Bộ chuyển đổi Boost cho Tua bin gió nhỏ: 6 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:32

Trong bài viết cuối cùng của tôi về bộ điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT), tôi đã chỉ ra một phương pháp tiêu chuẩn để khai thác năng lượng đến từ một nguồn biến đổi như tuabin gió và sạc pin. Máy phát điện tôi đã sử dụng là động cơ bước Nema 17 (được sử dụng làm máy phát điện) vì chúng rẻ và có sẵn ở khắp mọi nơi. Ưu điểm lớn của động cơ bước là chúng tạo ra điện áp cao ngay cả khi quay chậm.

Trong bài viết này, tôi trình bày một bộ điều khiển được thiết kế đặc biệt cho động cơ DC không chổi than công suất thấp (BLDC). Vấn đề với những động cơ này là chúng cần quay nhanh để tạo ra điện áp có thể khai thác được. Khi quay chậm, điện áp cảm ứng thấp đến mức đôi khi không cho phép diode dẫn điện và khi quay chậm, dòng điện thấp đến mức hầu như không có điện đi từ tuabin đến ắc quy.

Mạch này thực hiện cùng lúc bộ chỉnh sửa và bộ tăng tốc. Nó tối đa hóa dòng điện chạy trong cuộn dây của máy phát điện và bằng cách này, nguồn điện có thể được sử dụng ngay cả ở tốc độ thấp.

Bài viết này không giải thích làm thế nào để làm cho mạch nhưng nếu bạn quan tâm, hãy xem bài viết cuối cùng.

Bước 1: Mạch

Như trong bài viết trước, tôi sử dụng bộ điều khiển vi mô Attiny45 với Arduino IDE. Bộ điều khiển này đo dòng điện (sử dụng điện trở R1 và op-amp) và lực căng, tính toán công suất và sửa đổi chu kỳ nhiệm vụ trên ba bóng bán dẫn chuyển mạch. Các bóng bán dẫn này được chuyển đổi với nhau mà không cần quan tâm đến đầu vào.

Làm thế nào là có thể?

Bởi vì tôi sử dụng động cơ BLDC làm máy phát điện, căng thẳng ở đầu cuối của BLDC là một xoang ba pha: Ba xoang dịch chuyển 120 ° (xem hình thứ 2). Điều tốt với hệ thống này là tổng của các xoang này là rỗng tại bất kỳ thời điểm nào. Vì vậy, khi ba bóng bán dẫn dẫn điện, ba dòng điện chạy qua chúng nhưng chúng triệt tiêu lẫn nhau trong lòng đất (xem hình thứ 3). Tôi đã chọn các bóng bán dẫn MOSFET với điện trở trên nguồn tiêu hao thấp. Bằng cách này (đây là mẹo) dòng điện trong cuộn cảm đạt cực đại ngay cả với điện áp thấp. Không có điốt nào đang dẫn vào lúc này.

Khi các bóng bán dẫn ngừng dẫn, dòng điện dẫn phải đi đến một nơi nào đó. Bây giờ các điốt bắt đầu dẫn điện. Nó có thể là các điốt trên cùng hoặc các điốt bên trong bóng bán dẫn (kiểm tra xem bóng bán dẫn có thể xử lý dòng điện như vậy không) (xem hình thứ 4). Bạn có thể nói: Ok nhưng bây giờ nó giống như một bộ chỉnh lưu cầu bình thường. Có nhưng bây giờ điện áp đã được tăng lên khi sử dụng điốt.

Có một số mạch sử dụng sáu bóng bán dẫn (giống như trình điều khiển BLDC) nhưng sau đó bạn cần xác định phạm vi điện áp để biết bóng bán dẫn nào phải được bật hoặc tắt. Giải pháp này đơn giản hơn và thậm chí có thể được thực hiện với bộ hẹn giờ 555.

Đầu vào là JP1, nó được kết nối với động cơ BLDC. Đầu ra là JP2, nó được kết nối với pin hoặc đèn LED.

