Conversor de reforço para pequenas turbinas eólicas: 6 etapas

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:36

Em meu último artigo sobre controladores de rastreamento de ponto de potência máxima (MPPT), mostrei um método padrão para explorar a energia proveniente de uma fonte variável, como uma turbina eólica e carregar uma bateria. O gerador que usei foi um motor de passo Nema 17 (usado como gerador) porque são baratos e estão disponíveis em qualquer lugar. A grande vantagem dos motores de passo é que eles produzem altas tensões, mesmo quando girando lentamente.

Neste artigo, apresento um controlador especialmente projetado para motores DC sem escova de baixa potência (BLDC). O problema com esses motores é que eles precisam girar rapidamente para produzir uma tensão explorável. Ao girar lentamente, a tensão induzida é tão baixa que às vezes nem permite a condução do diodo e, quando o faz, a corrente é tão baixa que quase nenhuma energia passa da turbina para a bateria.

Este circuito faz ao mesmo tempo o redresser e o boost. Maximiza a corrente que flui na bobina do gerador e, dessa forma, a energia pode ser utilizada mesmo em baixa velocidade.

Este artigo não explica como fazer o circuito, mas se você estiver interessado, consulte o último artigo.

Etapa 1: O circuito

Como no último artigo, usei um microcontrolador Attiny45 com o Arduino IDE. Este controlador mede a corrente (usando o resistor R1 e o amplificador operacional) e a tensão, calcula a potência e modifica o ciclo de trabalho nos três transistores chaveadores. Esses transistores são comutados juntos, independentemente da entrada.

Como isso é possível?

Como eu uso um motor BLDC como gerador, as tensões no terminal do BLDC são um seio trifásico: três seios deslocados em 120 ° (cf. 2ª imagem). A coisa boa com esse sistema é que a soma desses três seios é nula a qualquer momento. Então, quando os três transistores conduzem, três correntes fluem neles, mas eles se cancelam no solo (cf. 3ª imagem). Eu escolhi transistores MOSFET com uma baixa resistência em fonte de dreno. Desta forma (aqui está o truque) a corrente nos indutores é maximizada mesmo com tensões baixas. Nenhum diodo está conduzindo no momento.

Quando os transistores param de conduzir, a corrente do indutor tem que ir para algum lugar. Agora os diodos começam a conduzir. Podem ser os diodos superiores ou os diodos dentro do transistor (verifique se o transistor pode suportar tal corrente) (cf. 4ª imagem). Você pode dizer: Ok, mas agora é como uma ponte retificadora normal. Sim, mas agora a tensão já está aumentada quando os diodos são usados.

Existem alguns circuitos que usam seis transistores (como um driver BLDC), mas você precisa definir a tensão para saber quais transistores devem ser ligados ou desligados. Esta solução é mais simples e pode até ser implementada com um temporizador 555.

A entrada é JP1, está conectada ao motor BLDC. A saída é JP2, está conectada à bateria ou ao LED.

Etapa 2: a configuração

Para testar o circuito, fiz um setup com dois motores conectados mecanicamente com uma relação de engrenagem de um (cf. imagem). Há um pequeno motor DC com escova e um BLDC usado como gerador. Posso escolher uma tensão em minha fonte de alimentação e supor que o pequeno motor escovado se comporte de maneira aproximada como uma turbina eólica: sem torque de ruptura, atinge a velocidade máxima. Se um torque de frenagem é aplicado, o motor desacelera (no nosso caso a relação torque-velocidade é linear e para turbinas eólicas reais geralmente é uma parábola).

O pequeno motor é conectado à fonte de alimentação, o BLDC é conectado ao circuito MPPT e a carga é um LED de alimentação (1W, TDS-P001L4) com uma tensão direta de 2,6 volts. Este LED se comporta aproximadamente como uma bateria: se a tensão estiver abaixo de 2,6, não entra corrente no LED, se a tensão tentar ir acima de 2,6, a corrente está inundando e a tensão se estabiliza em torno de 2,6.

O código é o mesmo do último artigo. Já expliquei como carregá-lo no microcontrolador e como funciona neste último artigo. Modifiquei ligeiramente este código para fazer os resultados apresentados.

Etapa 3: Resultados

Para este experimento, usei o LED de energia como uma carga. Ele tem uma tensão direta de 2,6 volts. Como a tensão está estabilizada em torno de 2,6, o controlador mediu apenas a corrente.

1) Fonte de alimentação em 5,6 V (linha vermelha no gráfico)

• velocidade mínima do gerador 1774 rpm (ciclo de trabalho = 0,8)
• velocidade máxima do gerador 2.606 rpm (ciclo de trabalho = 0,2)
• potência máxima do gerador 156 mW (0,06 x 2,6)

2) Fonte de alimentação em 4 V (linha amarela no gráfico)

• velocidade mínima do gerador 1406 rpm (ciclo de trabalho = 0,8)
• velocidade máxima do gerador 1646 rpm (ciclo de trabalho = 0,2)
• potência máxima do gerador 52 mW (0,02 x 2,6)

Observação: Quando experimentei o gerador BLDC com o primeiro controlador, nenhuma corrente foi medida até que a tensão da fonte de alimentação atingiu 9 volts. Também tentei diferentes relações de engrenagem, mas a potência era muito baixa em comparação com os resultados apresentados. Não posso tentar o oposto: ramificar o gerador de passo (Nema 17) neste controlador porque um passo não produz tensão sinusal trifásica.

Etapa 4: Discussão

Não linearidades são observadas devido à transição entre continuar e descontinuar a condução do indutor.

Outro teste deve ser conduzido com ciclos de trabalho mais altos para encontrar o ponto de potência máxima.

As medições de corrente são claras o suficiente para permitir que o controlador funcione sem a necessidade de filtragem.

Esta topologia parece funcionar corretamente, mas gostaria muito de receber seus comentários, pois não sou um especialista.

Etapa 5: comparação com o gerador de passo

A potência máxima extraída é melhor com o BLDC e seu controlador.

Adicionar um dobrador de voltagem Delon pode diminuir a diferença, mas outros problemas apareceram com ele (a voltagem durante a alta velocidade pode ser maior do que a voltagem da bateria e um conversor de Buck é necessário).

O sistema BLDC é menos ruidoso, então não há necessidade de filtrar as medições atuais. Permite que o controlador reaja mais rápido.

Etapa 6: Conclusão

Agora acho que estou pronto para continuar com a etapa inicial que é: projetar turbinas eólicas e fazer medições no local e, finalmente, carregar uma bateria com o vento!