Convertidor de impulso para aerogeneradores pequeños: 6 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

En mi último artículo sobre controladores de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT), mostré un método estándar para explotar la energía proveniente de una fuente variable como una turbina eólica y cargar una batería. El generador que usé fue un motor paso a paso Nema 17 (usado como generador) porque son baratos y están disponibles en todas partes. La gran ventaja de los motores paso a paso es que producen altos voltajes incluso cuando giran lentamente.

En este artículo presento un controlador especialmente diseñado para motores de CC sin escobillas de baja potencia (BLDC). El problema con estos motores es que necesitan girar rápido para producir un voltaje explotable. Al girar lentamente, el voltaje inducido es tan bajo que a veces incluso no permite la conducción del diodo y cuando lo hace, la corriente es tan baja que casi no pasa energía de la turbina a la batería.

Este circuito hace al mismo tiempo el reparador y el impulso. Maximiza la corriente que fluye en la bobina del generador y de esta manera, la potencia se puede utilizar incluso a baja velocidad.

Este artículo no explica cómo hacer el circuito pero si está interesado, consulte el último artículo.

Paso 1: el circuito

Como en el último artículo, utilizo un microcontrolador Attiny45 con el IDE de Arduino. Este controlador mide la corriente (usando la resistencia R1 y el amplificador operacional) y la tensión, calcula la potencia y modifica el ciclo de trabajo en los tres transistores de conmutación. Estos transistores se conectan juntos sin tener en cuenta la entrada.

¿Cómo es eso posible?

Como utilizo un motor BLDC como generador, las tensiones en la terminal del BLDC son un seno trifásico: Tres senos desplazados 120 ° (cf. 2ª imagen). Lo bueno de este sistema es que la suma de estos senos nasales es nula en cualquier momento. Entonces, cuando los tres transistores conducen, tres corrientes fluyen en ellos pero se cancelan entre sí en el suelo (cf. 3ª imagen). Elegí transistores MOSFET con una baja resistencia en la fuente de drenaje. De esta manera (aquí está el truco) la corriente en los inductores se maximiza incluso con voltajes bajos. No hay diodos conduciendo por el momento.

Cuando los transistores dejan de conducir, la corriente del inductor tiene que ir a alguna parte. Ahora los diodos comienzan a conducir. Pueden ser los diodos superiores o los diodos dentro del transistor (verifique que el transistor pueda manejar dicha corriente) (vea la cuarta imagen). Puede decir: Ok, pero ahora es como un puente rectificador normal. Sí, pero ahora el voltaje ya está aumentado cuando se usan los diodos.

Hay algunos circuitos que usan seis transistores (como un controlador BLDC), pero luego debe medir el voltaje para saber qué transistores deben encenderse o apagarse. Esta solución es más simple e incluso se puede implementar con un temporizador 555.

La entrada es JP1, está conectada al motor BLDC. La salida es JP2, está conectada a la batería o al LED.

Paso 2: la configuración

Para probar el circuito, hice una configuración con dos motores conectados mecánicamente con una relación de transmisión de uno (ver imagen). Hay un pequeño motor de CC cepillado y un BLDC que se utiliza como generador. Puedo elegir un voltaje en mi fuente de alimentación y asumir que el pequeño motor cepillado se comporta aproximadamente como una turbina eólica: sin par de rotura alcanza una velocidad máxima. Si se aplica un par de rotura, el motor se ralentiza (en nuestro caso la relación par-velocidad es lineal y para aerogeneradores reales suele ser una parábola).

El motor pequeño está conectado a la fuente de alimentación, el BLDC está conectado al circuito MPPT y la carga es un LED de potencia (1W, TDS-P001L4) con un voltaje directo de 2.6 voltios. Este LED se comporta aproximadamente como una batería: si el voltaje está por debajo de 2.6, no entra corriente al LED, si el voltaje intenta ir por encima de 2.6, la corriente está inundando y el voltaje se estabiliza alrededor de 2.6.

El código es el mismo que en el último artículo. Ya expliqué cómo cargarlo en el microcontrolador y cómo funciona en este último artículo. Modifiqué ligeramente este código para obtener los resultados presentados.

Paso 3: resultados

Para este experimento, utilicé el LED de encendido como carga. Tiene un voltaje directo de 2,6 voltios. Como la tensión se estabiliza alrededor de 2.6, el controlador solo mide la corriente.

1) Fuente de alimentación a 5,6 V (línea roja en el gráfico)

• velocidad mínima del generador 1774 rpm (ciclo de trabajo = 0,8)
• velocidad máxima del generador 2606 rpm (ciclo de trabajo = 0,2)
• potencia máxima del generador 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Fuente de alimentación a 4 V (línea amarilla en el gráfico)

• velocidad mínima del generador 1406 rpm (ciclo de trabajo = 0,8)
• velocidad máxima del generador 1646 rpm (ciclo de trabajo = 0,2)
• potencia máxima del generador 52 mW (0,02 x 2,6)

Comentario: Cuando probé el generador BLDC con el primer controlador, no se midió la corriente hasta que la tensión de la fuente de alimentación alcanzó los 9 voltios. También probé diferentes relaciones de transmisión, pero la potencia fue realmente baja en comparación con los resultados presentados. No puedo intentar lo contrario: ramificar el generador paso a paso (Nema 17) en este controlador porque un paso a paso no produce voltaje sinusoidal trifásico.

Paso 4: Discusión

Se observan no linealidades debido a la transición entre continuar y discontinuar la conducción del inductor.

Se debe realizar otra prueba con ciclos de trabajo más altos para encontrar el punto de máxima potencia.

Las medidas de corriente son lo suficientemente limpias como para permitir que el controlador funcione sin necesidad de filtrado.

Esta topología parece funcionar correctamente, pero me encantaría tener sus comentarios porque no soy un especialista.

Paso 5: comparación con el generador paso a paso

La potencia máxima extraída es mejor con el BLDC y su controlador.

Agregar un duplicador de voltaje Delon puede reducir la diferencia, pero aparecieron otros problemas con él (el voltaje durante la alta velocidad puede ser mayor que el voltaje de la batería y se necesita un convertidor reductor).

El sistema BLDC es menos ruidoso, por lo que no es necesario filtrar las mediciones de corriente. Permite que el controlador reaccione más rápido.

Paso 6: Conclusión

Ahora creo que estoy listo para continuar con el paso nido que es: Diseñar aerogeneradores y realizar mediciones in situ y ¡finalmente cargar una batería con el viento!