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FR3097134A1 - Équipement sportif individuel générateur d’électricité - Google Patents

Équipement sportif individuel générateur d’électricité Download PDF

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FR3097134A1 FR1906192A FR1906192A FR3097134A1 FR 3097134 A1 FR3097134 A1 FR 3097134A1 FR 1906192 A FR1906192 A FR 1906192A FR 1906192 A FR1906192 A FR 1906192A FR 3097134 A1 FR3097134 A1 FR 3097134A1
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Dorian Tourin-Lebret
Fabrice VERNAY
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Abstract

L’invention concerne un équipement sportif individuel comportant une machine électrique entraînée par l’utilisateur, ladite machine électrique (2) fournissant un courant électrique à un circuit électronique comportant un onduleur (30) dont la sortie est reliée à un système de stockage d’énergie et/ou au réseau électrique (40). Ledit équipement sportif comporte en outre un moyen de pilotage (20) d’une consigne de couple résistant constitué par un circuit de découpage (13) d’un courant électrique délivré par ladite machine électrique (2). Figure de l’abrégé : Figure 1

Description

Équipement sportif individuel générateur d’électricité
Domaine de l’invention
La présente invention concerne le domaine des équipements sportifs individuels tels que des vélos d’appartement, des rameurs, des vélos elliptiques.
Sur un vélo, un humain génère entre 30 watts (pédalage tranquille) et 700 watts (athlète masculin entraîné sur un effort ponctuel et restreint). Une telle puissance est supérieure à la consommation d'un téléviseur. On connaît ainsi dans l’état de la technique des modèles permettant d’effectuer le branchement sur le réseau de la maison pour expédier l'électricité vers un usage local, voire vers un réseau public couplé au vélo-générateur.
Etat de la technique
On connaît par le brevet EP2161056 un vélo d'exercice fixe comportant un dispositif générateur comprenant une paire de pédales, un mécanisme de transmission, un générateur et un cadre de vélo. La paire de pédales est connectée au générateur par le biais du mécanisme de transmission. Le cadre de la bicyclette est muni d'une boîte de vitesses au bas de celle-ci. Une batterie et un boîtier courant continu/courant alternatif sont fournis dans la boîte à engrenages.
Une entrée de la batterie est connectée électriquement à une sortie du générateur. Une sortie de la batterie est connectée électriquement à une entrée du boîtier courant continu/courant alternatif. Une sortie du boîtier courant continu/courant alternatif est connectée à une prise. Lorsque la paire de pédales est actionnée par l'utilisateur lors d’une scéance d’activité physique, le générateur est amené à générer de l'électricité. La présente invention combine le vélo d'exercice stationnaire avec le dispositif générateur pour générer de l'électricité lorsque l'utilisateur démarre son activité physique
La demande WO2003034584A1 concerne une bicyclette d'entraînement comprenant une unité résistante agissant sur la roue entraînée de la bicyclette ainsi qu'une console de commande montée sur la bicyclette en un point accessible à l'utilisateur. L'unité résistante se présente sous la forme d'un alternateur qui produit de l'énergie en réponse à la rotation de la roue de la bicyclette pour alimenter les divers composants de la bicyclette d'entraînement, notamment, la console de commande et un organe de réglage de la résistance. Dans un des modes de réalisation, on règle la résistance en fonction des entrées fournies soit par l'utilisateur soit par l'ordinateur relié à la console de commande en reliant sélectivement une résistance dans un circuit qui comprend l'alternateur de manière à freiner la rotation du rotor de l'alternateur, et par conséquent, celle de la roue de la bicyclette.
Le brevet allemand DE102012013818 décrit un système avec lequel l’énergie appliquée à un appareil de cardio-training par l’utilisateur peut être convertie en énergie électrique introduite dans un réseau électrique, l’utilisateur pouvant ainsi ajuster l’intensité de l’exercice sur le dispositif.
À cette fin, un générateur électrique est entraîné par le mouvement de l'utilisateur. L’électricité produite par ce système utilise une électronique de puissance contrôlable dans un réseau électrique (par exemple un réseau domestique). L’utilisateur peut régler le couple de freinage ou la puissance de sortie de la source d’alimentation à différents niveaux.
Cette solution n’est pas satisfaisante car elle prévoit la modulation du couple résistant par une modulation du courant d'excitation de la génératrice, ce qui requiert une génératrice avec circuit d'excitation indépendant et un circuit de commande actif plus coûteux.
