Générateur à Courant Continu à Aimant Permanent comme Générateur éolien
Nous savons grâce au précédent tutoriel sur les éoliennes qu’un générateur électrique est une machine rotative qui convertit l’énergie mécanique produite par les pales du rotor (le moteur principal) en énergie électrique ou en puissance utilisable. Cette conversion d’énergie est basée sur les lois de l’induction électromagnétique de Faraday, qui induisent dynamiquement une e.m.f. (force électromotrice) dans les bobinages du générateur à mesure qu’il tourne. Il existe de nombreuses configurations différentes pour un générateur électrique, mais l’un des générateurs électriques que nous pouvons utiliser dans un système d’énergie éolienne est le Générateur à Courant Continu à Aimant Permanent ou Générateur PMDC.
Les machines à courant continu à aimant permanent (PMDC) peuvent être utilisées soit comme moteurs électriques conventionnels, soit comme générateurs à courants continus pour éoliennes, puisqu’il n’y a fondamentalement aucune différence de construction entre les deux. En effet, la même machine PMDC peut être alimentée électriquement en tant que moteur pour déplacer une charge mécanique, ou elle peut être entraînée mécaniquement comme un générateur simple pour générer une tension de sortie. Cela rend le générateur à courant continu à aimant permanent (générateur PMDC) idéal pour être utilisé comme un générateur d’éolienne simple.
Si nous connectons une machine à courant continu à une alimentation en courant continu, l’armature tournera à une vitesse fixe déterminée par la tension d’alimentation connectée et la force de son champ magnétique, agissant ainsi comme un “moteur” produisant du couple. Si toutefois nous faisons tourner mécaniquement l’armature à une vitesse supérieure à sa vitesse de moteur conçue en utilisant des pales de rotor, alors nous pouvons effectivement convertir ce moteur à courant continu en un générateur à courant continu produisant une sortie d’e.m.f. proportionnelle à sa vitesse de rotation et à la force du champ magnétique.
En général, avec les machines DC conventionnelles, le bobinage de champ est sur le stator et le bobinage d’armature est sur le rotor. Cela signifie qu’ils ont des bobines de sortie qui tournent avec un champ magnétique stationnaire produisant le flux magnétique nécessaire. La puissance électrique est directement prélevée sur l’armature via des balais en carbone, le champ magnétique, qui contrôle la puissance, étant fourni soit par des aimants permanents, soit par un électroaimant.
Les bobines d’armature rotatives passent à travers ce champ magnétique stationnaire, ce qui génère à son tour un courant électrique dans les bobines. Dans un générateur à courant continu à aimant permanent, l’armature tourne, donc le courant généré doit passer complètement par un collecteur ou un système d’anneaux collecteurs et de balais en carbone fournissant de l’énergie électrique à ses bornes de sortie comme montré.
Construction Typique d’un Générateur DC
Un générateur à courant continu simple peut être construit de diverses manières selon la relation et l’interconnexion de chaque bobine de champ magnétique par rapport à l’armature. Les deux connexions de base pour une machine DC auto-excitée sont le “Générateur DC à Bobinage Shunt”, dans lequel le bobinage de champ principal est connecté en parallèle avec l’armature. Le “Générateur DC à Bobinage en Série” a le bobinage de champ transportant le courant connecté en série avec l’armature. Chaque type de construction de générateur DC a certains avantages et inconvénients.
Générateur DC à Bobinage Shunt – Dans ces générateurs, le courant de champ (d’excitation), et donc le champ magnétique, augmente avec la vitesse de fonctionnement car il dépend de la tension de sortie. La tension de l’armature et le couple électrique augmentent également avec la vitesse. Le générateur à bobinage shunt, fonctionnant à une vitesse constante sous des conditions de charge variables, a une sortie de tension beaucoup plus stable que le générateur à bobinage en série. Cependant, à mesure que le courant de charge augmente, la perte de puissance interne à travers l’armature fait diminuer proportionnellement la tension de sortie.
En conséquence, le courant à travers le champ diminue, réduisant le champ magnétique et provoquant encore plus une baisse de tension. Si le courant de charge est bien plus élevé que celui conçu pour le générateur, la réduction de la tension de sortie devient si sévère qu’elle entraîne d’importantes pertes internes dans l’armature et la surchauffe du générateur. Par conséquent, les générateurs DC à bobinage shunt ne sont normalement pas utilisés pour de grandes charges électriques constantes.
