CIRCUIT ELECTRIQUE D'UN AVION - ULM
Rotax 912
A la lecture de plusieurs listes aéronautiques, certains semblent avoir quelques soucis avec leurs sources d'énergie de bord. On se rend compte qu'un grand nombre de régulateurs Ducati, montés sur des Rotax 912, sont partis en fumée sur nos avions.
Les avions équipés d'un réseau de bord électrique posé;dent deux sources d'énergie : la batterie et l'alternateur. Afin d'obtenir une tension constante après l'alternateur, on utilise un régulateur.
• La batterie : sert essentiellement au démarrage du moteur. La majeure partie du temps, elle est en charge. Sa qualité première ne réside pas dans sa capacité (Ampère/heure) mais dans le courant qu'elle est capable de fournir au démarrage. Temporairement, elle peut néanmoins prendre le relais de l'alternateur lorsque ce dernier ne peut pas fournir la puissance suffisante. Cela arrive à basse vitesse de rotation, en cas d'appel de courant transitoire important ou bien quand l'alternateur ou son régulateur a rendu l'âme. Dans ce cas, la durée de fonctionnement du réseau de bord dépendra à la fois de la consommation à bord et de la capacité de la batterie.
• La génératrice : fournit toute l'énergie électrique de l'avion. Une partie de cette énergie est stockée dans la batterie (charge) tandis que la partie principale sert au réseau de bord. La génératrice doit donc être dimensionnée en fonction des besoins électriques. Lors d'une installation électrique dans un avion, la première tâche consiste donc à estimer la puissance électrique nécessaire à bord. Si la génératrice ne peut fournir la puissance nécessaire, la batterie prendra le relais... un moment. Une fois la batterie déchargée, vous ne serez plus en mesure d'assurer le fonctionnement normal de votre réseau de bord.
• Le régulateur : la génératrice tire son énergie du moteur de l'avion. Elle va donc fonctionner à des vitesses de rotation différentes et fournir une tension de sortie variable. Afin d'assurer une tension constante au réseau de bord, il est donc nécessaire de lui adjoindre un régulateur (ainsi qu'un redresseur dans la plupart des cas).
I. Les génératrices
Elles sont de plusieurs types, avec chacune leurs avantages et leurs inconvénients :
• Les génératrices à courant continu :
Elles fournissent directement une tension continue. On ne les trouve plus sur les voitures depuis bien longtemps déjà...A courant d'excitation :
Inconvénient : nécessité de fournir un courant d'excitation.
Avantage : possibilité de régler la tension de sortie.
A aimant :
Inconvénient : impossible de régler la tension de sortie.
Avantage : Pas besoin de courant d'excitation.
Performances supérieures.Bien que très simples d'utilisation, ces machines sont un peu moins performantes que les alternateurs. Elles ne sont presque plus utilisées dans les conceptions actuelles à cause de leur système de balais/collecteur. Ce système qui les rend si simple d'utilisation, pose des problèmes d'usure.
• Les alternateurs synchrones :
Ces machines sont utilisées pour produire la quasi-totalité de l'énergie électrique que nous consommons, que cela soit pour le réseau EDF, celui de nos voitures ou celui des avions de ligne (les prochains très gros porteurs auront un réseau électrique avoisinant le Méga Watt). Comme pour les génératrices à courant continu, les alternateurs peuvent être à aimants ou à excitation avec les mêmes avantages et les mêmes inconvénients. Cependant, lorsqu'il est à aimant, l'alternateur permet d'éviter tous les contacts tournants. Il est inusable !
