Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Projekt: Sinuswechselrichter [12V --> 230V]
Hallo alle zusammen,
ich habe die letzten 3 Monate einen Sinus - Wechselrichter entworfen, und gebaut, welchen ich euch hier vorstellen möchte.
Bilder gibts weiter unten als Link O:)
Das Grundprinzip des Wechselrichters schaut wie folgt aus:
Die 12V DC werden mittels H - Brücke zu einem 32KHz PWM Signal (positiv, pause, negativ, pause) zerkackt, welches dem HF – Trafo, einem ETD49 Kern von EPCOS, zugeführt wird. Auf der Sekundärseite des Trafos wird die Spannung mittels schnellen Dioden gleichgerichtet, und durch eine Induktivität und einen Kondensator geglättet (geregelter Gegentaktwandler). Durch die PWM wird auf eine Gleichspannung von 330V regelt, welche vom Controller über einen Spannungsteiler gemessen wird.
Diese Gleichspannung zerhacke ich mittels Hochvolt MOSFET H - Brücke mit ebenfalls 32KHz, und moduliere mittels PWM, welche eine Sinustabelle durchfährt, einen 50Hz Sinus, wobei nach jeder Halbwelle umgepolt wird. Dieses zerhackte Signal wird mittels LC Filter, welches wie ein Abwärtswandler fungiert, geglättet.
Gesteuert wird das ganze von einem Mega8, welcher auch diverse Ströme und Spannungen misst, und den jeweilige Wirkungsgrad berechnet. Die am Stromshunt abfallende Spannung verstärke ich mittels Standart OPV, welcher seine negative Spannung über eine einfach aufgebaute Ladungspumpe (Toggelnder Controller Pin, 2 Kondensatoren sowie 2 Dioden), bezieht.
Als Treiber der Hochstrom H – Brücke, sowie der Hochvolt H – Brücke, verwende ich jeweils 2 Halbbrückentreiber von IR, welche nach dem Bootstrapping Prinzip zwei N – Kanal MOSFETs ansteuern.
Getestet habe ich den Wechselrichter im Dauerbetrieb mit erfolg bis 100W, da mein Labornetzgerät keine höheren Ströme liefern kann, ausgelegt habe ich das ganze allerdings, speziell den HF Trafo, für ca. 250W.
Jedoch habe ich, so scheint, EMV Probleme, da der Controller, nach einschalten der Hochvolt H - Brücke, gelegentlich falsche Zeichen an der UART ausgibt. Wenn ich jedoch nur an der 330V Gleichspannung einen Verbraucher anlege, treten keine Probleme auf. :-k
Den Wechselrichter habe ich zz. als Prototyp auf einer Lochrasterplatine aufgelötet, was auch sicher nicht dem EMV Problem entgegenwirkt. Auf bedachte Masseverbindungen und überlegtes verlegen der Hochvolt und Hochstrom Leitungen, sowie auf sorgfältige Stützung der Logik Versorgung (100nF), habe ich besonders geachtet. Auch der Reset Pin des Controllers ist richtig beschalten, und das Quarzgehäuse auf Masse gelegt.
Hat vielleicht jemand einen Rat, wie ich dieses Problem lösen kann? (evtl. Schirmplatten auf der Leiterplattenoberseite aufstellen, um den Hochvoltteil vom Logikteil zu schirmen?)
Wie man sieht, habe ich die Ausgangsspannung bzw. die Zwischenkreisspannung mit einem selbstgebauten 1:100 Tastkopf und einem "Gamboy Oszilloskop" gemessen, da ich so kein teures Messgerät zerstören kann, und die Bandbreite für diese Messung allemal ausreicht. O:)
Hier ein paar Bilder der Lochrasteraufbaus:
Bauteilseite des Wechselrichters (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Bauteilseite.JPG)
Bauteilseite des Wechselrichters (oben) (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Bauteilseite2.JPG)
Lötseite des Wechselrichters (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Loetseite.JPG)
Messaufbau ausgeschaltet (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Aufbau_aus.JPG)
Messaufbau eingeschalltet (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Aufbau_ein.JPG)
Oszilloskopbild (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Sinus.JPG)
Schaltplan (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Wechselrichter_A00.pdf)
Bin schon gespannt, auf eure Antworten, bzw. kann mir vieleicht der eine oder andere weiterhelfen ;-)
Danke im Voraus.
mfg
Roland
squelver
12.09.2007, 19:10
Sieht alles ganz toll aus, funktionieren wird das sicher auch ganz gut \:D/
Wo wendest du das an?
Gruß Andreas
Hallo,
ja, es funktioniert soweit recht gut, bis auf die EMV Problematik.
Naja, eigentlich verwenden ich den Wechselrichter nirgends, dass ist mehr oder weniger nur so ein "just for fun" Projekt, da ich schon immer an der Umsetzung von 12V auf Netzspannung interessiert war, ich mich jedoch mit der Rechteck oder Trapezförmigen Netzspannungsgenerierung nicht anfreunden konnte. 8-[ :cheesy:
mfg
masabuana
12.09.2007, 21:27
wieviel hast du dafür investiert? natürlich reine materialkosten mein ich! und hast du sowas wie einen schaltplan?
MfG
Sascha
Die 12V DC werden mittels H - Brücke zu einem 32KHz PWM Signal (positiv, pause, negativ, pause) zerkackt, welches dem HF – Trafo, einem
Eine Spannung zerkacken ist mal was neues :-k 8)
MfG
Manu
Und natürlich schönes Ding sowas fertigzustellen
Hallo,
naja, ich hab die Ausgaben leider nicht genau mitgerechnet, aber so grob zusammengerechnet, dürfen sich die Kosten im Bereich von 100€ bis 150€ bewegen. Weitaus mehr, als ich im Voraus ausgeben wollte, aber wenn man schon einen Großteil aufgebaut hat, investiert man eben gleich mal die nächsten 20€... ;-)
Naja, also einen Schaltplan in digitaler Form habe ich leider nicht, da ich mir die Schaltung Stückweise "ausgedacht" habe, und diese Teile auf diversen Blättern geizeichnet habe. Außerdem habe ich, wenn ein Teil nicht so funktioniert hat, wie erwünscht, die Schaltung direkt auf dem Lochraster, ohne Schaltplan, geändert.
