Convertisseur Boost pour petites éoliennes : 6 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

Dans mon dernier article sur les contrôleurs de suivi du point de puissance maximale (MPPT), j'ai montré une méthode standard pour exploiter l'énergie provenant d'une source variable telle qu'une éolienne et charger une batterie. Le générateur que j'ai utilisé était un moteur pas à pas Nema 17 (utilisé comme générateur) car ils sont bon marché et disponibles partout. Le gros avantage des moteurs pas à pas est qu'ils produisent des tensions élevées même lorsqu'ils tournent lentement.

Dans cet article, je présente un contrôleur spécialement conçu pour les moteurs à courant continu sans balai de faible puissance (BLDC). Le problème avec ces moteurs est qu'ils doivent tourner rapidement pour produire une tension exploitable. En tournant lentement, la tension induite est si faible qu'elle ne permet parfois même pas la conduction des diodes et lorsqu'elle le fait, le courant est si faible que presque aucune puissance ne passe de la turbine à la batterie.

Ce circuit fait à la fois le redresseur et le boost. Il maximise le courant circulant dans la bobine du générateur et de cette façon, la puissance peut être utilisée même à faible vitesse.

Cet article n'explique pas comment faire le circuit mais si cela vous intéresse, consultez le dernier article.

Étape 1: Le circuit

Comme dans le dernier article j'utilise un micro-contrôleur Attiny45 avec l'IDE Arduino. Ce contrôleur mesure le courant (à l'aide de la résistance R1 et de l'ampli-op) et la tension, calcule la puissance et modifie le rapport cyclique sur les trois transistors de commutation. Ces transistors sont commutés ensemble sans tenir compte de l'entrée.

Comment est-ce possible?

Comme j'utilise un moteur BLDC comme générateur, les tensions aux bornes du BLDC sont un sinus triphasé: Trois sinus décalés de 120° (cf. 2ème image). La bonne chose avec ce système est que la somme de ces trois sinus est nulle à tout moment. Ainsi lorsque les trois transistors conduisent, trois courants les affluent mais ils s'annulent dans la masse (cf. 3ème image). J'ai choisi des transistors MOSFET avec une faible résistance drain-source. De cette façon (voici l'astuce) le courant dans les inducteurs est maximisé même avec de faibles tensions. Aucune diode n'est passante pour le moment.

Lorsque les transistors cessent de conduire, le courant de l'inducteur doit aller quelque part. Maintenant, les diodes commencent à conduire. Il peut s'agir des diodes du haut ou des diodes à l'intérieur du transistor (vérifier que le transistor peut supporter un tel courant) (cf. 4ème image). Vous pouvez dire: Ok mais maintenant c'est comme un pont redresseur normal. Oui mais maintenant la tension est déjà boostée lorsque les diodes sont utilisées.

Certains circuits utilisent six transistors (comme un pilote BLDC), mais vous devez ensuite mesurer la tension afin de savoir quels transistors doivent être activés ou désactivés. Cette solution est plus simple et peut même être mise en œuvre avec un temporisateur 555.

L'entrée est JP1, elle est connectée au moteur BLDC. La sortie est JP2, elle est connectée à la batterie ou à la LED.

Étape 2: la configuration

Afin de tester le circuit, j'ai réalisé un montage avec deux moteurs reliés mécaniquement avec un rapport de démultiplication de un (cf. image). Il y a un petit moteur à courant continu à balais et un BLDC utilisé comme générateur. Je peux choisir une tension sur mon alimentation et supposer que le petit moteur à balais se comporte approximativement comme une éolienne: sans couper le couple il atteint une vitesse maximale. Si un couple de coupure est appliqué, le moteur ralentit (dans notre cas la relation couple-vitesse est linéaire et pour les éoliennes réelles il s'agit généralement d'une parabole).

Le petit moteur est connecté à l'alimentation, le BLDC est connecté au circuit MPPT et la charge est une LED d'alimentation (1W, TDS-P001L4) avec une tension directe de 2,6 volts. Cette LED se comporte approximativement comme une batterie: si la tension est inférieure à 2,6, aucun courant n'entre dans la LED, si la tension essaie de dépasser 2,6, le courant est noyé et la tension se stabilise autour de 2,6.

Le code est le même que dans le dernier article. J'ai déjà expliqué comment le charger dans le micro-contrôleur et comment cela fonctionne dans ce dernier article. J'ai légèrement modifié ce code afin de rendre les résultats présentés.

Étape 3: Résultats

Pour cette expérience, j'ai utilisé la LED d'alimentation comme charge. Il a une tension directe de 2,6 volts. La tension étant stabilisée autour de 2,6, le contrôleur n'a mesuré que le courant.

1) Alimentation à 5,6 V (ligne rouge sur le graphique)

• vitesse min du générateur 1774 tr/min (cycle d'utilisation = 0,8)
• vitesse max du générateur 2606 tr/min (cycle d'utilisation = 0,2)
• puissance max du générateur 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Alimentation à 4 V (ligne jaune sur le graphique)

• vitesse min du générateur 1406 tr/min (cycle d'utilisation = 0,8)
• vitesse max du générateur 1646 tr/min (cycle d'utilisation = 0,2)
• puissance max du générateur 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Lorsque j'ai essayé le générateur BLDC avec le premier contrôleur, aucun courant n'a été mesuré jusqu'à ce que la tension d'alimentation atteigne 9 volts. J'ai également essayé différents rapports de démultiplication mais la puissance était vraiment faible par rapport aux résultats présentés. Je ne peux pas essayer l'inverse: Brancher le générateur pas à pas (Nema 17) sur ce contrôleur car un pas à pas ne produit pas de tension sinusale triphasée.

Étape 4: Discussion

Des non linéarités sont observées en raison de la transition entre la conduction continue et discontinue de l'inducteur.

Un autre test doit être effectué avec des cycles de service plus élevés pour trouver le point de puissance maximum.

Les mesures de courant sont suffisamment propres pour permettre au contrôleur de fonctionner sans avoir besoin de filtrage.

Cette topologie semble fonctionner correctement mais j'aimerais avoir vos commentaires car je ne suis pas un spécialiste.

Étape 5: Comparaison avec le générateur pas à pas

La puissance maximale extraite est meilleure avec le BLDC et son contrôleur.

L'ajout d'un doubleur de tension Delon peut réduire la différence mais d'autres problèmes sont apparus avec celui-ci (la tension à haute vitesse peut être supérieure à la tension de la batterie et un convertisseur abaisseur est nécessaire).

Le système BLDC est moins bruyant, il n'est donc pas nécessaire de filtrer les mesures de courant. Cela permet au contrôleur de réagir plus rapidement.

Étape 6: Conclusion

Maintenant je pense que je suis prêt à continuer avec l'étape du nid qui est: Concevoir des éoliennes et faire des mesures sur site et enfin charger une batterie avec le vent !