Par contre, contrairement à la génératrice à courant continu, sa tension de sortie est alternative. En plus d'être régulée, cette dernière doit aussi être redressée. Si l'alternateur est monophasé, il ne peut pas délivrer de puissance continue. Même s'il tourne à une vitesse constante, il génère une tension alternative. Cette tension évolue donc d'une tension positive à une tension négative en passant par une tension nulle. Quel que soit le courant, quand la tension est nulle, la puissance instantanée fournie est nulle aussi. On peut faire une analogie avec un vélo. La puissance maximum est fournie quand les pédales sont horizontales. Elle est nulle quand elles sont verticales (essayez de démarrer avec les pédales verticales
. Par la suite, le vélo avance à vitesse à peu près constante grâce au filtrage apporté par l'inertie. Dans le cas d'un alternateur monophasé, on utilise un condensateur ou une inductance pour lisser cette ondulation de puissance. Pour éviter ce problème de puissance fluctuante, le triphasé est utilisé sur la plupart des alternateurs. Il est ainsi possible de produire de l'électricité avec une puissance constante (cas des alternateurs de voiture actuels).
L'alternateur Ducati Energia pour Rotax 912
L'alternateur Ducati Energia monté sur les Rotax est un alternateur monophasé à aimants. Il faut donc à la fois redresser sa tension alternative pour la transformer en tension continue, la lisser pour obtenir une tension constante, et la réguler autour de 14 Volts.Pour cela, avant toutes choses, il est nécessaire de connaître les caractéristiques de l'alternateur. La plupart de ces caractéristiques étant introuvables dans la documentation du constructeur, nous les avons mesurées.
Données du constructeur :
Puissance : 250W (258W/12,6V/20,5A en sortie de régulateur à 5800 tr/min)
Vitesse de rotation : 1000 à 6000 tr/minMesures :
Monophasé sans point milieu ni connexion à la masse
Poids : 2,3 kg (stator 700 g, rotor 1,6 kg)
Nombre de paires de pôles : 5
Résistance statorique : 0,12 Ohm (à 20°C)
Inductance : 750 µH
Force électromotrice : 1/60 V/(tr/min) crête
1/120 V/(tr/min) efficace
Courant de court circuit max : 21 A efficaces à 150 HzFréquence de sortie : 83 Hz à 500 Hz
Tension de sortie : 16 V à 100 V crêteBanc de test :
L'alternateur est monté sur un banc qui permet la rotation du rotor (à l'extérieur) tout en immobilisant le stator (à l'intérieur). Une protection a été montée sur le banc pour se prémunir d'une éventuelle satellisation de l'alternateur.
Mesures :
Par la suite, l'alternateur est entraîné par un moteur à courant continu. On peut voir la tension de sortie à vide (sans débiter de courant) de l'alternateur sur l'image ci-dessous. Pas bien beau...
Tension à vide aux bornes de l'alternateur (2400 tr/min)
Afin de pouvoir simuler l'alternateur, une analyse spectrale nous a permis d'obtenir une décomposition harmonique de la tension à vide. Pour utiliser des termes un peu moins techniques, cela veut dire que l'on va pouvoir retracer cette courbe en superposant plusieurs sinusoïdes de fréquences différentes.
A 102 Hz, pour une tension efficace de 10,56 V, on obtient la décomposition harmonique en valeur efficace suivante :
- Harmonique 1 : 10 V 100 Hz 0°
- Harmonique 3 : 3V 300 Hz 180°
- Harmonique 5 : 0,21 V 500 Hz 0°
- Harmonique 7 : 0,65 V 700 Hz 0°
- Harmonique 9 : 0,59 V 900 Hz 180°
On considère ensuite que la tension à vide est proportionnelle à la fréquence. La simulation de la tension à vide à 200 Hz à partir des valeurs précédentes donne un résultat très proche de la réalité (comparer avec la courbe précédente) :
La tension à vide est modélisée par la mise en série de générateurs sinusoïdaux. A gauche de chaque générateur, la fréquence. A droite de chaque générateur, la valeur crête de la sinusoïde.
En fonctionnement normal, les composants du régulateur seront donc soumis par l'alternateur à une tension de 100 V à 6000 tr/min. Cette valeur doit non seulement servir à dimensionner les composants électroniques du régulateur mais permet de rappeler qu'une protection contre les surtensions est une sécurité pouvant être utile. En cas de défaillance du régulateur, cette tension pourrait engendrer quelques dégâts si elle se retrouvait sur le réseau de bord...
