Küçük Rüzgar Türbinleri için Boost Dönüştürücü: 6 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Maksimum güç noktası izleme (MPPT) denetleyicileri hakkındaki son makalemde, rüzgar türbini gibi değişken bir kaynaktan gelen enerjiden yararlanmak ve bir pili şarj etmek için standart bir yöntem gösterdim. Kullandığım jeneratör ucuz ve her yerde bulunabildiği için step motor Nema 17 (jeneratör olarak kullanılıyordu) idi. Step motorların en büyük avantajı, yavaş dönerken bile yüksek voltaj üretmeleridir.

Bu yazımda, düşük güçlü fırçasız DC motorlar (BLDC) için özel olarak tasarlanmış bir kontrolör sunuyorum. Bu motorlarla ilgili sorun, kullanılabilir bir voltaj üretmek için hızlı dönmeleri gerektiğidir. Yavaş dönerken indüklenen voltaj o kadar düşüktür ki bazen diyot iletimine bile izin vermez ve verdiğinde akım o kadar düşüktür ki türbinden aküye neredeyse hiç güç geçmez.

Bu devre redresör ve boostu aynı anda yapar. Jeneratörün bobininde akan akımı maksimize eder ve bu sayede güç düşük hızda dahi kullanılabilir.

Bu makale devrenin nasıl yapıldığını anlatmıyor ama ilgileniyorsanız son makaleye bakın.

Adım 1: Devre

Son yazıda olduğu gibi Arduino IDE ile bir mikro denetleyici Attiny45 kullanıyorum. Bu kontrolör akımı (R1 direnci ve op-amp kullanarak) ve gerilimi ölçer, gücü hesaplar ve üç anahtarlama transistöründeki görev döngüsünü değiştirir. Bu transistörler, girişe bakılmaksızın birlikte anahtarlanır.

Bu nasıl mümkün olabilir?

Jeneratör olarak bir BLDC motoru kullandığım için, BLDC'nin terminalindeki gerilimler üç fazlı bir sinüstür: 120° kaydırılmış üç sinüs (bkz. 2. resim). Bu sistemle ilgili iyi olan şey, bu sinüslerin toplamının herhangi bir zamanda sıfır olmasıdır. Bu nedenle, üç transistör iletken olduğunda, içlerinde üç akım sel olur, ancak bunlar zeminde birbirlerini iptal eder (bkz. 3. resim). Düşük drenaj kaynağı direncine sahip MOSFET transistörlerini seçtim. Bu şekilde (işte püf noktası) indüktörlerdeki akım, düşük voltajlarda bile maksimize edilir. Şu anda hiçbir diyot iletmiyor.

Transistörlerin iletimi durduğunda, indüktör akımının bir yere gitmesi gerekir. Şimdi diyotlar iletmeye başlar. Bu, transistörün içindeki üst diyotlar veya diyotlar olabilir (transistörün böyle bir akımı kaldırabildiğini kontrol edin) (bkz. 4. resim). Diyebilirsiniz: Tamam ama şimdi normal bir köprü doğrultucu gibi. Evet ama şimdi diyotlar kullanıldığında voltaj zaten arttı.

Altı transistör kullanan bazı devreler vardır (bir BLDC sürücüsü gibi), ancak o zaman hangi transistörlerin açılması veya kapatılması gerektiğini bilmek için voltajı ölçmeniz gerekir. Bu çözüm daha basittir ve bir 555 zamanlayıcı ile bile uygulanabilir.

Giriş JP1'dir, BLDC motora bağlanır. Çıkış JP2'dir, aküye veya LED'e bağlıdır.

