Слежение за точкой максимальной мощности фотоэлектрической панели оптимизирует драйвер вентилятора

Abhijeet Deshpande

Electronic Design

Непосредственное питание вентилятора энергией солнца – это экологически чистый способ охлаждения или сушки в жаркие дневные часы в тропической среде, позволяющий также избежать затрат и сложностей, связанных с хранением энергии в аккумуляторах. Однако простое подключение вентилятора к солнечному фотоэлектрическому модулю имеет существенный недостаток.

Напряжение, при котором фотоэлектрический модуль отдает максимальную мощность, от интенсивности солнечного света зависит не очень сильно (Рисунок 1). Однако сама мощность, а значит, и ток, изменяются весьма значительно. При падении интенсивности солнечного освещения статическая нагрузка, близкая к максимальной мощности панели, будет понижать выходное напряжение панели намного ниже точки максимальной мощности, что приведет к неэффективному использованию доступной энергии.

Рисунок 1.	Максимальная мощность, которую может отдавать солнечная панель, и напряжение, при котором она достигается, зависят от интенсивности солнечного света, что делает панели неэффективными при работе на статические нагрузки.

Если уровень мощности упадет слишком сильно, вентилятор перестанет вращаться, и для того, чтобы снова начать работу, ему потребуется либо значительное повышение уровня мощности, либо механический «толчок». Схема отслеживания точки максимальной мощности (maximum power point tracking, MPPT) на базе DC/DC преобразователя может гарантировать, что вентилятор будет использовать энергию фотоэлектрического модуля максимально эффективно независимо от количества солнечного света, и продолжит работать (хотя и на пониженной скорости), даже при очень слабом освещении.

Рисунок 2.	Эта схема измеряет выходное напряжение солнечной панели и подстраивает нагрузку до достижения точки максимальной мощности.

Рисунок 2 иллюстрирует основную концепцию, заложенную в эту схему. Напряжение ошибки V_E, которое представляет собой разность между выходным напряжением фотоэлектрической панели и опорным напряжением V_REF, управляет пропорциональным контроллером (по сути, простым усилителем с коэффициентом усиления A), выходное напряжение которого равно

Выходное напряжение контроллера управляет «обратным» ШИМ-генератором (INV-PWM), работающим противоположно обычному генератору с широтно-импульсной модуляцией: по мере увеличения управляющего напряжения его коэффициент заполнения уменьшается. Среднее значение выходного напряжения, управляющего мотором вентилятора, равно

Скорость вентилятора зависит от коэффициента заполнения D, а коэффициент заполнения управляется напряжением V_X.

Подстройка опорного напряжения V_REF под максимальное выходное напряжение фотоэлектрической панели при полной освещенности позволяет этой конструкции изменять нагрузку панели и всегда работать в точке максимальной мощности. Тогда при полном освещении V_PV = V_REF и V_E = 0. Следовательно, выходное напряжение V_X контроллера также равно нулю и INV-PWM работает при 100% коэффициенте заполнения, а V_OUT находится на максимальном уровне.

По мере уменьшения интенсивности солнечного света выходная мощность фотоэлектрической панели снижается, и V_PV падает. Это падение вызывает увеличение напряжения ошибки и, соответственно, V_X, что уменьшает коэффициент заполнения генератора и, следовательно, ток, потребляемый от панели. Фактически, тогда схема снижает нагрузку, видимую панелью.

Если вследствие снижения нагрузка станет меньше максимально допустимой для панели, V_PV начнет увеличиваться. В результате схема будет согласовывать эффективную нагрузку с точкой максимальной мощности панели независимо от уровня освещенности.

Реализация этой схемы представлена на Рисунке 3. В конструкции использована микросхема широтно-импульсного модулятора LM3524D, выпускаемая компанией Texas Instruments. В отличие от других схем регуляторов, управляющих выходным напряжением, эта схема регулирует входное напряжение. Солнечная панель подключается к схеме через диод D1, защищающий от случайной переполюсовки. Конденсаторы C1 и C2 выполняют функцию фильтра для переключательной схемы.

Рисунок 3.	Ядром схемы, реализующей слежение за точкой максимальной мощности, служит микросхема широтно-импульсного модулятора, регулирующая не выходное, а входное напряжение.

Микросхема модулятора имеет встроенный усилитель ошибки, использующий выводы 1, 2 и 9 и внутренний опорный источник 5 В, напряжение которого выведено на вывод 16. Опорное напряжение выведено на резистивный делитель R1 и R2, выход которого, в свою очередь, подключен к неинвертирующему входу усилителя ошибки. На инвертирующий вход через делитель напряжения R5, R6 и R7 подается напряжение панели. Резистор R7 переменный; с его помощью при максимальном освещении на выходе панели устанавливают напряжение V_PVMAX.

При показанных на схеме сопротивлениях резисторов R1 - R4 коэффициент усиления усилителя ошибки равен примерно 21. Резистор R8 и конденсатор C3 образуют цепь коррекции с постоянной времени одна секунда, чтобы гарантировать устойчивость усилителя. Резистором R9 и конденсатором C4 частота импульсов ШИМ устанавливается равной 44.5 кГц.

На выходе ШИМ микросхемы LM3524D имеются два противофазно управляемых транзистора. В описываемой схеме они соединены в параллель и используются как один транзистор. Их эмиттеры подключены к земле, а коллекторы управляют затвором MOSFET Q1, так что, когда транзисторы ШИМ включены, MOSFET закрывается. Таким образом создается эквивалент INV-PWM.

Затвор транзистора Q1 управляется через стабилитрон с напряжением пробоя 5.1 В, поэтому для включения Q1 напряжение на панели должно достигать не менее 8 В. Это дает гарантию, что в условиях низкой освещенности нагрузка не подключится до тех пор, пока панель не сможет вырабатывать напряжение, достаточное для надежного запуска схемы. Диод Шоттки D2 шунтирует 12-вольтовый двигатель постоянного тока, пропуская через себя накопленную в индуктивности двигателя энергию при выключении транзистора Q1.

Обычный двигатель постоянного тока можно питать ШИМ-сигналом напрямую, поскольку индуктивность двигателя будет фильтровать любые пульсации тока, и двигатель будет работать плавно. Однако во многих вентиляторах охлаждения аппаратуры используются бесщеточные двигатели постоянного тока, и эти двигатели имеют встроенные контроллеры управления. Подавать импульсное напряжение на такие вентиляторы нельзя, поэтому выходной сигнал преобразователя должен быть отфильтрован, как это показано в схеме на серой вставке.

Фильтр состоит из дросселя индуктивностью 200 мкГн (L), включенного последовательно с мотором, и полистирольного конденсатора емкостью 1 мкФ (C5), параллельного мотору. Дроссель содержит 20 витков провода, намотанного на 10-миллиметровый E-образный или тороидальный сердечник. Частота среза образованного таким образом фильтра нижних частот составляет примерно 11 кГц, что намного меньше частоты ШИМ, поэтому двигатель просто видит напряжение, пониженное пропорционально коэффициенту заполнения.

Эта схема MPPT прошла всесторонние испытания при работе как с вентилятором постоянного тока, так и с вентилятором охлаждения аппаратуры. При изменении интенсивности солнечного света скорость вращения вентилятора менялась. Но даже при самом слабом освещении вентилятор продолжал работать. Панель достаточно точно отслеживала точку максимальной мощности при любых уровнях солнечной освещенности.

Материалы по теме