Buck converter pour eolienne

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Principe

Un convertisseur buck fait partie de la famille des alimentations à découpage. C'est le plus simple : il permet d'abaisser une tension d'un niveau plus élevé à un niveau plus faible. Il est beaucoup utilisé dans les ordinateurs pour abaisser les tensions alimentant par exemple les micro porcesseur. Il est également très utilisé dans les chargeur de téléphone relié au secteur.

Le principe de fonctionnement est que l'on va se servir d'un transistor FET pour ouvrir et fermer un circuit très fréquement. Le temps moyen de fermeture du circuit aura un impact immédiat sur l'abaissement du niveau de tension.

Le principal avantage que je vois à ce convertisseur est qu'il permet de convertir les exces de tension d'entrée en surplus de courant en sortie. Théoriquement, si le convertisseur n'a pas de perte, alors les courant d'entrée et de sortie sont liés aux tensions d'entrée et de sortie par le rapport cyclique de découpage (ou hachage). Voici quelques formules :

  • d: rapport cyclique (PWM) du découpage ; 0 <= d <= 1
  • Vi: tension d'entrée (sortie du redresseur) ; Vo: tension de sortie de l'alimentation
  • Ii: courant d'entrée (dans le redresseur) ; Io: courant de sortie de l'alimentation (consommé par la charge utile)
  • d = Vo / Vi
  • Ii = Io * d

Cela veut dire que si l'éoliene fournit une tension stabilisé de 10 mA à 60 RPM, alors elle peut théoriquement fournir 50 mA à 300 RPM, sans communiquer un freinage démesuré au rotor.

Ce genre de convertisseur ne fournit pas une isolation galvanique à contrario des convertisseur basé sur un transformateur. La masse fournit par le redresseur est donc partagé au convertisseur.

Problèmes

  • Les MOSFET canal N sont plus indiqués pour la commutation que les canal P, car leur résistance Rdson est inferieur. Néanmoins, vu le schéma du buck converter, cela nécéssite une tension de pilotage superieur à la tension d'entrée du buck converter. On appèle généralement cela un bootstrap. cf https://electronics.stackexchange.com/questions/194634/p-channel-vs-n-channel-in-buck-converter Il est plus facile de commander un canal P qui lui peut fonctionner dans la plage de tension d'entrée.
  • Il semble qu'il faut que la bobine soit taillé pour gérer le pic de courant lors du switch sans saturer le noyau, sinon il resulterait une perte d'inductance. La tension à ses bornes pourrait alors dépasser la tension d'entrée : à vérifier.
  • Une alim à découpage classique (convertisseur buck) est calculé pour abaisser une tension d'entrée fixe ex: le secteur pour un chargeur de téléphone. Pour une éolienne, la tension à réguler est proportionnelle à sa vitesse de rotation, donc pas fixe. Quels sont les impacts ? Peut-on construire un convertisseur efficace avec une large plage de tension d'entrée allant de 20V à 200V ?

Choix technologiques

  • Vu le fonctionnement des génératrices d'Antoine, fournissant des tenssion allant de 20V à 200V voir plus, je choisi de construire un convertisseur buck fonctionnant jusqu'à 200V. Cela implique des choix technologiques importants notament sur les puissances maximale que doivent pouvoir encaisser les composants du convertisseur.
  • Canal N ou Canal P ? Probablement Canal P pour commencer et faire au plus simple.
  • Je choisis 2 references de MOSFET : IRFP460PBF (Canal N 500V 0,27 ohm) & MTP2P50E (Canal P -500V 6 ohm)
  • Nous utiliserons un Arduino pour commencer à piloter le hachage.
  • Il faudrait envisager l'utilisation d'opto-coupler haute fréquence pour protéger le circuit de commande des tensions élevés dans le convertiseur.
  • Plus la frequence de commande est élevée moins les composants nécéssitent de grosse valeur. Nous essayerons de fonctionner entre 100kHz et 1MHz.
  • Plus l'inductance est élevé, plus faible est l'ondulation du courant de sortie, et plus faible sont les pertes magnétiques du noyau, mais plus lente est la réponse au changement de courant en sortie.
  • Il est recommandé de sélectionner un condensateur avec la resistance serie (ESR) la plus faible possible, cela implique les technologies de condensateur suivante : Condensateur au tentale ou condensateur film à base de matériaux synthétiques, ou condensateur électrolythique. Je pars sur des condensateurs à film polypropylène.

Premiers calculs

  • Premier choix grossiers grace au calculateur pour 100 kHz : 
 * 200V => 12V et 50 mA: L = 7.520 µH ; C = 0,05 µF
 * 200V => 12V et 100 mA: L = 37.60 µH ; C = 0,1 µF
 * 20V => 12V et 5 mA: L = 32.000 µH ; C = 0,05 µF
 * 20V => 12V et 10 mA: L = 16.000 µH ; C = 0,1 µF
  • Premier choix grossiers grace au calculateur pour 500 kHz :
 * 200V => 12V et 50 mA: L = 1.504 µH ; C = 0,01 µF
 * 200V => 12V et 100 mA: L = 752 µH ; C = 0,02 µF
 * 20V => 12V et 5 mA: L = 6.400 µH ; C = 0,01 µF
 * 20V => 12V et 10 mA: L = 3.200 µH ; C = 0,02 µF

Il faudrait faire des simulations pour étudier quelles associations peuvent etre utiliser sur un range de 20V à 200V.

Idées

  • S'inspirer d'un chargeur de télephone qui devrait avoir des valeurs de composants à peu près taillé pour notre usage. J'ai ouvert un chargeur, le transistor utilisé est un transistor supportant 500V. C'est donc la dessus que je pars.
  • Je prévois d'utiliser plusieurs diodes zener en guise de protection. En amont du convertisseur, une zener permettra de freiner l'éolienne si la tension dépasse 200V. En aval, une diode zener limitera la tension de sortie à 30V. Une troisième diode zener pourrait protéger l'entrée du Convertisseur Analogique Numérique de l'Arduino à 5V.

Ressources

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