CONGRES NATIONAL DE LA RECHERCHE EN IUT (CNRIUT'2017) : 4-5 MAI 2017, AUXERRE

Charge lectronique de puissance DC programmable

Fabrice FRUGIER, Didier DUCLOS, Ccile DOLL, Jacky BRESSON IUT de Perpignan, dpartement G.I.M.

Ch. de la Passio Vella, BP 79905 - 66962 PERPIGNAN Cdex 9 E.mail : fabrice.frugier@univ-perp.fr

Site internet : http://gim.iut.univ-perp.fr

THEMATIQUE Energie Environnement - 60ime 63me section

RESUME Une charge lectronique est destine absorber un courant lectrique. Cela permet de simuler une charge lectrique ds lors que lon souhaite tester un systme quel quil soit ; batterie, alimentation, moteur, gnratrice, La plupart du temps ce banc de charge est constitu par des rsistances de puissance connectes en srie et/ou parallle ce qui limite le nombre de possibilits et par consquence le nombre de points de mesure.

Nous proposons lutilisation dun convertisseur DC-DC de type Buck-Boost qui, connect sur une seule rsistance bobine de 4,7 de puissance 2KW, prsente sur son entre lquivalent dune rsistance continment variable depuis quelques milli-Ohms jusqu plusieurs kilo-Ohms. Cette charge active lectronique commande par un microcontrleur permet de multiples configurations linaires ou non linaires.

Pour les applications les plus courantes, il est possible de fonctionner U, I, R ou P constant. Pour dautres applications plus spcifiques, par exemple dans lolien, il est conseill de proposer une charge optimale dont le courant en fonction de la tension varie en racine carr (U=k.I1/2).

Des mesures de puissance dans ces multiples configurations ont permis de valider le concept. Nous disposons ainsi dune charge lectronique de puissance 2kW dont la loi U=f(I) peut changer en fonction de son utilisation.

Mots-cls Charge lectronique DC, charge linaire et non-linaire, convertisseur buck-boost, olien-PV.

1. INTRODUCTION

Le dpartement GIM de lIUT de Perpignan participe, depuis 2008, au concours national GimEole les oliennes urbaines . Lobjectif de ce concours est dextraire avec une olienne ( axe vertical ou horizontal) le plus dnergie lectrique du vent issu dune soufflerie araulique. Pour cela les tudiants ont construit plusieurs types doliennes1 quils

1 Palmars du dpt. GIM :

http://gim.iut.univ-perp.fr/projets_et_stages/gimeole.html

ont tests dans la soufflerie du dpartement. La mesure de puissance ncessite lutilisation dun banc de charge rsistif. Ce banc est constitu de 4 rsistances de puissance (2kW) de 22 chacune que lon dispose en srie et/ou parallle. Ce dispositif, de part sa constitution, ne permet que quelques combinaisons et la dynamique (de 5,5 88) nest pas suffisante pour des mesures de puissances leves.

En sappuyant sur les tudes de lanne dernire [1], nous proposons une charge lectronique qui permet de simuler une charge ohmique continment variable depuis quelques milli-Ohms jusqu plusieurs kilo-Ohms. Cela est rendu possible en considrant la rsistance apparente dentre Re=Ve/Ie dun convertisseur DC-DC de type buck-boost charg, en sortie, par une rsistance fixe de puissance (Fig.1).

Fig.1 Synoptique de la charge lectronique

La loi de variation de la tension Ve en fonction du courant Ie dans cette charge lectronique virtuelle peut tre linaire ou non linaire.

2. ETUDE THEORIQUE DE LA CHARGE ACTIVE.

Le montage du convertisseur buck-boost figure 2 est constitu dun transistor NMosFet qui fait office dinterrupteur lectronique (reprsent par Q) rendu priodiquement conducteur par un signal rectangulaire de frquence 1/T=22,8kHz, de rapport cyclique k.

Fig.2 Schma synoptique du buck-boost.

Fig.3 Chronogramme et oscillogramme du courant dans linductance.

