230V Wechselspannung und Strom mit nicht differnziellem AD-Wandler messen

[alexander_ro]

Hallo ... :)

Ich baue einen Regler für einen Generator 400V 50Hz weil diese Industrieregler dauernd kaputt gehen. Der letzte ist dabei auch noch in Brand geraten ... :( Meine Lösung bekommt wie immer einen Controller (z.B. Arduinio Nano) damit man gleich Plausibilitätsprüfungen machen kann und bei Problemen das Gerät abstellen. Das ist allemal besser als einen Brand zu riskieren. Das man die Finger nicht an die Strom führenden Leitungen halten soll wenn das Gerät läuft ist mir bekannt ... ;)

Den Teil aus der Versorgungswicklung für die Erregerspannung eine Gleichspannung zu machen und den Strom durch die Erregerwicklung mit einem Mosfet zu regeln funktioniert schon. Was mir Probleme bereitet ist die Spannungsmessung an den drei Phasen. Ich würde die gerne als Kennlinie Messen also nicht Gleichrichten und die drei Phasen einzeln. 230V kann man ja leicht mit einem Spannungsteiler reduzieren. Das ändert aber nichts an der Wechselspannung. Kann man das mit einem Kondensator Koppeln und einem weiteren Spannungsteiler der das auf die Mitte der Gleichspannung (Controller Versorgung) anhebt?
Klar das hat keine Galvanische Trennung das fasst aber auch keiner an im Betrieb.
Oder gibt es da überhaupt eine besser Idee?

Ich habe versucht Beispiele im Netz zu solchen Messungen zu finden die nehmen alle einen Gleichrichter. Oder Trafo mit Gleichrichter wegen der Galvanischen Trennung. Das würde reichen für die Regelung ich hätte aber wie gesagt gerne den Sinus Verlauf selbst gemessen um den Bewerten zu können. Das gleiche für den Strom. Da wäre evtl. so ein Hallstromsensor eine gute Möglichkeit.

Grüße
Alexander

[gunzelg]

Hallo
isolierte Messung der Netzspannung ist schon der richtige Weg. Auf dem Netz sind auch einige Störungen unterwegs, die ohne galvanische Trennung evtl deinen uC abstürzen lassen. Strommessung via Hallsensor ist schon ok. Bei der Spannungsmessung ist ein Trafo zwar auf dem ersten Blick ok, die Frage ist, wie du das Problem der Phasenverschiebung siehst. Ein kleiner Netztrafo ohne Last verbiegt den Sinus und du hast eben ne ordentliche Phasenverschiebung. Wenn die nicht stört geht das schon, aber vermutlich wirst du testen müssen, welcher Netztrafo geeignet ist. Je kleiner desto schlimmer die Verbiegung des Sinus. Alternative wären Trenn- oder Isoverstärker.
z.B.
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/iso122.pdf?ts=1666188333110&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

Gruß
Gerhard

[alexander_ro]

Wenig Phasenverschiebung wäre schon gut. Weil man dann besser/richtiger die Last die gerade geliefert werden muss berechnen kann.

Der Trennverstärker ist schon eine schöne Lösung aber die kosten doch ein bisschen viel. Wobei mich mehr stört das es ein Bauteil ist das ich dann zusätzlich auch haben muss um schnell reparieren zu können. Ein paar Widerstände und Kondensatoren findet man da leichter ... ;)

Ich versuche ob ich da eine Lösung selber aufbauen kann ohne Trafo und Trennverstärker. Gegen die Störungen kann man ja Filter einbauen. Damit sollte es der uC dann schon vertragen können.

[White_Fox]

Schau mal hier:
https://www.st.com/content/ccc/resource/technical/document/application_note/group0/36/57/65/f9/b5/04/41/37/DM00284856/files/DM00284856.pdf/jcr:content/translations/en.DM00284856.pdf

Seite 62, den OPV unten links. Im Prinzip werden zuerst beide Netzpotentiale mit einem absurd hohen Vorwiderstand (jeweils 3x470kΩ) belegt. Dann wird ein Eingang des OPVs mittels Spannungsteiler auf die halbe Eingangsspannung gelegt, und der OPV hält von der anderen Seite her dagegen. Am Ende sieht das Signal so aus: Keine Netzspannung -> mittlere Betriebsspannung am Ausgang des OPV, Scheitelpunkt der positiven Halbwelle -> OPV liefert eine Spannung irgendwo in der Nähe von 0V, negative Halbwelle -> OPV liefert eine Spannung irgendwo in der Nähe von 3,3V.