Ich möchte aber die Komplette Schaltung, wie sie jetzt auf dem Lochraster aufgelötet ist, mit einem CAD Programm zeichen.
Mfg
Danke O:)
Tja, ich und meine Rechtschreibung, oder besser gesagt, die Korrekturvorschläge von Word... :oops:
wow, wirklich schöne sache!
an einem schaltplan wäre ich auch mal interessiert... und natürlich der software, falls du diese herausgeben möchtest. *schon wieder wirre phantasien von eigenbau-stromversorgungen mit allerlei unkonventionellen spannungsquellen hat*
Ganz interessant wäre noch der Wirkungsgrad. Oder habe ich den überlesen?
Hi
Sehr nettes Projekt! Respekt. Vor allem sieht die Lötseite auch bei sehr vielen Bauteilen ganz gut aus. Ich schaff da mit weniger Teilen mehr Unordnung. :D
Weil meine interessanten Fragen zum Projekt schon gestellt wurden, frag ich mal zu deinem tollen Osziloskop: Ich hab schon Seiten gelesen, wo der GameBoy missbraucht wurde, als Serielles-Protokoll-Ausgabe-Gerät. Aber als Oszilloskop hab ichs noch nicht gesehen. Wo hast du das her? Hast du nen Link? Wäre toll. Danke.
(Hoffentlich bleibt der Thread aber sonst bitte beim eigentlich Projekt und weicht nicht so vom Thema ab :D)
mfg
Andun
Hallo,
vielen Dank. :-)
Der Wirkungsgrad des Wechselrichters, so geplant, wird vom Kontroller permanent errechnet, und ausgegeben. Der von mir gemessene Wirkungsgrad, bei einer ohmschen 60W Last, beläuft sich auf ca. 85%. Wobei die Messung nicht exakt war, da ich nur ein Multimeter zu Verfügung hatte, und somit, bedingt durch den Innenwiderstand des Amperemeters, die Werte, speziell Eingangsseitig, nicht genau gemessen wurden. Weiters ist noch anzumerken, dass die verwendeten Speicherdrosseln mit herkömmlichen Ringkernen, wie sie für 50Hz Anwendungen (Dimmer) verwendet werden, aufgebaut sind, und extrem heiß werden (hohe Magnetisierungsverluste bei 30KHz), was dem Wirkungsgrad senkt. Spezielle Speicherdrosseln (Kerne) für hohe Frequenzen habe ich bereits, jedoch noch nicht bewickelt.
Das Gameboy Oszilloskop "GBDSO" war ein Projekt der Zeitschrift "Elektor" aus dem Jahre 2000. Den Link zur offiziellen Seite findest du hier: Gameboy Oszilloskop (http://www.elektor.de/default.lynkx?pointer=1-3638-16122-16471-16480-29728)
mfg
Bazillus
19.09.2007, 10:35
Hallo!
Ein Schaltplan würde mich auch interessieren, ich bin auch dabei, ein solches Gerät zu entwickeln!
Einige Tips habe ich für dich noch an Board:
- Wie hast du denn die Lagenisolation des Übertragers durchgeführt?
- Es ist gut sichtbar, dass im Übertrager noch Raum für dickere Windungen ist, man könnte überlegen, den Drahtquerschnitt zu vergrößern um so die Verluste etwas zu senken.
- Weiters hast du den Trafo und die Induktivitäten mit dickem Kupferlackdraht gewickelt. Hier ist es empfehlenswerter, auf die etwas teurere Kupferlackdrahtlitze auszuweichen, da auf Grund des Skin-Effekts, der ab etwa 20 KHz einsetzt, der Strom nicht mehr den gesamten Leiter durchfließt, sondern nur mehr eine bestimmte Eindringtiefe hat. Somit fließt hochfrequenter Strom dann nur mehr am Rande des Leiters. Dies wird durch die Verwendung vieler, dünner Drähte vermieden.
Wenn du Hilfe für den Schaltplan brauchst, ich stehe gerne zur Verfügung. Weiters denke ich, dass es ein schönes Pdf auch tut ... die Software des µC's würde mich auch brennend interessieren ;-)
Liebe Grüße
Michael
Bei der Software mache ich mit!
Sag bitte, die ist in Assembler...
Hallo Michael,
ich finde es nett, dass du dich wegen meinem Projekt hier im Forum angemeldet hast O:)
Nein, scherz beiseite…
Möchtest du auch einen Wechselrichter mit (echt) sinusförmiger Ausgangsspannung entwerfen, und in welcher Leistungsklasse soll dieses Gerät arbeiten? Hast du schon angefangen, dies zu verwirklichen?
Der HF Trafo ist bis dato leider nur mit einer Behelfswicklung bewickelt, da ich zuwenig Kupferdraht besorgt habe. Aus diesem Grund muss ich, um 340V (spitze) zu erreichen, den Wechselrichter mit 15V versorgen. Dasselbe gilt für die Isolierung zwischen Primär- und Sekundärwicklung, welche aus einem gewöhnliches Isolierband besteht. Bei der nächsten Bewicklung habe ich vor, die Wicklungen durch ein Gewebsband zu trennen.
Ich bin mir durchaus bewusst, dass eine HF Litze, speziell bei diesen Frequenzen, gewisse Vorteile hätte, jedoch fand ich weder bei Farnell, RS noch bei einigen lokalen Geschäften, und schon gar nicht bei Conrad, besagte Litzen im Lieferprogramm. :-k
Ich denke jedoch, dass der HF Trafo ein marginaler wirkungsgrad Dämpfer ist, da er nur geringfügig warm wird.
Den Schaltplan habe ich mittlerweile fertig gestellt, welcher jedoch bereits die geplante Messeinrichtung für den Sekundärstrom beinhaltet.