Générateur DC à Bobinage en Série – Le courant de champ (d’excitation) dans un générateur à bobinage en série est le même que le courant que le générateur délivre à la charge, car ils sont en série. Si la charge connectée est faible et ne tire qu’un petit courant, le courant d’excitation est également faible. Par conséquent, le champ magnétique du bobinage de champ en série est trop faible, et la tension générée est également basse.
De même, si la charge connectée tire un courant élevé, le courant d’excitation est également élevé. Par conséquent, le champ magnétique du bobinage de champ en série est très fort, et la tension générée est élevée. Un des principaux inconvénients d’un générateur à courant continu à bobinage en série est qu’il a une mauvaise régulation de voltage, et par conséquent, les générateurs DC à bobinage en série ne sont normalement pas utilisés pour des charges fluctuantes.
Tant les générateurs DC à bobinage shunt que à bobinage en série auto-excités ont l’inconvénient que les variations du courant de charge provoquent des changements sévères dans la tension de sortie du générateur en raison de la réaction de l’armature, et en conséquence, ces types de générateurs DC sont rarement utilisés comme générateurs d’éoliennes.
Cependant, un générateur DC connecté en “composé” a une combinaison à la fois de bobinages shunt et en série incorporés dans un seul générateur et qui peut être connecté de manière à produire soit un “générateur DC composé à court shunt” soit un “générateur DC composé à long shunt”. Ce type de conception de générateur DC auto-excité permet d’inclure les avantages de chaque type dans une seule machine DC.
Une autre manière de surmonter les inconvénients d’un générateur DC auto-excité est de permettre aux bobinages de champ d’être connectés de manière externe. Cela produit alors un autre type de générateur DC appelé Générateur DC à Excitation Séparée.
Comme son nom l’indique, un générateur DC à excitation séparée est alimenté par une source d’alimentation DC externe indépendante pour le bobinage de champ. Cela permet au courant d’excitation de produire un flux magnétique constant, indépendamment des conditions de charge sur l’armature. En l’absence de charge électrique connectée au générateur, aucun courant ne circule et seule la tension nominale du générateur apparaît à ses bornes de sortie.
Si une charge électrique est connectée à la sortie, un courant circulera et le générateur commencera à fournir de l’énergie électrique à la charge.
Un générateur DC à excitation séparée a de nombreuses applications et peut être utilisé dans des applications de générateur d’éolienne à vent fort. Cependant, les générateurs DC pour applications d’éoliennes présentent l’inconvénient qu’une source d’alimentation DC séparée est nécessaire pour exciter le champ shunt. Cependant, nous pouvons surmonter cet inconvénient en remplaçant le bobinage de champ par des aimants permanents, créant ainsi un Générateur DC à Aimant Permanent ou Générateur PMDC.
Générateur DC à Aimant Permanent
Le Générateur DC à Aimant Permanent peut être considéré comme un moteur à courant continu à balais avec excitation séparée fonctionnant avec un flux magnétique constant. En effet, presque tous les moteurs à courant continu à aimant permanent (PMDC) à balais peuvent être utilisés comme générateurs PMDC, mais comme ils ne sont pas vraiment conçus pour être des générateurs, ils ne font pas de bons générateurs d’éoliennes parce que lorsqu’ils fonctionnent comme un simple générateur DC, le champ tournant agit comme un frein ralentissant le rotor.
Ces machines DC consistent en un stator ayant des aimants permanents à terres rares tels que le néodyme ou le cobalt de samarium pour produire un flux de champ statorique très puissant au lieu de bobinages, et un collecteur connecté via des balais à une armature bobinée comme auparavant.
Lorsqu’ils sont utilisés comme générateurs DC à aimant permanent, les moteurs PMDC doivent généralement être entraînés beaucoup plus vite que leur vitesse nominale de moteur pour produire quelque chose de proche de leur tension nominale de moteur, donc les machines DC à haute tension et faible RPM font de meilleurs générateurs DC.
L’avantage principal par rapport à d’autres types de générateurs DC est que le générateur DC à aimant permanent réagit très rapidement aux changements de vitesse du vent, car leur champ statorique puissant est toujours présent et constant.
Les générateurs DC à aimant permanent sont généralement plus légers que les machines à stator bobiné pour une puissance nominale utilisable donnée et ont de meilleures efficacités car il n’y a pas de bobinages de champ et de pertes de bobinage de champ.
