Boost -omformer for små vindturbiner: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:22

I min siste artikkel om maksimal power point tracking (MPPT) -kontrollere viste jeg en standard metode for å utnytte energien som kommer fra en variabel kilde, for eksempel en vindturbin og lading av et batteri. Generatoren jeg brukte var en trinnmotor Nema 17 (brukt som generator) fordi de er billige og tilgjengelige overalt. Den store fordelen med steppermotorer er at de produserer høye spenninger, selv når de spinner sakte.

I denne artikkelen presenterer jeg en kontroller som er spesielt designet for børsteløse likestrømsmotorer med lav effekt (BLDC). Problemet med disse motorene er at de må snurre raskt for å produsere en utnyttbar spenning. Når du spinner sakte, er den induserte spenningen så lav at den noen ganger ikke tillater ledning av dioder, og når den gjør det, er strømmen så lav at nesten ingen strøm passerer fra turbinen til batteriet.

Denne kretsen gjør samtidig oppreisning og boost. Den maksimerer strømmen som strømmer i generatorens spole, og på denne måten kan strømmen brukes selv ved lav hastighet.

Denne artikkelen forklarer ikke hvordan du lager kretsen, men hvis du er interessert, sjekk den siste artikkelen.

Trinn 1: Kretsen

Som i forrige artikkel bruker jeg en mikrokontroller Attiny45 med Arduino IDE. Denne kontrolleren måler strømmen (ved hjelp av R1-motstanden og op-amp) og spenningen, beregner effekten og endrer driftssyklusen på de tre koblingstransistorene. Disse transistorene kobles sammen uten hensyn til inngangen.

Hvordan er det mulig?

Fordi jeg bruker en BLDC-motor som generator, er spenningene ved BLDC-terminalen en trefaset sinus: Tre bihuler forskjøvet med 120 ° (jfr. 2. bilde). Det gode med dette systemet er at summen av disse sinusene er null når som helst. Så når de tre transistorene leder, flommer tre strømmer i dem, men de avbryter hverandre i bakken (jf. 3. bilde). Jeg valgte MOSFET-transistorer med lav motstand mot avløpskilde. På denne måten (her er trikset) maksimeres strømmen i induktorene selv med lave spenninger. Ingen dioder ledes for øyeblikket.

Når transistorene slutter å lede, må induktorstrømmen gå et sted. Nå begynner dioder å lede. Det kan være de øverste dioder eller dioder inne i transistoren (sjekk at transistoren kan håndtere slik strøm) (jf. Fjerde bilde). Du kan si: Ok, men nå er det som en vanlig bro -likeretter. Ja, men nå øker spenningen allerede når dioder brukes.

Det er noen kretser som bruker seks transistorer (som en BLDC -driver), men da må du sette spenningen for å vite hvilke transistorer som må slås på eller av. Denne løsningen er enklere og kan til og med implementeres med en 555 timer.

Inngangen er JP1, den er koblet til BLDC -motoren. Utgangen er JP2, den er koblet til batteriet eller lysdioden.

Trinn 2: Oppsett

For å teste kretsen, laget jeg et oppsett med to motorer mekanisk forbundet med et girutveksling på en (jf. Bildet). Det er en liten børstet likestrømsmotor og en BLDC brukt som generator. Jeg kan velge en spenning på min strømforsyning og anta at den lille børstede motoren oppfører seg omtrent som en vindturbin: Uten å bryte dreiemoment når den maksimal hastighet. Hvis et bruddmoment påføres, bremser motoren (i vårt tilfelle er forholdet dreiemoment-hastighet lineært og for ekte vindturbiner er det vanligvis en parabole).

Den lille motoren er koblet til strømforsyningen, BLDC er koblet til MPPT-kretsen og belastningen er en strøm-LED (1W, TDS-P001L4) med en spenning på 2,6 volt. Denne LED -en oppfører seg omtrent som et batteri: hvis spenningen er under 2,6, går ikke strøm inn i LED -en, hvis spenningen prøver å gå over 2,6, strømmer strømmen og spenningen stabiliserer seg rundt 2,6.

Koden er den samme som i forrige artikkel. Jeg har allerede forklart hvordan du laster den inn i mikrokontrolleren og hvordan den fungerer i denne siste artikkelen. Jeg endret denne koden litt for å få de presenterte resultatene.

Trinn 3: Resultater

For dette eksperimentet brukte jeg strøm -LED som en last. Den har en fremspenning på 2,6 volt. Siden spenningen er stabilisert rundt 2,6, målte kontrolleren bare strømmen.

1) Strømforsyning på 5,6 V (rød linje på grafen)

• generator min. hastighet 1774 o / min (driftssyklus = 0,8)
• generator maks hastighet 2606 o / min (driftssyklus = 0,2)
• generator maks effekt 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Strømforsyning ved 4 V (gul linje på grafen)

• generator min. turtall 1406 o / min (driftssyklus = 0,8)
• generator maks hastighet 1646 o / min (driftssyklus = 0,2)
• generator maks effekt 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Da jeg prøvde BLDC -generatoren med den første kontrolleren, ble det ikke målt noen strøm før strømforsyningsspenningen nådde 9 volt. Jeg prøvde også forskjellige girforhold, men effekten var veldig lav sammenlignet med resultatene. Jeg kan ikke prøve det motsatte: Forgrening av trinngeneratoren (Nema 17) på denne kontrolleren fordi en stepper ikke produserer trefas sinusspenning.

Trinn 4: Diskusjon

Ikke -lineariteter observeres på grunn av overgangen mellom fortsett og avslutt induktorledning.

En annen test bør utføres med høyere driftssykluser for å finne maksimal effektpunkt.

Gjeldende måling er ren nok til at kontrolleren kan fungere uten behov for filtrering.

Denne topologien ser ut til å fungere skikkelig, men jeg vil gjerne ha kommentarene dine fordi jeg ikke er spesialist.

Trinn 5: Sammenligning med trinngeneratoren

Den maksimale ekstraherte effekten er bedre med BLDC og kontrolleren.

Å legge til en Delon spenningsdobbler kan redusere forskjellen, men andre problemer dukket opp med den (Spenningen under høy hastighet kan være større enn spenningsbatteriet og en bukkonverter er nødvendig).

BLDC -systemet er mindre støyende, så det er ikke nødvendig å filtrere gjeldende målinger. Det lar kontrolleren reagere raskere.

Trinn 6: Konklusjon

Nå tror jeg at jeg er klar til å fortsette med nestetrinnet som er: Designe vindturbiner og gjøre målinger på stedet og til slutt lade et batteri med vinden!