Le brevet chinois CN103463797 concerne des équipements sportifs dotés d'une connexion au réseau électrique et d'une résistance électromagnétique. L'équipement sportif est fourni avec un moteur de génération de courant continu, une carte de circuit imprimé de contrôle, une tête de jauge de contrôle intelligente, une batterie de stockage et un dispositif de rééducation physique. Le moteur de génération de courant continu fonctionne dans un état de mode actif ou dans un état de mode passif. Lorsque le moteur de génération de courant continu fonctionne en mode actif, le moteur du générateur de courant continu est utilisé comme générateur pour convertir l’énergie mécanique du dispositif de remise en forme en énergie électrique et charger la batterie de stockage sous le contrôle de la tête de mesure intelligente et le circuit de contrôle. Lorsque le moteur de génération de courant continu fonctionne en mode passif, il est utilisé comme moteur électrique pour convertir l’énergie électrique de la batterie de stockage en énergie mécanique provenant du dispositif de remise en forme, sous le contrôle de la tête de jauge de contrôle intelligente et du circuit de contrôle.
Inconvénients de l’art antérieur
La plupart des solutions ne permettent pas l’injection directe et sans perte du courant produit dans un réseau public, en raison des problèmes de synchronisation des phases et de la stabilité de la fréquence du courant produit.
Par ailleurs, la plupart des solutions ne permettent pas l’injection directe et sans perte du courant produit dans un réseau public simultanément à un contrôle indépendant du couple résistant dont la stabilité est nécessaire pour une expérience sportive aboutie.»
Solution apportée par l’invention
Afin de remédier à ces inconvénients, l’invention concerne selon son acception la plus générale un équipement sportif individuel comportant une machine électrique entraînée par l’utilisateur, ladite machine électrique fournissant un courant électrique à un circuit électrotechnique comportant un onduleur dont la sortie est reliée à un système de stockage d’énergie et/ou au réseau électrique, caractérisé en ce qu’il comporte en outre un moyen de pilotage d’une consigne de couple résistant constitué par un circuit de découpage d’une courant électrique délivré par ladite machine électrique.
Selon des variantes :
- ladite machine électrique est un alternateur fournissant un courant alternatif, associé à un redresseur.
- ladite machine électrique est une dynamo.
- l’équipement comporte un calculateur associé à une mémoire pour l’enregistrement d’au moins un fichier numérique pour commander une variation de ladite consigne de couple en fonction dudit fichier numérique.
- ledit calculateur commande également la visualisation d’un parcours virtuel en fonction du contenu dudit fichier numérique, de manière synchrone avec ladite commande de variation de ladite consigne de couple.
- l’équipement comporte en outre un moyen de communication radiofréquence avec un équipement connecté, et pour l’enregistrement dans ladite mémoire des informations transmises par ledit équipement connecté.
Description détaillée d’un exemple non limitatif de l’invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant au dessin annexé où
la figure 1 représente une vue schématique de l’invention.
Contexte de l’invention
L’invention vise à proposer un équipement d’entraînement sportif ou de maintien en forme amélioré permettant de :
  • transformer l’énergie dépensée par l’utiliateur en électricité qui est alors réinjectée dans le réseau ou stockée,
  • sensibiliser les utilisateurs aux eco-gestes du quotidien par des correspondances entre des usages de consommations et l’effort sportif nécessaire pour compenser ces usages,
  • proposer une expérience utilisateur inédite via une application dédiée, où l’on peut suivre sa performance sportive mais aussi énergétique, participer à des défis énergétiques collectifs, à des courses virtuelles avec la communauté d’utilisateurs et ce sur n’importe quel parcours de son choix sélectionnable depuis l’application. L’expérience est immersive car la dureté du couple résistant (ex : dureté de pédalage ) s’ajuste à l’avancée de l’utilisateur tout au long du parcours en fonction de la topographie réelle et ce en tout instant.
Cette augmentation de la dureté du couple résistant n’est plus liée à un quelconque système de freinage dissipant l’energie mais au contraire à un système électrotechnique permettant de produire plus d’energie toute chose étant égale par ailleurs. Ce principe pouvant se résumer par le slogan suivant : « Plus cela monte , plus c’est dur , plus je produis d’électricité »
Pour cela, l’équipement selon l’invention utilise des techniques déjà connues, mais se distingue par la modulation de la force contre-électromotrice produite par la machine électrique entrainée par l’utilisateur.
L’effet pour l’utilisateur est le ressenti que « plus cela monte plus c’est dur, plus on produit d’éléctricité ».
Architecture technique
Il est constitué de trois sous-ensembles principaux :
Un équipement sportif (1) tel qu’une bicyclette d’appartement, un rameur, un vélo elliptique, ou tout autre équipement d’entraînement musculaire, de préférence s’apparentant à un équipement sportif réel