Schaltplan (http://rowland.ev.de/Wechselrichter/Wechselrichter_A00.pdf)
Tja, die Software habe ich, oh wunder, in C geschrieben, wobei ich sagen muss, das es ja kaum zeitkritische Bedingungen gibt, und die, die es gibt, werden mittels Timer Interrupt abgehandelt. Ich kann die Software schon online stellen, jedoch ist die zurzeit noch wenig aussagekräftig, da ich die Regelung (I Regler) aus Testzwecken wider entfernt habe, um den Wechselrichter per UART zu steuern.
Mfg
Roland
Eine Idee zu deiner EMV Sache.
Es gibt js so Lack auf Kupferbasis, der eine leitende Oberfläche bildet.
Versuch doch mal ein Gehäuse über die Spule zu stecken und das damit zu lackieren. Kann natürlich sein, dass dann der Wirkungsgrad leidet, wegen Wirbelströmen.
Bazillus
22.09.2007, 22:42
ich finde es nett, dass du dich wegen meinem Projekt hier im Forum angemeldet hast O:)
Nein, scherz beiseite…
Hallo!
Tatsächlich, ich habe mich wegen dieses Projektes angemeldet ;-)
Ich habe vor, den Wechselrichter in einer Leistungsklasse von etwa 300-400 Watt auszulegen, mit 12 oder 24 Volt Eingangsspannung, das steht noch nicht fest derzeit. Echte Sinusform ist wichtig, und auch eine stabile Ausgangsspannung.
Wenn ich das richtig ansehe, dann stellst du zuerst deine konstanten 340 V DC her, die du dann über die Brücke wieder "zerhackst", um die 50 Hz Sinus herauszubekommen, oder? Somit wärst du von schwankenden Eingangsspannungen unabhängig.
Schau dir mal die Webseite an, hier ist ein Application Note für ein UPS (uninterruptible power supply), die ist sehr ähnlich deinem Wechselrichter aufgebaut.
http://www.microchip.com/stellent/idcplg?IdcService=SS_GET_PAGE&nodeId=1824&appnote=en010947
Für den HF-Trafo ist eine gute Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung wichtig, daher würde ich weniger Gewebeband nehmen (zu dick), sondern eher Trafofolie (ich glaube Hostaphan oder so heißt die).
Und beim Spulen-Shop kriegst du jede Menge Folien und Drähte, alles was du für den Trafo brauchst.
http://shop.spulen.com
Das mit der marginalen Dämpfung mag zwar stimmen, aber durch schlechte Kopplung erhältst du auch Streuinduktivitäten, und die machen sich dann z.B. in Form von Überschwingern oder Überspannungen bemerkbar. Daher würde ich auf gute Kopplung Wert legen.
Die Software in C ist ja eh nicht schlecht ;-)
Wegen der EMV würde ich eventuell noch eine Drossel am Eingang platzieren (ist dort wirklich ein 10mOhm-Widerstand nötig? Geht das nicht kleiner und ev. mit einem Opamp verstärken?) und am Ausgang nicht nur die eine Drossel, sondern eventuell noch eine Pulverkern-Drossel und eine stromkompensierte Drossel, so dämpfst du noch symmetrische und unsymmetrische Störungen etwas.
LG, Michael
PS: Habe kommenden Mittwoch Diplomprüfung, danach kann ich mich mehr dem Projekt widmen ;-)
Bazillus
22.09.2007, 22:58
Was mich noch interessieren würde:
Wie viele Werte hast du in der Sinustabelle gespeichert? Und wie groß ist die Auflösung der PWM-Signale (also minimale und maximale Schrittweite), die du digital erstellst?
Wäre es zB möglich, die Frequenz des Wandlers etwas in die Höhe zu treiben, so auf 50 oder 60 KHz (64?)? Dann würde die Dimensionierung des Trafos schon kleiner ausfallen, wir hätten weniger Windungen und somit weniger Widerstand. Wie hast du denn die Windungszahlen berechnet?
Als Zuckerl könnte man ja noch cos phi für den Ausgang berechnen, dann wüsstest du sogar über Wirk- und Scheinleistung Bescheid! Und als über-drüber-Zuckerl könnte man ein LCD-Display auch noch in Erwägung ziehen ;-)
Liebe Grüße
Michael
Bazillus
22.09.2007, 23:00
Eine Idee zu deiner EMV Sache.
Es gibt js so Lack auf Kupferbasis, der eine leitende Oberfläche bildet.
Versuch doch mal ein Gehäuse über die Spule zu stecken und das damit zu lackieren. Kann natürlich sein, dass dann der Wirkungsgrad leidet, wegen Wirbelströmen.
Entweder das, oder einfach eine Schirmwicklung ganz außen über den Trafo zu legen (diese stellt ja keinen Windungsschluss mehr dar), die man dann erden könnte. So bekommt man das auch etwas besser in den Griff!
LG, Michael
Hallo,
Eine Idee zu deiner EMV Sache.
Es gibt js so Lack auf Kupferbasis, der eine leitende Oberfläche bildet.
Versuch doch mal ein Gehäuse über die Spule zu stecken und das damit zu lackieren. Kann natürlich sein, dass dann der Wirkungsgrad leidet, wegen Wirbelströmen.
Ja, so etwas in der Art hab ich mir auch schon überlegt, und zwar wollte ich zwischen dem Hochvoltteil und dem Logikteil eine aufgestellte Masseplatte (Normal zur Platine) montieren, um eine EM Einstreuung in den Logikteil zu verhindern.
Eine Schirmung des Trafos alleine, wird leider nicht ausreichen, da die EMV Problematik erst mit der zerhacken der 340V Gleichspannung auftritt, nicht jedoch bei alleiniger Generierung selbiger. Daraus schließe ich, dass die Hochvolt MOSFETs massiv EM Wellen emittieren.
Wenn ich das richtig ansehe, dann stellst du zuerst deine konstanten 340 V DC her, die du dann über die Brücke wieder "zerhackst", um die 50 Hz Sinus herauszubekommen, oder? Somit wärst du von schwankenden Eingangsspannungen unabhängig.
Stimmt genau, da mir das Messen der Sinusförmigen Ausgangsspannung zu kompliziert war. Dadurch muss ich zwar die Verluste der MOSFETs und des Filters vernachlässigen, was mich jedoch nicht weiter stört.
Und beim Spulen-Shop kriegst du jede Menge Folien und Drähte, alles was du für den Trafo brauchst.
