Контроллер ветрогенератора своими руками

Для тех, кто привык делать всё своими руками, а не покупать собранные схемы на Алиэкспрессах и тому подобное, предлагаю собрать модуль, который будет контролировать вашу зарядку аккумулятора и выключать её при завершении заряда АКБ.

Схема простая, доработанная, проверена в работе и не требует заумных настроек.

Итак вот сама схема….

Собрана она на таймере NE555, её можно заменить и на SE 555 (она работает до -55°С), так же можно поставить и SA 555 ( её работа до -40°С).

Перед подстроечными резисторами стоят ограничительные резисторы, это сделано потому, что на алиэкспрессе в отзывах много жаловались, что перегорала микросхема при выкручивание подстроечных резисторов в крайнии положения.

Защиту транзистора от индуктивных бросков тока в момент отключения реле осуществляет диод, который включен или лучше сказать «зашунтирован» с катушкой реле. Плата сделана обычным методом ЛУТ, вот , можно скачать для тех, кто будет повторять данную схему. Раствор делал из перекиси водорода и лимонной кислоты. готовая плата, теперь будем впаивать детали.

Собранный вид схемы, внешне мало чем отличается от китайской версии.

Вот небольшое видео работы устройства.

Для тех у кого нет времени выполнять своими руками, можно купить готовый вариант на алиэкспрессе вот ссылка http://ali.pub/1pdfut

Использование энергии ветра

Использование энергии ветра имеет важное преимущество перед другими способами выработки электрического тока. Источник достается бесплатно, имеет неиссякаемую энергию, способен обеспечить большое количество потребителей. Проблема возникает на стадии приема и обработки энергии — ветер имеет крайне нестабильную природу, особенно в условиях России.

Огромные возможности источника сильно распылены в пространстве, собрать их в одной точке весьма сложно. Для этого требуется использовать целый комплекс оборудования и аппаратуры, позволяющей принимать, преобразовывать и накапливать энергию на случай отсутствия ветра. Необходимость использования множества приборов и устройств является причиной дороговизны ветрогенераторов и заставляет задумываться об изменении технологии обработки энергии.

Чаще всего звучат предложения отказаться от использования аккумуляторов и отдавать полученную энергию прямо в сеть. Срок службы АКБ невелик, возможность перезаряда снижает его еще больше. На Западе практика поставок энергии от частных ветряков в сеть практикуется уже достаточно долгое время.

Полностью зарядив батареи, ветряк переключается на режим передачи энергии в сеть, за что владелец получает некоторую оплату. Но полностью никто от использования накопителей не отказывается, поскольку отсутствие ветра вынудит обходиться без энергии до его появления.

Ветряк или солнечная энергия без аккумуляторов

Полный отказ от использования аккумуляторов возможен только для простых систем, обеспечивающих энергией отдельные, нетребовательные потребляющие устройства. Возможные скачки напряжения или его временное исчезновение им не должны угрожать выходом из строя. К ним можно отнести простые светильники, насосы для водоснабжения.

Подключение потребителей напрямую к генератору создает неравномерный режим питания, зависящий от скорости ветра в данный момент. Для большинства бытовых или промышленных приборов такой режим неприемлем и грозит выходом из строя.

Солнечные батареи находятся в похожих условиях. Периодичность появления источника, зависимость от погоды и состояния атмосферы также вынуждают запасать энергию в аккумуляторах. Исключением могут служить солнечные нагреватели, обеспечивающие отопление домов в зимний период.

Технологии подключения частных генераторов к сети в России не используются. Это объясняется ничтожным количеством таких устройств и нерентабельностью установки оборудования для этого. В данном случае причина состоит в нецелесообразности, а не в отсутствии способа реализации.

Есть простые разработки, предлагающие использование энергии с генератора через трансформаторы, но они не решают основной проблемы — отсутствия питания в безветренную погоду. Кроме того, для качественного питания потребуются стабилизаторы тока и прочие устройства, что в конечном счете образует комплекс, не меньший по объему оборудования, чем состав с аккумуляторами.

