Μετατροπέας ενίσχυσης για μικρές ανεμογεννήτριες: 6 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:34

Στο τελευταίο μου άρθρο σχετικά με τους ελεγκτές μέγιστης παρακολούθησης σημείου ισχύος (MPPT) έδειξα μια τυπική μέθοδο για την εκμετάλλευση της ενέργειας που προέρχεται από μεταβλητή πηγή, όπως ανεμογεννήτρια και φόρτιση μπαταρίας. Η γεννήτρια που χρησιμοποίησα ήταν ένα βηματικό μοτέρ Nema 17 (χρησιμοποιείται ως γεννήτρια) επειδή είναι φθηνά και διαθέσιμα παντού. Το μεγάλο πλεονέκτημα των βηματικών κινητήρων είναι ότι παράγουν υψηλές τάσεις ακόμη και όταν περιστρέφονται αργά.

Σε αυτό το άρθρο παρουσιάζω ένα χειριστήριο ειδικά σχεδιασμένο για κινητήρες συνεχούς ρεύματος χωρίς ψήκτρες χαμηλής ισχύος (BLDC). Το πρόβλημα με αυτούς τους κινητήρες είναι ότι πρέπει να περιστρέφονται γρήγορα για να παράγουν μια εκμεταλλεύσιμη τάση. Όταν περιστρέφεται αργά, η επαγόμενη τάση είναι τόσο χαμηλή που μερικές φορές δεν επιτρέπει ακόμη και τη δίοδο και όταν το κάνει, το ρεύμα είναι τόσο χαμηλό που σχεδόν καμία ισχύς δεν περνά από τον στρόβιλο στην μπαταρία.

Αυτό το κύκλωμα κάνει ταυτόχρονα την αποκατάσταση και την ενίσχυση. Μεγιστοποιεί το ρεύμα που ρέει στο πηνίο της γεννήτριας και με αυτόν τον τρόπο, η ισχύς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμη και σε χαμηλή ταχύτητα.

Αυτό το άρθρο δεν εξηγεί πώς να κάνετε το κύκλωμα, αλλά αν σας ενδιαφέρει, ελέγξτε το τελευταίο άρθρο.

Βήμα 1: Το κύκλωμα

Όπως και στο προηγούμενο άρθρο, χρησιμοποιώ μικροελεγκτή Attiny45 με το Arduino IDE. Αυτός ο ελεγκτής μετρά το ρεύμα (χρησιμοποιώντας την αντίσταση R1 και το op-amp) και την τάση, υπολογίζει την ισχύ και τροποποιεί τον κύκλο λειτουργίας στα τρία τρανζίστορ μεταγωγής. Αυτά τα τρανζίστορ εναλλάσσονται μεταξύ τους χωρίς να λαμβάνεται υπόψη η είσοδος.

Πώς γίνεται αυτό?

Επειδή χρησιμοποιώ κινητήρα BLDC ως γεννήτρια, οι εντάσεις στον τερματικό του BLDC είναι τριφασικός κόλπος: Τρεις κόλποι μετατοπίζονται κατά 120 ° (βλ. 2η εικόνα). Το καλό με αυτό το σύστημα είναι ότι το άθροισμα αυτών των κόλπων είναι μηδενικό ανά πάσα στιγμή. Όταν λοιπόν τα τρία τρανζίστορ οδηγούν, τρία ρεύματα πλημμυρίζουν, αλλά ακυρώνουν το ένα το άλλο στο έδαφος (βλ. 3η εικόνα). Επέλεξα τρανζίστορ MOSFET με χαμηλή αντίσταση σε πηγή αποστράγγισης. Με αυτόν τον τρόπο (εδώ είναι το κόλπο) το ρεύμα στους επαγωγείς μεγιστοποιείται ακόμη και με χαμηλές τάσεις. Δεν διενεργούνται διόδους προς το παρόν.

Όταν τα τρανζίστορ σταματήσουν να αγωγούν, το ρεύμα επαγωγής πρέπει να πάει κάπου. Τώρα οι δίοδοι αρχίζουν να διεξάγονται. Μπορεί να είναι οι κορυφαίες δίοδοι ή οι δίοδοι μέσα στο τρανζίστορ (βεβαιωθείτε ότι το τρανζίστορ μπορεί να χειριστεί τέτοιο ρεύμα) (βλ. 4η εικόνα). Μπορεί να πείτε: Εντάξει, αλλά τώρα είναι σαν ένας κανονικός ανορθωτής γέφυρας. Ναι, αλλά τώρα η τάση είναι ήδη αυξημένη όταν χρησιμοποιούνται οι δίοδοι.

Υπάρχουν ορισμένα κυκλώματα που χρησιμοποιούν έξι τρανζίστορ (όπως ένα πρόγραμμα οδήγησης BLDC), αλλά στη συνέχεια πρέπει να περιορίσετε την τάση για να γνωρίζετε ποια τρανζίστορ πρέπει να ενεργοποιηθούν ή να απενεργοποιηθούν. Αυτή η λύση είναι απλούστερη και μπορεί ακόμη και να εφαρμοστεί με χρονοδιακόπτη 555.

Η είσοδος είναι JP1, είναι συνδεδεμένη με τον κινητήρα BLDC. Η έξοδος είναι JP2, είναι συνδεδεμένη με την μπαταρία ή το LED.