Die Schaltung funktioniert recht gut, wie ich aus eigener Erfahrung sagen kann, und wie du den Phasenwinkel im Netz bestimmst, da gibt es auch eine sehr gute Verfahrensbeschreibung in dieser PDF.

[alexander_ro]

Das sieht gut aus was die da gemacht haben. Nur bei dem OP würde ich gerne einen anderen nehmen weil ich den schon an anderer stelle auch verwende. Ich konnte jetzt nicht wirklich was sehen das dagegen spricht. Hier mal Links zu den beiden.

Der aus dem Dokument: https://www.mouser.de/ProductDetail/STMicroelectronics/TSV611ILT?qs=cRfHQJddfce53nsmZgO%2FeQ%3D%3D
Den ich habe: https://www.mouser.de/ProductDetail/Texas-Instruments/OPA335AIDBVR?qs=7nS3%252BbEUL6ucr9nZg6iSVw%3D%3D

Den Vergleich direkt zu verlinken habe ich nicht hin bekommen aber man muss nur bei beiden Seiten den Hacken setzen dann bekommt man den Produktvergleich angezeigt. Ich hoffe das hilft falls jemand das anschauen will.

Bei einem Oszilloskop hat man doch das gleiche Problem beim Messen von Wechselspannungen wie lösen denn die das.

[White_Fox]

Ein anderer OPV sollte kein Problem sein.



Bei einem Oszilloskop hat man doch das gleiche Problem beim Messen von Wechselspannungen wie lösen denn die das.

Da gibt es viele Möglichkeiten. ADCs mit differentiellen Eingängen, analoge Vorverstärker die einem den Pegel geradeziehen, ...

[alexander_ro]

Ja differentielle ADC sind auch eine gute Sache aber die haben die meisten Controller nicht. Gut dann machen die das auch nicht wirklich anders. War nur so eine Idee ...

[White_Fox]

Naja, ich denke nicht daß man das in (guten) Oszilloskopen direkt so bauen würde. Für Netzspannung ist das ok, aber für eine Analogeingangsstufe zum präzisen und schnellen Messen ist das nix. Einerseits wäre die Eingangsimpedanz dann doch etwas gering, sind ja nur <3MΩ, gute Oszilloskope haben 10MΩ. Dafür verrauschen die vielen Widerstände aber alles.

[alexander_ro]

Das war jetzt nicht so im Detail gemeint. Nur so vom Prinzip Analoge Eingangsstufe und je nach dem einen normalen oder differentiellen AD-Wandler. Ich würde ja für genauere Messungen eher zu einem differentiellem AD-Wandler greifen. Wobei mein Problem ja eher den Analogen Teil betrifft. Der oben genannte Trennverstärker ist zwar recht gut aber auch eher nicht für Oszilloskope gedacht.

[alexander_ro]

Die Schaltung habe ich jetzt so nach gebaut. Das funktioniert vom Prinzip auch nur das am Ausgang das eher ein Rechteck mit runden Ecken ist und weniger ein Sinus. Das sieht am Eingang wo die zwei Dioden sind schon weniger wie ein Sinus aus.

[gunzelg]

Die Schaltung - ich nehme an, du meinst die Schaltung von "Seite 62" wie oben erwähnt- ist vermutlich eher für Ami-Spannung 110Volt gemacht. Kannst ja mal versuche machen, und parallel zu den Eingangsdioden nen Widerstand rein, der dieEingangsspannugn weiter absenkt.

[White_Fox]

Nein, die funktioniert auch mit 230V (und ich wüßte auch nicht warum das mit 110V, aber nicht mit 230V funktionieren sollte).

Edit: Kannst du das Oszillogramm mal hier reinstellen?

[alexander_ro]

Ja genau der oben erwähnten Teil der Schaltung.

Ich habe andere Shottkey Dioden benutzt ob das vielleicht daran liegt.

Für das Oszillogramm muss ich mal schauen wie ich da ein Bild davon bekomme.

[White_Fox]

Du kannst die Schaltung ja auch mal in LTSpice simulieren.

