Convertidor Boost per a aerogeneradors petits: 6 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

En el meu darrer article sobre els controladors de seguiment de punts de màxima potència (MPPT) vaig mostrar un mètode estàndard per explotar l'energia provinent d'una font variable, com ara un aerogenerador i carregar una bateria. El generador que vaig fer servir era un motor pas a pas Nema 17 (utilitzat com a generador) perquè són barats i estan disponibles a tot arreu. El gran avantatge dels motors pas a pas és que produeixen altes tensions fins i tot quan giren lentament.

En aquest article presento un controlador especialment dissenyat per a motors de corrent continu sense escombretes (BLDC). El problema d’aquests motors és que necessiten girar ràpidament per produir una tensió explotable. Quan gira lentament, el voltatge induït és tan baix que de vegades fins i tot no permet la conducció de díodes i, quan ho fa, el corrent és tan baix que gairebé no passa energia de la turbina a la bateria.

Aquest circuit fa al mateix temps la reparació i l’impuls. Maximitza el corrent que flueix a la bobina del generador i d’aquesta manera es pot utilitzar la potència fins i tot a baixa velocitat.

Aquest article no explica com fer el circuit, però si esteu interessats, consulteu l’últim article.

Pas 1: el circuit

Com a l'últim article, faig servir un microcontrolador Attiny45 amb l'IDE Arduino. Aquest controlador mesura el corrent (mitjançant la resistència R1 i l’ampli operatiu) i la tensió, calcula la potència i modifica el cicle de treball dels tres transistors de commutació. Aquests transistors es commuten junts sense tenir en compte l’entrada.

Com és possible això?

Com que faig servir un motor BLDC com a generador, les tensions al terminal del BLDC són un sinus trifàsic: tres sinus desplaçats de 120 ° (cf. 2a imatge). El bo d’aquest sistema és que la suma d’aquests vostres sinus és nul·la en qualsevol moment. De manera que, quan els tres transistors es condueixen, s’hi inunden tres corrents però s’anul·len mútuament a terra (cf. 3a imatge). Vaig triar transistors MOSFET amb una baixa resistència a la font de drenatge. D’aquesta manera (aquí teniu el truc) el corrent en els inductors es maximitza fins i tot amb tensions baixes. De moment no hi ha cap díode.

Quan els transistors deixen de conduir-se, el corrent inductor ha d’anar a algun lloc. Ara els díodes comencen a conduir-se. Poden ser els díodes superiors o els díodes dins del transistor (comproveu que el transistor pugui manejar aquest corrent) (cf. 4a imatge). Podeu dir: Ok, però ara és com un rectificador de pont normal. Sí, però ara el voltatge ja augmenta quan s’utilitzen els díodes.

Hi ha alguns circuits que fan servir sis transistors (com un controlador BLDC), però cal ampliar la tensió per saber quins transistors s’han d’encendre o apagar. Aquesta solució és més senzilla i fins i tot es pot implementar amb un temporitzador 555.

L’entrada és JP1, està connectada al motor BLDC. La sortida és JP2, està connectada a la bateria o al LED.

Pas 2: la configuració

Per provar el circuit, vaig fer una configuració amb dos motors connectats mecànicament amb una relació d'engranatges d'un (cf. imatge). Hi ha un petit motor de CC raspallat i un BLDC utilitzat com a generador. Puc triar una tensió a la meva font d’alimentació i suposar que el petit motor raspallat es comporta aproximadament com un aerogenerador: sense trencar el parell arriba a una velocitat màxima. Si s’aplica un parell de ruptura, el motor s’alenteix (en el nostre cas, la relació parell-velocitat és lineal i per als aerogeneradors reals sol ser un paràbol).

El petit motor està connectat a la font d'alimentació, el BLDC està connectat al circuit MPPT i la càrrega és un LED d'alimentació (1W, TDS-P001L4) amb una tensió directa de 2,6 volts. Aquest LED es comporta aproximadament com una bateria: si el voltatge és inferior a 2,6, no introdueixi corrent al LED, si el voltatge intenta superar els 2,6, el corrent s’inunda i el voltatge s’estabilitza al voltant de 2,6.

El codi és el mateix que a l’últim article. Ja he explicat com carregar-lo al microcontrolador i com funciona en aquest darrer article. He modificat lleugerament aquest codi per obtenir els resultats presentats.

Pas 3: Resultats

Per a aquest experiment, he utilitzat el LED d'alimentació com a càrrega. Té una tensió directa de 2,6 volts. Com que la tensió s'estabilitza al voltant de 2,6, el controlador només va mesurar el corrent.

1) Font d'alimentació a 5,6 V (línia vermella al gràfic)

• velocitat mínima del generador 1774 rpm (cicle de treball = 0,8)
• velocitat màxima del generador 2606 rpm (cicle de treball = 0,2)
• potència màxima del generador 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Font d'alimentació a 4 V (línia groga al gràfic)

• velocitat mínima del generador 1406 rpm (cicle de treball = 0,8)
• velocitat màxima del generador 1646 rpm (cicle de treball = 0,2)
• potència màxima del generador 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: quan vaig provar el generador BLDC amb el primer controlador, no es va mesurar cap corrent fins que la tensió de la font d'alimentació va arribar als 9 volts. També vaig provar diferents relacions d’engranatges, però la potència era realment baixa en comparació amb els resultats presentats. No puc provar el contrari: ramificar el generador de passos (Nema 17) en aquest controlador perquè un pas a pas no produeix tensió sinusal trifàsica.

Pas 4: debat

S’observen no linealitats a causa de la transició entre la conducció d’inductors continuada i discontínua.

Cal fer una altra prova amb cicles de treball més alts per trobar el punt de potència màxim.

Les mesures actuals són prou netes perquè el controlador funcioni sense necessitat de filtrat.

Sembla que aquesta topologia funciona correctament, però m'encantaria rebre els vostres comentaris perquè no sóc especialista.

Pas 5: comparació amb el generador Stepper

La potència màxima extreta és millor amb el BLDC i el seu controlador.

Si afegiu un duplicador de tensió Delon, es pot reduir la diferència, però apareixen altres problemes (la tensió durant l’alta velocitat pot ser més gran que la bateria de voltatge i es necessita un convertidor).

El sistema BLDC és menys sorollós, de manera que no cal filtrar les mesures actuals. Permet que el controlador reaccioni més ràpidament.

Pas 6: Conclusió

Ara crec que estic preparat per continuar amb el pas del niu que és: Dissenyar aerogeneradors i fer mesures in situ i, finalment, carregar una bateria amb el vent.