Zosilňovač pre malé veterné turbíny: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:57

V mojom minulom článku o regulátoroch sledovania bodu maximálneho výkonu (MPPT) som ukázal štandardný spôsob využívania energie pochádzajúcej z variabilného zdroja, akým je veterná turbína, a nabíjania batérie. Generátor, ktorý som použil, bol krokový motor Nema 17 (slúžil ako generátor), pretože sú lacné a dostupné všade. Veľkou výhodou krokových motorov je, že produkujú vysoké napätie, aj keď sa točia pomaly.

V tomto článku predstavujem regulátor špeciálne navrhnutý pre nízkonapäťové bezkartáčové jednosmerné motory (BLDC). Problém týchto motorov je, že sa musia rýchlo otáčať, aby vytvorili použiteľné napätie. Pri pomalom otáčaní je indukované napätie také nízke, že niekedy dokonca neumožňuje vedenie diódy a keď áno, prúd je taký nízky, že z turbíny do batérie neprechádza takmer žiadny výkon.

Tento obvod robí súčasne korekciu a posilnenie. Maximalizuje prúd prúdiaci v cievke generátora a týmto spôsobom je možné výkon využiť aj pri nízkych otáčkach.

Tento článok nevysvetľuje, ako vytvoriť obvod, ale ak vás to zaujíma, pozrite sa na posledný článok.

Krok 1: Okruh

Rovnako ako v minulom článku používam mikrokontrolér Attiny45 s Arduino IDE. Tento regulátor meria prúd (pomocou rezistora R1 a operačného zosilňovača) a napätie, vypočítava výkon a upravuje pracovný cyklus na troch spínacích tranzistoroch. Tieto tranzistory sú spínané spoločne bez ohľadu na vstup.

Ako je to možné?

Pretože ako generátor používam motor BLDC, napätie na svorke BLDC je trojfázový sínus: tri sínusy posunuté o 120 ° (porovnaj 2. obrázok). Dobrá vec na tomto systéme je, že súčet týchto dutín je kedykoľvek nulový. Takže keď tri tranzistory vedú, zaplavia v nich tri prúdy, ale navzájom sa rušia v zemi (porovnaj 3. obrázok). Vybral som tranzistory MOSFET s nízkym odporom odtoku. Týmto spôsobom (tu je trik) je prúd v induktoroch maximalizovaný aj pri nízkych napätiach. V tejto chvíli nevedú žiadne diódy.

Keď tranzistory prestanú viesť, induktorový prúd musí niekam ísť. Teraz začnú diódy pracovať. Môžu to byť horné diódy alebo diódy vo vnútri tranzistora (skontrolujte, či tranzistor zvládne taký prúd) (porovnaj 4. obrázok). Môžete si povedať: Ok, ale teraz je to ako normálny mostový usmerňovač. Áno, ale teraz je napätie pri použití diód už zosilnené.

Existuje niekoľko obvodov, ktoré používajú šesť tranzistorov (napríklad ovládač BLDC), ale potom musíte napätie naprogramovať, aby ste vedeli, ktoré tranzistory je potrebné zapnúť alebo vypnúť. Toto riešenie je jednoduchšie a môže byť dokonca implementované s časovačom 555.

Vstup je JP1, je pripojený k motoru BLDC. Výstup je JP2, je pripojený k batérii alebo k LED.

Krok 2: Nastavenie

Aby som otestoval obvod, urobil som zostavu s dvoma motormi mechanicky prepojenými s prevodovým pomerom jeden (porovnaj obrázok). Ako generátor sa používa jeden malý kartáčovaný jednosmerný motor a jeden BLDC. Môžem zvoliť napätie na svojom zdroji napájania a predpokladať, že malý kartáčovaný motor sa chová približne ako veterná turbína: bez prerušenia krútiaceho momentu dosiahne maximálnu rýchlosť. Ak sa použije brzdný moment, motor sa spomalí (v našom prípade je vzťah krútiaceho momentu a rýchlosti lineárny a pre skutočné veterné turbíny je to spravidla parabola).

Malý motor je pripojený k zdroju napájania, BLDC je pripojený k obvodu MPPT a záťažou je výkonová LED (1W, TDS-P001L4) s predným napätím 2,6 voltu. Táto dióda LED sa správa približne ako batéria: ak je napätie nižšie ako 2,6, do diódy LED nevstupuje prúd, ak sa napätie pokúsi prekročiť hodnotu 2,6, prúd sa zaplaví a napätie sa stabilizuje okolo hodnoty 2,6.

Kód je rovnaký ako v minulom článku. V tomto minulom článku som už vysvetlil, ako ho načítať do mikrokontroléra a ako funguje. Tento kód som mierne upravil, aby som dosiahol predložené výsledky.

Krok 3: Výsledky

Na tento experiment som použil záťažovú LED diódu ako záťaž. Má predné napätie 2,6 voltu. Pretože je napätie stabilizované okolo 2,6, regulátor meral iba prúd.

1) Napájanie 5,6 V (červená čiara na grafe)

• min. otáčky generátora 1774 ot / min (pracovný cyklus = 0,8)
• maximálne otáčky generátora 2606 ot / min (pracovný cyklus = 0,2)
• maximálny výkon generátora 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Napájanie 4 V (žltá čiara na grafe)

• min. otáčky generátora 1406 ot / min (pracovný cyklus = 0,8)
• maximálne otáčky generátora 1646 ot / min (pracovný cyklus = 0,2)
• maximálny výkon generátora 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Keď som vyskúšal generátor BLDC s prvým regulátorom, nebol meraný žiadny prúd, kým napätie napájania nedosiahlo 9 voltov. Skúsil som aj rôzne prevodové pomery, ale výkon bol v porovnaní s predloženými výsledkami skutočne nízky. Nemôžem to skúsiť naopak: Rozvetvenie krokového generátora (Nema 17) na tomto regulátore, pretože stepper nevytvára trojfázové sínusové napätie.

Krok 4: Diskusia

Nelinearity sú pozorované z dôvodu prechodu medzi pokračovaním a prerušením vedenia induktorom.

Na zistenie bodu maximálneho výkonu by sa mal vykonať ďalší test s vyššími pracovnými cyklami.

Aktuálne merania sú dostatočne čisté, aby umožnili regulátoru pracovať bez potreby filtrovania.

Zdá sa, že táto topológia funguje správne, ale rád by som mal vaše pripomienky, pretože nie som odborník.

Krok 5: Porovnanie s krokovým generátorom

Maximálny extrahovaný výkon je lepší s BLDC a jeho ovládačom.

Pridanie zdvojovača napätia Delon môže znížiť rozdiel, ale objavili sa s ním aj ďalšie problémy (Napätie pri vysokej rýchlosti môže byť väčšie ako napätie batérie a je potrebný prevodník dolára).

Systém BLDC je menej hlučný, takže nie je potrebné filtrovať aktuálne merania. Umožňuje ovládaču reagovať rýchlejšie.

Krok 6: Záver

Teraz si myslím, že som pripravený pokračovať v kroku hniezda, ktorým je: Navrhovanie veterných turbín a meranie na mieste a nakoniec nabíjanie batérie vetrom!