En mode continu [2], cest--dire lorsque le courant dans linductance ne sannule jamais, deux phases sont considres sur la priode T (fig. 3) :

- Q ferm dans lintervalle 0

Lafficheur LCD de 4x25 caractres et deux boutons poussoirs assurent linteractivit avec le microcontrleur. Il est possible ainsi de choisir le programme et les divers paramtres.

Lutilisation du logiciel Kicad (gratuit) a permis de raliser le placement des composants et le circuit imprim (fig.6).

Fig.6 Carte lectronique de la charge lectronique.

4. VALIDATION DE LA CHARGE ELECTRONIQUE

Les diverses mesures ralises (fig.4) ont permis de comparer la variation de la rsistance dentre Re de la charge lectronique en fonction du rapport cyclique k avec la courbe thorique (qu.7). Lcart minime entre les deux courbes correspond au rendement bb=0,89 du convertisseur DC/DC.

A linverse dun banc de charge rsistif, la charge lectronique pilote par microcontrleur permet une certaine souplesse quant la loi de variation entre le courant Ie et la tension Ve. Pour valider cela, plusieurs types de mesures sont envisags.

4.1. Relev de caractristiques - Eolien - PV La mesure de la caractristique de puissance dun systme (olienne, panneau photovoltaque,) ncessite de faire dbiter le systme sur une rsistance variable depuis zro jusqu linfini, cest--dire sur la charge lectronique.

Fig.7 Eolienne DARRIEUS dbitant sur la charge lectronique de puissance.

Pour plusieurs vitesses de vent, la puissance de lolienne DARRIEUS axe vertical (D=80cm, H=80cm) est releve par balayage de la rsistance virtuelle dentre de la charge active depuis 0,1 1000 (fig.7). Les caractristiques optimales sont obtenues vitesses variables (fig.8) et rpertories dans le tableau 1.

0 20 40 600

20

40

60

80

100

120

140

160

0,1

1

10

100

1000

Pui

ssan

ce (

W)

Ve (V) prop. N (tr/s)

Re

()

Popt

=0,002.Ve3

Vent=14,8m/s13,7m/s12,8m/s11,8m/s

Fig.8 Caractristique de puissance de lolienne DARRIEUS pour plusieurs vitesses de vent.

Tab.1 Caractristiques optimales de lolienne DARRIEUS dduites de la fig.8.

Vent (m /s) 11,8 12,8 13,7 14,8 Ue (V) 21,6 34,9 37,7 41,1

N (tr/s) 7,4 9,4 10 10,9

Pe_opt (W) 35,1 82,2 112 145

Re_opt () 19,4 14,8 12,5 11,6

Fig.9 Panneaux PV dbitant sur la charge active.

Il est procd de mme avec deux panneaux photovoltaques (100Wp de 12V chacun) monocristallins souples connects en parallle (fig.9). Pour un ensoleillement donn, la puissance maximale de 151W (U=15,1V, I=10A) est obtenue lorsque le panneau photovoltaque dbite sur une rsistance optimale de 1,51 (fig.10).

0 5 10 15 200

5

10

15

0,1

1

10

100

PeRe_opt=1,5

Pui

ssan

ce/2

0 (W

) et

Ie (

A)

Ve (V)

Ie

Pe_opt=150W

Re

Re

()

Fig.10 Caractristique courant/tension et puissance dun panneau photovoltaque.

Ie2 boutonspoussoirs

Ve

GachetteNMosFet

Echange donnesRS232

4.2. Fonctionnement Ve=constante. Lutilisation de la charge lectronique Ve=Constante permet de simuler lquivalent dune batterie et ainsi de tester le comportement dun systme (olienne, PV,..) dbitant (ou chargeant) sur une batterie virtuelle.

0 100 200 300 400 500 600 7000

10

20

30

40

0,1

1

10

100

1000

Pui

ssan

ce (

W)

et V

e (V

)

Temps (s) R

e (

)

PeRe

Ve

Ve r

ef=

12V

Fig.11 Evolution de la puissance Pe, de la tension Ve et de la charge Re pour plusieurs vitesses de vent.

