Статья поступила в редакцию 04.01.10. Ред. рег. № 685 The article has entered in publishing office 04.01.10. Ed. reg. No. 685
УДК 621.314.5
КОНТРОЛЛЕР ЗАРЯДА ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
А. С. Мартьянов, Е.В. Соломин
OOO «ГРЦ-Вертикаль» 456300 Челябинская обл., г. Миасс, Тургоякское шоссе, д. 1 Тел.: +79123171805, факс: (351) 2647694; e-mail: src-vertical@gmail.com
Заключение совета рецензентов: 15.01.10 Заключение совета экспертов: 20.01.10 Принято к публикации: 25.01.10
Статья описывает разработку электрической схемы для контроллера заряда, применяемого в системе уличного освещения, выполненной на основе ветроэнергетической установки. В статье представлены характеристики производительности ветроколеса и генератора, а также рассмотрены вопросы согласования характеристик их производительности. Описаны требования к регулированию и представлены результаты компьютерного моделирования электрической схемы контроллера. В заключительной части статьи представлена схема электрическая принципиальная контроллера заряда для ветроэнергетической установки мощностью 100 Вт.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, электроснабжение, альтернативная энергетика, преобразование энергии, регулирование мощности, импульсный преобразователь напряжения.
CHARGE CONTROLLER FOR WINDMILL
A.S. Martyanov, E.V. Solomin
"SRC-Vertical", Ltd. 1 Turgoyaksky road, Miass, Chelyabinsk reg., 456300, Russia Tel.: (912) 317-1805, fax: (351) 264-7694; e-mail: src-vertical@mail.ru
Referred: 15.01.10 Expertise: 20.01.10 Accepted: 25.01.10
Article describes an electronic design of charge controller used in street lighting system based on wind turbine. There are some illustrated characteristics of wind turbine and alternator and some indication questions about adapting its performances. Requirements for regulation, and results of computer modeling of electric circuit are described. At final part of article there is a schematic diagram for charge controller which could be used in 100 watt windmill.
Ветроэнергетические установки (ВЭУ) малого класса (до 100 кВт) с вертикальной осью вращения пока мало распространены в силу разных обстоятельств, однако их преимущества в сравнении с горизонтально-осевыми установками привлекают внимание все большего числа разработчиков, ученых и потребителей, что со временем может изменить мировой количественный перевес ВЭУ этого типа. Вертикально-осевые ВЭУ обладают такими преимуществами, как отсутствие необходимости ориентации на ветер, более простая технология изготовления, а также малая шумность [1]. Одно из применений ВЭУ такого типа - это автономная система освещения, основанная на использовании энергии ветра.
Основное назначение этой системы - обеспечение непрерывного освещения длительностью 2/3 темного времени суток. Общий принцип функцио-
нирования системы заключается в следующем: получая энергию от ветроколеса, осуществить зарядку аккумуляторной батареи. При наступлении темного времени суток включить осветитель, который питается от аккумуляторной батареи и обеспечить работу осветителя в течение оговоренного периода. При этом ВЭУ должна максимально эффективно использовать полученную энергию, одновременно обеспечивая защиту аккумуляторной батареи как от превышения максимально допустимого зарядного тока, так и от глубокого разряда. Для управления электрической мощностью, получаемой от генератора, был спроектирован и изготовлен специальный контроллер.
Основные требования к этому контроллеру можно сформулировать следующим образом: в процессе работы контроллер должен стремиться поддержи-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
A.C. Мартьянов, Е.В. Соломин. Контроллер заряда ветроэнергетической установки
вать напряжение выхода, исходя из условия обеспечения номинального зарядного тока аккумуляторов. При этом напряжение на выходе контроллера не должно превышать 28 В, а мощность, снимаемая с генератора, не должна превышать значения, определяемого специальным алгоритмом отбора мощности. Питание контроллера осуществляется от генератора ВЭУ. При недостаточном напряжении, вырабатываемом генератором ВЭУ, питание контроллера осуществляется от аккумуляторной батареи, подключенной к выходу устройства. Если генератор не обеспечивает необходимого напряжения (мощности) и батарея разряжена, то контроллер приостанавливает свою работу и автоматически возобновляет ее при появлении достаточного напряжения от генератора либо аккумуляторной батареи.
Целью настоящего исследования явилась разработка контроллера заряда для ВЭУ с характеристиками, которые бы обеспечили необходимый алгоритм функционирования ВЭУ и позволили бы максимально полно использовать энергию ветра при различных погодных условиях.
Исходными данными для проектирования контроллера заряда являются характеристики ветроко-леса, генератора и аккумуляторной батареи, применяемых в системе освещения.
Характеристики ветроколеса можно описать с помощью следующих параметров [2]:
- аэродинамическая мощность P = P(V, N) (см. рис. 2 на стр. 103 (предыдущая статья));
- оптимальная скорость вращения W = W(V).
