Banc d'essais dynamos - Hackerschicken

1. Objectif
Banc d'essai de dynamos
Pour essayer et modifier les dynamos ou alternateurs de moto qu'on me confie, j'ai été
amené à construire un banc d'essai. Ce banc doit permettre :
• une rotation à 4000 rpm
• une variation flexible de 500rpm à la vitesse max
• une régulation de la vitesse
• un affichage de la vitesse
• une puissance de 400­500W pour entraîner des générateurs jusqu'à 150W
2. Moyens
2.1.Moteur
Mon premier banc était fait avec un moteur à aimant permanent provenant d'un
ventilateur de radiateur auto d'environ 200W, pas de roue phonique. La réduction était
faite par chaîne de vélo. Mais les chaînes et pignons modernes de vélo sont faites pour
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faciliter le déraillement par le « dérailleur », ce qui nécessite un alignement parfait des
pignons et la vitesse est trop forte pour cet usage. Après des déraillements multiples,
j'ai fini par changer de montage.
La solution la plus flexible est faite à base d'un moteur « universel » à stator et rotor
bobinés et charbons. En cherchant j'ai trouvé des moteurs d'aspirateur ou de machine
à laver. Mon choix s'est porté sur la moteur de machine à laver de construction
sérieuse que j'avais à la cave. Il est peu usé, avec quelques traces de rouille. Il permet
un entraînement facile par courroie poly­V et donc une réduction. Le profil de la poulie
déjà montée en bout d'arbre est un profil J (pas des V à 3,84mm) La courroie d'origine
est beaucoup trop grande, j'ai donc commandé une courroie de 406mm permettant un
banc pas trop encombrant.
Le moteur possède aussi une roue phonique (dynamo tachymétrique) en fait un
alternateur à aimant permanent à l'autre extrémité de l'arbre qui génère 8
alternances sinusoidales par tour moteur, déjà prévue pour la régulation du moteur.
2.2.Réduction et arbres
La réduction est faite par poulies­courroie avec un rapport de 2, 69 hors ripage. La
vitesse max du moteur est donnée pour 13800rpm, on atteint donc 4000rpm en sortie
pour 10750rpm moteur. La poulie de sortie est montée sur deux paliers à roulements à
billes largement surdimensionnés, je serais en principe tranquille. La poulie de sortie
a été tournée (merci Jean­Marie!) pour entraîner éventuellement une courroie
ordinaire de 10mm.
Réduction entre roue phonique et arbre de sortie
rapport de 2,69 compte tenu des 8 alternances/tour
moteur
L'arbre de sortie a été tourné (merci Jean­Marie!) pour monter la dynamo des deux
cotés et inverser ainsi mécaniquement le sens de rotation. Bien qu'il s'agisse d'un
moteur série avec les induits et inducteurs accessibles, je préfère faire tourner le
moteur dans un seul sens car les charbons sont « inclinés » et ne convergent pas sur
l'axe. Une inversion temporaire est toujours possible par inversion électrique du stator.
Les arbres de sortie ont deux diamètres 10 et 12mm pour monter la dynamo sous test
à l'aide d'un tuyau de caoutchouc relativement raide (tuyau d'alimentation carburant).
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Ce tuyau facilite l'alignement en apportant une tolérance de montage, axialité et
angle.
2.3.Electronique
L'électronique utilise une commande par angle de phase et triac. Le montage classique
de cette commande est largement utilisé dans les variateurs de puissance (gradateurs)
fréquemment vendus à bas prix pour l'éclairage halogène. Cette électronique très
simple est inadaptée ici car elle ne commence pas à puissance zéro : en effet il y a un
risque important d'à­coups violents si la phase de commande, au lieu d'arriver en
toute fin d'alternance, arrive en tout début de l'alternance suivante. On a alors la
puissance max quand on ne la souhaite pas, le résultat est assez brutal !!
Pour avoir une commande sur toute la plage de vitesses, et uniquement dans
l'alternance en cours, j'ai utilisé un microprocesseur. Pour éviter l'utilisation d'une
horloge à quartz, le logiciel est auto­adaptatif et tolère même une certaine fluctuation
de la fréquence secteur. Selon mes habitudes, et guidé par le prix des moyens de
développement (compilateur et outils de programmation gratuits sous Linux, gratuit
lui aussi) j'utilise des microcontrôleurs Atmel de la famille AVR : le petit Attiny13
(qu'on peut trouver à 1,5€ par poignées de dix) suffit à cette tache.
