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Contrails ! Rotax : Shunt ou série ?
La fin d'un mythe
Il est préférable d'étudier et mesurer plutôt que coloporter des rumeurs sur la génération électrique des Rotax.
Avec Jérôme Delamare du G2Elab, nous avons étudié en détail l'alternateur Rotax, et les régulateurs disponibles lors de la construction du MCR4S.
Il nous propose ici un petit rappel des lois de l'électricité, pour en finir avec les intox sur les régulateurs.
Les autres pages sur la génération électrique Rotax :
Alternateur Rotax/Ducati
sur Contrails !
Régulateur Rotax/Ducati
sur Contrails !
PS qui n'a rien à voir :
Les infos de ce site ont été "reproduites" ailleurs. Préférez l'original sur Contrails !
La rumeur
L'affirmation qui tue
Dès qu'il est question de la génération électrique sur un Rotax, il se trouve toujours quelqu'un pour suggérer qu'il s'agirait "d'un régulateur de type shunt", et que "c'est pour ça que etc.".
De hangar en forums puis en bars d'aéroclubs, la rumeur se répand...
Voyons ce qu'il en est.
Un bref retour aux bases
Une appellation incomplète
Le terme de régulateur est impropre car une fonction triple doit être réalisée pour pouvoir utiliser l'énergie de l'alternateur Ducati Energia :
Redressement, filtrage et régulation.
Redressement
Le montage classique est un pont redresseur à 4 diodes.
Notez que nous utilisons le modèle exact de l'alternateur Ducati/Rotax
Voir Alternateur Rotax/Ducati sur Contrails !
Tension
Tension à vide après redressement (2400 tr/min).
Un peu de filtrage ne nuirait pas…
Filtrage
Deux composants peuvent être utilisés pour filtrer : une inductance (bobine) ou une capacité (condensateur).
Selon les règles de l'art, c'est une capacité (22000μF) en parallèle sur la sortie du pont qui doit être utilisée dans notre cas.
F.e.m et tension
La première courbe représente la tension que l'alternateur fournirait à vide (f.e.m).
La seconde représente la tension de sortie de l'alternateur.
Quand les diodes conduisent, cette tension est égale à celle du condensateur de filtrage.
Cette troisième courbe représente la tension en sortie du pont après filtrage.
On observe un régime transitoire qui correspond à la charge de la capacité.
Sans charge, cette tension tend vers la tension crête de l'alternateur (un peu plus de 30 V ici, et 100 V à la vitesse maximum).
Il est donc nécessaire de réguler la valeur de la tension de sortie.
Alors régulateur shunt ou série ???
Régulation Shunt ?
Tournons à 6000 tr/min et mettons un shunt.
Un shunt est une résistance (ici 0,75 Ω) branchée en parallèle sur les bornes de sortie du pont redresseur.
Tensions
C'est simple et ça marche !
En choisissant le bon shunt, la tension est régulée à 14 V, voyez la 3eme courbe.
Bien évidemment, en réalité il faut faire varier la résistance en fonction du régime et de la charge, pour assurer une tension constante dans tous les cas.
Pour cela on peut envisager de remplacer la résistance par un montage à transistor.
Shunt et transistor
Cela reste simple !
Oui mais…
Calculons la puissance dissipée dans le shunt à vide :
P =U²/R = 14²/0,75 = 260 W !!!
Plus que la puissance nominale du régulateur.
De quoi faire cuire un œuf rapidement, avant même de fournir le moindre électron à l'avion !
Il y a donc un problème
Il n'existe pas de résistance ou de radiateur de cette puissance qui tienne dans le boitier d'un régulateur Ducati ou autre.
Par ailleurs à vide, aucun des ces régulateurs ne chauffe.
Au contraire c'est en charge qu'ils chauffent.
Nos régulateurs ne peuvent donc être de type shunt, désolé...
Régulateur "série", peut-être ?
Montage série :
Essayons de mettre la résistance en série, c'est elle qui fera chuter la tension selon la loi d'Ohm.
Chargeons le montage.
Tension
Là encore, ça marche !