Полноценное пользование ветряком, подключенным к сети и функционирующим в двух режимах, требует наличия централизованной системы, рассчитанной на большое количество подобных абонентов. Отдельные единичные источники во внимание приниматься не станут, поскольку полученная энергия от них не оправдает затраты на модификацию оборудования.

Аккумуляторы для ветрогенератора: типы, технологии, назначение

В связке с ветрогенераторами используют разные типы аккумуляторов. В их число входят:

  • стартерные АКБ для автомобилей. Простые и распространенные устройства. Существуют негерметизированные образцы, выдерживающие до 100 циклов разряда и ежегодно нуждающиеся в обновлении электролита и дистиллированной воды. Герметизированные модели — одноразовые, выдерживают до 200 циклов разряда, после чего подлежат утилизации
  • батареи AGM. Герметизированные кислотные накопители, способные выдержать до 400 циклов разрядки. Не переносят перезарядки. При изготовлении этих батарей используются абсорбированный электролит, которым пропитывается стекловолоконный заполнитель отсеков. В режиме подзарядки способны выдерживать до 10-12 лет работы
  • гелевые АКБ. В составе электролита имеется силикагель, способствующий загустению. Вследствие такого состояния батареи не выделяют вредных паров, не вытекают при нарушении герметичности корпуса. Чувствительны к перезарядке, но на разрядку реагируют достаточно спокойно. Способны служить около 10 лет
  • панцирные АКБ. Герметизированные необслуживаемые устройства нового поколения. Благодаря конструктивным особенностям способны выдерживать до 1500 циклов. Пластины покрыты кислотопроницаемым полимерным слоем, защищающим их от осыпания и разрушения, отсюда такая долговечность батареи

Специфика кислотных АКБ состоит в способности электролита выкипать при перезаряде. Большинство устройств нового поколения необслуживаемое, т.е. их конструкция не предусматривает возможность пополнить объем электролита, поэтому необходимо следить за уровнем заряда и содержать контроллер (устройство, автоматически отключающее АКБ от генератора при достижении критических значений) в исправности.

Кроме того, учитывая падение емкости АКБ при понижении температуры, следует обеспечить условия для хранения, позволяющие работать в оптимальном режиме.

Как выбрать емкость АКБ для ветряка?

Параметры АКБ для ветрогенераторов подбираются по выходному значению напряжения генератора и входному значению у инвертора. Если используется несколько батарей, то в расчет принимаются суммарные значения. Эти показатели подбираются в первую очередь, так как от них зависит соответствие узлов комплекса друг другу. Если на выходе генератора имеется 120 В, то понадобится набор батарей с тем же суммарным напряжением (например, 10 штук по 12В).

Емкость аккумулятора — это величина, характеризующая время, в течение которого аккумуляторы смогут обеспечивать энергией потребителей при отсутствии подзарядки. Батарея емкостью 100 ампер-часов 12В обеспечивает 1 кВт мощности в течение 1 часа. То есть, 12В 50 Ач выдержат 30 минут, а 12В 200 Ач — 2 часа при той же нагрузке в 1 кВт. Увеличение числа батарей вызовет пропорциональное увеличение времени разрядки.

Для увеличения мощности аккумуляторов производится параллельное подключение дополнительного комплекта АКБ. Следует использовать батареи одинаковых марок и параметров, сборные комплекты нарушают баланс режимов работы отдельных устройств.

Электробайк. Контроллер двигателя своими руками

Как вы уже знаете из прошлых постов, у нас в компании есть DIY-движение. В свободное от работы время коллеги занимаются фрезеровкой печатных плат в домашних условиях, делают тепловизор на FLIR Lepton, а также решают семейные разногласия с помощью 4 контроллеров и 2 умных часов. Продолжим серию увлекательный историй! Сегодня я расскажу, как сделать контроллер к трехфазному двигателю электровелосипеда своими руками. Целью создания такого контроллера было:

  1. Изучение работы трехфазного мотора под управлением контроллера.
  2. Большинство контроллеров для электровелосипедов, представленных на рынке, — китайские. Они хоть и относительно дешевые (около 2.000 руб в зависимости от мощности), но являются неведомой коробкой, в которой неизвестно что происходит. И сразу к ней возникает очень много вопросов — экономично ли она потребляет и распределяет ток, какой у нее запас мощности, почему так сильно перегревается, преждевременно срабатывает защита по току и т.д.