Il est commandé par un potentiomètre (sera remplacé par une commande analogique
issue du régulateur de vitesse) qui est lu en mode ratiométrique par un convertisseur
analogique/digital du processeur, dont une lecture en 8 bit (sur les 10 possibles) suffit.
Un circuit détecte le passage à zéro du secteur : début de l'alternance et interruption
du processeur.
x=2ms/div
y=2V/div
On est sûr avec ce montage, que l'instant exact du passage à zéro est à l'intérieur (en
principe au milieu) de l'impulsion produite.
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Un « PWM » logiciel (modulation en largeur d'impulsion) produit l'impulsion du triac
au moment voulu.
L'impulsion est acheminée au triac, qui est relié directement au secteur par un petit
transformateur d'isolement vite fabriqué (deux fois cinq spires dans un petit tore
ferrite). On sépare ainsi les circuits électroniques, alimentés en 5V, du secteur.
Programmation des « fuses » de l'at tiny13
lfuse 6a (origine) passe à 0x7a (vitesse max de 9,6MHz interne, nécessaire pour que le
compteur cycle à 256 x 40µs à l'intérieur de l'alternance)
Il y a une imbrication intéressante des fonctions et des interruptions, le temps réel est
entièrement assuré par la programmation du processeur (pas de BIOS ni d'OS dans la
micro­mémoire du microcontroleur)
2.4.Fonctions du logiciel
Interruptions :
PCINT0
interruption chaque passage à zero du secteur (alternance)
240ns toutes les 10ms
RAZ des variables trigg et triggered
limitation de tmax à 255
TIM0 OVF
interruption toutes les 40µs + delai 11µs c'est une constante ajoutée au taux de
division du compteur, permet l'ajustement fin du nombre d'impulsions par alternance
incrémentation du compteur de pulses (variable trigg)
déclechement triac (à trigg=tmax)
mémorisation de l'état déclenché: une seule impulsion par alternance
main()
déclarations
initialisation timer
initialisation ADC
validation interruptions
boucle perpétuelle : while(1)
mesure potentiomètre (4 mesures à 3ms d'écart, division par 4)
la valeur du potentiomètre devient le nombre de pulses avant déclenchement triac
remarques :
deux phases critiques :
• juste après le zéro = puissance maxi. Le déclenchement du triac doit arriver
juste après le zéro (qui est vers le milieu du zero pulse)
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• juste avant le zéro = puissance mini
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sécurité en empêchant le trigger pendant l'impulsion de zero volt
très sensible à la différence de fréquence secteur – tiny13
l'horloge interne est sensible à la température ­+10 % et donc capable de déclencher
n'importe quand.
Il faut absolument éviter que la commande mini déclenche le triac au début de
l'alternance suivante (= un coup de maxi brutal) d'où un auto­ajustement par
modification, quand nécessaire, de la constante ajoutée dans la boucle TIM0 ovf.
Ce logiciel qui compense les variations de l'horloge interne fonctionne en
multiplicateur de fréquence synchronisé ou boucle asservie en phase (PLL), il permet
aussi de compenser les variations (lentes) de fréquence du secteur et donc de
fonctionner sur un 220V non fourni par EdF (groupes électrogènes ou capteurs
solaires).
2.5.Résultats
très grande souplesse de commande, le moteur démarre et tient à 1 tour/seconde
(60 rpm)
3. Régulation - Affichage
Réalisés dans un module existant (Tuxgraphics 3­digit LED display), animé par un
microcontrôleur Atmega8, amplement suffisant pour le boulot à faire.
C'est un affichage à LED bien visible en atelier et suffisant en digits :
• 3 digits suffisent pour afficher jusqu'à 10000rpm, le dernier digit est inutile,
sauf pour ceux qui croient qu'un affichage digital est par nature plus précis
qu'un analogique
• il n'y a pas d'autre indication utile à afficher
Le seul affichage qui pourrait présenter un quelconque intérêt serait la puissance
délivrée par le moteur. A ce niveau un ampèremètre AC sur le 220V devrait suffire
pour une valeur indicative.
3.1.Objectifs affichage
L'affichage sur trois digits nécessite une base de temps à quartz (la dérive naturelle
du microprocesseur est de +­ 10 %, trop forte pour la mesure envisagée).
L'affichage calcule directement la vitesse dynamo quel que soit le rapport de réduction
de la courroie.
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3.2.Objectifs régulation
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Ramener le régime à la valeur de consigne quand la charge électrique ou mécanique de
la dynamo varie
3.3.Réalisation
en cours
zibuth27@gmx.fr
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