La tension efficace à vide en fonction de la fréquence peut alors être tracée aisément :
Mesures de l'impédance de l'alternateur :
L'alternateur possède une impédance interne. Elle peut être modélisée par une résistance en série avec une inductance.
La résistance a été mesurée par une méthode volt-ampèremétrique en alimentant le stator sous une tension continue (réduite) : 0,12 Ohm à 20° C.
L'inductance a été mesurée par différentes méthodes :
- Au pont d'impédance : 200 µH
- En alimentant le stator sous tension réduite : 400 µH
- En mesurant le courant de court circuit : 750 µH
La première mesure a été réalisée avec un courant de quelques mA, la seconde avec un courant de quelques ampères et la dernière avec un courant de 21 A. Ces différences d'inductances sont certainement dues à la saturation du circuit magnétique statorique par les aimants du rotor. Lorsque l'alternateur produit du courant, le champ créé par le bobinage statorique s'oppose au champ magnétique du rotor et réduit la saturation. Comme nous le verrons par la suite, le courant instantané débité par la génératrice est important. Nous retiendrons donc 750 µH pour l'inductance. Le modèle électrique complet de l'alternateur est donc le suivant (donné à 200 Hz, soit 2400 tr/min) :
Il est alors possible de tracer ses caractéristiques d'impédance et de court circuit :
Comme le montrent ces courbes, l'influence de la résistance est négligeable au dessus 1000 tr/min. C'est donc l'inductance qui va limiter le courant de l'alternateur. L'inductance a une impédance qui est proportionnelle à la fréquence. La tension à vide de l'alternateur est elle aussi proportionnelle à la fréquence. Le courant de court-circuit est donc constant quel que soit la vitesse, dès que la résistance est négligeable devant l'inductance. Nous avons mesuré un courant de court-circuit de 21 A.
Protection de l'alternateur :
L'alternateur peut-il supporter ce courant ou doit-il être protégé contre les sur intensités ? Pour répondre à cette question, nous l'avons fait fonctionner en court-circuit équipé d'une sonde de température. La sonde de température est placée à la surface du bobinage statorique. Elle permet non seulement de relever la température, mais aussi de s'assurer que nous restons dans un domaine de fonctionnement sans danger pour le bobinage.
Lors de cet essai en court circuit, on note une élévation de température de 30° en surface du bobinage. Cette température se stabilise après 25 min de fonctionnement. Après l'arrêt du banc, la température en surface s'est élevée de 17° supplémentaire en 45 secondes. Cette élévation de température provient de la chaleur emmagasinée au centre du bobinage. A l'arrêt, le flux d'air provoqué par le rotor disparaît. La surface du bobinage n'est plus refroidie par convection forcée et la température extérieure du bobinage devient sensiblement égale à sa température intérieure. Dans nos conditions d'essai, il est donc possible d'estimer à 50°C, l'élévation de température du stator en court-circuit. En conditions réelles de fonctionnement, en supposant une température ambiante de 80°C et en gardant les mêmes hypothèses, le bobinage fonctionnerait alors autour de 130°C. Un isolant de bobinage bas de gamme supporte 150°C sans problème... Nous pouvons donc dormir tranquille sachant qu'à chaque fois, les hypothèses prises sont très défavorables. La chaleur sera mieux évacuée par conduction sur le carter du ROTAX que par le roulement de notre banc d'essai, l'air ambiant a certainement une température inférieure à 80°C (mais la chute de pression avec l'altitude a un effet défavorable sur le refroidissement), et l'isolant du bobinage n'est pas forcément de médiocre qualité.L'alternateur est donc protégé naturellement par son courant de court-circuit et ses caractéristiques thermiques. La seule précaution à prendre est l'utilisation de câbles dimensionnés pour passer 20 A entre l'alternateur et le régulateur.