Toujours dans le cas de notre olienne DARRIEUS et pour un vent voluant depuis zro jusqu 15m/s en 5 paliers, on remarque (fig.11) : - Un phnomne transitoire sur les 200 premires secondes,

inhrent au dmarrage de lolienne, - Puis une stabilisation de la puissance chaque palier de

vitesses de vent, - A chaque changement de palier, la charge active Re ragie

rapidement pour maintenir Ve constant 12V.

Ce fonctionnement Ve=Constante c'est--dire vitesse de rotation constante bride lolienne ne permettant pas ainsi dextraire la puissance maximale. Un fonctionnement optimal serait de charger lolienne par une charge adapte.

4.3. Fonctionnement non-linaire IeKVe = . On sait que pour obtenir la puissance maximale en sortie dune olienne, il faut fonctionner vitesse variable. Cest--dire prsenter une charge optimale dont le courant et la tension voluent en IeKVe = . Le paramtre K dpend du couple rotor-gnratrice et est dduit de la caractristique de puissance de lolienne [1].

A partir de la caractristique de lolienne (fig.8) nous

dterminons le coefficient 002,0KVeopt = correspondant au lieu des puissances maximales.

4.221

K :

bien ou : 2

3

==

===

==

Veopt

Veopt

Veopt

Veoptoptolienne

KAvec

IeKK

IeVeVeKIeSoit

VeIeVeKP

(8)

Les releves de la tension en fonction du courant pour ce type de programme, font apparatre (fig.12) une variation non-linaire de la charge active conforme la loi Ie4,22Ve = .

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,50

10

20

30

40

500 10 20 30 40

0

30

60

90

120

150

Ie4,22Ve =

Ve

(V)

Ie (A)

Pe=0,002.Ve3

Ve (V)

Pe

(W)

Fig.12 Charge adapte en IeKVe = pour K=22,4

Ainsi, pour les vitesses de rotation faibles (Ve faible) la rsistance de charge (pente de la courbe verticale) est grande laissant lolienne, peu charge, prendre de la vitesse. A mesure que la vitesse de rotation augmente (Ve grand), la rsistance de charge diminue (pente de la courbe horizontale) lolienne est de plus en plus charge. A tout moment, la charge est adapte la vitesse de rotation et la puissance rcupre est optimale.

Ce fonctionnement est plus rapide quune recherche de maximum de type MPPT (Maximum Power Point Tracking) mais ncessite la connaissance des caractristiques du gnrateur.

5. CONCLUSION

Pour les besoins du concours GimEole sur les oliennes urbaines, nous avons dvelopp une charge lectronique pour relever la puissance lectrique de nos ralisations. Cette charge virtuelle sarticule autour dun convertisseur DC-DC de type buck-boost charg par une rsistance de puissance. Lensemble, vu de lentre, peut tre considr comme une rsistance dont la valeur ne dpend plus que du rapport cyclique k du signal MLI issu du microcontrleur qui pilote le convertisseur. Cette charge lectronique prsente une grande dynamique continue de quelques milli-Ohms plusieurs kilo-Ohms.

Elle peut fonctionner linairement U, I, R ou P constant de manire statique ou dynamique pour, par exemple, relever la caractristique tension-courant dune olienne, dun panneau photovoltaque, dune batterie, dune alimentation continue,.

Pour certaines applications non-linaires, cette charge virtuelle peut sadapter au fonctionnement du gnrateur (olienne, panneau photovoltaque,) pour optimiser le transfert dnergie.

Il est possible, moyennant un programme adapt de transformer la charge lectronique en un systme MPPT, rendant ainsi la charge indpendante du systme mesurer.

6. REFERENCES [1] Jacky BRESSON, Didier DUCLOS, Fabrice FRUGIER Optimisation

du transfert dnergie dune olienne par convertisseur buck-boost CONGRES NATIONAL DE LA RECHERCHE EN IUT - 8-9 juin 2016, NANTES.

[2] Jol Redoutey Alimentations dcoupage - Conception des Systmes Automatiss - Centrale Marseille, p51, 2012.