Générateur Turbo Trainer : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:05

La production d'électricité par pédale m'a toujours fasciné. Voici mon point de vue.

Étape 1: argument de vente unique

J'utilise un contrôleur de moteur VESC6 et un outrunner 192KV fonctionnant comme un frein régénératif. C'est assez unique en ce qui concerne les générateurs de pédales, mais il y a une autre partie de ce projet qui, à mon avis, est nouvelle.

Lorsque vous faites du vélo sur route, vous avez de l'inertie et cela maintient la rotation des pédales très constante tout au long d'un tour. Les turbo trainers ont très peu d'inertie, donc lorsque vous appuyez sur les pédales, la roue accélère/décélère rapidement et cela ne semble pas naturel. Des volants d'inertie sont utilisés pour tenter de lisser ces fluctuations de vitesse. Les home trainers stationnaires pèsent une tonne pour cette raison.

J'ai pensé à une solution alternative à ce problème. Le contrôleur de moteur est configuré pour faire tourner l'outrunner en « mode de vitesse constante ». L'Arduino se connecte au VESC6 via UART et lit le courant du moteur (qui est directement proportionnel au couple de la roue). L'Arduino ajuste progressivement le point de consigne du moteur RPM pour simuler l'inertie et la traînée que vous éprouveriez à vélo sur une route. Il peut même simuler la descente en roue libre d'une colline en fonctionnant comme un moteur pour faire tourner la roue.

Il fonctionne à merveille comme en témoigne le graphique ci-dessus montrant le régime moteur. J'ai arrêté de faire du vélo juste avant 2105 secondes. Vous pouvez voir qu'au cours des 8 secondes suivantes, la vitesse de la roue diminue progressivement, comme si vous arrêtiez de pédaler sur une légère pente.

Il y a encore de très légères variations de vitesse avec les coups de pédale. Mais c'est aussi vrai dans la vie et simulé correctement.

Étape 2: Test de la puissance de sortie

Le vélo est le moyen le plus efficace de faire des travaux mécaniques. J'ai utilisé l'outil VESC pour mesurer la puissance de sortie en temps réel. J'ai remis à zéro les lectures avant de faire du vélo pendant exactement 2 minutes. J'ai pédalé à une intensité que je pense que j'aurais pu maintenir pendant environ 30 minutes.

Après 2 minutes, vous pouvez voir que j'ai produit 6,15 Wh. Ce qui correspond à une puissance moyenne de 185 W. Je pense que c'est assez bien compte tenu des pertes encourues.

Vous pouvez voir les courants du moteur dans le graphique ci-dessus. Ils sont réglés rapidement par le VESC6 pour maintenir un régime moteur constant malgré le couple fluctuant exercé par le pédalage.

Lorsque le pédalage s'arrête, le moteur commence à consommer un tout petit peu d'énergie pour faire tourner la roue. Au moins jusqu'à ce que l'Arduino remarque que vous ne pédalez pas et arrête complètement le moteur. Le courant de la batterie semble être presque nul juste avant l'arrêt, donc la puissance doit être d'au plus quelques watts pour faire tourner la roue activement.

Étape 3: Regard sur l'efficacité

L'utilisation du VESC6 améliore considérablement l'efficacité. Il convertit le courant alternatif du moteur en courant continu considérablement mieux qu'un redresseur à pont complet. Je pense qu'il est efficace à plus de 95%.

L'entraînement par friction est probablement le point faible en termes d'efficacité. Après 5 minutes de vélo, j'ai pris des images thermiques.

Le moteur a atteint environ 45 degrés Celsius dans une pièce de 10 degrés. Le pneu de vélo aurait aussi dissipé la chaleur. Les systèmes entraînés par courroie surpasseraient ce turbogénérateur à cet égard.

J'ai fait un deuxième test de 10 minutes avec une moyenne de 180 W. Après cela, le moteur était trop chaud pour être touché pendant longtemps. Probablement environ 60 degrés. Et certains des boulons à travers le plastique imprimé en 3D ont été desserrés ! Il y avait aussi une fine pellicule de poussière de caoutchouc rouge sur le sol environnant. Les systèmes d'entraînement à friction sont nuls !

Étape 4: Simulation de l'inertie et de la traînée

Le logiciel est assez simple et se trouve ici sur GitHub. La fonction globale est déterminée par cette ligne:

RPM = RPM + (a*Motor_Current - b*RPM - c*RPM*RPM - GRADIENT);

Cela ajuste progressivement le prochain point de consigne RPM (c'est-à-dire notre vitesse) en fonction de la force simulée exercée. Comme cela fonctionne 25 fois/seconde, il intègre efficacement la force au fil du temps. La force globale est simulée comme ceci:

Force = Pedal_Force - Laminar_Drag - Turbulent_Drag - Gradient_Force

La résistance au roulement est essentiellement incluse dans le terme de gradient.

Étape 5: Quelques autres points ennuyeux

J'ai dû ajuster les paramètres de contrôle de vitesse PID du VESC pour obtenir de meilleures prises de régime. C'était assez facile.

Étape 6: Ce que j'ai appris

J'ai appris que les mécanismes d'entraînement par friction sont nuls. Après seulement 20 minutes de vélo, je peux voir une usure visible des pneus et de la poussière de caoutchouc. Ils sont également inefficaces. Le reste du système fonctionne comme un rêve. Je pense qu'un générateur à entraînement par courroie pourrait obtenir une efficacité supplémentaire de 10 à 20%, en particulier avec des RPM plus élevés. Des RPM plus élevés réduiraient les courants du moteur et produiraient des tensions plus élevées qui, je pense, amélioreraient l'efficacité dans ce cas.

Je n'ai pas assez d'espace dans ma maison pour installer un distributeur automatique de billets à entraînement par courroie.