В тоже время на рынке представлены европейские качественные контроллеры для электробайков. Они оснащаются расширенными функциями, работают на разных напряжениях и токах и их можно программировать. Устанавливаются они на сверхмощные электровелосипеды. Но цена у них кусается — 10-20 тыс. рублей.

В итоге я решил пойти своим путем: разобраться в устройстве контроллера, сделать его прототип, а затем попытаться сделать контроллер качественнее китайского контроллера. На текущий момент проект у меня в разработке только и на уровне прототипа, готового варианта пока нет. Буду рад услышать ваши комментарии и советы.

Применение

В электровелосипедах используются трёхфазные бесщёточные электродвигатели с датчиками Холла. Стоит отметить, что применение подобных трёхфазных двигателей достаточно обширно:

  • Бытовая техника
  • Оргтехника
  • Электротранспорт
  • Промышленность

Устройство двигателя

Для разработки контроллера необходимо разобраться с принципом работы самого электродвигателя.

Электродвигатель состоит из фазных обмоток, магнитов и датчиков Холла, отслеживающих положение вала двигателя.

Конструктивно электродвигатели делятся на два типа: инраннеры и аутраннеры.

У инраннеров магнитные пластины крепятся на вал, а обмотки располагаются на барабане (статоре), в этом случае в движение приводится вал. В случае аутраннера всё наоборот: на валу — фазные обмотки, а в барабане — магнитные пластины. Это приводит в движение барабан.

Так как у велосипеда колесо крепится валом на раму, то здесь применителен тип аутраннера.

На этой картинке условно представлены три фазы с обмотками, соединёнными между собой. В реальности обмоток намного больше, они располагаются равномерно с чередованием по фазам по окружности двигателя. Чем больше обмоток — тем плавнее, чётче, эластичнее работает двигатель.

В двигатель устанавливаются три датчика Холла. Датчики реагируют на магнитное поле, тем самым определяя положение ротора относительно статора двигателя. Устанавливаются с интервалами в 60 или 120 электрических градусов. Эти градусы относятся к электрическому фазному обороту двигателя. Необходимо учитывать, что чем больше в двигателе обмоток на каждую фазу, тем больше происходит электрических оборотов за один физический оборот мотор-колеса.

Обмотки трёх фаз в большинстве случаев соединяются между собой по двум схемам: звезда и треугольник. В первом случае ток проходит от одной из фаз к другой, во втором — по всем трём фазам в разной степени. Иногда эти две схемы подключения комбинируют в одном двигателе, например в электромобилях. При старте и наборе скорости идёт соединение фаз по звезде: она даёт больший момент при относительно низких оборотах; далее, после набора скорости, происходит переключение на треугольник, в результате количество оборотов увеличивается, когда уже не нужен большой крутящий момент. По сути, получается условно автоматическая коробка передач электродвигателя.

Цикл работы

Чтобы привести в движение трёхфазный двигатель, нужно рассмотреть цикл его работы за электрический оборот. Итак, имеем три фазы — A, B, C. Каждая из фаз получает положительную и отрицательную полярности в определённый момент времени. Поочерёдно по шагам пропускается ток от «плюса» одной фазы к «минусу» другой фазы. В итоге получается шесть шагов = три фазы × две полярности.

A+, A–, B+, B–, C+, C–

Рассмотрим эти шесть шагов цикла. Предположим, что положение ротора установлено в точке первого шага, тогда с датчиков Холла мы получим код вида 101, где 1 — фаза А, 0 — фаза B, 1 — фаза С. Определив по коду положение вала, нужно подать ток на соответствующие фазы с заданными полярностями. В результате вал проворачивается, датчики считывают код нового положения вала — и т. д.

