gel/MICROCONTROLEUR/AVR.HTM
Microcontrôleur
[26] https://fr.wikipedia.org/wiki/Stabilité des réseaux électriques
a
ANNEXES
Annexe 1 : Fiches techniques
Le microcontrôleur Atmega 328 :
Processeur 16 MHz
Mémoire:
o 32 KB Flash
o 2KB SRAM
o 1KB EEPROM
Entrées/Sorties:
o 14 Digitales (6PWM)
o 6 Analogiques
Plaque signalétique de l’alternateur :
b
Le moteur thermique:
Marque : HONG YUAN
Modèle : JF270E
Type : 4 temps refroidi par air, OHV
Cylindrée: 270 CC
Puissance maxi : 9CV (5.8KW) à 3600 tr/min
Démarreur électrique (plus démarrage manuel)
Capacité du réservoir essence : 6 l
Consommation de carburant en service continu 2.2 L/hr - 3600 rpm
Poids: 32kg
Dimension: ( LXPXH) 460X400X445 mm
65
Table des matières
REMERCIEMENTS .............................................................................................................. i
Sommaire ............................................................................................................................... ii
Liste des abréviations et symboles ....................................................................................... iii
Liste des figures ..................................................................................................................... v
Liste des photos .................................................................................................................... vi
Liste des tableaux ................................................................................................................ vii
INTRODUCTION ................................................................................................................. 1
PARTIE I. GENERALITES .............................................................................................. 2
Chapitre 1. Le gazogène ................................................................................................. 2
1.1 Description de l’installation à gazogène ............................................................. 2
1.2 La production d’électricité à partir d’une installation à gazogène [14] [15] ..... 12
Chapitre 2. La régulation automatique [5] [9] [13] ...................................................... 16
2.1 Principe.............................................................................................................. 16
2.2 Régulation numérique [4] [5] [11] .................................................................... 20
PARTIE II. METHODOLOGIE ................................................................................... 24
Chapitre 3. Principe du régulateur ................................................................................ 28
3.1 Choix technologique ......................................................................................... 28
3.2 Principe de fonctionnement ............................................................................... 31
Chapitre 4. Conception ................................................................................................. 33
4.1 Description de la partie mécanique du système ................................................ 33
4.2 Description de la commande automatique du système ..................................... 35
4.3 Partie programmation ........................................................................................ 38
4.4 Mise en œuvre ................................................................................................... 44
Chapitre 5. Résultats expérimentaux et conclusion ...................................................... 46
66
5.1 Résultats ............................................................................................................ 46
5.2 Interprétations et conclusion ............................................................................. 51
PARTIE III. REGARD SUR L’IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET
AMELIORATIONS ............................................................................................................ 53
Chapitre 6. Mise en contexte [23] ................................................................................ 53
6.1 Les impacts sur l’environnement ...................................................................... 53
Chapitre 7. Améliorations et recommandations ........................................................... 58
CONCLUSION ................................................................................................................... 60
Bibliographie ....................................................................................................................... 61
Webographie ........................................................................................................................ 62
ANNEXES ............................................................................................................................ a
Table des matières ............................................................................................................... 65
RESUME
Ce travail fait partie des améliorations que l’on peut apporter au système de gazogène. Un
régulateur numérique, à base de microcontrôleur, a été réalisé pour maintenir constante le
régime du moteur thermique qui entraîne l’alternateur pour produire de l’électricité. Le
régulateur agit sur le débit de gaz qui alimente le moteur. Les performances du régulateur
répondent bien aux exigences du cahier des charges, après les essais.
Mots-clés : Gazogène, régulateur, microcontrôleur, moteur thermique, régime moteur,
alternateur, énergie électrique.
SUMMARY
This work belongs to the improvements that can be made to the system of gas generator. A
numerical regulator, containing microcontroller, was carried out to maintain constant the
speed of the thermal engine which actuates the alternator to produce electricity. The
regulator operates on the gas flow which supplies the engine. The performances of the
regulator fulfill well the requirements of the specifications, after the tests.
Keywords: Gas generator, regulator, microcontroller, thermal engine, engine speed,
alternator, electric power.
Encadreurs:
Monsieur RANDRIAMORASATA Josoa Albert, Professeur
Monsieur RANDRIAMORASATA ANDRIANOELY Andy Ravaka
Auteur: MAHARIDINY Lahy
Titre: « REGULATION DU REGIME D’UN MOTEUR
THERMIQUE, ALIMENTE AU GAZ DE GAZOGENE »
Contact : +261347113328/ [email protected]
Nombre de pages : 60
Nombre de figures : 26
Nombre de photos : 13
Nombre de tableaux : 09
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