Aufwärtswandler für kleine Windkraftanlagen - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:17

In meinem letzten Artikel über MPPT-Controller (Maximum Power Point Tracking) habe ich eine Standardmethode gezeigt, um die Energie aus einer variablen Quelle wie einer Windkraftanlage zu nutzen und eine Batterie aufzuladen. Der Generator, den ich verwendet habe, war ein Schrittmotor Nema 17 (als Generator verwendet), da sie billig und überall erhältlich sind. Der große Vorteil von Schrittmotoren besteht darin, dass sie auch bei langsamer Drehung hohe Spannungen erzeugen.

In diesem Artikel stelle ich einen Controller vor, der speziell für bürstenlose DC-Motoren (BLDC) mit geringer Leistung entwickelt wurde. Das Problem bei diesen Motoren ist, dass sie schnell drehen müssen, um eine nutzbare Spannung zu erzeugen. Beim langsamen Drehen ist die induzierte Spannung so gering, dass sie manchmal sogar keine Diodenleitung zulässt, und wenn ja, ist der Strom so gering, dass fast keine Leistung von der Turbine zur Batterie gelangt.

Diese Schaltung übernimmt gleichzeitig den Redresser und den Boost. Es maximiert den Strom, der in der Spule des Generators fließt und auf diese Weise kann die Leistung auch bei niedriger Drehzahl genutzt werden.

Dieser Artikel erklärt nicht, wie man die Schaltung macht, aber wenn Sie interessiert sind, lesen Sie den letzten Artikel.

Schritt 1: Die Schaltung

Wie im letzten Artikel verwende ich einen Mikrocontroller Attiny45 mit der Arduino IDE. Dieser Controller misst den Strom (unter Verwendung des R1-Widerstands und des Operationsverstärkers) und die Spannung, berechnet die Leistung und modifiziert das Tastverhältnis der drei Schalttransistoren. Diese Transistoren werden ohne Rücksicht auf den Eingang zusammengeschaltet.

Wie ist das möglich?

Da ich als Generator einen BLDC-Motor verwende, sind die Spannungen an der Klemme des BLDC ein dreiphasiger Sinus: Drei um 120° verschobene Sinus (vgl. 2. Bild). Das Gute an diesem System ist, dass die Summe dieser Sinus zu jeder Zeit null ist. Wenn also die drei Transistoren leiten, fließen drei Ströme in sie, aber sie heben sich im Boden gegenseitig auf (vgl. 3. Bild). Ich habe mich für MOSFET-Transistoren mit niedrigem Drain-Source-Einschaltwiderstand entschieden. Auf diese Weise (hier ist der Trick) wird der Strom in den Induktivitäten auch bei niedrigen Spannungen maximiert. Im Moment leiten keine Dioden.

Wenn die Transistoren aufhören zu leiten, muss der Induktorstrom irgendwo hingehen. Jetzt beginnen die Dioden zu leiten. Es können die oberen Dioden oder die Dioden im Transistor sein (überprüfen Sie, ob der Transistor einen solchen Strom verarbeiten kann) (siehe 4. Bild). Sie können sagen: Ok, aber jetzt ist es wie ein normaler Brückengleichrichter. Ja, aber jetzt wird die Spannung bereits erhöht, wenn die Dioden verwendet werden.

Es gibt einige Schaltungen, die sechs Transistoren verwenden (wie ein BLDC-Treiber), aber dann müssen Sie die Spannung überprüfen, um zu wissen, welche Transistoren ein- oder ausgeschaltet werden müssen. Diese Lösung ist einfacher und kann sogar mit einem 555-Timer realisiert werden.

Der Eingang ist JP1, er ist mit dem BLDC-Motor verbunden. Der Ausgang ist JP2, er wird an die Batterie oder die LED angeschlossen.