Bước 2: Thiết lập

Để kiểm tra mạch, tôi đã thiết lập hai động cơ được kết nối cơ học với tỷ số truyền là một (xem hình ảnh). Có một động cơ DC chải nhỏ và một BLDC được sử dụng làm máy phát điện. Tôi có thể chọn một điện áp trên nguồn điện của mình và giả định rằng động cơ chải nhỏ hoạt động gần đúng như một tuabin gió: Nếu không phá vỡ mô-men xoắn, nó đạt tốc độ tối đa. Nếu một mô-men xoắn được áp dụng, động cơ sẽ chậm lại (trong trường hợp của chúng tôi, mối quan hệ giữa mô-men xoắn-tốc độ là tuyến tính và đối với tuabin gió thực, nó thường là một parabole).

Động cơ nhỏ được kết nối với nguồn điện, BLDC được kết nối với mạch MPPT và tải là đèn LED nguồn (1W, TDS-P001L4) với điện áp chuyển tiếp 2,6 volt. Đèn LED này hoạt động gần giống như pin: nếu điện áp dưới 2,6, không có dòng điện đi vào đèn LED, nếu điện áp cố gắng vượt quá 2,6, dòng điện đang ngập và điện áp ổn định khoảng 2,6.

Mã giống như trong bài viết trước. Tôi đã giải thích cách tải nó trong bộ điều khiển vi mô và cách nó hoạt động trong bài viết cuối cùng này. Tôi đã sửa đổi một chút mã này để tạo ra kết quả được trình bày.

Bước 3: Kết quả

Đối với thí nghiệm này, tôi đã sử dụng đèn LED nguồn làm tải. Nó có điện áp chuyển tiếp là 2,6 vôn. Khi lực căng được ổn định xung quanh 2,6, bộ điều khiển chỉ đo dòng điện.

1) Nguồn điện 5,6 V (đường màu đỏ trên biểu đồ)

• tốc độ tối thiểu của máy phát 1774 vòng / phút (chu kỳ làm việc = 0,8)
• tốc độ tối đa của máy phát điện 2606 vòng / phút (chu kỳ làm việc = 0,2)
• công suất tối đa của máy phát 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Nguồn điện 4 V (đường màu vàng trên biểu đồ)

• tốc độ tối thiểu của máy phát điện 1406 vòng / phút (chu kỳ làm việc = 0,8)
• tốc độ tối đa của máy phát điện 1646 vòng / phút (chu kỳ làm việc = 0,2)
• máy phát điện công suất tối đa 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Khi tôi thử máy phát điện BLDC với bộ điều khiển đầu tiên, không có dòng điện nào được đo cho đến khi sức căng của nguồn điện đạt 9 volt. Tôi cũng đã thử các tỷ số truyền khác nhau nhưng sức mạnh thực sự thấp so với kết quả đã trình bày. Tôi không thể thử ngược lại: Phân nhánh máy phát bước (Nema 17) trên bộ điều khiển này vì một bước không tạo ra điện áp xoang ba pha.

Bước 4: Thảo luận

Sự không tuyến tính được quan sát thấy do sự chuyển đổi giữa sự dẫn điện dẫn tiếp tục và không liên tục.

Cần tiến hành một thử nghiệm khác với chu kỳ làm việc cao hơn để tìm điểm công suất lớn nhất.

Phép đo hiện tại đủ sạch để cho phép bộ điều khiển hoạt động mà không cần lọc.

Cấu trúc liên kết này có vẻ hoạt động bình thường nhưng tôi rất muốn có ý kiến của bạn vì tôi không phải là chuyên gia.

Bước 5: So sánh với Trình tạo bước

Công suất trích xuất tối đa tốt hơn với BLDC và bộ điều khiển của nó.

Thêm một bộ nghi ngờ điện áp Delon có thể làm giảm sự khác biệt nhưng các vấn đề khác đã xuất hiện với nó (Điện áp trong quá trình tốc độ cao có thể lớn hơn pin điện áp và cần một bộ chuyển đổi buck).

Hệ thống BLDC ít nhiễu hơn nên không cần lọc các phép đo hiện tại. Nó cho phép bộ điều khiển phản ứng nhanh hơn.

Bước 6: Kết luận

Bây giờ tôi nghĩ rằng tôi đã sẵn sàng để tiếp tục với bước tổ chức đó là: Thiết kế tuabin gió và thực hiện các phép đo tại chỗ và cuối cùng là sạc pin bằng gió!