Redressement monophasé non commandé (Eric VERLAET)

Voici les explications de ce cours de travaux pratiques et surtout, l’utilité de celui-ci.

Lors de nos prochaines réunions il sera fait appel très largement aux notions suscitées dans ces quelques pages tant pour l’éolien que pour le solaire photovoltaïque (PV).

Le redresseur est un dispositif qui permet de bloquer ou de redresser une partie d’un signal électrique.  Dans le cas qui nous occupe, un signal électrique sinusoïdal en provenance d’une éolienne.  Cela se fait à l’heure actuelle grâce à un composant électronique appelé « diode ».

Elle est constituée d’un assemblage d’éléments et forme une jonction électronique. (jonction PN). 

Dans une diode, le courant électrique ne peut circuler que dans un sens, de l’anode vers la cathode.

Suivez la flèche, même s’il n’y a pas d’Indiens.

Si l’on tente de faire passer le courant dans l’autre sens, elle est bloquée, elle ne laisse pas passer le courant (ou très peu, des mA, appelé courant de fuite).

 Si l’on branche la diode dans le sens passant, elle laisse passer le courant. Mais pour effectuer ce « travail », elle consomme de l’électricité. Elle crée une chute de tension à ses bornes qui peut varier de 0,4 à 1,1 Volts appelée la tension de seuil. Cette chute de tension multipliée par le courant qui la traverse donne la puissance dissipée en échauffement dans cette diode.

Exemple : une diode BYV29 qui fournit 1 A à une résistance consomme 1,03Volt x 1Ampère = 1,03 W.

Maintenant intéressons-nous aux caractéristiques de cette diode. 

Dans la fiche technique ci-après :

Vrrm (voltage reverse) nous indique la tension inverse maximum, ici 500 V. 

- If     Le courant maximum contenu est de 9 A sur charge résistive. 

- Ifrm Le courant de pointe répétitif (en alternatif par exemple) = 18 A. 

- Ir     Le courant de fuite de 2 à 50 mA

Pourquoi s’intéresser à ce composant ?  Pourquoi maintenant ?

J’ai,  comme beaucoup, eu des soucis avec les régulations d’éoliennes (UVE500 E) , des batteries mortes après 2 ans, plates après 2 jours !  Je me suis donc penché sur des régulateurs « brûlés ».  En y regardant de plus près, je suis très vite tombé sur des diodes en court-circuit, des condensateurs explosés et d’autres joyeusetés du même ordre.  Toutes mes découvertes seront exposées lors de la réunion à venir.  

Pourquoi tant de dégâts, tant de problèmes ? … La réponse n’est pas simple, mais logique.

1.       Que fait le régulateur de la plupart des petites éoliennes ?  Il charge des batteries puis dévie l’excédent vers une résistance. 

2.   Que fait le régulateur lorsqu’il n’y a pas de vent ?  Il consomme +/- 3 W et décharge lentement mais sûrement ces mêmes batteries.

3. L’onduleur transforme le courant continu (24 V) en 230 V AC et alimente une partie de la maison à la demande.  

4.  L’onduleur s’arrête automatiquement si la tension chute en-dessous de +/- 24 V, le régulateur pas.  Il peut vider jusqu’à 8 V vos batteries et provoquer la mort de celles-ci en moins de 2 ans.

Revenons à nos diodes : si, comme dans le cours, nous redressons le courant avec une seule diode (page 11) et si nous débitons sur une résistance, le courant électrique se superpose à la courbe de la sinusoïde et ce pour la moitié de celle-ci. 

On peut dire que la résistance est alimentée en courant pulsé, dans ce cas-ci une résistance de R = U/I = 4.8 W             P = R x I² = 120 W

La tension sera au maximum de : Ö2 x 24 = 34 V

I maximum sera de : 34 / 4,8  = 7 A   donc pas de problème pour notre iode.

Par contre, si nous plaçons une batterie en lieu en place de la résistance, que se passe-t-il ? 

