Boost -omvandlare för små vindkraftverk: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:41

I min förra artikel om MPPT -kontroller visade jag en standardmetod för att utnyttja energin från en variabel källa, till exempel ett vindkraftverk och laddning av ett batteri. Generatorn jag använde var en stegmotor Nema 17 (används som generator) eftersom de är billiga och tillgängliga överallt. Den stora fördelen med stegmotorer är att de producerar höga spänningar även när de snurrar långsamt.

I denna artikel presenterar jag en styrenhet speciellt utformad för borstlösa likströmsmotorer med låg effekt (BLDC). Problemet med dessa motorer är att de måste snurra snabbt för att producera en exploaterbar spänning. När den snurrar långsamt är den inducerade spänningen så låg att den ibland till och med inte tillåter diodledning och när den gör det är strömmen så låg att nästan ingen ström passerar från turbinen till batteriet.

Denna krets gör samtidigt reparationen och boosten. Det maximerar strömmen som flödar i generatorns spole och på så sätt kan effekten användas även vid låg hastighet.

Den här artikeln förklarar inte hur du skapar kretsen, men om du är intresserad, kolla den sista artikeln.

Steg 1: Kretsen

Som i förra artikeln använder jag en mikrokontroller Attiny45 med Arduino IDE. Denna styrenhet mäter strömmen (med R1-motståndet och op-amp) och spänningen, beräknar effekten och ändrar driftscykeln på de tre omkopplingstransistorerna. Dessa transistorer kopplas ihop utan hänsyn till ingången.

Hur är det mojligt?

Eftersom jag använder en BLDC-motor som generator är spänningarna vid BLDC: s terminal en trefas-sinus: Tre sinus förskjutna med 120 ° (jfr 2: a bilden). Det som är bra med detta system är att summan av dessa sinus är noll när som helst. Så när de tre transistorerna leder, flödar tre ström i dem men de avbryter varandra i marken (jfr 3: e bilden). Jag valde MOSFET-transistorer med lågt dräneringskälla på motstånd. På detta sätt (här är tricket) maximeras strömmen i induktorerna även med låga spänningar. Inga dioder leder för tillfället.

När transistorerna slutar leda måste induktorströmmen gå någonstans. Nu börjar dioderna leda. Det kan vara de övre dioderna eller dioderna inuti transistorn (kontrollera att transistorn klarar sådan ström) (jfr fjärde bilden). Du kan säga: Ok men nu är det som en vanlig brygglikriktare. Ja men nu ökar spänningen redan när dioderna används.

Det finns några kretsar som använder sex transistorer (som en BLDC -drivrutin) men då måste du omfatta spänningen för att veta vilka transistorer som måste slås på eller av. Denna lösning är enklare och kan till och med implementeras med en 555 -timer.

Ingången är JP1, den är ansluten till BLDC -motorn. Utgången är JP2, den är ansluten till batteriet eller lysdioden.

Steg 2: Installationen

För att testa kretsen gjorde jag en installation med två motorer mekaniskt anslutna med ett utväxlingsförhållande på en (jfr bild). Det finns en liten borstad likströmsmotor och en BLDC som används som generator. Jag kan välja en spänning på min strömförsörjning och anta att den lilla borstade motorn beter sig ungefär som ett vindkraftverk: Utan att bryta vridmoment når den en maxhastighet. Om ett brytmoment appliceras, saktar motorn ner (i vårt fall är förhållandet vridmoment-hastigheten linjär och för riktiga vindkraftverk är det vanligtvis en parabol).

Den lilla motorn är ansluten till strömförsörjningen, BLDC är ansluten till MPPT-kretsen och belastningen är en effekt-LED (1W, TDS-P001L4) med en framspänning på 2,6 volt. Denna lysdiod beter sig ungefär som ett batteri: om spänningen är under 2,6 går inte ström in i lysdioden, om spänningen försöker gå över 2,6, flödar strömmen och spänningen stabiliseras runt 2,6.

Koden är densamma som i förra artikeln. Jag har redan förklarat hur man laddar det i mikrokontrollen och hur det fungerar i den här sista artikeln. Jag ändrade denna kod något för att få de presenterade resultaten.

Steg 3: Resultat

För detta experiment använde jag power LED som en last. Den har en framspänning på 2,6 volt. Eftersom spänningen stabiliseras runt 2,6 mätte regulatorn bara strömmen.

1) Strömförsörjning vid 5,6 V (röd linje på grafen)

• generator min varvtal 1774 rpm (driftcykel = 0,8)
• generator maxhastighet 2606 rpm (driftcykel = 0,2)
• generator max effekt 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Strömförsörjning vid 4 V (gul linje på grafen)

• generator min hastighet 1406 rpm (driftcykel = 0,8)
• generator maxhastighet 1646 rpm (driftcykel = 0,2)
• generator max effekt 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: När jag försökte BLDC -generatorn med den första styrenheten, mättes ingen ström förrän spänningsspänningen nådde 9 volt. Jag försökte också olika växlingsförhållanden men effekten var riktigt låg jämfört med de presenterade resultaten. Jag kan inte prova det motsatta: Förgrena steggeneratorn (Nema 17) på denna styrenhet eftersom en stepper inte producerar trefas sinusspänning.

Steg 4: Diskussion

Icke linjäritet observeras på grund av övergången mellan fortsätta och avbryta induktorledning.

Ett annat test bör utföras med högre driftscykler för att hitta maximal effektpunkt.

Den aktuella mätningen är tillräckligt ren för att låta regulatorn fungera utan att behöva filtrera.

Denna topologi verkar fungera korrekt men jag skulle gärna vilja ha dina kommentarer eftersom jag inte är specialist.

Steg 5: Jämförelse med Stepper Generator

Den maximala extraherade effekten är bättre med BLDC och dess styrenhet.

Att lägga till en Delon -spänningsdubblare kan sänka skillnaden men andra problem dök upp med den (Spänningen vid hög hastighet kan vara större än spänningsbatteriet och en buck -omvandlare behövs).

BLDC -systemet är mindre bullrigt så det finns inget behov av att filtrera de aktuella mätningarna. Det gör att regulatorn kan reagera snabbare.

Steg 6: Slutsats

Nu tror jag att jag är redo att fortsätta med bosteget som är: Designa vindkraftverk och göra mätningar på plats och slutligen ladda ett batteri med vinden!