Konwerter doładowania dla małych turbin wiatrowych: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

W moim ostatnim artykule o sterownikach śledzenia punktu maksymalnej mocy (MPPT) pokazałem standardową metodę wykorzystania energii pochodzącej ze zmiennego źródła, takiego jak turbina wiatrowa i ładowania akumulatora. Generator, którego użyłem, to silnik krokowy Nema 17 (używany jako generator), ponieważ są tanie i dostępne wszędzie. Dużą zaletą silników krokowych jest to, że wytwarzają wysokie napięcie nawet podczas powolnego wirowania.

W tym artykule przedstawiam sterownik specjalnie zaprojektowany do bezszczotkowych silników prądu stałego małej mocy (BLDC). Problem z tymi silnikami polega na tym, że muszą się szybko obracać, aby wytworzyć możliwe do wykorzystania napięcie. Podczas powolnego wirowania indukowane napięcie jest tak niskie, że czasami nawet nie pozwala na przewodzenie diody, a gdy to robi, prąd jest tak niski, że prawie żadna moc nie przechodzi z turbiny do akumulatora.

Obwód ten wykonuje jednocześnie redresser i boost. Maksymalizuje prąd płynący w cewce generatora, dzięki czemu moc może być wykorzystywana nawet przy niskich obrotach.

Ten artykuł nie wyjaśnia, jak wykonać obwód, ale jeśli jesteś zainteresowany, sprawdź ostatni artykuł.

Krok 1: Obwód

Tak jak w poprzednim artykule używam mikrokontrolera Attiny45 z Arduino IDE. Ten sterownik mierzy prąd (za pomocą rezystora R1 i wzmacniacza operacyjnego) i napięcie, oblicza moc i modyfikuje cykl pracy na trzech przełączających tranzystorach. Tranzystory te są przełączane razem bez względu na wejście.

Jak to możliwe?

Ponieważ używam silnika BLDC jako generatora, napięcia na zacisku BLDC są sinusami trójfazowymi: trzy sinusy przesunięte o 120° (por. 2 zdjęcie). Dobrą rzeczą w tym systemie jest to, że suma tych zatok jest zawsze zerowa. Kiedy więc trzy tranzystory przewodzą, trzy prądy zalewają je, ale znoszą się nawzajem w ziemi (por. rys. 3). Wybrałem tranzystory MOSFET o niskim oporze włączenia źródła drenu. W ten sposób (oto sztuczka) prąd w cewkach indukcyjnych jest maksymalizowany nawet przy niskich napięciach. Na razie żadne diody nie przewodzą.

Kiedy tranzystory przestają przewodzić, prąd cewki indukcyjnej musi gdzieś iść. Teraz diody zaczynają przewodzić. Mogą to być górne diody lub diody wewnątrz tranzystora (sprawdź, czy tranzystor może wytrzymać taki prąd) (por. zdjęcie 4). Możesz powiedzieć: Ok, ale teraz jest jak normalny prostownik mostkowy. Tak, ale teraz napięcie jest już zwiększone, gdy używane są diody.

Niektóre obwody wykorzystują sześć tranzystorów (takich jak sterownik BLDC), ale musisz określić napięcie, aby wiedzieć, które tranzystory należy włączyć lub wyłączyć. To rozwiązanie jest prostsze i można je wdrożyć nawet z zegarem 555.

Wejście to JP1, jest podłączone do silnika BLDC. Wyjście to JP2, jest podłączone do akumulatora lub diody LED.

Krok 2: Konfiguracja

Aby przetestować obwód, wykonałem układ z dwoma silnikami połączonymi mechanicznie o przełożeniu równym jeden (por. zdjęcie). Jest jeden mały szczotkowany silnik prądu stałego i jeden BLDC używany jako generator. Mogę wybrać napięcie na moim zasilaczu i założyć, że mały silnik szczotkowy zachowuje się w przybliżeniu jak turbina wiatrowa: bez momentu hamowania osiąga maksymalną prędkość. W przypadku zastosowania momentu hamującego silnik zwalnia (w naszym przypadku zależność moment-prędkość jest liniowa i dla prawdziwych turbin wiatrowych jest to zwykle parabola).

Mały silnik jest podłączony do zasilacza, BLDC jest podłączony do obwodu MPPT, a obciążeniem jest dioda LED mocy (1W, TDS-P001L4) o napięciu przewodzenia 2,6 wolta. Ta dioda LED zachowuje się w przybliżeniu jak bateria: jeśli napięcie jest poniżej 2,6, do diody nie wchodzi prąd, jeśli napięcie próbuje przekroczyć 2,6, prąd zaleje i napięcie stabilizuje się w okolicach 2,6.

Kod jest taki sam jak w poprzednim artykule. Jak załadować go do mikrokontrolera i jak to działa, wyjaśniłem już w tym ostatnim artykule. Lekko zmodyfikowałem ten kod w celu uzyskania przedstawionych wyników.

Krok 3: Wyniki

W tym eksperymencie użyłem diody LED zasilania jako obciążenia. Ma napięcie przewodzenia 2,6 wolta. Ponieważ napięcie ustabilizowało się w okolicach 2,6, sterownik mierzył tylko prąd.

1) Zasilanie 5,6 V (czerwona linia na wykresie)

• min prędkość generatora 1774 obr/min (cykl pracy = 0,8)
• maksymalna prędkość generatora 2606 obr/min (cykl pracy = 0,2)
• maksymalna moc generatora 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Zasilanie 4 V (żółta linia na wykresie)

• min prędkość generatora 1406 obr/min (cykl pracy = 0,8)
• maksymalna prędkość generatora 1646 obr/min (cykl pracy = 0,2)
• maksymalna moc generatora 52 mW (0,02 x 2,6)

Uwaga: Kiedy wypróbowałem generator BLDC z pierwszym kontrolerem, nie mierzono żadnego prądu, dopóki napięcie zasilania nie osiągnęło 9 woltów. Próbowałem też różnych przełożeń, ale moc była naprawdę niska w porównaniu z prezentowanymi wynikami. Nie mogę spróbować odwrotnie: Rozgałęzienie generatora krokowego (Nema 17) na tym sterowniku, ponieważ stepper nie wytwarza trójfazowego napięcia sinusoidalnego.

Krok 4: Dyskusja

Nieliniowości obserwuje się z powodu przejścia między ciągłym i przerywanym przewodnictwem cewki indukcyjnej.

Kolejny test należy przeprowadzić z wyższymi cyklami pracy, aby znaleźć maksymalny punkt mocy.

Bieżące pomiary są na tyle czyste, że sterownik może pracować bez konieczności filtrowania.

Wygląda na to, że ta topologia działa poprawnie, ale chciałbym mieć Twoje uwagi, ponieważ nie jestem specjalistą.

Krok 5: Porównanie z generatorem krokowym

Maksymalna pobierana moc jest lepsza z BLDC i jego kontrolerem.

Dodanie podwajacza napięcia Delona może zmniejszyć różnicę, ale pojawiły się z tym inne problemy (napięcie przy dużej prędkości może być większe niż napięcie akumulatora i potrzebny jest konwerter buck).

System BLDC jest mniej hałaśliwy, więc nie ma potrzeby filtrowania bieżących pomiarów. Pozwala to kontrolerowi na szybszą reakcję.

Krok 6: Wniosek

Teraz myślę, że jestem gotowy do kontynuacji pierwszego kroku, czyli: zaprojektowania turbin wiatrowych i wykonania pomiarów na miejscu, a na koniec ładowania akumulatora z wiatrem!