Проанализировав данную характеристику, можно
составить таблицу (табл. 1) оптимальных скоростей вращения ветроколеса, на которых можно получить максимальную мощность (но не более требуемой), используя энергию ветра.
Таблица 1
Зависимость ^пт( V)
Table 1
RPM and aerodynamic power regarding to wind speed
Рис. 1. Зависимость ЭДС холостого хода от частоты вращения генератора Fig. 1. EMF regarding to RPM, no-load
Приняв во внимание, что внутреннее сопротивление генератора пренебрежимо мало (измеренное значение 0,35 Ом), можно принять, что напряжения на обмотках генератора будут пропорциональны частоте вращения ветроколеса.
Таким образом, соединив характеристики ветроколеса и генератора, можно сформулировать требования по ограничению мощности для контроллера заряда: при выпрямленном входном напряжении менее 28 В отбор мощности не осуществлять, при росте напряжения от 28 до 50 В допустимая отбираемая мощность должна расти примерно пропорционально, при напряжении более 50 В допустимо отбирать полную мощность (100 Вт).
Предполагаемая структурная схема контроллера приведена на рис. 2.
Генератор Блок управления
V, м/с 0 3 4,5 б 7,5 9 l2 l5 20
N, об/мин 0 l20 200 200 280 350 400 480 520
P, Вт 0 0 30 бб ll0 l20 l20 l20 l20
ZÏ2ÏZÏ
RS-232/435
RX
TX
GND
3
Схема управления
В ВЭУ применяется генератор собственного производства со следующими характеристиками:
- тип генератора синхронный, с постоянными магнитами;
- число полюсов и фаз - 8 пар полюсов, 3 фазы;
- ограничения по максимальному току для каждой фазы - 10 А действующего значения.
Теперь возможно проанализировать табл. 1 и сравнить эти данные с результатами тестирования генератора, представленными на рис. 1.
Рис. 2. Структурная схема контроллера Fig. 2. Structure of charge controller
Контроллер построен по схеме понижающего импульсного регулятора, с несколькими контурами обратной связи. На основании вышеизложенных данных можно сформулировать алгоритм управления отбором мощности:
- Контроллер заряда должен быть построен по схеме стабилизатора тока с ограничением по выходному напряжению.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 1 (81) 2010 © Научно-технический центр «TATA», 2010
Ветроэнергетика. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология
Рис. 3. Схема контроллера заряда для программы MicroCаp от Spectrum Software Fig. 3. Electric circuit of charge controller for MicroCap (Spectrum Software)
- Характеристика тока зарядки зависит от входного напряжения (как функции располагаемой мощности ветроколеса). Таким образом, при малом входном напряжении отбираемая мощность минимальна, с ростом входного напряжения располагаемая мощность растет, так же как растет и мощность, затрачиваемая на зарядку аккумуляторной батареи.
- По мере зарядки аккумуляторной батареи на ней поднимается напряжение, и в дело вступает ограничение по выходному напряжению, ток зарядки уменьшается, что должно предохранить батарею от перезаряда и закипания.
На основании вышеперечисленных требований была составлена схема, представленная на рис. 3.
Эта схема была промоделирована в программном пакете М1сгоСар [3, 4]. Результаты расчета представлены графиками на рис. 4.
Основываясь на этих расчетных данных, была составлена принципиальная схема контроллера заряда (рис. 5).
Рис. 4. Результаты моделирования контроллера заряда в программе MicroCаp Fig. 4. Results of modeling in MicroCap
Рис. 5. Схема электрическая принципиальная контроллера заряда Fig. 5. Schematic diagram of charge controller
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (81) 2010
© Scientific Technical Centre «TATA», 2010
А.С. Мартьянов, Е.В. Соломин. Контроллер заряда ветроэнергетической установки
К контактам PA1, PB1, PC1 подключаются выводы обмоток генератора, соединенные по схеме «звезда». К контактам Р1 и Р2 подключается аккумуляторная батарея своими выводами «+» и «-» соответственно.
Контроллер заряда построен по схеме понижающего импульсного преобразователя с ключом в минусовом плече [5]. Основой контроллера является микросхема UC3843 [6], представляющая ШИМ-контроллер для импульсного источника питания с токовым управлением.
Напряжение от обмоток генератора поступает на трехфазный выпрямительный мост. Далее выпрямленное напряжение поступает на три основные части схемы:
- делитель напряжения на резисторах R1, R2 для схемы регулирования обратной связи;
- силовой преобразователь, построенный на элементах Q1, L1, D9 и сопутствующих элементах;
- резистор R13, через который подается питание на микросхемы U1, U2 и U4 (через линейный стабилизатор напряжения VR1).
Питание схемы осуществляется от генератора ВЭУ. При недостаточном напряжении, вырабатываемом генератором ВЭУ, питание схемы осуществляется от АКБ, подключенной к выходу устройства. Если генератор не обеспечивает необхо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.