Une machine électrique (2) accouplée mécaniquement à l’équipement sportif (1) ou intégré dans l’équipement sportif (1)
Un module électronique (3) branché à la sortie de la machine électrique (2).
Pour un cycliste roulant à 40 km/h maximum et des roues (4) de 700 mm de diamètre (soit 2,2 m de circonférence), l’utilisateur peut produire 5 tours de roue par seconde ou 300 tours par minutes. Pour un galet d’accouplement de 35 mm de diamètre, le rapport de transformation est de 700/35 = 20, soit 6 000 tours par minute.
Pour une génératrice (2) à 190 KV, cela donne 31,5 V à 6 900 tours par minute.
La machine électrique (2) est dans l’exemple décrit un moteur triphasé synchrone sans balais.
La vitesse de rotation d’un moteur sans balais est proportionnelle à la tension à ses bornes, modulo les pertes électriques.
Le couple sur l’arbre d’un moteur sans balais est proportionnel au courant qu’il génère, modulo les pertes mécaniques, magnétiques et électriques.
Un onduleur tel que les onduleurs utilisés pour des panneaux photovoltaïques ou des génératrices éoliennes intègre généralement un système d’optimisation du point de fonctionnement (MPPT, ou Maximum Power Point Tracking) qui impose en sortie du générateur la tension qui maximise le rendement global.
La puissance électrique d’un système est le produit de la tension à ses bornes et du courant qu’il génère (en courant continu).
Architecture du circuit électronique (3)
Le module électronique (3) comprend en premier lieu un redresseur triphasé (10) dans le cas où la machine électrique (2) est un alternateur. Le redresseur triphasé (10) reçoit en entrée une tension triphasée générée par la machine électrique (2) et variant entre 0 et 42 Volts crête, et délivre en sortie une tension continue comprise entre 0 et 42 volts.
Bien entendu, si la machine électrique (2) est une dynamo, le module ne nécessite pas de redresseur et la machine est reliée directement à une entrée redressée (11).
Le courant est mesuré par une sonde (12) comprenant une résistance de shunt et un circuit électronique mesurant la chute de tension aux bornes de cette résistance, ou encore par un circuit comprenant une sonde de Hall placée à proximité du conducteur de sortie du redresseur (10).
La modification du couple résistant est réalisée par un circuit de découpage (13) à MOSFET dont le rapport cyclique est commandé par un microcontrôleur (20) recevant un signal de consigne d’un calculateur (21). Ce signal de consigne détermine le niveau d’effort de référence, en fonction d’une loi d’évolution d’un exercice sportif ou de maintien en forme, d’une table dans laquelle sont enregistrés les cycles de travail, ou encore d’une application commandant l’affichage sur un écran d’une scène réaliste, par exemple un parcours et fournissant un signal de consigne représentatif de l’effort à fournir dans la scène visualisée, par exemple en fonction de la pente d’une route parcourue par une bicyclette virtuelle.
La sortie du circuit de découpage (13) est stabilisée par une capacité (14) de 2400 microfarad. Une fois redressée et stabilisée, l’énergie électrique est stockée dans un condensateur de forte capacité (15) et raccordée à des convertisseurs (16 à 18) pour l’élévation de la tension délivrant un signal de 30 volts sur une sortie (19).
Le courant est injecté dans le réseau public (40) par l’intermédiaire d’un onduleur (30), via un condensateur (31) de forte capacité (typiquement 50.000 microfarad). Une alimentation stabilisée (32) assure l’alimentation minimale de l’onduleur (30) pour éviter que l’algorithme MPPT déclenche une mise en veille de l’onduleur par manque de puissance en entrée.
Calibrage du contrôleur (20)
La régulation du couple résistant s’effectue sur la valeur du courant redressé fourni par la génératrice.
Le couple résistant sur l’axe étant égal à
C = (I-I0)/KV
où I0 est le courant consommé à vide,
la régulation du courant I permet de réguler le couple résistant d’une manière linéaire.
Le contrôleur (20) de type PID (Proportionnel Intégrale Dérivée) est utilisé pour optimiser la réponse du système à la désignation d’une valeur de couple cible. Cette optimisation dépend, entre autres, de l’inertie mécanique du système global.
Le courant débité par la génératrice est limité par un transistor MOSFET piloté en PWM par le microcontrôleur, selon un rapport cyclique défini de 0 à 4095 (12 bits).
L’optimisation ultérieure du régulateur devra prendre en compte les éléments suivants :
• Le terme proportionnel détermine la rapidité à laquelle le régulateur réagit et peut mener à des oscillations s’il est trop important. Seule une forte inertie mécanique justifie d’augmenter sa valeur.
• Le terme intégral détermine le poids de la contribution du temps depuis lequel la valeur cible n’a pas encore été atteinte. Plus sa valeur est grande, plus le système se réajuste rapidement.
• Le terme dérivée détermine le poids de la contribution de la rapidité de la variation de la distance entre la valeur cible et la valeur courante (selon les variations de puissance développée par le sportif ou le changement de la valeur cible).