La résistance interne de la batterie est de l’ordre de 0,02 W

      Elle peut se calculer mais pas se mesurer au multimètre !(la mesure de la résistance de la batterie sera faite lors de la réunion a venir)

La tension de la batterie, même déchargée, n’est pas nulle et sera de +/- 20 V.  Si le vent souffle, l’éolienne débite sa tension de 24 V toujours une puissance disponible de 120 W.   Lorsque l’on branche la batterie, la tension de l’éolienne n’est supérieure à celle de la batterie que pendant de courts intervalles (lorsque l’éolienne débite plus de 20 V).

La tension de l’alternateur est sinusoïdale, mais la forme des pulsations du courant est quant à elle plus prononcée.   La diode ne laisse passer le courant pour recharger la batterie que pendant +/- un tiers de période au lieu d’une demi-période dans le cas de la résistance. 

La même puissance moyenne (120 W) en deux fois moins de temps.  Faites le calcul. Il faut donc 1.5 x plus de courant (7.5A au lieu de 5 A).  Théoriquement …  mais le courant ne s’arrête pas là.  Prenons des chiffres réels.  La tension maximale de l’alternateur = 34 V.   La tension de la batterie = 20 V.  La différence de tension est donc de 14 V. 

Si une batterie automobile de 70 Ah possède une résistance interne de 0,02 W, le courant de pointe théorique sera de 14/0,02 = 700 A.  

Heureusement, les câbles et les résistances des fils de l’éolienne et des batteries limitent le courant.

Dans ce cas-ci, le courant doit être limité pour notre diode à 18 A et donc l’installation doit avoir une résistance totale supérieure de R = U/I = 14/18 = 0,7 W.

Ceci démontre le danger qu’est la course au stockage.  Car, qui dit grosses batteries, dit gros câbles et faible résistance.  Cette explication est valable pour les redresseurs à ponts à 4 diodes (pont de Graetz) .   Le même phénomène apparaît avec des charges capacitives (condensateurs).

Et voilà tout pour les courants !  Et la tension alors ?  Elle reste stable ?  Non !  Si la batterie se recharge, la tension de celle-ci augmente.  L’écart entre U de l’éolienne et E (tension de la batterie) diminue et donc le problème du courant est résolu… 

Pas si vite.  Si le courant diminue, la puissance R x I² fournit par l’éolienne reste la même si le vent souffle toujours (120 W). 

Que fait l’éolienne ?  Elle accélère pour garder 14 V d’écart entre la tension de la batterie chargée et la tension de l’éolienne.  Tout cela jusqu’à 28 V aux bornes de la batterie. 

Nous sommes donc à une tension de 42 V maximum sortie éolienne ou 28 V efficace.  A ce moment, la résistance du régulateur se met à chauffer.  Si on a oublié de la brancher, attention : les condensateurs explosent et la fumée envahit le local (histoire vécue). 

L’éolienne s’ emballe, quitte à perdre une pale. 

Que faire alors ?  Eh bien il n’est pas interdit de rêver qu’un régulateur peu gourmand en énergie doté d’une intelligence artificielle puisse réguler la tension, le courant et donc la charge raccordée à une éolienne domestique pour éviter les incidents électriques et l’emballement de la machine. 

En gérant l’énergie au mieux, évitons de l’arrêter par effacement horizontal (hélicoptère), voire même la mise à l’arrêt pour cause de batteries chargées ou de vacances sous des cieux plus cléments (bonjour André, envoie-nous une carte postale).

Résumons avec quelques chiffres et débattons-en à la réunion.

-  Charger et décharger une batterie et onduleur 220V   50 % de perte

- Chauffer de l’eau via une résistance dans un boiler       1 à 2 % de perte

- Chauffer un local avec un radiateur électrique             1 à 2 % de perte

- Réinjecter dans le réseau en 230 V AC                       5 à 6 % de perte

Coûts des installations :

-Charger et décharger une batterie.200Ah                   400 € HTVA

- Chauffer de l’eau via une résistance dans un boiler       150 € HTVA

- Chauffer un local avec un radiateur électrique             50 € HTVA

- Réinjecter dans le réseau en 230 V AC                       180 € HTVA

Durée de vie du matériel :

- Charger et décharger une batterie.                   2 à 7 ans

- Chauffer de l’eau via une résistance dans un boiler       10 ans

- Chauffer un local avec un radiateur électrique             10 ans

- Réinjecter dans le réseau en 230 V AC                       10 ans