Βήμα 2: Η εγκατάσταση

Για να δοκιμάσω το κύκλωμα, έκανα μια ρύθμιση με δύο κινητήρες μηχανικά συνδεδεμένους με σχέση μετάδοσης ενός (βλ. Εικόνα). Υπάρχει ένας μικρός βουρτσισμένος κινητήρας DC και ένα BLDC που χρησιμοποιείται ως γεννήτρια. Μπορώ να επιλέξω μια τάση στο τροφοδοτικό μου και να υποθέσω ότι ο μικρός βουρτσισμένος κινητήρας συμπεριφέρεται κατά προσέγγιση σαν ανεμογεννήτρια: Χωρίς σπαστική ροπή φτάνει τη μέγιστη ταχύτητα. Εάν εφαρμοστεί ροπή θραύσης, ο κινητήρας επιβραδύνεται (στην περίπτωσή μας η σχέση ταχύτητας ροπής είναι γραμμική και για πραγματικές ανεμογεννήτριες είναι συνήθως παραβολή).

Ο μικρός κινητήρας είναι συνδεδεμένος στο τροφοδοτικό, το BLDC είναι συνδεδεμένο στο κύκλωμα MPPT και το φορτίο είναι ένα LED ισχύος (1W, TDS-P001L4) με τάση προς τα εμπρός 2,6 βολτ. Αυτή η λυχνία LED συμπεριφέρεται κατά προσέγγιση σαν μπαταρία: εάν η τάση είναι κάτω από 2,6, δεν εισέρχεται ρεύμα στη λυχνία LED, εάν η τάση προσπαθήσει να υπερβεί το 2,6, το ρεύμα πλημμυρίζει και η τάση σταθεροποιείται γύρω στο 2,6.

Ο κώδικας είναι ο ίδιος όπως στο προηγούμενο άρθρο. Έχω ήδη εξηγήσει πώς να το φορτώσετε στο μικροελεγκτή και πώς λειτουργεί σε αυτό το τελευταίο άρθρο. Τροποποίησα ελαφρώς αυτόν τον κώδικα για να κάνω τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται.

Βήμα 3: Αποτελέσματα

Για αυτό το πείραμα, χρησιμοποίησα το LED ισχύος ως φορτίο. Έχει τάση προς τα εμπρός 2,6 βολτ. Καθώς η τάση σταθεροποιείται γύρω στο 2,6, ο ελεγκτής μέτρησε μόνο το ρεύμα.

1) Τροφοδοσία 5,6 V (κόκκινη γραμμή στο γράφημα)

• ελάχιστη ταχύτητα γεννήτριας 1774 σ.α.λ. (κύκλος λειτουργίας = 0,8)
• μέγιστη ταχύτητα γεννήτριας 2606 σ.α.λ. (κύκλος λειτουργίας = 0,2)
• μέγιστη ισχύς γεννήτριας 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Τροφοδοσία στα 4 V (κίτρινη γραμμή στο γράφημα)

• ελάχιστη ταχύτητα γεννήτριας 1406 σ.α.λ. (κύκλος λειτουργίας = 0,8)
• μέγιστη ταχύτητα γεννήτριας 1646 σ.α.λ. (κύκλος λειτουργίας = 0,2)
• μέγιστη ισχύς γεννήτριας 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Όταν δοκίμασα τη γεννήτρια BLDC με τον πρώτο ελεγκτή, δεν μετρήθηκε ρεύμα έως ότου η τάση τροφοδοσίας έφτασε τα 9 βολτ. Δοκίμασα επίσης διαφορετικούς λόγους σχέσεων, αλλά η ισχύς ήταν πραγματικά χαμηλή σε σύγκριση με τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν. Δεν μπορώ να δοκιμάσω το αντίθετο: Διακλάδωση της γεννήτριας stepper (Nema 17) σε αυτόν τον ελεγκτή επειδή ένα stepper δεν παράγει τριφασική τάση κόλπων.

Βήμα 4: Συζήτηση

Παρατηρούνται μη γραμμικότητες λόγω της μετάβασης μεταξύ συνέχισης και διακοπής της αγωγιμότητας του επαγωγέα.

Μια άλλη δοκιμή θα πρέπει να διεξαχθεί με υψηλότερους κύκλους λειτουργίας για να βρεθεί το μέγιστο σημείο ισχύος.

Οι τρέχουσες μετρήσεις είναι αρκετά καθαρές για να επιτρέπουν στον ελεγκτή να λειτουργεί χωρίς να χρειάζεται φιλτράρισμα.

Αυτή η τοπολογία φαίνεται να λειτουργεί σωστά, αλλά θα ήθελα να έχω τα σχόλιά σας επειδή δεν είμαι ειδικός.

Βήμα 5: Σύγκριση με τη γεννήτρια Stepper

Η μέγιστη εξαγόμενη ισχύς είναι καλύτερη με το BLDC και τον ελεγκτή του.

Η προσθήκη ενός διπλάσιου τάσης Delon μπορεί να μειώσει τη διαφορά, αλλά εμφανίστηκαν άλλα προβλήματα με αυτήν (Η τάση κατά τη διάρκεια υψηλής ταχύτητας μπορεί να είναι μεγαλύτερη από την μπαταρία τάσης και απαιτείται μετατροπέας buck).

Το σύστημα BLDC είναι λιγότερο θορυβώδες, επομένως δεν χρειάζεται να φιλτράρετε τις τρέχουσες μετρήσεις. Επιτρέπει στον ελεγκτή να αντιδρά πιο γρήγορα.

Βήμα 6: Συμπέρασμα

Τώρα νομίζω ότι είμαι έτοιμος να συνεχίσω με το βήμα της φωλιάς που είναι: Σχεδιασμός ανεμογεννητριών και πραγματοποίηση μετρήσεων επί τόπου και τέλος φόρτιση μπαταρίας με τον άνεμο!