Boost Converter สำหรับกังหันลมขนาดเล็ก: 6 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:04

ในบทความล่าสุดของฉันเกี่ยวกับตัวควบคุมการติดตามจุดไฟสูงสุด (MPPT) ฉันได้แสดงวิธีมาตรฐานสำหรับการใช้ประโยชน์จากพลังงานที่มาจากแหล่งที่แปรผันได้ เช่น กังหันลมและการชาร์จแบตเตอรี่ เครื่องปั่นไฟที่ฉันใช้คือสเต็ปเปอร์มอเตอร์ Nema 17 (ใช้เป็นเครื่องปั่นไฟ) เพราะมีราคาถูกและหาซื้อได้ทุกที่ ข้อได้เปรียบที่สำคัญของสเต็ปเปอร์มอเตอร์คือสามารถผลิตไฟฟ้าแรงสูงได้แม้จะหมุนช้า

ในบทความนี้ ผมขอนำเสนอคอนโทรลเลอร์ที่ออกแบบมาเป็นพิเศษสำหรับมอเตอร์ DC แบบไม่มีแปรงถ่าน (BLDC) ที่ใช้พลังงานต่ำ ปัญหาของมอเตอร์เหล่านี้คือต้องหมุนเร็วเพื่อผลิตแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ประโยชน์ได้ เมื่อหมุนช้าๆ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะต่ำมากจนบางครั้งอาจไม่ยอมให้ไดโอดนำไฟฟ้า และเมื่อหมุน กระแสไฟจะต่ำมากจนแทบไม่มีกำลังส่งผ่านจากเทอร์ไบน์ไปยังแบตเตอรี่

วงจรนี้ทำในเวลาเดียวกันกับตัวแก้ไขและตัวเร่ง มันเพิ่มกระแสที่ไหลในคอยล์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าให้สูงสุด ด้วยวิธีนี้ พลังงานจึงสามารถใช้ได้แม้ที่ความเร็วต่ำ

บทความนี้ไม่ได้อธิบายวิธีทำวงจร แต่หากสนใจ อ่านบทความที่แล้ว

ขั้นตอนที่ 1: วงจร

ในบทความที่แล้ว ฉันใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์ Attiny45 กับ Arduino IDE ตัวควบคุมนี้วัดกระแส (โดยใช้ตัวต้านทาน R1 และ op-amp) และความตึง คำนวณกำลัง และปรับเปลี่ยนรอบการทำงานบนทรานซิสเตอร์สวิตชิ่งทั้งสามตัว ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ถูกสลับเข้าด้วยกันโดยไม่คำนึงถึงอินพุต

เป็นไปได้อย่างไร?

เนื่องจากฉันใช้มอเตอร์ BLDC เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ความตึงเครียดที่ขั้วของ BLDC จึงเป็นไซนัสสามเฟส: ไซนัสสามอันขยับ 120° (เปรียบเทียบภาพที่ 2) ข้อดีของระบบนี้คือผลรวมของไซนัสเจ้าเป็นโมฆะเมื่อใดก็ได้ ดังนั้นเมื่อทรานซิสเตอร์สามตัวดำเนินการ กระแสน้ำสามไหลในตัวพวกมัน แต่พวกมันจะหักล้างกันที่พื้น (เปรียบเทียบ ภาพที่ 3) ฉันเลือกทรานซิสเตอร์ MOSFET ที่มีความต้านทานแบบ on-drain-source ต่ำ วิธีนี้ (นี่คือเคล็ดลับ) กระแสในตัวเหนี่ยวนำจะถูกขยายให้ใหญ่สุดแม้ในแรงดันไฟฟ้าต่ำ ไม่มีไดโอดกำลังดำเนินการอยู่ในขณะนี้

เมื่อทรานซิสเตอร์หยุดนำกระแส กระแสเหนี่ยวนำจะต้องไปที่ไหนสักแห่ง ตอนนี้ไดโอดเริ่มดำเนินการ อาจเป็นไดโอดด้านบนหรือไดโอดภายในทรานซิสเตอร์ (ตรวจสอบว่าทรานซิสเตอร์สามารถรองรับกระแสดังกล่าวได้) (เปรียบเทียบภาพที่ 4) คุณอาจพูดว่า: ตกลง แต่ตอนนี้มันเหมือนกับวงจรเรียงกระแสแบบธรรมดา ใช่ แต่ตอนนี้แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแล้วเมื่อใช้ไดโอด

มีวงจรบางวงจรที่ใช้ทรานซิสเตอร์ 6 ตัว (เช่น ไดรเวอร์ BLDC) แต่คุณต้องกำหนดขอบเขตแรงดันไฟฟ้าเพื่อที่จะทราบว่าต้องเปิดหรือปิดทรานซิสเตอร์ตัวใด โซลูชันนี้ง่ายกว่าและสามารถใช้งานได้กับตัวจับเวลา 555

อินพุตคือ JP1 เชื่อมต่อกับมอเตอร์ BLDC เอาต์พุตเป็น JP2 เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่หรือ LED

ขั้นตอนที่ 2: การติดตั้ง

เพื่อทดสอบวงจร ฉันได้ตั้งค่าด้วยมอเตอร์สองตัวที่เชื่อมต่อทางกลไกโดยมีอัตราทดเกียร์หนึ่งตัว (เปรียบเทียบรูปภาพ) มีมอเตอร์ DC แบบมีแปรงขนาดเล็กหนึ่งตัวและ BLDC หนึ่งตัวที่ใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ฉันสามารถเลือกแรงดันไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายไฟของฉัน และสมมติว่ามอเตอร์แบบมีแปรงถ่านขนาดเล็กมีพฤติกรรมใกล้เคียงกับกังหันลม: ความเร็วสูงสุดโดยไม่ทำให้แรงบิดเสียหาย หากมีการใช้แรงบิดแตกหัก มอเตอร์จะช้าลง (ในกรณีของเรา ความเร็วของแรงบิดสัมพันธ์จะเป็นเส้นตรง และสำหรับกังหันลมจริงมักจะเป็นแบบพาราโบล)

มอเตอร์ขนาดเล็กเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ BLDC เชื่อมต่อกับวงจร MPPT และโหลดเป็นไฟ LED (1W, TDS-P001L4) ที่มีแรงดันไปข้างหน้า 2.6 โวลต์ LED นี้ทำงานโดยประมาณเหมือนแบตเตอรี่: หากแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 2.6 ไม่ใช่กระแสไฟ ให้ป้อน LED หากแรงดันไฟฟ้าพยายามให้สูงกว่า 2.6 กระแสน้ำจะท่วมและแรงดันไฟฟ้าจะคงที่ที่ประมาณ 2.6

รหัสจะเหมือนกับในบทความที่แล้ว ฉันได้อธิบายวิธีโหลดมันในไมโครคอนโทรลเลอร์แล้วและมันทำงานอย่างไรในบทความที่แล้วนี้ ฉันแก้ไขโค้ดนี้เล็กน้อยเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่นำเสนอ

ขั้นตอนที่ 3: ผลลัพธ์

สำหรับการทดลองนี้ ฉันใช้ไฟ LED แสดงการทำงานเป็นโหลด มีแรงดันไปข้างหน้า 2.6 โวลต์ เนื่องจากความตึงเครียดคงที่ที่ประมาณ 2.6 ตัวควบคุมจึงวัดเฉพาะกระแสเท่านั้น

1) แหล่งจ่ายไฟที่ 5.6 V (เส้นสีแดงบนกราฟ)

• เครื่องกำเนิดความเร็วขั้นต่ำ 1774 รอบต่อนาที (รอบการทำงาน = 0.8)
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงสุด 2606 รอบต่อนาที (รอบการทำงาน = 0.2)
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังสูงสุด 156 mW (0.06 x 2.6)

2) แหล่งจ่ายไฟที่ 4 V (เส้นสีเหลืองบนกราฟ)

• ความเร็วเครื่องกำเนิดไฟฟ้าขั้นต่ำ 1406 รอบต่อนาที (รอบการทำงาน = 0.8)
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้าความเร็วสูงสุด 1646 รอบต่อนาที (รอบการทำงาน = 0.2)
• เครื่องกำเนิดไฟฟ้า กำลังสูงสุด 52 mW (0.02 x 2.6)

Remarque: เมื่อฉันลองใช้เครื่องกำเนิด BLDC กับคอนโทรลเลอร์ตัวแรก ไม่มีการวัดกระแสใด ๆ จนกว่าความตึงเครียดของแหล่งจ่ายไฟจะถึง 9 โวลต์ ฉันยังลองใช้อัตราทดเกียร์ที่แตกต่างกัน แต่กำลังต่ำมากเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ที่นำเสนอ ฉันไม่สามารถลองสิ่งที่ตรงกันข้ามได้: การแตกกิ่งก้านเครื่องกำเนิดสเต็ปเปอร์ (Nema 17) บนคอนโทรลเลอร์นี้เนื่องจากสเต็ปเปอร์ไม่สร้างแรงดันไซนัสสามเฟส

ขั้นตอนที่ 4: อภิปราย

ความไม่เป็นเส้นตรงถูกสังเกตพบเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงระหว่างการดำเนินการต่อและหยุดการนำของตัวเหนี่ยวนำ

ควรทำการทดสอบอื่นด้วยรอบการทำงานที่สูงขึ้นเพื่อหาจุดกำลังสูงสุด

การวัดปัจจุบันสะอาดพอที่จะให้ตัวควบคุมทำงานได้โดยไม่ต้องกรอง

โทโพโลยีนี้ดูเหมือนว่าจะทำงานได้อย่างถูกต้อง แต่ฉันชอบที่จะแสดงความคิดเห็นของคุณเพราะฉันไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ

ขั้นตอนที่ 5: เปรียบเทียบกับ Stepper Generator

กำลังดึงสูงสุดจะดีกว่าด้วย BLDC และตัวควบคุม

การเพิ่มตัวเพิ่มแรงดันไฟฟ้าของ Delon สามารถลดความแตกต่างได้ แต่ปัญหาอื่นๆ ปรากฏขึ้น (แรงดันไฟฟ้าระหว่างความเร็วสูงอาจมากกว่าแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าและจำเป็นต้องใช้ตัวแปลงบั๊ก)

ระบบ BLDC มีสัญญาณรบกวนน้อยกว่า จึงไม่จำเป็นต้องกรองการวัดปัจจุบัน ช่วยให้คอนโทรลเลอร์ตอบสนองเร็วขึ้น

ขั้นตอนที่ 6: บทสรุป

ตอนนี้ฉันคิดว่าฉันพร้อมที่จะทำรังต่อ นั่นคือ: การออกแบบกังหันลมและการวัดที่ไซต์งาน และในที่สุดก็ชาร์จแบตเตอรี่ด้วยลม!