De plus, étant donné que le stator est équipé d’un système de pôle à aimant permanent, il est résistant aux effets d’une possible pénétration de saleté. Cependant, s’ils ne sont pas entièrement scellés, les aimants permanents attireront la poussière ferromagnétique et les débris métalliques (également appelés copeaux ou filings) ce qui pourrait causer des dommages internes.
Le générateur à courant continu à aimant permanent est un bon choix pour les systèmes éoliens à petite échelle car ils sont fiables, peuvent fonctionner à des vitesses de rotation faibles et fournissent une bonne efficacité, surtout dans des conditions de vent léger, car leur point de démarrage est assez bas.
Il existe de nombreux générateurs DC à aimant permanent “prêts à l’emploi” disponibles avec une large gamme de puissances allant de quelques watts à plusieurs milliers de watts. La tension DC générée par une machine DC à aimant permanent est régie par les trois facteurs suivants :
- Le champ magnétique développé par le stator. Cela dépend de la taille physique du générateur et de la force ainsi que du type d’aimants permanents utilisés.
- Le nombre de tours ou de boucles de fil sur l’armature. Cette valeur est fixée par la taille physique du générateur et de l’armature et par la taille du conducteur de fil. Plus il y a de tours utilisés, plus la tension de sortie est élevée. De même, plus le diamètre ou la surface transversale du fil est grande, plus le courant est élevé.
- La vitesse de rotation de l’armature, qui est régie par la vitesse des pales de rotor d’éolienne par rapport à la haute vitesse du vent. Pour les générateurs et moteurs PMDC, la tension de sortie est proportionnelle à la vitesse et est généralement linéaire.
Le type de générateur DC le plus courant pour les éoliennes et les systèmes éoliens à petite échelle utilisés pour charger des batteries est le générateur à courant continu à aimant permanent, également connu sous le nom de Dynamo. Les dynamos sont un bon choix pour les débutants dans l’énergie éolienne car elles sont grandes, lourdes et ont généralement de très bons roulements, permettant de monter directement des pales de rotor assez lourdes sur leur arbre de poulie.
Les dynamos anciennes de camion ou de bus sont un meilleur choix pour les éoliennes, car elles sont conçues pour générer la tension et le courant requis à des vitesses plus lentes, en mettant l’accent sur l’efficacité plutôt que sur la puissance maximum. De plus, la plupart des dynamos de bus et de camion peuvent générer jusqu’à 500 watts à 24 volts, ce qui est largement suffisant pour charger des batteries et alimenter des lumières dans un système à basse tension à petite échelle.
D’autres types de moteurs PMDC qui conviennent aux générateurs DC à énergie éolienne incluent les moteurs de traction utilisés dans les voiturettes de golf, les chariots élévateurs et les voitures électriques. En général, ces moteurs sont de types 24, 36 ou 48 volts avec des hautes efficacités et des puissances nominales.
L’un des principaux inconvénients d’un générateur DC à aimant permanent, c’est que ces machines ont des balais de commutation qui supportent le courant de sortie intégral du générateur, donc les machines DC utilisées comme dynamos et générateurs nécessitent un entretien régulier, car les balais en carbone utilisés pour extraire le courant généré s’usent rapidement et produisent beaucoup de poussière de carbone conductrice dans la machine. Par conséquent, les alternateurs AC sont parfois utilisés.
Les alternateurs de voiture sont une autre option très populaire comme générateur DC simple à utiliser comme générateur d’éolienne, notamment parmi les débutants et les amateurs de bricolage, car un courant continu à basse tension peut également être généré par les alternateurs. La plupart des alternateurs automobiles contiennent des redresseurs AC à DC qui fournissent de la tension et du courant CC. Dans un alternateur, le champ magnétique tourne et le courant alternatif triphasé variable généré par les bobines statoriques stationnaires est converti en 12 volts CC par un circuit de redressement interne. Les alternateurs automobiles ont l’avantage distinct qu’ils sont spécifiquement conçus pour charger des batteries de 12 ou 24 volts.
Les générateurs PMDC enfermés sont préférés dans les systèmes de générateurs d’éoliennes pour les protéger des éléments, mais les alternateurs standard de voiture sont généralement ouverts et refroidis par l’air ambiant ventilé à travers le générateur, donc une certaine forme de protection supplémentaire contre les intempéries est nécessaire. Ils viennent également dans une variété de tailles et de puissances conçues pour des petites voitures à de grands camions et, bien qu’ils puissent être peu coûteux et facilement disponibles, ils ne sont pas très efficaces comparés aux gros générateurs DC à aimant permanent.
