Boost Converter untuk Turbin Angin Kecil: 6 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Dalam artikel terakhir saya tentang pengontrol pelacakan titik daya maksimum (MPPT), saya menunjukkan metode standar untuk memanfaatkan energi yang berasal dari sumber variabel seperti turbin angin dan mengisi baterai. Genset yang saya gunakan adalah motor stepper Nema 17 (digunakan sebagai genset) karena murah dan tersedia dimana-mana. Keuntungan besar dari motor stepper adalah mereka menghasilkan tegangan tinggi bahkan ketika berputar perlahan.

Pada artikel ini saya menyajikan pengontrol yang dirancang khusus untuk motor DC brushless daya rendah (BLDC). Masalah dengan motor ini adalah mereka harus berputar cepat untuk menghasilkan tegangan yang dapat dimanfaatkan. Ketika berputar perlahan, tegangan induksi sangat rendah sehingga kadang-kadang bahkan tidak memungkinkan konduksi dioda dan ketika itu terjadi, arus sangat rendah sehingga hampir tidak ada daya yang mengalir dari turbin ke baterai.

Sirkuit ini melakukan pada saat yang sama redresser dan boost. Ini memaksimalkan arus yang mengalir di koil generator dan dengan cara ini, daya dapat digunakan bahkan pada kecepatan rendah.

Artikel ini tidak menjelaskan cara membuat rangkaian tetapi jika Anda tertarik, periksa artikel terakhir.

Langkah 1: Sirkuit

Seperti pada artikel sebelumnya saya menggunakan mikrokontroler Attiny45 dengan Arduino IDE. Kontroler ini mengukur arus (menggunakan resistor R1 dan op-amp) dan tegangan, menghitung daya dan memodifikasi siklus kerja pada tiga transistor switching. Transistor ini diaktifkan bersama-sama tanpa memperhatikan input.

Bagaimana mungkin?

Karena saya menggunakan motor BLDC sebagai generator, tegangan pada terminal BLDC adalah sinus tiga fase: Tiga sinus digeser 120° (lihat gambar ke-2). Hal yang baik dengan sistem ini adalah bahwa jumlah dari sinus ini adalah nol setiap saat. Jadi ketika tiga transistor berjalan, tiga arus membanjiri mereka tetapi mereka membatalkan satu sama lain di tanah (lih. gambar ke-3). Saya memilih transistor MOSFET dengan resistansi sumber saluran rendah. Dengan cara ini (ini dia triknya) arus di induktor dimaksimalkan bahkan dengan tegangan rendah. Tidak ada dioda yang melakukan untuk saat ini.

Ketika transistor berhenti melakukan, arus induktor harus pergi ke suatu tempat. Sekarang dioda mulai melakukan. Ini bisa berupa dioda atas atau dioda di dalam transistor (periksa apakah transistor dapat menangani arus tersebut) (lihat gambar ke-4). Anda mungkin berkata: Ok tapi sekarang seperti penyearah jembatan biasa. Ya, tetapi sekarang tegangan sudah meningkat ketika dioda digunakan.

Ada beberapa rangkaian yang menggunakan enam transistor (seperti driver BLDC) tetapi kemudian Anda perlu mengukur tegangan untuk mengetahui transistor mana yang harus dihidupkan atau dimatikan. Solusi ini lebih sederhana dan bahkan dapat diimplementasikan dengan timer 555.

Inputnya adalah JP1, terhubung ke motor BLDC. Outputnya adalah JP2, terhubung ke baterai atau LED.

Langkah 2: Pengaturan

Untuk menguji sirkuit, saya membuat pengaturan dengan dua motor yang terhubung secara mekanis dengan rasio roda gigi satu (lihat gambar). Ada satu motor DC brushed kecil dan satu BLDC digunakan sebagai generator. Saya dapat memilih tegangan pada catu daya saya dan menganggap bahwa motor kecil yang disikat berperilaku kira-kira seperti turbin angin: Tanpa torsi putus, ia mencapai kecepatan maksimum. Jika torsi putus diterapkan, motor melambat (dalam kasus kami hubungan torsi-kecepatan linier dan untuk turbin angin nyata biasanya parabola).

Motor kecil terhubung ke catu daya, BLDC terhubung ke rangkaian MPPT dan bebannya adalah LED daya (1W, TDS-P001L4) dengan tegangan maju 2,6 volt. LED ini berperilaku kira-kira seperti baterai: jika tegangan di bawah 2,6, bukan arus yang masuk ke LED, jika tegangan mencoba di atas 2,6, arus membanjiri dan tegangan stabil di sekitar 2,6.

Kodenya sama seperti di artikel terakhir. Saya sudah menjelaskan cara memuatnya di mikrokontroler dan cara kerjanya di artikel terakhir ini. Saya sedikit memodifikasi kode ini untuk membuat hasil yang disajikan.

Langkah 3: Hasil

Untuk percobaan ini, saya menggunakan LED daya sebagai beban. Ini memiliki tegangan maju 2,6 volt. Karena tegangan distabilkan sekitar 2,6, pengontrol hanya mengukur arus.

1) Catu daya pada 5,6 V (garis merah pada grafik)

• kecepatan min generator 1774 rpm (duty cycle = 0.8)
• kecepatan maksimum generator 2606 rpm (duty cycle = 0,2)
• generator daya maksimal 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Catu daya pada 4 V (garis kuning pada grafik)

• kecepatan minimum generator 1406 rpm (duty cycle = 0,8)
• kecepatan maksimum generator 1646 rpm (duty cycle = 0,2)
• generator daya maksimal 52 mW (0,02 x 2,6)

Remarque: Ketika saya mencoba generator BLDC dengan pengontrol pertama, tidak ada arus yang diukur hingga tegangan catu daya mencapai 9 volt. Saya juga mencoba rasio roda gigi yang berbeda tetapi dayanya sangat rendah dibandingkan dengan hasil yang disajikan. Saya tidak bisa mencoba sebaliknya: Percabangan generator stepper (Nema 17) pada pengontrol ini karena stepper tidak menghasilkan tegangan sinus tiga fasa.

Langkah 4: Diskusi

Non linieritas diamati karena transisi antara konduksi induktor lanjutkan dan hentikan.

Tes lain harus dilakukan dengan siklus tugas yang lebih tinggi untuk menemukan titik daya maksimum.

Pengukuran saat ini cukup bersih untuk membiarkan pengontrol bekerja tanpa perlu penyaringan.

Topologi ini tampaknya berfungsi dengan baik, tetapi saya ingin mendapat komentar Anda karena saya bukan spesialis.

Langkah 5: Perbandingan Dengan Generator Stepper

Daya maksimum yang diekstraksi lebih baik dengan BLDC dan pengontrolnya.

Menambahkan pengganda tegangan Delon dapat menurunkan perbedaan tetapi masalah lain muncul dengannya (Tegangan selama kecepatan tinggi bisa lebih besar dari baterai tegangan dan diperlukan konverter buck).

Sistem BLDC kurang bising sehingga tidak perlu menyaring pengukuran saat ini. Ini memungkinkan pengontrol untuk bereaksi lebih cepat.

Langkah 6: Kesimpulan

Sekarang saya pikir saya siap untuk melanjutkan langkah berikutnya yaitu: Merancang turbin angin dan melakukan pengukuran di lokasi dan akhirnya mengisi baterai dengan angin!