Adım 2: Kurulum

Devreyi test etmek için, bir dişli oranı ile mekanik olarak bağlı iki motor ile bir kurulum yaptım (bkz. resim). Jeneratör olarak kullanılan bir adet küçük fırçalı DC motor ve bir adet BLDC bulunmaktadır. Güç kaynağımda bir voltaj seçebilir ve küçük fırçalanmış motorun yaklaşık olarak bir rüzgar türbini gibi davrandığını varsayabilirim: Torku kesmeden maksimum hıza ulaşır. Bir kesme torku uygulanırsa, motor yavaşlar (bizim durumumuzda tork-hız ilişkisi doğrusaldır ve gerçek rüzgar türbinleri için genellikle bir paraboldür).

Küçük motor güç kaynağına bağlı, BLDC MPPT devresine bağlı ve yük 2,6 volt ileri voltajlı bir güç LED'i (1W, TDS-P001L4). Bu LED yaklaşık olarak bir pil gibi davranır: voltaj 2,6'nın altındaysa, LED'e akım girmez, voltaj 2,6'nın üzerine çıkmaya çalışırsa, akım taşar ve voltaj 2,6 civarında sabitlenir.

Kod, son makaledeki ile aynıdır. Zaten bu son yazımda mikro denetleyiciye nasıl yüklendiğini ve nasıl çalıştığını anlatmıştım. Sunulan sonuçları elde etmek için bu kodu biraz değiştirdim.

3. Adım: Sonuçlar

Bu deney için güç LED'ini yük olarak kullandım. 2,6 volt ileri gerilime sahiptir. Gerilim 2.6 civarında stabilize olduğundan, kontrolör sadece akımı ölçtü.

1) 5,6 V'ta güç kaynağı (grafikte kırmızı çizgi)

• jeneratör min hızı 1774 rpm (görev döngüsü = 0.8)
• jeneratör maksimum hızı 2606 rpm (görev döngüsü = 0,2)
• jeneratör maksimum gücü 156 mW (0,06 x 2,6)

2) 4 V'ta güç kaynağı (grafikte sarı çizgi)

• jeneratör min hızı 1406 rpm (görev döngüsü = 0.8)
• jeneratör maksimum hızı 1646 rpm (görev döngüsü = 0,2)
• jeneratör maksimum gücü 52 mW (0,02 x 2,6)

Açıklama: BLDC jeneratörünü ilk kontrolör ile denediğimde, güç kaynağı gerilimi 9 volta ulaşana kadar hiçbir akım ölçülmedi. Ayrıca farklı dişli oranları denedim, ancak sunulan sonuçlara kıyasla güç gerçekten düşüktü. Tersini deneyemiyorum: Bir step üç fazlı sinüs voltajı üretmediğinden, step jeneratörünü (Nema 17) bu kontrolörde dallandırmak.

4. Adım: Tartışma

Devam eden ve devam eden indüktör iletimi arasındaki geçiş nedeniyle doğrusal olmayanlar gözlenir.

Maksimum güç noktasını bulmak için daha yüksek görev döngüleriyle başka bir test yapılmalıdır.

Mevcut ölçüm, kontrolörün filtrelemeye gerek kalmadan çalışmasına izin verecek kadar temizdir.

Bu topoloji düzgün çalışıyor gibi görünüyor ama uzman olmadığım için yorumlarınızı almak isterim.

Adım 5: Step Jeneratör ile Karşılaştırma

Maksimum çekilen güç, BLDC ve kontrolörü ile daha iyidir.

Bir Delon voltaj katlayıcı eklemek, farkı azaltabilir, ancak bununla ilgili başka sorunlar ortaya çıktı (Yüksek hızdaki voltaj, voltaj pilinden daha büyük olabilir ve bir buck dönüştürücü gereklidir).

BLDC sistemi daha az gürültülü olduğundan mevcut ölçümleri filtrelemeye gerek yoktur. Kontrolörün daha hızlı tepki vermesini sağlar.

6. Adım: Sonuç

Artık yuva adımına devam etmeye hazır olduğumu düşünüyorum: Rüzgar türbinleri tasarlamak ve yerinde ölçümler yapmak ve nihayet rüzgarla bir pili şarj etmek!