La simplicité et l’augmentation de l’efficacité proviennent de la construction d’une éolienne à entraînement direct, avec les pales de l’éolienne montées directement sur l’arbre principal du générateur. Dès que vous introduisez des engrenages, des courroies, des poulies ou toute autre méthode pour augmenter ou diminuer leur vitesse, vous introduisez des pertes d’énergie, des coûts supplémentaires et de la complexité.
Bien qu’un bon rotor à trois pales de cinq ou sept pieds (1,5 à 2 mètres) de diamètre atteigne des vitesses supérieures à 1 000 tr/min, cela reste encore trop lent pour s’associer correctement à la plupart des alternateurs de voiture courants qui tournent à des vitesses comprises entre 2 000 et 10 000 tr/min car ils sont fixés au moteur de la voiture. Donc, une sorte de réducteur ou de système de poulies serait nécessaire pour augmenter la vitesse à laquelle l’alternateur tourne, et pour accroître la sortie de l’alternateur.
De plus, les alternateurs automobiles nécessitent une alimentation électrique externe supplémentaire pour fournir un petit courant d’excitation (généralement via le voyant du tableau de bord) à leurs bobines de champ pour démarrer le processus d’excitation et donc de génération avant que l’alternateur n’atteigne sa vitesse de démarrage.
Ce courant de champ externe pourrait être fourni par la banque de batteries connectée mais le problème avec cela est que les batteries fourniraient continuellement du courant au bobinage de champ, drainant possiblement les batteries même lorsque les pales de l’éolienne sont immobiles durant les périodes de vent nul ou léger. Un autre problème avec les alternateurs automobiles modernes est qu’ils sont conçus pour être peu coûteux et légers, donc ils ont généralement de petits arbres de rotor de 5/8 pouces ou 17 mm de diamètre pour monter une poulie, ce qui peut être un peu trop petit pour supporter le poids et les contraintes des pales rotatives.
Une des parties les plus difficiles de la conception d’une éolienne à petite échelle à basse tension pour la production d’électricité est de trouver un générateur DC approprié.
Les Générateurs DC à Aimant Permanent sont des générateurs à faible vitesse qui sont assez fiables et efficaces dans les vents légers pour une utilisation dans des systèmes autonomes à “hors réseau” pour charger des batteries, ou pour alimenter des éclairages et des appareils à basse tension. Ils ont généralement des courbes de puissance linéaires avec de faibles vitesses de démarrage d’environ 10 mph. Malheureusement, les anciens générateurs DC à aimant permanent qui sont plus grands, plus lourds et plus robustes deviennent de plus en plus difficiles à trouver.
En plus des Générateurs DC à Aimant Permanent, l’alternateur de voiture est également un autre choix populaire parmi de nombreuses personnes qui font du bricolage pour une utilisation en tant que générateurs DC à basse tension pour éoliennes. Cependant, étant un alternateur automobile fixé sur le côté d’un moteur à combustion, ils nécessitent des vitesses élevées pour générer de l’énergie et ne sont pas toujours très efficaces. Les alternateurs de voiture nécessitent également une tension d’alimentation externe pour alimenter les électroaimants qui créent le champ magnétique interne.
Les alternateurs automobiles limitent leur propre courant à l’aide d’un circuit régulateur intégré, qui empêche également l’alternateur de surcharger les batteries connectées. Cependant, un alternateur automobile ne doit jamais être connecté de manière inversée à la banque de batteries ou fonctionner à des vitesses élevées sans la batterie connectée, car la tension de sortie augmentera à des niveaux élevés (bien plus que 12 volts) et détruira le redresseur interne.
Les systèmes d’énergie éolienne à basse tension et indépendants sont idéaux pour charger des batteries, etc., mais si nous voulons alimenter des appareils connectés au réseau ou avoir un système “connecté au réseau”, nous devons soit utiliser une sorte d’onduleur pour transformer le courant continu à basse tension généré par le générateur DC à aimant permanent en une tension électrique AC plus élevée (120 ou 240 volts), soit installer un autre type de générateur éolien différent.
Dans le prochain tutoriel sur l’Énergie Éolienne, nous examinerons le fonctionnement et la conception d’un autre type de machine électrique appelée Générateur Synchrone. Le générateur synchrone est très différent d’un générateur DC à aimant permanent, car il peut être utilisé pour générer de l’électricité en courant alternatif ou AC connectée au réseau triphasé.