Wie gesagt, die funktioniert schon, und bei 50Hz kann ich mir auch nicht vorstellen daß dein OPV schon am Ende seines Bandbreitenprodukts ist, ich vermute eher Fehler in deinem Aufbau.

[wkrug]

Eventuell wärs auch sinnvoll einen kleinen Microcontroller direkt auf der Primärseite einzusetzen.
Stromversorgung für diesen dann über einen DC/DC wandler.
Der Controller könnte dann die gemessenen Werte über die serielle Schnittstelle via Optokoppler auf die Niederspannungsseite weiter geben.

Das sollte auch relativ preisgünstig zu realisieren sein.

[alexander_ro]

Mit den Simulanten habe ich es nicht so. Da müsste ich mich erst mal einarbeiten.

Ich denke auch das ST keine Schaltungen veröffentlicht die nicht funktionieren. Der OP ist ein SMD Bauteil das ich auf einer Lochrasterplatine benutze ich glaube da hatte ein Kontakt irgendwie keine gute Verbindung. Bei dem Oszilloskop ist die Hintergrundbeleuchtung kaputt da lässt sich schwer ein Foto machen und mit externer Lichtquelle Spiegelt es zu viel. Nach einer weile Probieren ging es dann halbwegs mit den Spiegelungen.

So sah es aus wo es nicht ging:
35846

So sieht es jetzt aus ... viel besser :)
35847

@wkrug:
Die Primärseite ist doch die 230V Wechselspannung. Der Controller ist ja aber doch immer auf eine 3,3V od. 5V Gleichspannung angewiesen. Ich sehe jetzt da nicht ganz den Vorteil weil das Problem doch das gleiche ist das man mit den meisten internen Analog Digital Wandlern keine Wechselspannung messen kann. Ich glaube ich habe da irgendwas nicht so verstanden wie Du es meintest.

[wkrug]

Die Primärseite ist doch die 230V Wechselspannung. Der Controller ist ja aber doch immer auf eine 3,3V od. 5V Gleichspannung angewiesen. Ich sehe jetzt da nicht ganz den Vorteil weil das Problem doch das gleiche ist das man mit den meisten internen Analog Digital Wandlern keine Wechselspannung messen kann. Ich glaube ich habe da irgendwas nicht so verstanden wie Du es meintest.
Das stimmt natürlich.
Allerdings ist der AD Wandler des Microcontrollers üblicherweise so schnell, das man die Momentanwerte integrieren kann und somit den Effetivwert der Wechselspannung berechnen kann.
Alles eine Frage der Software.

Guck mal hier (https://www.mikrocontroller.net/topic/252594)

[White_Fox]

Mit dem ersten Bild kann ich nur seeehr bedingt was anfangen, aber ok.

Was mißt du den an den Eingängen des OPVs? Jeder Eingang gegen Masse, und dann Eingang gegen Eingang?

[alexander_ro]

Ich hatte jetzt die Gleichspannung mal nur mit 3,3V im Schaltplan geben die ja 5V an. Kann man aber Problemlos auch an einem Controller mit 3,3V benutzen.

I+ oder I- nach GND ist ein Sinus mit ca. 2V.
I+ nach I- ist ein Sinus mit ca 200mV. Der Sinus hier ist aber mit einigen Störungen überlagert. Die sieht man beim Messen nach GND nicht mehr. Das liegt aber auch daran das der Messbereich mit 50mV recht klein ist.

@wkrug:
Ja bei nur 50Hz sind die sicher schnell genug um nebenbei den Effektivwert zu berechnen. Ähnlich könnte man das aber auch einfacher haben wenn man die Wechselspannung gleichrichtet und dann über einen Spannungsteiler misst. Das wollte ich aber so nicht machen. Ich will den Sinus auch überwachen Zwecks Fehlererkennung und bei Problemen das Gerät automatisch abstellen. Bei dem Link wollte der das ja als Hardware Lösung das will ich auch nicht ich mach das als Softwarelösung. Damit kenne ich mich besser aus. Ich muss dann ja nur den Spitzenwert der Spannung ermitteln und danach den Erregerstrom regeln.

[White_Fox]

I+ nach I- ist ein Sinus mit ca 200mV.

Hm, das sollte eigentlich nicht sein. Ich müßte mir die Schaltung jetzt nochmal ansehen, aber wenn ich mich recht erinnere soll ein Potential konstant sein.
Kannst du mal ein aussagekräftiges(!) Bild von deinem Aufbau reinstellen? Wo man erkennen kann, welches Bauteil wie und wo angeschlossen ist?