Tja, wenn ich das gewusst hätte, hätte ich gleich alles dort bestellt (Draht, Spulenkörper, Kerne)
Ich hab bereits versucht, am Eingang eine Induktivität zu Störungsunterdrückung einzubauen, jedoch ohne Erfolg. Eine Stromkompensierte Drossel macht ja nur bei asymmetrischen Störspannungen (gegen die Schutzerde wirkende Störspannungen) Sinn, welche ich, in einem in sich abgeschlossenen System, nicht habe.
Ein kleinerer Messshunt wäre durchaus möglich, jedoch fallen am diesem 10mOhm Widerstand "nur" 200mV unter Vorlast ab, was nicht so schlimm ist.
Der Sinus wird mit 256 8bit PWM Werten pro Halbwelle generiert, danach wird die Hochvolt H - Brücke umgepolt, und die negative Halbwelle ausgegeben. Eine höhere Frequenz würde durchaus einige Vorteile, jedoch auch massive Nachteile, wie etwa höhere Schaltverluste, mit sich bringen. Ein erhöhen der PWM Frequenz ist nur noch bei der Sinusausgabe, mit diesem Controller, möglich. Die Schaltfrequenz der Trafo PWM ist bereits, mit 32KHz an ihre Grenzen gestoßen.
Die Messung der Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung, wäre natürlich eine feine Sache, jedoch ist mir das eindeutig zu kompliziert (obwohl es dafür sogar eigene ICs gäbe...)
Die Ausgabe diverser Parameter auf ein LCD habe ich sogar noch vor.
In diesem Sinne, alles Gute für die Diplomprüfung ;)
mfg
Roland
Bazillus
23.09.2007, 10:20
Der Sinus wird mit 256 8bit PWM Werten pro Halbwelle generiert, danach wird die Hochvolt H - Brücke umgepolt, und die negative Halbwelle ausgegeben. Eine höhere Frequenz würde durchaus einige Vorteile, jedoch auch massive Nachteile, wie etwa höhere Schaltverluste, mit sich bringen. Ein erhöhen der PWM Frequenz ist nur noch bei der Sinusausgabe, mit diesem Controller, möglich. Die Schaltfrequenz der Trafo PWM ist bereits, mit 32KHz an ihre Grenzen gestoßen.
Hallo!
Induktivitäten werden zur EMV-Reduktion wohl noch an mehreren Stellen im Wechselrichter zu platzieren sein ;-) Hast du dir schon mal sämtliche schaltenden Bauteile, die Spannungen und Ströme durch den Wandler am Oszi angeschaut? Hier würde man zB Überschwinger oder steil ansteigende Ströme sehen!
Zu den Schaltverlusten: Ich habe einmal einen PWM-Wandler von 12 auf 70 Volt gebaut mit 110 KHz Schaltfrequenz, und mit deinem Treiberpaar BD139/BD140 pro Mosfet noch immer einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent erreich - also so schlimm dürfte das nicht sein!
Wie hast du denn die Wicklungszahlen für den Trafo berechnet?
Mfg
Michael
Hallo,
ich denke, um der EMV Problem (innerhalb des Wechselrichters) Herr zu werden, wird das Mittel der Wahl, eine ausreichend gute Schirmung sein. "Induktivitäten an mehreren Stellen" würden zwar eventuell steil ansteigende Ströme dämpfen, und damit Induktive Einkopplungen vermindern, jedoch bleibt das Problem der sehr steilen Schaltflanken (0V auf 340V) und der damit verbundenen kapazitiv eingekoppelten Ströme, weiterhin bestehen.
Womit ich noch einmal auf die Schaltverluste zurückkomme. Bei 70V mögen 110KHz kein Problem sein (Schaltwandler im Bereich von 5V arbeiten bei 2MHz noch sehr effektiv), jedoch bei 340V und zu hoher Frequenz treten massive Schaltverluste auf, da die Leistung bekanntlich mit dem Quadrat der Spannung steigt.
Die Windungszahl für den HF Trafo habe ich zuerst mittels Formeln aus meinem alten Grundlagen Skriptum berechnet, die übertragbare Leistung des Ferritkerns, mit dem Tool "Ferrite Magnetic Design" von Epcos.
Jedoch nach weiteren Recherchen im Internet, bin ich auf folgende Seite (http://schmidt-walter.fbe.fh-darmstadt.de/smps/smps.html) gestoßen, welche die Berechnung, sowie die Ferritauswahl wesentlich vereinfacht. O:)
Ich hoffe, du hältst uns mit deinem Projekt am laufenden ;)
mfg
Roland
@Locked und Bazillus:
Es gibt einige AVR-Controller, die eine weit höhere PWM-Frequenz können. Hab die Typen vergessen, aber ihr findet sie auf der Atmel Site. Die sind extra für Netzteilanwendungen und gehen bis 300kHz oder so.
Sigo
ich habe herausgesucht für mich:
- attiny25: 4x 8bit-pwm bei 250kHz mit integriertem deadtime generator
- attiny26: 2x 8bit-pwm bei 250kHz 10 A/D Wandler
- atmega48: 6x 8bit-pwm bei k.A. wievielen hz.
Siehe auch
http://www.atmel.com/dyn/products/param_table.asp?family_id=607&OrderBy=part_no&Direction=ASC
Hallo,
ich habe schon einmal ein Applikation mit einem dieser Controller gesehen, die sind wirklich nicht schlecht, jedoch haben die leider nur wenig SRAM was aber für Spannungswandler reichen sollte. Ist halt nur die Frage, ob man diese Controller irgendwo günstig herbekommt.
Mfg
Hallo locked,
Dein Beitrag liegt zwar schon etwas zurück, aber ich bin beim stöbern nach Sinus-Wandler-Projekten auf dieses gestoßen.
Ich hätte mal eine Frage zum Zerhacken der Gleichspannung: Wie werden die beiden Brücken für die Primärseite des Trafos genau angesteuert?
Ist es so, daß die "IN"-Eingänge mit der 32kHz-Frequenz beaufschlagt werden und die PWM über die "En1"-Eingänge gemacht wird. Dann würde nach dem Abschalten der Spule in den Lücken der Strom durch die Freilaufdioden weiterfließen.