Schritt 2: Das Setup

Um die Schaltung zu testen, habe ich einen Aufbau mit zwei mechanisch verbundenen Motoren mit einem Übersetzungsverhältnis von eins erstellt (siehe Bild). Es gibt einen kleinen gebürsteten Gleichstrommotor und einen BLDC als Generator. Ich kann an meinem Netzteil eine Spannung wählen und davon ausgehen, dass sich der kleine Bürstenmotor annähernd wie ein Windrad verhält: Ohne Bremsmoment erreicht er eine maximale Drehzahl. Wird ein Bremsmoment aufgebracht, bremst der Motor ab (in unserem Fall ist das Verhältnis Drehmoment-Drehzahl linear und bei echten Windkraftanlagen meist parabelförmig).

Der kleine Motor ist mit der Stromversorgung verbunden, der BLDC ist mit der MPPT-Schaltung verbunden und die Last ist eine Power-LED (1W, TDS-P001L4) mit einer Durchlassspannung von 2,6 Volt. Diese LED verhält sich ungefähr wie eine Batterie: Wenn die Spannung unter 2,6 liegt, fließt kein Strom in die LED, wenn die Spannung versucht, über 2,6 zu steigen, fließt der Strom und die Spannung stabilisiert sich um 2,6.

Der Code ist der gleiche wie im letzten Artikel. Wie man es in den Mikrocontroller lädt und wie es funktioniert, habe ich bereits in diesem letzten Artikel erklärt. Ich habe diesen Code leicht modifiziert, um die vorgestellten Ergebnisse zu erzielen.

Schritt 3: Ergebnisse

Für dieses Experiment habe ich die Power-LED als Last verwendet. Es hat eine Durchlassspannung von 2,6 Volt. Da sich die Spannung um 2,6 stabilisiert hat, hat der Controller nur den Strom gemessen.

1) Stromversorgung bei 5,6 V (rote Linie im Diagramm)

• Generator min. Drehzahl 1774 U/min (Einschaltdauer = 0,8)
• Max. Generatordrehzahl 2606 U/min (Einschaltdauer = 0,2)
• Generator-Maximalleistung 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Stromversorgung bei 4 V (gelbe Linie im Diagramm)

• Generator min. Drehzahl 1406 U/min (Einschaltdauer = 0,8)
• Generator max. Drehzahl 1646 U/min (Einschaltdauer = 0,2)
• Generator max. Leistung 52 mW (0,02 x 2,6)

Anmerkung: Als ich den BLDC-Generator mit dem ersten Controller ausprobierte, wurde kein Strom gemessen, bis die Spannung der Stromversorgung 9 Volt erreichte. Ich habe auch verschiedene Übersetzungsverhältnisse ausprobiert, aber die Leistung war im Vergleich zu den präsentierten Ergebnissen wirklich gering. Das Gegenteil kann ich nicht versuchen: Verzweigen des Steppergenerators (Nema 17) auf diesem Controller, weil ein Stepper keine dreiphasige Sinusspannung erzeugt.

Schritt 4: Diskussion

Nichtlinearitäten werden aufgrund des Übergangs zwischen fortgesetzter und unterbrochener Induktorleitung beobachtet.

Ein weiterer Test sollte mit höheren Arbeitszyklen durchgeführt werden, um den maximalen Leistungspunkt zu finden.

Die Strommessung ist sauber genug, um den Controller ohne Filterung arbeiten zu lassen.

Diese Topologie scheint ordnungsgemäß zu funktionieren, aber ich würde gerne Ihre Kommentare haben, da ich kein Spezialist bin.

Schritt 5: Vergleich mit dem Stepper-Generator

Die maximal extrahierte Leistung ist mit dem BLDC und seinem Controller besser.

Das Hinzufügen eines Delon-Spannungsverdopplers kann die Differenz verringern, aber es traten damit andere Probleme auf (Die Spannung bei hoher Geschwindigkeit kann größer sein als die Spannungsbatterie und ein Abwärtswandler ist erforderlich).

Das BLDC-System ist weniger verrauscht, sodass die aktuellen Messungen nicht gefiltert werden müssen. Dadurch kann der Controller schneller reagieren.

Schritt 6: Fazit

Jetzt denke ich, dass ich bereit bin, mit dem Nest-Schritt fortzufahren, der lautet: Windturbinen entwerfen und Messungen vor Ort durchführen und endlich eine Batterie mit dem Wind aufladen!