В таблице указаны коды датчиков и смена комбинаций фаз для большинства электродвигателей. Для обратного хода колеса (реверса) достаточно перевернуть знаки полярности фаз наоборот. Принцип работы двигателя довольно прост.

Цикл двигателя представлен в gif-анимации.

Транзисторы и Н-мост

Но чтобы поочерёдно подавать ток на каждую из фаз и менять их полярность, необходимы транзисторы. Ещё нам нужна передача больших токов, высокая скорость переключения и чёткость открытия/закрытия затворов. В данном случае удобнее управлять затворами по напряжению, а не по току. Поэтому оптимальны полевые (MOSFET) транзисторы. Чаще всего их используют в контроллерах. Очень редко можно встретить комбинированный вариант транзисторов.

Для переключения фаз со сменой их полярностей используют классическую схему Н-моста (H-Bridge) из полевых транзисторов.

Он состоит из трёх пар транзисторов. Каждая из пар подключается к соответствующей фазе обмотки двигателя и обеспечивает подачу тока со значением (+ или –). Транзисторы, отвечающие за включение фазы с положительным значением, называют верхними ключами. С отрицательным — нижними. Для каждого шага открывается пара ключей: верхний одной фазы и нижний соседней фазы. В результате ток проходит от одной фазы к другой и приводит электродвигатель в движение.

Из схемы видно, что мы не можем включить одновременно верхний и нижний ключ у одной и той же фазы: произойдёт короткое замыкание. Поэтому очень важно быстрое переключение верхних и нижних ключей, чтобы в переходных процессах не появилось замыкание. И чем качественнее и быстрее мы обеспечим переключения, тем меньше у нас будет потерь и нагрева/перегрева транзисторов H-моста.

Для запуска остаётся обеспечить управление затворами ключей H-моста. Для управления H-мостом нужно:

  1. Считать показания датчиков Холла.
  2. Определить, в каком положении какую пару ключей включать.
  3. Передать сигналы на соответствующие затворы транзисторов.

Прототип на Ардуино

Под рукой у меня была Arduino UNO, и я решил собрать контроллер на её основе.

Первым делом я подал на датчики Холла питание 5 вольт от Ардуино (его достаточно для датчиков). Сигнальные провода от датчиков подключил на цифровые пины Ардуино, написав простейшую программу для считывания и обработки сигналов с датчиков.

//Пины ключей Н-мостов const int TRAplus = 8; const int TRAminus = 9; const int TRBplus = 10; const int TRBminus = 11; const int TRCplus = 12; const int TRCminus = 13; //датчики холла const int HallA = 3; const int HallB = 1; const int HallC = 0; boolean vala; boolean valb; boolean valc; boolean pvala; boolean pvalb; boolean pvalc; int pHall; int turns; void setup() { //Установка пинов ключей на выход pinMode(TRAplus, OUTPUT); pinMode(TRAminus, OUTPUT); pinMode(TRBplus, OUTPUT); pinMode(TRBminus, OUTPUT); pinMode(TRCplus, OUTPUT); pinMode(TRCminus, OUTPUT); //Вывод данных через серийный порт Serial.begin(9600); } void loop() { //Считываем датчики Холла и записываем их значение в val vala = digitalRead(HallA); valb = digitalRead(HallB); valc = digitalRead(HallC); //Счётчик оборотов колеса. Необходима доработка if(vala && !pvala) { if(pHall == HallC) // или HallB в обратную сторону turns++; pHall = HallA; } if(valb && !pvalb) { if(pHall == HallA) // или HallC в обратную сторону turns++; pHall = HallB; } if(valc && !pvalc) { if(pHall == HallB) // или HallA в обратную сторону turns++; pHall = HallC; } digitalWrite(TRAplus, (vala && !valb) ? HIGH : LOW); //если vala==HIGH и valb==LOW, тогда записать HIGH, иначе LOW digitalWrite(TRAminus, (valb && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRBplus, (valb && !valc) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRBminus, (valc && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRCplus, (valc && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TRCminus, (vala && !valc) ? HIGH : LOW); pvala = vala; pvalb = valb; pvalc = valc; Serial.print(vala); Serial.print(valb); Serial.println(valc); //Serial.println(turns/3); }

