Boost Converter pro malé větrné turbíny: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:21

Ve svém posledním článku o regulátorech MPPT (Maximum Power Point Tracking) jsem ukázal standardní metodu pro využívání energie pocházející z variabilního zdroje, jako je větrná turbína, a nabíjení baterie. Generátor, který jsem použil, byl krokový motor Nema 17 (používaný jako generátor), protože jsou levné a dostupné všude. Velkou výhodou krokových motorů je, že i při pomalém točení produkují vysoké napětí.

V tomto článku představuji řadič speciálně navržený pro nízkonapěťové střídavé motory (BLDC). Problém těchto motorů spočívá v tom, že se musí rychle otáčet, aby vytvořily využitelné napětí. Při pomalém točení je indukované napětí tak nízké, že někdy dokonce neumožňuje vedení diody a když ano, proud je tak nízký, že z turbíny do baterie neprochází téměř žádný výkon.

Tento obvod provádí současně nápravu a posílení. Maximalizuje proud protékající cívkou generátoru a tímto způsobem lze výkon využít i při nízké rychlosti.

Tento článek nevysvětluje, jak vytvořit obvod, ale pokud vás to zajímá, podívejte se na poslední článek.

Krok 1: Okruh

Stejně jako v minulém článku používám mikrořadič Attiny45 s Arduino IDE. Tento ovladač měří proud (pomocí odporu R1 a operačního zesilovače) a napětí, vypočítává výkon a upravuje pracovní cyklus na třech spínacích tranzistorech. Tyto tranzistory jsou spínány společně bez ohledu na vstup.

Jak je to možné?

Protože jako generátor používám motor BLDC, napětí na terminálu BLDC jsou třífázový sinus: tři sinusy posunuty o 120 ° (viz 2. obrázek). Dobrá věc na tomto systému je, že součet těchto tvých dutin je kdykoli nulový. Když tedy vedou tři tranzistory, zaplaví se v nich tři proudy, ale v zemi se navzájem ruší (srov. 3. obrázek). Vybral jsem tranzistory MOSFET s nízkým odporem vypouštěcího zdroje. Tímto způsobem (zde je trik) je proud v induktorech maximalizován i při nízkém napětí. V tuto chvíli nevedou žádné diody.

Když tranzistory přestanou vést, musí proud induktoru někam jít. Nyní se diody začnou chovat. Mohou to být horní diody nebo diody uvnitř tranzistoru (zkontrolujte, zda tranzistor zvládne takový proud) (viz 4. obrázek). Můžete si říci: Dobře, ale teď je to jako normální usměrňovací můstek. Ano, ale nyní je napětí již zvýšeno, když jsou použity diody.

Existuje několik obvodů využívajících šest tranzistorů (jako ovladač BLDC), ale pak musíte nastavit napětí, abyste věděli, které tranzistory je třeba zapnout nebo vypnout. Toto řešení je jednodušší a může být dokonce implementováno s časovačem 555.

Vstup je JP1, je připojen k motoru BLDC. Výstup je JP2, je připojen k baterii nebo LED.

Krok 2: Nastavení

Abych otestoval obvod, provedl jsem nastavení se dvěma motory mechanicky spojenými s převodovým poměrem jeden (viz obrázek). Jako generátor se používá jeden malý kartáčovaný stejnosměrný motor a jeden BLDC. Mohu zvolit napětí na svém napájecím zdroji a předpokládat, že se malý kartáčovaný motor chová přibližně jako větrná turbína: aniž by došlo k porušení točivého momentu, dosáhne maximální rychlosti. Pokud je aplikován vypínací moment, motor zpomalí (v našem případě je vztah krouticího momentu a rychlosti lineární a pro skutečné větrné turbíny je to obvykle parabola).

Malý motor je připojen ke zdroji napájení, BLDC je připojen k obvodu MPPT a zátěží je výkonová LED (1W, TDS-P001L4) s dopředným napětím 2,6 voltů. Tato LED se chová přibližně jako baterie: pokud je napětí pod 2,6, do LED nevstupuje proud, pokud se napětí pokusí překročit 2,6, proud se zaplaví a napětí se stabilizuje kolem 2,6.

Kód je stejný jako v minulém článku. V tomto posledním článku jsem již vysvětlil, jak jej načíst do mikrořadiče a jak funguje. Tento kód jsem mírně upravil, abych dosáhl prezentovaných výsledků.

Krok 3: Výsledky

Pro tento experiment jsem jako zátěž použil LED napájení. Má dopředné napětí 2,6 voltů. Když je napětí stabilizováno kolem 2,6, regulátor měřil pouze proud.

1) Napájení 5,6 V (červená čára na grafu)

• min. otáčky generátoru 1774 ot / min (pracovní cyklus = 0,8)
• maximální rychlost generátoru 2606 ot / min (pracovní cyklus = 0,2)
• maximální výkon generátoru 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Napájení 4 V (žlutá čára na grafu)

• min. otáčky generátoru 1406 ot / min (pracovní cyklus = 0,8)
• maximální rychlost generátoru 1646 ot / min (pracovní cyklus = 0,2)
• maximální výkon generátoru 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Když jsem zkoušel generátor BLDC s prvním ovladačem, nebyl měřen žádný proud, dokud napětí napájecího zdroje nedosáhlo 9 voltů. Zkoušel jsem také různé převodové poměry, ale výkon byl ve srovnání s prezentovanými výsledky opravdu nízký. Nemohu to zkusit naopak: Rozvětvení krokového generátoru (Nema 17) na tomto regulátoru, protože stepper nevytváří třífázové sinusové napětí.

Krok 4: Diskuse

Nelinearity jsou pozorovány kvůli přechodu mezi pokračováním a přerušením vedení induktoru.

Další test by měl být proveden s vyššími pracovními cykly, aby se našel bod maximálního výkonu.

Aktuální měření jsou dostatečně čistá, aby mohla řídicí jednotka fungovat bez nutnosti filtrování.

Zdá se, že tato topologie funguje správně, ale rád bych měl vaše připomínky, protože nejsem odborník.

Krok 5: Porovnání s krokovým generátorem

Maximální extrahovaný výkon je lepší u BLDC a jeho ovladače.

Přidání zdvojovače napětí Delon může snížit rozdíl, ale objevily se s ním další problémy (napětí při vysoké rychlosti může být větší než napěťová baterie a je zapotřebí převodník buck).

Systém BLDC je méně hlučný, takže není nutné filtrovat aktuální měření. Umožňuje ovladači reagovat rychleji.

Krok 6: Závěr

Nyní si myslím, že jsem připraven pokračovat v kroku hnízda, kterým je: Navrhování větrných turbín a provádění měření na místě a nakonec nabíjení baterie větrem!