Claims (6)

  1. - Équipement sportif individuel comportant une machine électrique entraînée par l’utilisateur, ladite machine électrique (2) fournissant un courant électrique à un circuit électronique comportant un onduleur (30) dont la sortie est reliée à un système de stockage d’énergie et/ou au réseau électrique (40), caractérisé en ce qu’il comporte en outre un moyen de pilotage (20) d’une consigne de couple résistant constitué par un circuit de découpage (13) d’un courant électrique délivré par ladite machine électrique (2).
  2. - Équipement sportif individuel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite machine électrique (2) est un alternateur fournissant un courant alternatif (10), associé à un redresseur (11).
  3. - Équipement sportif individuel selon la revendication 1 caractérisé en ce que ladite machine électrique (2) est une dynamo.
  4. - Équipement sportif individuel selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte un calculateur (20) associé à une mémoire pour l’enregistrement d’au moins un fichier numérique pour commander une variation de ladite consigne de couple en fonction dudit fichier numérique.
  5. - Équipement sportif individuel selon la revendication précédente caractérisé en ce que ledit calculateur (20) commande également la visualisation d’un parcours virtuel en fonction du contenu dudit fichier numérique, de manière synchrone avec ladite commande de variation de ladite consigne de couple.
  6. - Équipement sportif individuel selon la revendication 4 caractérisé en ce qu’il comporte en outre un moyen de communication radiofréquence avec un équipement connecté, et pour l’enregistrement dans ladite mémoire des informations transmises par ledit équipement connecté.
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