Затем собрал Н-мост из полевых NPN-транзисторов. Подвёл к мосту независимое питание на 12 вольт. Но при отладке, чтоб убедиться в работоспособности, я подключил напрямую шесть пинов 5V из Ардуино на затворы H-моста. У большинства полевых транзисторов затвор работает на 20 вольт. Так делать нельзя, потому что Н-мост будет плохо работать и перегреваться. Но для кратковременных тестов это пойдёт. Кое-как, с сильными перегревами и страшными звуками, вибрациями и толчками колесо медленно закрутилось. Начало положено.

Мостовые драйверы

Далее предстояла работа над напряжением 20 вольт на управление затворами. Для этого существуют мостовые драйверы транзисторов, они обеспечивают стабильные импульсы в 20 вольт на затвор и высокую скорость отклика. Сначала у меня были популярные драйверы для маломощных моторов L293D.

Для управления затворами его достаточно, к тому же их очень просто использовать. Один такой драйвер может обеспечить питанием две пары ключей. Поэтому я взял две штуки L293D. Собрал контроллер с этими драйверами, и колесо начало крутиться существенно плавнее, посторонних звуков стало меньше, нагрев транзисторов уменьшился. Но при увеличении оборотов синхронизация с контроллером пропадала, появлялся посторонний звук, колесо дёргалось, вибрировало и полностью останавливалось.

В это же время я наткнулся на два варианта мостовых драйверов:

  • HIP4086
  • IR2101

Что касается HIP4086, то это полноценный мостовой драйвер, предназначенный для трёхфазного электродвигателя. Мне он показался несколько замороченным, и мои попытки использовать его в контроллере не увенчались успехом: он у меня так и не заработал. Углублённо разбираться в причинах не стал.

А взял я IR2101 — полумостовой драйвер, обеспечивающий работу нижнего и верхнего ключей для одной фазы. Несложно догадаться, что таких драйверов нужно три. К слову, драйвер очень прост в использовании, его подключение происходит безболезненно и легко. Получилась такая схема:

Печатная плата

И готовый результат

Собрал контроллер с этим драйвером и запустил двигатель. Ситуация с работой электродвигателя кардинально не поменялась, симптомы остались те же, как и в случае с драйвером L293D.

Аппаратное прерывание

И тут я понял, в чём дело: Ардуино не успевает обрабатывать показания датчиков Холла! Поэтому необходимо было использовать пины Ардуино с аппаратным прерыванием. Так как у Ардуино УНО таких пинов всего два, а под датчики нужно три пина, надо взять Ардуино Леонардо или Искра Нео, где таких пинов — четыре штуки.

Переписав программу под прерывания и подключив Искру Нео вместо УНО, я повторил испытания.

