Convertitore boost per piccole turbine eoliche: 6 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

Nel mio ultimo articolo sui controller di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) ho mostrato un metodo standard per sfruttare l'energia proveniente da una fonte variabile come una turbina eolica e caricare una batteria. Il generatore che ho usato era un motore passo passo Nema 17 (usato come generatore) perché sono economici e disponibili ovunque. Il grande vantaggio dei motori passo passo è che producono alti voltaggi anche quando girano lentamente.

In questo articolo presento un controller appositamente progettato per motori DC brushless a bassa potenza (BLDC). Il problema con questi motori è che devono girare velocemente per produrre una tensione sfruttabile. Quando gira lentamente, la tensione indotta è così bassa che a volte non consente nemmeno la conduzione del diodo e quando lo fa, la corrente è così bassa che quasi nessuna potenza passa dalla turbina alla batteria.

Questo circuito fa contemporaneamente il redresser e il boost. Massimizza la corrente che scorre nella bobina del generatore e in questo modo la potenza può essere utilizzata anche a bassa velocità.

Questo articolo non spiega come realizzare il circuito ma se sei interessato, controlla l'ultimo articolo.

Passaggio 1: il circuito

Come nell'ultimo articolo utilizzo un microcontrollore Attiny45 con l'IDE Arduino. Questo controller misura la corrente (usando il resistore R1 e l'amplificatore operazionale) e la tensione, calcola la potenza e modifica il duty cycle sui tre transistor di commutazione. Questi transistor sono commutati insieme senza riguardo per l'ingresso.

Come è possibile?

Poiché uso un motore BLDC come generatore, le tensioni al terminale del BLDC sono un seno trifase: tre seni spostati di 120° (cfr. 2a immagine). La cosa buona con questo sistema è che la somma di questi te seni è nulla in qualsiasi momento. Quindi quando i tre transistor conducono, tre correnti si riversano in essi ma si annullano a terra (cfr. 3a immagine). Ho scelto transistor MOSFET con una bassa resistenza all'accensione drain-source. In questo modo (ecco il trucco) si massimizza la corrente negli induttori anche con basse tensioni. Nessun diodi conduce per il momento.

Quando i transistor smettono di condurre, la corrente dell'induttore deve andare da qualche parte. Ora i diodi iniziano a condurre. Possono essere i diodi superiori o i diodi all'interno del transistor (verificare che il transistor sia in grado di gestire tale corrente) (cfr. 4a immagine). Potresti dire: Ok ma ora è come un normale raddrizzatore a ponte. Sì, ma ora la tensione è già aumentata quando vengono utilizzati i diodi.

Ci sono alcuni circuiti che utilizzano sei transistor (come un driver BLDC) ma poi è necessario misurare la tensione per sapere quali transistor devono essere accesi o spenti. Questa soluzione è più semplice e può essere implementata anche con un timer 555.

L'ingresso è JP1, è collegato al motore BLDC. L'uscita è JP2, è collegata alla batteria o al LED.

Passaggio 2: l'installazione

Per testare il circuito, ho realizzato una configurazione con due motori collegati meccanicamente con un rapporto di trasmissione di uno (vedi immagine). Ci sono un piccolo motore DC spazzolato e un BLDC usato come generatore. Posso scegliere una tensione sul mio alimentatore e presumere che il piccolo motore a spazzole si comporti approssimativamente come una turbina eolica: senza coppia di rottura raggiunge una velocità massima. Se viene applicata una coppia di rottura, il motore rallenta (nel nostro caso la relazione coppia-velocità è lineare e per le turbine eoliche reali è solitamente una parabola).

Il motorino è collegato all'alimentazione, il BLDC è collegato al circuito MPPT e il carico è un LED di potenza (1W, TDS-P001L4) con una tensione diretta di 2,6 volt. Questo LED si comporta all'incirca come una batteria: se la tensione è inferiore a 2,6, non entra corrente nel LED, se la tensione prova a salire sopra 2,6, la corrente si allaga e la tensione si stabilizza intorno a 2,6.

Il codice è lo stesso dell'ultimo articolo. Ho già spiegato come caricarlo nel microcontrollore e come funziona in questo ultimo articolo. Ho leggermente modificato questo codice per ottenere i risultati presentati.

Passaggio 3: risultati

Per questo esperimento, ho usato il LED di alimentazione come carico. Ha una tensione diretta di 2,6 volt. Poiché la tensione si è stabilizzata intorno a 2,6, il controller ha misurato solo la corrente.

1) Alimentazione a 5,6 V (linea rossa sul grafico)

• velocità minima del generatore 1774 giri/min (ciclo di lavoro = 0,8)
• velocità max generatore 2606 rpm (duty cycle = 0.2)
• potenza massima generatore 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Alimentazione a 4 V (linea gialla sul grafico)

• velocità minima del generatore 1406 giri/min (ciclo di lavoro = 0,8)
• velocità max generatore 1646 rpm (duty cycle = 0.2)
• potenza massima generatore 52 mW (0,02 x 2,6)

Nota: quando ho provato il generatore BLDC con il primo controller, non è stata misurata alcuna corrente fino a quando la tensione di alimentazione non ha raggiunto i 9 volt. Ho anche provato diversi rapporti di trasmissione ma la potenza era davvero bassa rispetto ai risultati presentati. Non posso provare il contrario: ramificare il generatore passo-passo (Nema 17) su questo controller perché uno stepper non produce tensione sinusoidale trifase.

Passaggio 4: discussione

Si osservano non linearità a causa della transizione tra la conduzione continua e quella interrotta dell'induttore.

Un altro test dovrebbe essere condotto con cicli di lavoro più elevati per trovare il punto di massima potenza.

Le misurazioni della corrente sono sufficientemente pulite da consentire al controller di funzionare senza bisogno di filtraggio.

Questa topologia sembra funzionare correttamente, ma mi piacerebbe avere i tuoi commenti perché non sono uno specialista.

Passaggio 5: confronto con il generatore passo-passo

La massima potenza estratta è migliore con il BLDC e il suo controller.

L'aggiunta di un duplicatore di tensione Delon può ridurre la differenza, ma con esso sono comparsi altri problemi (la tensione durante l'alta velocità può essere maggiore della tensione della batteria ed è necessario un convertitore buck).

Il sistema BLDC è meno rumoroso quindi non è necessario filtrare le misurazioni della corrente. Consente al controller di reagire più velocemente.

Passaggio 6: conclusione

Ora penso di essere pronto per continuare con il passo successivo che è: progettare turbine eoliche e fare misurazioni in loco e infine caricare una batteria con il vento!