[alexander_ro]

Auf einem Bild kann man da kaum verfolgen was wo angelötet ist.

Zwischen I+ und I- muss man aber den Sinus Messen können. Sonst könnte der OP ja den nicht als Ausgangssignal verstärken. Das was da gemessen wird ist doch der Spannungsabfall an den Dioden. Mit dem Spannungsteiler aus den zweimal 10K ergibt das doch so was ähnliches wie einen Addierer. So falsch kann es auch nicht sein weil ja am Ausgang eindeutig ein Sinus wenn man ihn mit DC Einstellung misst etwa 0,5V über der 0 Linie und ca. 2 V angezeigt wird (das Bild oben ist mit 5V gemessen). Auf dem Oszillogramm oben ist das mit AC gemessen weil dann der Gleichspannungsanteil entfernt wird und ich das besser vergrößern konnte zum Foto machen. Das ist doch genau das was die Schaltung tun soll.

[White_Fox]

Nee, das ist nicht "eindeutig ein Sinus". Ich sehe da eher, daß die Ausgangsspannung von einem Potential zum anderen in die Sättigung fährt und da verbleibt.

Der eine Spannungsteiler (R18 und R17) sorgt erstmal dafür, daß I+ in der Mitte hängt, also bei +2,5V wenn du die Schaltung mit +5V versorgst. Die 3x470kΩ kommen gegen diesen Spannungsteiler kaum an, den Netzsinus wirst du da nur mit großer Verstärkung erkennen können.

Den Netzsinus würdest du eher an I- messen, wenn der OPV diesen Eingang nicht auf dem gleichen Potential halten würde wie I+, also auch bei +2,5V. Das macht er, indem er am – über R26 rückgekoppelten – Ausgang eine passende Spannung liefert.

Bau die Schaltung nochmal auf, und lasse alle überflüssigen Bauteile – die Dioden und alles was mit NA beschriftet ist – weg.

[alexander_ro]

Wo siehst Du da eine Sättigung?
Die sehe ich nur in dem ersten Bild da wo die Schaltung nicht funktionierte.
Nicht aber im zweiten Bild. Wenn ich den Sinus direkt an der Steckdose messe sieht der von der Form genauso aus.

Der Sinus gemessen am Eingang I+ u. I- hat ja nur 200mV das erscheint mir jetzt nicht viel.

Die NA Teile habe ich schon weggelassen. Wozu sind denn dann die Dioden da wenn man die auch weglassen kann?
Ich kann die ja mal ablöten und schauen was passiert.

[White_Fox]

Ach...dann hab ich dich falsch verstanden. Ich dachte die Schaltung will nicht recht, ich habe aber übersehen daß du es hinbekommen hast. Mea culpa.

Wenn die Schaltung mit den Dioden funktioniert, laß die Dioden dran. Die halten Überspannungen aus dem Netz von deinem OPV fern. Wenn im Netz irgendwo etwas umgeschaltet wird kann es schonmal passieren, daß eine Spannungsspitze von einige kV vorbeikommt, die der OPV möglichst nicht sehen sollte.

[alexander_ro]

Ist ja kein Problem. Ich hätte die Dioden da gelassen und nur abgeklemmt zum testen. Ich dachte ich baue bei jeder Phase einen Netzfilter aus Spulen und Kondenstoren ein die helfen eigentlich auch gut gegen Spannungsspitzen und andere Störungen. Da der Messstrom gering ist reichen ja kleine Spulen.

Das mit den Umschaltspannungsspitzen gibt es bei mir ja nicht in der Form weil es an keinem öffentlichem Stromnetz hängt. Aber um Spannungsspitzen zu Produzieren gibt es auch viele andere Möglichkeiten auch wenn die dann nicht so Energiereich sind. Ich brauche die Schaltung in einem Regler für einen Generator oder Stromerzeuger oder wie man das Ding nun nennen mag macht jeder anders. Ich bin sozusagen selbst das Kraftwerk. ;)

... und Danke für eure Hilfe :)

[White_Fox]

Nimm lieber die Dioden, Spannungsspitzen rauschen durch die Induktivitäten einfach über die parasitäre Längskapazität durch. Da sind die Dioden besser.

Viel Erfolg mit deinem Vorhaben.