TP EE: Autonomie énergétique de l’ouvre portail

TP EE: Autonomie énergétiquede l’ouvre portail

Zones de « mauvais » ensoleillement : 1 KWh/m²/jour en hiver

Zones de « bon » ensoleillement :5,4 KWh/m²/jour en été

Problématique :En cas d’absence totale de soleil, combien de jours le portail peut-il fonctionner ?

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Environnement

MatérielOuvre-portail

Ordinateur

Documentaire Dossier technique du système

Logiciel Matlab

Compétences visées

CO8. - Renseigner un logiciel de simulation du comportement énergétique- Interpréter les résultats d’une simulation

Prérequis

- Energie, puissance (moyenne et instantanée) , rendement

- TP sur le rendement énergétique du portail (OP W1 incluant le relevé oscillo)

- Avoir déjà pris en main Matlab



Courbe I(t) relevée à l’oscilloscope

pendant l’ouverture

1 42 3

1. Appel de courant au démarrage + rattrapage des jeux2. Phase de fonctionnement à vitesse constante3. Phase d’approche à vitesse lente 4. Phase de verrouillage (écrasement des butées)

L’autonomie dépend

principalement du courant consommé

par le moteur


Imoyen = 1,6 A

Modèle n°1 : décharge à courant et

tension constantsDétermination de

l’autonomie:

Par le calcul

Courbe I(t) du modèle Matlab-Simulink

Modèle n°2 : influence des

variations du courant et de la tension

U = 12V

U = 12V U = 5VI(t) Détermination de

l’autonomie:

Par la simulation

I (t)

t


U = 12V U = 5V

Unominale = 12V Qnominale = 10Ah Q=I*t t = Q/I = 10/1.6 = 6.25h

t80% = 6.25*0.8 = 5 h

On suppose 20 cycles par jour:

5*3600 / (20cycles*20s*2) = 22,5 jours

Résultat modèle 1 :

Autonomie calculée = 5 h

= 22,5 jours

Modèle n°1 : décharge à courant et

tension constantsDétermination de

l’autonomie:

Par le calcul

U = 12V

Imoyen = 1,6 A

I (t)

t


Courbe I(t) du modèle Matlab-Simulink Modèle n°2 :

influence des variations du courant et

de la tension

Simulation

U = 12V U = 5VI(t)

1. Calculer la quantité d’énergie

disponible dans chaque batterie

2. Evaluer avec Matlab la quantité d’énergie absorbée

pendant un cycle d’ouverture

3. En déduire le nombre de cycles d’ouverture-

fermeture possibles, puis l’autonomie en h et jours

Démarche




W batterie dispo = U *Q* 80%

= 12 . 10. 3600 . 0,8

= 345 600 J

U nominale = 12V Qnominale = 10Ah


2. Evaluer avec Matlab la quantité d’énergie absorbée pendant un cycle

d’ouverture


Le modèle Matlab-Simulink

Batterie + Relais + hacheur

Moteur Réducteur Manivelle-bielle

Vantail

Umoteur Cvantail


Objectif: visualiser Wmoteur

Le débit d’énergie n’est pas constant W(t)= P(t)dt

Entourer les variables à utiliser pour

visualiser l’énergie Wmoteur

Intérieur du bloc moteur CC

U i


(A partir des deux grandeurs U et I)Comment visualiser Wmoteur = Umoteur * I?Réponse:1.Multiplier U et I2.Intégrer ce produit3.Insérer un « scope » pour visualiser le résultat

U

I


Résultats de la simulation

375J

Energie fournie par batterie pour un cycle :

Nombre de cycles possibles : Wbatt dispo / W1cycle = 345600/750 = 460,8cycles

Nombre de jours de fonctionnement : 460,8/20 ≈ 23 jours

Exploitation

Résultat modèle 2 :

Autonomie simulée = 23 jours


Conclusions

•Les résultats issus des deux modèles sont très proches.

•Les différents pics de courant et variations de tension n’ont qu’une influence minime sur la consommation globale du moteur.

•Le modèle n°1 suffit ici pour estimer la consommation énergétique du moteur avec une précision convenable.

•Le feu clignotant a été négligé (environ 8% du total)•la consommation du système en veille a été négligée•De plus la batterie se décharge aussi « à vide »•Enfin, le couple résistant a été fixé à 25 N.m, mais cette valeur moyenne peut être plus importante si le portail est lourd et les gonds mal graissés.

Commenter et expliquer l’écart entre les résultats des deux modèles.

Limites des modèles précédents

•IL FAUDRAIT LES CONFRONTER A L’EXPERIENCE : quel protocole?


Pour aller plus loin

Batterie + Relais + hacheur

Moteur

m=0,6

Réducteur

r=0,24

Manivelle-bielle

Vantail

Graissage et réglage correct des gonds : on limite le couple résistant

Pas de grande marge de manœuvre

« mauvais » rendement du double système roue-vis (environ 24%) Etudier une solution « alternative »

Choisir un moteur avec un meilleur rendement?

Le choix de la batterie est primordial : type, capacité…

L’électronique de gestion aussi…

Quels sont les différents paramètres sur lesquels ont peut agir pour améliorer l’autonomie du portail ?


L’influence des paramètres précédents sur la consommation peut être visualisée facilement grâce au modèle Matlab-SimulinkAvec un réducteur dont le rendement vaudrait 40% au lieu de 24%

Si le couple résistant sur le vantail vaut 35 N.m au lieu de 25 N.m

270 J32 jours d’autonomie

460 J19 jours d’autonomie


Pour finirL’autonomie en cas d’absence de soleil est-elle suffisante?

•Les calculs ont été faits avec une hypothèse de 20 cycles « ouverture-fermeture » par jour. Or le produit est vendu pour 10 cycles par jour.•Donc en cas d’absence de rechargement, selon l’utilisation, l’autonomie se situerait entre 20 et 40 jours•Toutefois, l’autonomie ne cessera de décroître tout au long du cycle de vie de la batterie, qui perd ses capacités de charge. •Pour les zones à faible ensoleillement, un chargeur de batteries peut s’avérer bien utile. C’est le cas de nos laboratoires…


FIN


W1 = 12*1,1*2 = 26,4 J

W2 = 12*1,7*15,8 = 322,3 J

Calcul de l’énergie consommée par approximationWi = U*I*t

W3 = 5*2,5*2,2 = 27,5 J

U=12 VI = 1,1 A

U=12 VI = 1,7 A

U=5 VI = 2,5 A

W totale = W1 + W2 + W3= 376,2 J

A rapprocher des 375 J trouvés avec Matlab

Pouvait-on prévoir que l’autonomie déterminée avec Matlab serait égale à celle trouvée avec une consommation moyenne constante?

RappelModèle 1:U = 12 VI = 1,6 A

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