Ich hatte daran gedacht, die IN-Eingänge quasi mit einem phasenverschobenen PWM-Signal zu speisen, dann würden die Brücken bei unterschiedlichen Logikpegeln den Trafo mit Spannung versorgen und bei gleichen Logik-Pegeln in den Lücken den Trafo-Primärseitig quasi kurzschließen (beide Enden entweder an + oder an -). Dann würde der Strom nicht über die Freilaufdioden sondern über die MOSFET's fließen.
Wäre nett, wenn Du mir die Programmierung des AVR für die PWM kurz erläutern könntest.
P.S.: Hast Du die EMV-Probleme eigentlich gelöst? Ich hätte gedacht, dass es eine Masse-Schleife zwischen Wechselrichter und RS232-Host gibt. Vielleicht hätte man die RS232 mit Optokopplern galvanisch trennen sollen.
Gruß, Andreas
Hallo Andreas,
Die Hardware-PWM des Timers 0 des ATMega8 wird im "Phase Correct Mode". Die beiden Register der PWM-Kanäle werden jeweils mit dem PWM-Wert und dem invertierten PWM-Wert geladen. Um die Invertierung des einen PWM-Kanals auszugleichen, wird dieser Ausgang als invertierter Ausgang konfiguriert. Durch diese etwas komplizierte Konfiguration ergibt sich an den beiden PWM-Pins eine phasenverschobene, symmetrische PWM, welche jedoch nur bis zu Hälfte ausgesteuert werden darf. Die beiden PWM-Signale haben also stets dasselbe Pulspausenverhältnis, jedoch um 180° verschoben. Ist das eine Signal gerade in der Low-Phase, ist das andere gerade in der Hi-Phase und vice versa. Das geht natürlich nur solange, bis die PWM 50 % überschreitet, da sich danach die Signale überlagern und es keine gemeinsame Lo-Phase mehr gibt.
Jedes PWM-Signal wird nun einer Halbbrücke zugeführt, welches auch bereits die Pulsweite des Transformators vorgibt. Weiteres werden beide Signale UND-verknüpft und mithilfe dieses Signals alle MOSFETs geöffnet (Treiber werden abgeschaltet). Dadurch ergibt sich das für einen Gegentaktwandler typische Signal, siehe Wikipedia ( Gegentaktflusswandler (http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c5/Gegentaktwandler_spannungsverl%C3%A4ufe.svg))
Der Magnetisierungsstrom, der im Kern gespeichert ist, fließt in der "Pause-Phase" (alle MOSFETS offen) über die Sekundärseite in den Zwischenkreiskondensator, und wird somit nicht vernichtet. Betreibt man die einzelnen PWM-Kanäle mit einem Tastverhältnis von über 50 %, so werden beide PWM-Pins nie mehr Low und die Treiber werden nicht mehr abgeschaltet. Zwar funktioniert der Wandler dadurch nach wie vor, jedoch besteht die Pause in diesem Fall nicht mehr aus dem Öffnen der MOSFETS, sondern aus dem schließen der beiden oberen. Dadurch wird der Magnetisierungsstrom des Trafos kurzgeschlossen und langsamer abgebaut.
Beste Grüße,
Roland.
Hallo Roland,
danke für Deine Antwort. Inzwischen ist mein Projekt schon ziemlich weit fortgeschritten, die Eingangsseite funktioniert auch schon; incl. Zwischenkreisregelung. Leider habe ich mir 2 Hochvolt-MOSFET's zerschossen :( Aus Deinem Projekt konnte ich viele wertvolle Informationen entnehmen (Strommessung, Ladungspumpe für OPV- top!). Die Ansteuerung auf der Eingangsseite habe ich dennoch etwas anders gemacht, ich erzeuge zwei 50kHz-Rechteck-Signale und die Phasenverschiebung wird durch die PWM geregelt -> 0%PWM Signal ist gleichphasig, 100% PWM Signal ist gegenphasig. Da der Wandler nur die Differenz "sieht" kann ich ihn damit auch 0-100% aussteuern. Als Vorteil sehe ich, dass in jeder Brücke immer ein MOSFET durchgeschaltet ist und die Freilaufdioden kaum beansprucht werden. Der /SD Eingang ist somit immer aktiv.
Viele Grüße, Andreas
Hallo Andreas,
Es freut mich, dass Dir mein Projekt nach nunmehr über vier Jahren etwas weitergeholfen hat. Ja, das Lehrgeld für Ersatzbauteile musste ich ebenfalls bezahlen, auch wenn es überschaubar war. Das liegt vermutlich in der Natur der Thematik ;-).
Deine Methode der Ansteuerung der Hochstrombrücken finde ich interessant. Womit erzeugst Du die phasenverschobenen Rechtecksignale, speziell bei dieser hohen Frequenz? Ein 8-Bit-Mikrocontroller fällt hierführ wohl aus.
Nun, ob es wirklich ein Vorteil ist, dass immer ein MOSFET der Halbbrücken geschlossen ist, ist fraglich. Wie gesagt wird der im Transformator gespeicherte (auch wenn der Kern, wie benötigt, keinen Luftspalt hat) Magnetisierungsstrom so über die beiden oberen bzw. beiden unteren Transistoren kurzgeschlossen und als Wärmeenergie abgebaut. Öffnen in der "Pause" jedoch die Transistoren, so kann der Magnetisierungsstrom primärseitig in die Stützkondensatoren zurückfließen bzw. sekundärseitig in den Ausgangskreis. Die Magnetisierungsenergie wird somit nicht vernichtet, sondern genutzt. Klar, es macht jetzt keinen großen Anteil am Gesamtstromverbrauch aus, jedoch war bei meinem Wandler der Unterschied durchaus messbar, da es mir mit der beschriebenen Methode möglich war, den Wandler in den "Pausen" sowohl mit geschlossenen als auch mit geöffneten MOSFETS zu betreiben.
Beste Grüße,
Roland.
