Повышающий преобразователь для малых ветряных турбин: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:50

В моей последней статье о контроллерах слежения за точкой максимальной мощности (MPPT) я показал стандартный метод использования энергии, поступающей от переменного источника, такого как ветряная турбина, и зарядки аккумулятора. Генератором, который я использовал, был шаговый двигатель Nema 17 (используемый как генератор), потому что он дешев и доступен везде. Большим преимуществом шаговых двигателей является то, что они вырабатывают высокое напряжение даже при медленном вращении.

В этой статье я представляю контроллер, специально разработанный для бесщеточных двигателей постоянного тока малой мощности (BLDC). Проблема с этими двигателями заключается в том, что они должны быстро вращаться, чтобы производить пригодное для использования напряжение. При медленном вращении индуцированное напряжение настолько низкое, что иногда даже не позволяет проводить диодную проводимость, а когда это происходит, ток настолько мал, что почти никакая энергия не проходит от турбины к батарее.

Эта схема выполняет одновременно восстановитель и усиление. Он максимизирует ток, протекающий в катушке генератора, и, таким образом, мощность может использоваться даже на низкой скорости.

В этой статье не объясняется, как сделать схему, но если вам интересно, посмотрите последнюю статью.

Шаг 1: Схема

Как и в прошлой статье, я использую микроконтроллер Attiny45 с Arduino IDE. Этот контроллер измеряет ток (с помощью резистора R1 и операционного усилителя) и напряжение, вычисляет мощность и изменяет рабочий цикл на трех переключающих транзисторах. Эти транзисторы переключаются вместе независимо от входа.

Как такое возможно?

Поскольку я использую двигатель BLDC в качестве генератора, напряжения на выводе BLDC представляют собой трехфазную синусоидальную форму: три синуса, сдвинутые на 120 ° (см. 2-е изображение). Хорошая вещь с этой системой состоит в том, что сумма этих синусов равна нулю в любое время. Итак, когда три транзистора проводят ток, в них протекает три тока, но они нейтрализуют друг друга в земле (см. 3-е изображение). Я выбрал MOSFET транзисторы с низким сопротивлением сток-исток в открытом состоянии. Таким образом (вот и трюк) ток в катушках индуктивности максимизируется даже при низком напряжении. На данный момент диоды не проводят.

Когда транзисторы перестают проводить ток, индуктор должен куда-то уходить. Теперь диоды начинают проводить. Это могут быть верхние диоды или диоды внутри транзистора (убедитесь, что транзистор может выдерживать такой ток) (см. 4-е изображение). Вы можете сказать: хорошо, но теперь это как обычный мостовой выпрямитель. Да, но теперь напряжение уже повышено, когда используются диоды.

Есть некоторые схемы, использующие шесть транзисторов (например, драйвер BLDC), но тогда вам нужно измерить напряжение, чтобы знать, какие транзисторы должны быть включены или выключены. Это решение проще и даже может быть реализовано с таймером 555.

Вход JP1, он подключен к двигателю BLDC. Выход JP2, он подключен к батарее или светодиоду.

Шаг 2: установка

Чтобы проверить схему, я сделал установку с двумя двигателями, механически связанными с передаточным числом, равным единице (см. Изображение). В качестве генератора используются один маленький щеточный двигатель постоянного тока и один BLDC. Я могу выбрать напряжение на моем источнике питания и предположить, что маленький щеточный двигатель ведет себя примерно как ветряная турбина: без разрывающего крутящего момента он достигает максимальной скорости. Если применяется тормозящий момент, двигатель замедляется (в нашем случае отношение крутящего момента к скорости линейно, а для реальных ветряных турбин это обычно парабола).

Маленький двигатель подключен к источнику питания, BLDC подключен к цепи MPPT, а нагрузка представляет собой светодиодный индикатор питания (1 Вт, TDS-P001L4) с прямым напряжением 2,6 вольт. Этот светодиод ведет себя примерно как батарея: если напряжение ниже 2,6, ток не поступает на светодиод, если напряжение пытается подняться выше 2,6, ток переливается и напряжение стабилизируется на уровне около 2,6.

Код такой же, как в прошлой статье. Я уже объяснял, как загрузить его в микроконтроллер и как он работает, в этой последней статье. Я немного изменил этот код, чтобы получить представленные результаты.

Шаг 3: результаты

Для этого эксперимента я использовал светодиод питания в качестве нагрузки. Он имеет прямое напряжение 2,6 В. Поскольку напряжение стабилизировалось около 2,6, контроллер измерял только ток.

1) Питание на 5,6 В (красная линия на графике)

• мин. частота вращения генератора 1774 об / мин (рабочий цикл = 0,8)
• максимальная скорость генератора 2606 об / мин (рабочий цикл = 0,2)
• максимальная мощность генератора 156 мВт (0,06 x 2,6)

2) Питание на 4 В (желтая линия на графике)

• мин. скорость генератора 1406 об / мин (рабочий цикл = 0,8)
• максимальная скорость генератора 1646 об / мин (рабочий цикл = 0,2)
• максимальная мощность генератора 52 мВт (0,02 x 2,6)

Ремарк: Когда я попробовал генератор BLDC с первым контроллером, ток не измерялся, пока напряжение источника питания не достигло 9 вольт. Я также пробовал разные передаточные числа, но мощность была действительно низкой по сравнению с представленными результатами. Я не могу попробовать обратное: разветвление шагового генератора (Nema 17) на этом контроллере, потому что шаговый двигатель не выдает трехфазное синусоидальное напряжение.

Шаг 4: Обсуждение

Наблюдаются нелинейности из-за перехода между продолжением и прекращением проводимости индуктора.

Другой тест должен быть проведен с более высокими рабочими циклами, чтобы найти точку максимальной мощности.

Текущие измерения достаточно чистые, чтобы позволить контроллеру работать без необходимости фильтрации.

Эта топология, кажется, работает правильно, но я хотел бы получить ваши комментарии, потому что я не специалист.

Шаг 5: Сравнение с шаговым генератором

Максимальная извлекаемая мощность лучше у BLDC и его контроллера.

Добавление удвоителя напряжения Делона может уменьшить разницу, но с ним возникли другие проблемы (напряжение во время высокой скорости может быть больше, чем напряжение батареи, и необходим понижающий преобразователь).

Система BLDC менее шумна, поэтому нет необходимости фильтровать текущие измерения. Это позволяет контроллеру реагировать быстрее.

Шаг 6: Заключение

Теперь я думаю, что я готов продолжить этап гнездования, а именно: проектировать ветряные турбины, проводить измерения на месте и, наконец, заряжать аккумулятор ветром!