Comme précédemment, la résistance peut être remplacée par un montage à transistor :
La résistance série dissipe le plus de puissance quand elle est égale à la résistance équivalente à la charge.
Notre avion devant consommer une quinzaine d'ampères en vol, la charge (= les consommateurs dans l'avion) a une résistance équivalente de :
R = U/I = 14/15 ≈ 0,9 Ω
Le cas le plus défavorable correspond donc à une résistance série égale à 0,9 Ohm.
La puissance dissipée dans le montage série est alors égale à :
P = U²/R = 14²/0.9 = 220 W
Cela reste considérable.
Pour vous en convaincre, allez dans une salle de gym, montez sur un vélo et affichez 220 W. Pas sûr que vous teniez 30 secondes !
On ne peut dissiper de telles puissances dans un petit boitier.
Conclusion
Ni l'un ni l'autre
Les notions de régulateurs shunt et série sont héritées des temps anciens où l'électronique de puissance n'existait pas.
De nos jours, sauf pour des besoins particuliers, on n'utilise pas ce type de régulateurs pour gérer de la puissance
Mais alors, quel type de régulateur ?
Redressement commandé
Deux diodes des montages précédents sont remplacées par des thyristors.
Pour faire simple, les thyristors sont des diodes dont la mise en conduction est déclenchée.
Tout autre interrupteur électronique pourrait être utilisé (transistor bipolaire, mosfet, IGBT…) mais pour ce genre d'application, leur utilisation est délicate.
Commande par train d'onde :
La méthode la plus simple consiste à ouvrir le robinet en grand puis à le fermer :
Les thyristors sont commandés à l'ouverture sur quelques périodes afin d'atteindre la tension voulue, puis ne sont plus commandés.
La tension chute… et les thyristors sont commandés à nouveau.
Pour poursuivre avec la métaphore du robinet, il se produit alors de jolis coups de bélier dans les canalisations !
Tensions
Cette méthode est simple à mettre en œuvre mais peu recommandée. Le régulateur fonctionne par à-coups.
Plutôt que de fournir du courant régulièrement, l'alternateur le fournit par salve.
Pour une même puissance moyenne, il aura plus de pertes à dissiper !
Il est possible de comparer ce fonctionnement à celui d'une voiture sur l'autoroute.
Pour maintenir 110 de moyenne, il est possible de rouler à vitesse constante ou d'accélérer et décélérer en permanence.
Dans le second cas, la consommation s'en ressent...
Ondulations de couple et de tension
Ces à-coups électriques se traduisent par des à-coups mécaniques.
Sur notre banc d'essai, l'entraînement réalisé par un moteur électrique, est relativement silencieux et exempt de vibrations.
La connexion d'un régulateur de ce type est impressionnante par les vibrations engendrées.
Coté charge, l'effet est encore plus gênant.
La puissance étant transmise par salve, les ondulations de tension sont plus importantes.
Cela peut avoir des répercussions sur les systèmes alimentés et les instruments mais c'est la batterie qui va souffrir le plus.
Afin d'éviter un vieillissement prématuré, Hawker (batteries plomb AGM) préconise une ondulation de tension RMS inférieure à 1%, EarthX (batteries lithium) met en garde contre les excursions et les pulses de tension...
Commande par retard à l'amorçage :
Plutôt que d'ouvrir le robinet par à coups, il vaut mieux l'ouvrir partiellement.
Pour cela, on retarde l'amorçage des thyristors par rapport à l'amorçage naturel qu'aurait eu une diode.
Tension
Seule la commande des thyristors a été modifiée depuis la version précédente.
Le résultat obtenu sur l'ondulation de la tension de sortie se passe de commentaire.
Conclusion
Pour résumer
Le régulateur Ducati/Rotax, bien que peu fiable thermiquement, ne chauffe pas à vide, la rumeur du "régulateur shunt" est sans fondement.
Il comporte un pont à deux thyristors TP154E, c'est un régulateur à redressement commandé.
Le schéma électrique du régulateur figure sur cette page :
Voir Régulateur Rotax/Ducati sur Contrails !
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05-06-2020 à 18:40:48
