Boost Converter voor kleine windturbines - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:16

In mijn laatste artikel over Maximum Power Point Tracking (MPPT)-controllers liet ik een standaardmethode zien voor het benutten van de energie afkomstig van een variabele bron zoals een windturbine en het opladen van een batterij. De generator die ik gebruikte was een stappenmotor Nema 17 (gebruikt als generator) omdat ze goedkoop en overal verkrijgbaar zijn. Het grote voordeel van stappenmotoren is dat ze zelfs bij langzaam draaien hoge spanningen produceren.

In dit artikel presenteer ik een controller die speciaal is ontworpen voor borstelloze DC-motoren met laag vermogen (BLDC). Het probleem met deze motoren is dat ze snel moeten draaien om een bruikbare spanning te produceren. Bij langzaam draaien is de geïnduceerde spanning zo laag dat er soms zelfs geen diodegeleiding mogelijk is en als dat wel het geval is, is de stroom zo laag dat er bijna geen stroom van de turbine naar de batterij gaat.

Dit circuit doet tegelijkertijd de hersteller en de boost. Het maximaliseert de stroom die in de spoel van de generator vloeit en op deze manier kan het vermogen zelfs bij lage snelheid worden gebruikt.

In dit artikel wordt niet uitgelegd hoe je het circuit moet maken, maar als je geïnteresseerd bent, bekijk dan het laatste artikel.

Stap 1: Het circuit

Net als in het vorige artikel gebruik ik een microcontroller Attiny45 met de Arduino IDE. Deze controller meet de stroom (met behulp van de R1-weerstand en de op-amp) en de spanning, berekent het vermogen en wijzigt de duty-cycle op de drie schakeltransistoren. Deze transistoren worden samen geschakeld zonder rekening te houden met de ingang.

Hoe is dat mogelijk?

Omdat ik een BLDC-motor als generator gebruik, zijn de spanningen op de terminal van de BLDC een driefasige sinus: Drie-sinus verschoven met 120° (zie 2e afbeelding). Het goede aan dit systeem is dat de som van deze sinus op elk moment nul is. Dus wanneer de drie transistoren geleiden, stromen er drie stroom in, maar ze heffen elkaar op in de grond (zie 3e afbeelding). Ik heb gekozen voor MOSFET-transistoren met een lage drain-source aan-weerstand. Op deze manier (hier is de truc) wordt de stroom in de inductoren gemaximaliseerd, zelfs bij lage spanningen. Er zijn momenteel geen diodes geleidend.

Als de transistoren niet meer geleiden, moet de inductorstroom ergens heen. Nu beginnen de diodes te geleiden. Het kunnen de bovenste diodes zijn of de diodes in de transistor (controleer of de transistor dergelijke stroom aankan) (zie 4e afbeelding). Je zou kunnen zeggen: Ok, maar nu is het als een normale bruggelijkrichter. Ja, maar nu wordt de spanning al opgevoerd als de diodes worden gebruikt.

Er zijn enkele circuits die zes transistors gebruiken (zoals een BLDC-driver), maar dan moet je de spanning bepalen om te weten welke transistors moeten worden in- of uitgeschakeld. Deze oplossing is eenvoudiger en kan zelfs worden geïmplementeerd met een 555 timer.

De ingang is JP1, deze is verbonden met de BLDC-motor. De uitgang is JP2, deze is verbonden met de batterij of de LED.

Stap 2: De installatie

Om de schakeling te testen heb ik een opstelling gemaakt met twee motoren mechanisch verbonden met een overbrengingsverhouding van één (zie afbeelding). Er zijn één kleine geborstelde gelijkstroommotor en één BLDC die als generator wordt gebruikt. Ik kan een spanning op mijn voeding kiezen en aannemen dat de kleine borstelmotor zich ongeveer als een windturbine gedraagt: zonder koppelonderbreking bereikt hij een maximale snelheid. Als een remkoppel wordt toegepast, vertraagt de motor (in ons geval is de relatie koppel-snelheid lineair en voor echte windturbines is dit meestal een parabool).

De kleine motor is aangesloten op de voeding, de BLDC is aangesloten op het MPPT-circuit en de belasting is een power-LED (1W, TDS-P001L4) met een voorwaartse spanning van 2,6 volt. Deze LED gedraagt zich ongeveer als een batterij: als de spanning lager is dan 2,6, komt er geen stroom in de LED, als de spanning boven de 2,6 probeert te komen, loopt de stroom over en stabiliseert de spanning rond 2,6.

De code is hetzelfde als in het vorige artikel. Hoe je het in de microcontroller laadt en hoe het werkt, heb ik in dit laatste artikel al uitgelegd. Ik heb deze code enigszins gewijzigd om de gepresenteerde resultaten te maken.

Stap 3: Resultaten

Voor dit experiment heb ik de power-LED als belasting gebruikt. Het heeft een voorwaartse spanning van 2,6 volt. Omdat de spanning rond de 2,6 is gestabiliseerd, heeft de controller alleen de stroom gemeten.

1) Voeding bij 5,6 V (rode lijn op de grafiek)

• generator min toerental 1774 tpm (inschakelduur = 0,8)
• generator max. toerental 2606 tpm (inschakelduur = 0,2)
• generator max vermogen 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Voeding bij 4 V (gele lijn op de grafiek)

• generator min toerental 1406 tpm (inschakelduur = 0,8)
• generator max. toerental 1646 rpm (duty cycle = 0.2)
• generator max vermogen 52 mW (0,02 x 2,6)

Opmerking: Toen ik de BLDC-generator probeerde met de eerste controller, werd er geen stroom gemeten totdat de spanning van de voeding 9 volt bereikte. Ik heb ook verschillende overbrengingsverhoudingen geprobeerd, maar het vermogen was erg laag in vergelijking met de gepresenteerde resultaten. Ik kan het tegenovergestelde niet proberen: Vertakking van de stappengenerator (Nema 17) op deze controller omdat een stepper geen driefasige sinusspanning produceert.

Stap 4: Discussie

Niet-lineariteiten worden waargenomen vanwege de overgang tussen continue en discontinue inductorgeleiding.

Er moet nog een test worden uitgevoerd met hogere werkcycli om het maximale vermogenspunt te vinden.

De stroommetingen zijn schoon genoeg om de controller te laten werken zonder filtering.

Deze topologie lijkt goed te werken, maar ik zou graag uw opmerkingen hebben omdat ik geen specialist ben.

Stap 5: Vergelijking met de stappengenerator

Het maximale onttrokken vermogen is beter met de BLDC en zijn controller.

Het toevoegen van een Delon-spanningsverdubbelaar kan het verschil verkleinen, maar er deden zich andere problemen voor (de spanning tijdens hoge snelheid kan groter zijn dan de spanningsbatterij en er is een buck-converter nodig).

Het BLDC-systeem maakt minder ruis, dus het is niet nodig om de huidige metingen te filteren. Hierdoor kan de controller sneller reageren.

Stap 6: Conclusie

Nu denk ik dat ik klaar ben om verder te gaan met de neststap die is: windturbines ontwerpen en metingen ter plaatse doen en eindelijk een batterij opladen met de wind!