Hallo Roland,
das ist sozusagen der Vorteil, dass ich erst jetzt mit dem Projekt angefangen habe; inzwischen gibt es die ATMEGA 48/88/168 - Serie die ebenfalls mit bis zu 20MHz betrieben werden können und einen einstellbaren Max-Wert für den Timer0 haben (der macht bei mir die Eingangsseite). In diesem sog. CTC Mode setze ich den Max-Wert des Timers auf 200, d.h. der Timer wird bei 200 wieder auf 0 gestellt. So habe ich eine PWM-Grundfrequenz von 100kHz bei 20MHz Quarz und einem Vorteiler von 1. Die PWM kann in 200 Stufen eingestellt werden (0..199) das ist mehr als ausreichend für die Regelung. Das 100kHz PWM-Signal speist nun 2 D-Flip-Flops, welche als Kippglieder geschaltet sind (der /Q-Ausgang geht auf den Eingang). Die Ausgänge der FF's speisen die Brückentreiber. Das eine FF kippt bei steigendem PWM-Signal das andere bei fallendem PWM-Signal. Bei PWM 0 erzeugt der ATMEGA eine ganz kleine Nadel, d.h. FF2 kippt ganz kurz nach FF1. Das erzeugt fast Gleichphasigkeit. Bei max. PWM von 199 entsteht im Gegenzug nur ein ganz kurzer Low-Impuls, d.h. FF2 kippt erst ganz spät nach FF1 - das erzeugt fast Gegenphasigkeit. Durch diese Frequenzteilung erhalte ich meine 50kHz. Mir ist bewusst, das falls das PWM-Signal mal statisch ist die FF's nicht mehr kippen würden was wahrscheinlich zur Zerstörung der Eingangsseite führen würde, da der Trafo dann quasi mit Gleichspannung beaufschlagt wird. Den Fall gilt es SW-technisch zu verhindern!
Ich bin mir nicht sicher, ob durch diese Ansteuerung wirklich mehr Energie vernichtet wird; ich stelle mir das so vor: solange der Trafo das gegenphasige Signal sieht fließt ein steigender Strom in den Trafo. Dieser Strom induziert die Sekundärspannung. Wenn die beiden Signale gleichphasig werden, wird die Primärseite des Trafos kurzgeschlossen; entweder über beide unteren oder beide oberen Brückentransistoren. Durch die Trafo-Induktivität fließt der Strom nun noch eine Zeit weiter und fällt dabei langsam ab; das sollte ebenfalls eine (entgegengesetzt gepolte) Sekundärspannung induzieren welche über den Gleichrichter im Zwischenkreis-Elko landet. Im I'net habe ich dazu folgenden Beitrag gefunden:
http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap8_3/Kapitel8_3.html
"8.4.1. Phase-Shift-PWM-Wandler
Bei Verwendung von Vollbrücken-Flusswandler lässt sich die Vollbrücke auch in ganz anderer Weise ansteuern als dies mit den üblichen PWM-Steuer-ICs möglich ist: Statt mit variabler Einschalt- und Totzeit werden die beiden Halbbrückenzweige mit konstanter Frequenz, Einschalt- und Totzeit betrieben. D.h., beide Halbbrücken erzeugen eine Rechteckspannung mit einem stabilen Tastverhältnis von 50%. Die Steuerung der Energiezufuhr erfolgt durch eine variable Phasenverschiebung zwischen den Rechteckspannungen der beiden Halbbrückenzweige. Die Primärspule des Trafos "sieht" nur die Differenz zwischen den beiden Rechteckspannungen. Diese Differenz kann null sein, wenn die Rechteckspannungen gleichphasig sind oder sie ist maximal, wenn die Spannungen gegenphasig sind. Zwischen diesen Extremen ergibt sich eine von der Phasenverschiebung linear abhängige Einschaltdauer der Spannung an der Primärspule."
Viele Grüße, Andreas
Update,
mein Wandler läuft zum erstenmal!!! Allerdings erst mal mit 150W am Ausgang. Ausgelegt habe ich den Wandler auf 600W. Mein Test-PC-Netzteil gibt nur 15A @12V ab. Dabei brechen die 12V schon auf 10V ein. Muß mir noch eine Autobatterie besorgen, welche die 50A liefern kann. Mit den Induktivitäten habe ich auch noch Probleme; hatte erst welche aus der Bastelkiste genommen. Die waren offensichtlich zu klein und gingen in Sättigung. Sie wurden bei 0.5A heiß obwohl mit 1mm Cu bewicklt. Sobald ich einen 0,47µF Kondensator an den AC-Ausgang angeschlossen hatte, brach die Ausgangsspannung zusammen. Für mich ein Zeichen, dass die Induktivität zu klein ist - die Sinus-PWM erscheint am Ausgang und wird quasi durch den Kondensator kurzgeschlossen. Mittlerweile habe ich mir 2 Stück 470µH, 2,5A besorgt. Die werden auch noch etwas warm. Allerdings habe ich auch erst 25% Leistung. Ich überlege auch noch, die Frequenz der Sinus-PWM zu erhöhen dann müssen die Induktivitäten nicht so groß sein. Im Moment läuft die Sinus-PWM nur mit 10kHz. Anbei mal ein Bild von meinem Aufbau:
20705
Hallo Andreas,
Herzlichen Glückwunsch zum erfolgreichen Test! Wie ich sehe, nimmt Dein Projekt konkrete Formen an, danke für das Foto, ich wollte schon danach fragen ;).
Deine Methode der Erzeugung der phasenverschobenen Rechtecksignale finde ich wirklich gelungen und raffiniert. Dadurch gibt nach wie vor der Mikrocontroller die effektive Pulsbreite vor, und das bei ausreichend hoher Frequenz. Bei Deinem Wechselrichter steuert bzw. regelt also auch nur ein Mikrocontroller den gesamten Wandler, sprich Gegentaktwandlerregelung und Sinuserzeugung? Mit welchem Algorithmus regelst Du die Zwischenkreisspannung mit einem PI-Regler-Algorithmus? In welcher Sprache programmierst Du den Prozessor?