//Пины ключей Н-мостов const int TAH = 8; //T — транзистор, А — фаза (синяя), Н — верхний ключ полумоста const int TAL = 9; //T — транзистор, А — фаза (синяя), L — нижний ключ полумоста const int TBH = 10; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), H — верхний ключ полумоста const int TBL = 11; //T — транзистор, B — фаза (зелёная), L — нижний ключ полумоста const int TCH = 12; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), H — верхний ключ полумоста const int TCL = 13; //T — транзистор, C — фаза (жёлтая), L — нижний ключ полумоста //———————————————————————————————— //датчики холла int HallA = 3; //пин 1 (с прерыванием) int HallB = 1; //пин 2 (с прерыванием) int HallC = 0; //пин 3 (с прерыванием) //———————————————————————————————— volatile boolean vala; volatile boolean valb; volatile boolean valc; //———————————————————————————————— void setup() { //Установка пинов ключей на выход pinMode(TAH, OUTPUT); pinMode(TAL, OUTPUT); pinMode(TBH, OUTPUT); pinMode(TBL, OUTPUT); pinMode(TCH, OUTPUT); pinMode(TCL, OUTPUT); //Считывание датчиков Холла vala = digitalRead(HallA); valb = digitalRead(HallB); valc = digitalRead(HallC); //Аппаратное прерывание на пинах датчиков Холла attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallA), changeA, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallB), changeB, CHANGE); attachInterrupt (digitalPinToInterrupt(HallC), changeC, CHANGE); //LOW вызывает прерывание, когда на порту LOW //CHANGE прерывание вызывается при смене значения на порту с LOW на HIGH, и наоборот //RISING прерывание вызывается только при смене значения на порту с LOW на HIGH //FALLING прерывание вызывается только при смене значения на порту с HIGH на LOW } void Fases() { digitalWrite(TAH, (vala && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TAL, (valb && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBH, (valb && !valc) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TBL, (valc && !valb) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCH, (valc && !vala) ? HIGH : LOW); digitalWrite(TCL, (vala && !valc) ? HIGH : LOW); void changeA() { vala = digitalRead(HallA); Fases(); } void changeB() { valb = digitalRead(HallB); Fases(); } void changeC() { valc = digitalRead(HallC); Fases(); } void loop() { }

Колесо наконец-то заработало чётко, без вибраций, шумов, отлично стало набирать обороты без рассинхронизации. Прототип оказался жизнеспособным. Но это ещё не полноценный контроллер, поскольку в нём не было обвязки с защитами и обеспечением качественного ШИМ-сигнала.

Прототип на базе микросхемы MC33035

Параллельно с разработкой контроллера на Ардуино я рассматривал альтернативные варианты логической части контроллера. И это привело меня к микросхеме MC33035. Это старая разработка от Motorola, сейчас её выпускает ON Semiconductor. Создана специально для мощных трёхфазных двигателей.

Данная микросхема:

  • Отвечает за всю логическую часть контроллера
  • Считывает показания с датчиков Холла
  • Определяет положения вала
  • Выдаёт сигналы для затворов Н-моста на их драйверы
  • Имеет возможность подключения индикатора ошибок, перегрева
  • Обрабатывает и передает ШИМ-сигнал (PWM)
  • Осуществляет реверс (обратный ход колеса)

Одним словом, микросхема содержит всё необходимое для управления электродвигателем. Её стоимость очень низкая: на Алиэкспрессе — около 50 рублей. Для сборки полноценного контроллера на её основе потребуется микросхема MC33035, полумостовые драйверы и Н-мост из полевых транзисторов. Я также собрал контроллер на этой микросхеме. Работает отлично, стабильно, колесо крутится как надо на различных оборотах. Но функционал микросхемы ограничен, если необходимо наворотить различные функции, вывод на дисплей скорости, одометр, расход батареи, то опять же возникает необходимость дополнительно подключить Ардуино или что-то аналогичное.

Схема с MC33035

Печатная плата

Готовый вариант

Итог

Главное преимущество контроллера на базе MC33035 — это простота в использовании. Просто покупаете микросхему, собираете Н-мост, спаиваете всё на плату с небольшой обвязкой — и контроллер готов. Если нужно просто запустить двигатель с ШИМ-сигналом и управлять им — оптимальный вариант.

Контроллер на базе Ардуино — вариант сложнее, понадобится писать логику, обеспечивать дополнительные защиты контроллера. Но для экспериментов, прототипов, дополнительного функционала, использования различных режимов работы двигателя — подходящий вариант. Поэтому я решил пока отложить MC33035 и продолжить работу с Ардуино.

Планы на будущее контроллера

Продолжая работу над контроллером, планирую сделать следующее:

  • IGBT-транзисторы для H-моста вместо полевых транзисторов.
  • Обвязку с защитами по току, перегреву и т. п.
  • Полноценный круиз-контроль с возможностью выставлять необходимую скорость движения.
  • Расходомер. Когда задаётся необходимое расстояние, а контроллер, исходя из этого значения и заряда аккумулятора, дозирует разряд аккумулятора на всём протяжении маршрута так, чтобы зарядки хватило.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх