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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik AC: Spannung Frequenz und Phasenverschiebung messen


Autor: Nils (Gast)
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Hallo
Ich arbeite gerade an einem universitären Projekt in dem wir das 
deutsche Stromnetz hardwaremässig als Simulationsplattform nachbauen 
wollen. Ich bin dabei Erzeuger zu bauen, die in dieses Stromnetz 
einspeisen sollen und überlege mir gerade wie das ganze realisiert 
werden kann.
Folgeendes sei gegeben: Auf der einen Seite ein ein Phasen 
Wechselstromnetz mit 48 Volt und 50 Hz. Auf der anderen Seite einen 
Motor der einen Generator dreht. Der Generator soll nun die 48 Volt und 
50Hz liefern, mit dem Netz syncronisieren und dann ins Netz einkoppeln.
Vorgehensweise:
1.: Prüfen ob Generatorspannung = Netzsspannung
2.: Prüfen ob Generatorfrequenz = Netzfrequenz
3.: Generator und Netz "in Phase" bringen
4.: Einkoppeln und Generator in Phase halten

Soweit zur Theorie. Ich bin nun dabei mir zu überlegen, wie ich am 
besten die Steuerung realisiere. Ich tendiere zum Mikrocontroller 
genauer einem Atmega.
Nun meine Fragen:
Kann man einfach mit nem Atmega Frequenz und Spannung messen und wenn ja 
wie? Ich habe schon hier im Forum gesucht, fange jedoch erst an in die 
Materie einzutauchen und habe daher wohl das passende überlesen. Ich bin 
daher auch einfach dankbar für Links auf Seiten bei denen 
Wechselstromspannungen und Frequenzen mit dem Atmega (oder ähnlichem) 
gemessen werden. Am liebsten wäre es mir, wenn das ganze ohne 
"Messbausteine" funktioniert, also direkt bzw indirekt über irgendwelche 
Schaltungen. Es würde mir ja auch reichen, wenn ich lediglich die 
Differenz zwischen Generatorspannung/frequenz und Netzspannung/frequenz 
weiss, konkrete Werte sind nicht nötig. An sonsten wäre ne 
Typbezeichnung oder so eines Bausteines (welches am besten auch bei 
Reichelt oder C. gekauft werden kann) auch super.
Wie gesagt, bin über jede Hilfe sehr dankbar, inklusive Links zum selber 
weiterlesen oder gute Worte, die ich mal bei google eintippen kann :)

Mfg Nils

Autor: Nils (Gast)
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Ich glaube ich habe was gefunden, um die Spannung zu messen.
http://www.loetstelle.net/grundlagen/operationsver...
Dort dann den Spitzenwertgleichrichter dessen Ausgang ich dann über 
einen Spannungsteiler an den A/D Wandler anschliesse. Ist das 
realistisch?
Für die Frequenz habe ich leider noch nichts gefunden...
Mfg Nils

Autor: Ronny (Gast)
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Zur Spannung:

In letzter Zeit gab es hier einige Threads die sich um Spannungen an 
AVR-Pins drehten:

Beitrag "+-400V mit AD-Wandler messen (Idee für Eingangsbeschaltung)"
Beitrag "Wieviel Spg. an Atmega Pins maximal zulässig?"

Und hier die Appnote dazu:
http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/...


Zur Frequenz:

Das ist simpel mit einem Timer realisiert.Einfach die Zeitdifferenz 
zwischen 2 Flanken/Nulldurchgängen messen,fertig.

Autor: tom (Gast)
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Hi,

> Der Generator soll nun die 48 Volt und 50Hz liefern, mit dem Netz
> syncronisieren und dann ins Netz einkoppeln.

Nun, ob Dir das gelingt, hängt vom Generator ab! In der Praxis nimmt man 
dazu Sychron-Generatoren. Deren Vorteil ist, das das Halten des 
synchronen Zustandes im Toleranzbereich per Physik passiert. 
"Angefahren" werden diese dann per Drehzahl und mittels "Phasenwaage", 
bei Phasendifferenz 0 wird zugeschaltet.

Das Ganze mittels einem normalen Generator per Elektronik zu steuern, 
ohne dabei von Zeit zu Zeit irgend ein Teil "in Rauch aufgehen" zu 
lassen, dürfte verdammt vertrackt werden. Du hast ein nichtlineares 
Regelsystem aus Elektronik und Mechanik zu bewältigen.

Eine rein elektronische Simulation Deines Motor-Generator-Netzsystems 
wäre damit vermutlich eher zielführend. Außerdem solltet ihr wohl auch 
eure simulierten Ströme heruntersetzen. Denn solch ein 
Motor-Generator-Netzsystem kann selbst bei 48V und entsprechende 
Speiseleistung einen fetten Schepperer machen!