Ja, die Speicherdrosseln, eine Geschichte für sich. Nun, es muss nicht unbedingt sein, dass die magnetisch speicherbare Energiemenge Deiner Spulen zu klein ist, sondern es könnte sich auch einfach um ungeeignetes Kernmaterial handeln. Ich habe für meinen Wandler so 50Hz-Entstördrosseln verwendet, welche dem Ausgangsstrom eigentlich gerecht werden sollten, dennoch wurden diese unerträglich heiß. Der Grund hierfür war eben das Kernmaterial, welches nicht für die hohe Sinus-PWM-Frequenz geeignet war, und sich durch Ummagnetisierungsverluste aufheizte. Insofern eignen sich nur spezielle Hochfrequenzspulen, oder aber man wickelt sich am besten selbst eine, auf einen entsprechenden Kern (EE-Ferritkern mit Luftspalt).
Sobald die Stromversorgung der Primärseite des Transformators entfernt wird, muss sich der Fluss im Kern abbauen. Der magnetische Fluss reduziert sich also (negatives dPhi/dt) was einer negativen Induktionsspannung an beiden Wicklungsseiten entspricht. Auf welcher Seite nun diese Spannung einen Strom treibt, hängt ganz von Bürde der jeweiligen Wicklung ab. Auf der Sekundärseite muss die Spannung bis auf die Zwischenkreisspannung der Kondensatoren plus zwei Diodenstrecken ansteigen, ehe Strom fließen kann. Auf der Primärseite, bei offenen Transistoren, bis zur Versorgungsspannungshöhe plus ebenfalls zwei Dioden. Da die Wicklungen ja unterschiedliche Windungszahlen haben, wird sich der Stromfluss so auf beide Seiten einigermaßen aufteilen. Schließt man die Primärseite jedoch kurz, ist diese Bürde viel geringer, und der sinkende Fluss im Transformator wird unverzüglich einen Stromfluss ausschließlich in dem niederohmigen, kurzgeschlossenen Primärkreis zur Folge haben. Das wiederum heißt, dass die Spannung an der Sekundärseite niemals eine Höhe erreichen kann, um einen Stromfluss in den Sekundärkreis zu ermöglichen.
Anders betrachtet: Die in der "Pause" kurzgeschlossene Primärspannung beträgt 0 V (eventuell ein paar Millivolt). Berücksichtigt man nun das Übertragungsverhältnis des Transformators, so ergibt sich auf der Sekundärseite eine Spannung von 0 V (Usek = Uprm * ü = 0 V * 33 = 0V), welche keinen Zwischenkreisstrom treiben kann.
Der Magnetisierungsstrom des Transformators wird also bei kurzgeschlossener Primärwicklung irreversibel in Wärme umgewandelt, was sich im Leerlaufstrom widerspiegelt. Dass es nicht viel ist, und bei belastetem Wandler ohnedies untergeht, ist klar, immerhin ist der Transformator ja luftspaltfrei, speichert also kaum magnetische Energie, nur die, die für die Magnetisierung notwendig ist.
Beste Grüße,
Roland.
Der Farbkennzeichnung nach sollten die Ringkerne schon für Frequenzen von ca. 50kHz ausreichen darüber sollte anderes Kernmaterial verwendung finden. Eisenpulver sättigt ja auch nicht schlagartig wie Ferritkerne aber die Induktivität sinkt halt immer weiter mit steigender Auslastung. Daher muss man immer auf seinen Laststrom achten und was für eine Induktivität hier noch vorhanden ist.
MfG
Manu
Hallo Roland,
danke für die Glückwünsche. Ja der gesamte WR soll durch einen µC gesteuert werden; das dürfte kein Problem sein. Timer0 arbeitet wie beschrieben und braucht zur Laufzeit keine Prozessorresourcen (Interrupts). Es wird nur der Ausgang des Reglelalgorithmus (PWM) in ein Register geschrieben. Timer1 erzeugt die Sinus-PWM (alt: 10 kHz, jetzt: 20kHz). Im Interrupthandler wird jeweils der nächste Wert aus einer Sinustabelle nachgeladen. Das macht macht ca. 3% Prozessorlast aus (bei 10kHz). Weiterhin triggert der Timer1 auch den ADC mit 10kHz, so dass alle 100µs ein ADC-Wert zu verarbeiten ist (Addition für Mittelwertbildung, Multiplexer umschalten). Dafür gibt es auch einen Interrupthandler. Der verursacht ca. 5% Prozessorlast. Also bleiben noch ca. 90% für das Hauptprogramm übrig. Bei einem Prozessortakt von 20MHz entspricht das immerhin noch einem Prozessor mit 18MHz.
Ja, die ZK-Regelung mache ich mit einem PID-Regler; der Code stammt aus diesem super Tutorial hier aus dem Forum:
http://www.rn-wissen.de/index.php/Regelungstechnik
Die Regler-Parameter sind erst mal mit try and error grob geschätzt. Wenn ich mal viel Zeit habe ;) wollte ich mal eine Sprungantwort meines Zwischenkreises aufzeichnen und die Parameter optimieren. Aber im Moment pendelt die Spannung um +/-2V; das sollte reichen.
Der Regleralgorithmus wird alle 2 ms im Hauptprogramm durchlaufen wenn ein neuer ADC Wert vorliegt (100µs ADC Takt * 4 Kanäle * 5 Werte für Mittelwert = 2ms). Die gemessenen Werte für 2 Spannungen und 2 Ströme werden im Moment auf dem LCD ausgegeben. Später will ich noch ein einstellbares Limit für den Eigangsstrom haben, um den Wandler z.B. auch im Auto an einer mit 20A abgesicherten Zigarettensteckdose zu betreiben. Man könnte dann auch Ein-und Ausgangsleistung bzw. Wirkungsgrad berechnen. Es ist alles in C programmiert, das macht sowas relativ einfach.
Das mit den Drosseln habe ich mir nochmal durch den Kopf gehen lassen; es müssen Kernverluste sein. Selbst die großen Kerne der 470µH/2,5A Drosseln werden heiß bei einem Strom von 0.5A. Die AC-Drossel bekommt einen sehr hohen Ripple-Anteil ab und die wird auch am heißesten. Habe jetzt erst mal die rot-grünen Kerne von Reichelt bestellt, die sollen besser für höhere Frequenzen geeignet sein. Wenn das nicht hilft, kann ich Deinen Tipp mit den Ferriten mit Luftspalt nochmal aufgreifen.