Schönen Tag noch,
Thomas

Autor: Maik (Gast)
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Möchte mich hier nur zur Messung auslassen.
Also die Spannung über einen Spannungsteiler herunterteilen auf 5V. Die 
Spannung mit zwei OP's abnehmen. Die OP's parallel schalten und als 
Impedanzwandler beschalten. nun an OP 1 noch einen Spannungsteiler und 
die Spannung auf 1V RMS herunterteilen. Dahinter ein ad736. Hinter den 
zweiten OP eine Nulldurchgangserkennung. ADC des µC an den AD736 -> 
TrueRMS Spannungsmessung. Input Capture an die Nulldurchgangserkennung 
-> für Frequenz und Phasenwinkel.

Autor: Nils (Gast)
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Hallo
Erst einmal ein grosses Danke an alle, die mich so nett unterstützen.
Es hat mich bereits ein grosses Stück vorangebracht,

@Ronny:
Den obersten Threat habe ich auch schon gefunden, dachte aber es handelt 
sich um Gleichspannung. Ich habe jedoch Wechselspannung zu messen.
Die angegebene Appnode habe ich noch nicht ganz verstanden, aber ich 
arbeite dran :)
Danke

@tom:
Ich habe mich auch schon in das Konzept der Syncrongeneratoren 
eingelesen und verstanden, dass sowas schon das Optimum wäre. Das 
Konzept ist super und genau dass, was wir brauchen. Nur finde mal solche 
Dinger im kleinen Massstab! Und selber nachbauen ist so wie ich den 
Aufbau verstanden habe schier unmöglich. Mann muss dazu sagen dass wir 
ein sehr kleines Budget haben. Eine rein elektronische Similulation 
kommt leider nicht in Frage da in unserer Aufgabenstellung expliziet 
drin steht, dass es mechanisch realisiert werden muss.
Ich habe mein Projekt nur sehr knapp beschrieben, da ich euch nicht mit 
unnötigen Informationen belasten wollte. Vielleicht an dieser Stelle 
doch mal etwas ausführlicher:
Es gibt bereits unzählige Softwaresimulationen für Stromnetze, wir 
sollen nun ein Hardwarebasiertes Modell entwickeln und bauen. Wir heisst 
eine Gruppe von 7 Informatikern im 7. Semester. Es wir ein ein Phasen 
Wechselstromnetz mit drei Ebenen (48 Volt, 12 Volt, und 6 Volt wobei die 
Voltzahlen leicht verändert werden dürfen). Die Ebenen sind dann mit 
Transformatoren verbunden und auf jeder Ebene sind Erzeuger Verbraucher 
und Speicher. FPGAs an jeder Komponente sollen für die Regelung 
zuständig sein. Meine Aufgabe ist es die Erzeuger Verbraucher und 
Speicher zu erstellen und für den FPGA regelbar zu machen.
Meine Idee war es nun die Funktionalität der Erzeuger Verbraucher und 
Speicher mit je einem Mikrocontroller abzukapseln. Der FPGA schickt dann 
per UART Kommandos und den Rest regelt der Mikrocontroller. Man könnte 
die Erzeuger auch direkt mit dem FPGA regeln aber ich sehe den Vorteil 
in der modularen Bauweise. Wir haben alle noch nicht mit einem FPGA 
gearbeitet und nun implementieren wir darauf komplexe Steuerungen mit 
eigener Real Time Ethernet implementierung. Da empfinde ich es als 
Vorteil die Erzeuger Verbraucher Speicher abzukapseln und getrennt 
testen zu können. Ich befinde mich nun in der Phase in der ich die 
Machbarkeit überprüfe und versuche die Gruppe von meinem Konzept zu 
überzeugen, daher die Fragen....

@Maik:
Ich verstehe zwar noch nicht viel von dem, was du sagst, aber ich 
arbeite dran :). OP sind Operationsverstärker, richtig? ad736 ist ein 
Baustein von Analog devices, kann man den auch irgendwie direkt kaufen 
oder muss man die bei denen als Testmuster bestellen? Bei Reichelt z.B. 
finde ich den nicht. Ich weiss zwar noch nicht ganz genau was TrueRMS 
ist, aber das scheint ja der ad736 zu regeln (meint googel zumindest). 
Ist das einfach der Effektivwert meiner Spannung?

@all:
Für die Phasensyncronisation habe ich schon eine Phase-locked loop 
Schlatung geplant, es fehlt also eigentlich nur noch Frequenz und 
Spannungsmessung. Kann ich die Spannung nicht einfach mit 
Spitzenwertgleichrichter zu ner Gleichspannung machen und dann per 
Spannungsteiler direkt an nen AD Wandler meines µC? Und die Frequenz mit 
ner Nulldurchgangserkennung (wie das funktioniert muss ich noch googlen, 
das sollte aber machbar sein bei so einem klarem Suchbegriff) und dann 
an nen Eingang des µC und per Timer zählen?

Mfg Nils

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