Die Ansteuerung des Trafos will ich noch mal genauer untersuchen, am WE leihe ich mir mal das Oszi von meinem Arbeitgeber aus. Auf diesem Gebiet ist mein Wissen leider "etwas begrenzt", bin "nur" Techniker, der sich die letzten Jahre fast ausschließlich mit Softwareentwicklung befasst hat. Spulen und Trafos waren mir früher immer etwas suspekt. Dieses Projekt habe ich mir auch deshalb ausgesucht, um mich mal wieder mit Hardware (incl. Spulen) zu beschäftigen.
Veile Grüße, Andreas
Hallo Andreas,
Wie ich sehe, hast Du Dir einige Gedanken über die Ressourcenaufteilung der Rechenleistung des Mikrocontrollers gemacht, und diese sogar berechnet. Ja, da bei der Wechselrichtersteuerung sowohl bei der PWM-Ausgabe, als auch im Regelalgorithmus ausschließlich triviale Berechnungen benötigt werden, reicht die Rechenleistung eines AVR-Controllers der MEGA-Serie im grunde leicht aus.
Das Codebeispiel eines PID-Reglers, beschrieben hier im Forum, finde ich auch sehr gut, und hat mir bei der Verwirklichung meines balancierenden Roboters sehr geholfen. Da die Regelung der Zwischenkreisspannung jedoch nicht übertrieben schnell sein muss, habe ich mich bei meinem Wandler für eine einfache Implementierung eines PI-Reglers entschieden, dessen Parametrisierung sich deutlich einfacher gestaltet. Die einfachste Methode, Deinen PID-Regler zu konfigurieren ist, wie Du schon sagtest, der empirischer Weg. Wobei es auch hierfür Wege und Methoden gibt, um die passenden Parameter mit vertretbarem Aufwand zu finden. Ein bekanntes Verfahren hierfür ist jenes von Ziegler und Nichols.
Ich habe die Software für meinen Wechselrichter ebenfalls in C geschrieben, ist ja auch der Industriestandart. Eine Bemerkung über BASCOM verhalte ich mir an dieser Stelle, welches Du ja zum Glück nicht benutzt ;-).
Bei der Ausführung der Speicherdrossel ist es wirklich am einfachsten, einen passend großen ETD-Kern mit geeignetem Luftspalt zu verwenden. Dadurch ist sichergestellt, dass das magnetisch leitende Material für die verwendete Frequenz geeignet ist. Außerdem gestaltet sich das Wickeln des Spulenkörpers deutlich einfacher als bei Ringkernen.
Klar, mit dem Mikrocontroller kann man sich diverse Parameter berechnen. Nur, um qualitative Aussagen über den aktuellen Wirkungsgrad machen zu können, reicht es nicht aus, nur die Zwischenkreisspannung zu messen, da hier weder die Verluste der Ausgangsvollbrücke, noch die des Ausgangsfilters berücksichtigt werden. Hierfür müsste man die Ausgangsspannung – zumindest eine Phase – gegen Masse messen, und den Spitzenwert berechnen. Nach Berücksichtigung des Formfaktors – nicht deformiertes Sinussignal vorausgesetzt – kann man so in Kombination mit dem Brückenstrom auf die einigermaßen richtige Ausgangswirkleistung schließen. Nicht berücksichtig, da so nicht messbar, werden jedoch Blindströme komplexer Verbraucher.
Wofür willst Du den Wechselrichter schlussendlich eigentlich verwenden? Bei meinem Projekt ging es damals eigentlich nur darum, ein derartiges Projekt zu realisieren, also nur um den Weg dahin.
Beste Grüße,
Roland.
pizzakurier
30.06.2013, 21:23
Hallo Andreas bzw Themenersteller.
Es ist mittlerweile Sommer 2013 als ich diesen Thread gefunden habe.
Leider spukt Lycos mir keinerlei Bilder bzw. Dokus mehr aus.
Könntest Du mir diese zukommen lassen?
Idealerweise als Mail an df7sx@gmx.de .
Vielen Dank im Voraus.
vy73 de df7sx
Bernhard
Hallo Bernhard,
inzwischen habe ich mir extra Platinen für den Wandler fertigen lassen. Wie auch Roland seinerzeit hatte ich erhebliche EMV-Probleme, sobald die Sinus-Endstufe eingeschaltet wurde. Durch den festen Aufbau, Abblocken der Zwischenkreis-Spannung mit Kerkos und Ferritperlen auf den Drains der Hochvolt-MOSFET's konnte ich es soweit zum Laufen bringen, das der Controllerr nicht mehr abstürzt. Aber mit dem Scope sehe ich auf der 12V und 5V-Versorgung immer noch Einbrüche im 40ns-Bereich. Unter folgendem Link findest Du einige Bilder; durch den kompakten Aufbau kann man die Details leider nicht so gut erkennen. https://drive.google.com/folderview?id=0B1Pxr_quvQNTQ25NN18zNkw1VEU&usp=sharing
Hallo Bernhard,
Es freut mich, dass mein Projekt nach nunmehr 6 Jahren noch immer für den Einen oder Anderen von Interesse ist. Wie ich aufgrund Deines Beitrages feststellen musste, liegen die Fotos und der Schaltplan zwar nach wie vor auf dem Webserver, aber scheinbar hat der Provider die Links geändert. Wie dem auch sei, vielen Dank für den Hinweis ich werde das sofort Versuchen zu korrigieren.
Beste Grüße,
Roland.
- - - Aktualisiert - - -
Ich habe nun die defekte Verlinkung zu den Bildern behoben sowie den Link zum Schaltplan im Beitrag hinzugefügt.
Andreas, guter Aufbau. Interessant, dass Du trotz räumlicher Trennung von Leistungs- und Logikteil sowie Schirmung durch das Metallgehäuse Probleme mit dem Resetieren des Prozessors hattest.
Beste Grüße.
Unregistriert
30.01.2015, 14:26
Hallo,
kannst du auch den Quellcode für den Atmel raus geben ?
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