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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik PWM nach 230V Wechselrichter. Gut oder Schlecht?


Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo.

Es geht um eine Solaranlage. Es gibt keine Verbindung zum öffentlichen 
230 Volt Netz.

Problem ist folgendes.
Sind die Batterien voll, soll der überschüssige Strom über einen 
Heizstab mit 2,5KW (vorhanden) einen Warmwasserspeicher erwärmen.
Die maximale Leisung der Anlage liegt bei etwa 1KW.
Der Sinuswechselrichter macht 3,3KW mit.

Damit ist klar das der Heizstab etwa mit höchstens 40% Leistung 
betrieben wird (werden sollte).
Es wäre natürlich einfach den Heitzstab je nach Batteriespannung ein- 
oder auszuschalten. Ich denke aber das gibt starke Schwankungen auf der 
Netzseite, da die Batteriespannung bei Betrieb des Heizstabes sofort 
wieder stark sinken würde. -> ständiges ein- und ausschalten der VOLLEN 
Last

Mein Gedanke ist nun die Batteriespannung über einen Mikrocontroller zu 
messen und den Heizstab entsprechend zu steuern.
Die Steuerung über PWM wäre sicher die einfachere Lösung. Nur bin ich 
nicht sicher wie der Wechselrichter auf die starken Lastschwankungen 
reagiert. Muss ich hier mit Problemen rechnen? Wenn ja, wie könnte ich 
dann 2,5 KW analog regeln? Ich denke das gibt ein Problem, oder?

Vielen Dank für Eure Hilfe.
Gruß Mario

Autor: Peter Diener (Gast)
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Hallo,

es kommt darauf an, welchen Wechselrichter du hast. Teurere Geräte von 
Berel und ähnlichen haben mit Lastsprüngen überhaupt kein Problem und 
regeln diese einfach weg, ohne, dass man störende Spannungsschwankungen 
am "Netz" bekommt.

Normal sind die Wechselrichter auch phasenanschnittfest, damit kannst du 
deine Leistung wohl am einfachsten steuern und hast keine Sprünge, die 
Flicker erzeugen. Es dürfte kein Problem sein, einen ausrangierten 
Theaterlichtdimmer mit 0-10 Volt Steuereingang und ein paar kW Leistung 
zu sowas zu verwenden. Die Regelung kannst du dann ja mit ein oder zwei 
OP-Amps oder auch per µC realisieren.

Viele Grüße,

Peter

Autor: *.* (Gast)
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Dann werden die Batterien aber ständig geladen/entladen, das ist ihrer 
Lebensdauer nicht zuträglich.

Autor: S. Nafu (Firma: flipdot hackerspace kassel) (snafu)
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Eine saubere, jedoch aufwendige Lösung: Die Last übr PWM zu steuern (Ich 
habe dein Posting nochmal gelesen, bin mir aber immer noch nicht ganz 
klar, ob du das meinst).

(Insel)netz --- Drossel --- Transistorbruecke --- Lastwiderstand
                                   |
                                   |
                                   |
                             PWM-Steuerung
                                   |
                                   |
                                   |
                          U Batterie - Messung
                          (besser Ladungsmenge)

Wenn du das so machst, dann kann die Last ganz soft mal mehr mal weniger 
Strom aus deinem Netz ziehen.

Einfachere Lösung: drei, vier Widerstäne geeignet verschalten, daß du 
schaltbare Laststufen bekommst. Dann geht das azch etwas "milder"...

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo

Danke für die Vorschläge.
So, wie es Samuel gezeichnet hat, dachte ich es etwa.
PWM ist aus meiner Sicht nicht so kompliziert, da es die meisten 
Mikrocontroller integriert haben.
Allerdings! Wie ist das mit der Transistorbrücke zu verstehen?
Ich kenne mich leider nur mit Kleinspannungen aus, aber kann ich bei dem 
Strom noch mit Transistoren arbeiten? Das wäre dann ja eine Heizung für 
sich, wenn man zum Bsp. mit 50% Last (analog) fährt!? Oder?
Ich dachte ehr an Tyristoren.
Mit mehreren Widerständen möchte ich nicht arbeiten, denn die Leistung 
soll ja nicht einfach nur verbraten sonden auch genutzt werden.

Gast hat geschrieben das die Batterien ständig geladen/entladen werden.
Er bezieht sich hier sicher auf die Verwendung von PWM (Last EIN / AUS).
Kann man das SO als laden/entladen bezeichnen, wenn die Schaltvorgänge 
sehr kurz sind (ms-Bereich)??? Dann wäre die Batterie bei zeiten tot, 
oder?

Gruß Mario

Autor: Jochen R. (josch90)
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Da ein Heizstab eine Ohmsche last ist, könntest du diesen ja auch an 
gleichspannung betriben, also brauchst du einfach nur eine einfache 
steuerung, die erkennt, wann die batterien voll sind und dann die 
Solaranlage mit einem Relais direkt auf den Heizstab umschaltet

Autor: Peter Diener (Gast)
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Hallo,

>Dann werden die Batterien aber ständig geladen/entladen, das ist ihrer
>Lebensdauer nicht zuträglich.

Das ist bei Phasenanschnitt nicht so.

Eine Lösung mit Thyristoren lässt ausschließlich Phasenanschnitt zu, die 
kann man nämlich nicht mehr abschalten, wenn man sie gezündet hat.

Jeder Lichtdimmer macht das so.

Und wenn du bisher nur Versuche mit Kleinspannung gemacht hast, dann 
lass bitte di Finger von einer PWM mit Netzspannung, besonders, wenn es 
um mehrere Kilowatt geht. Bei solchen Aufbauten ist nicht nur die hohe 
Spannung gefährlich. Bei falscher Ansteuerung kann es passieren, dass 
Transistoren explodieren und die herumfliegenden Kleinteile größeren 
Schaden anrichten, Menschen verletzen oder ein Brand entsteht. Mit so 
hohen Leistungen ist nicht zu scherzen.

Und wenn ich dich richtig verstehe, soll der Aufbau unbeaufsichtigt 
laufen.

Ich halte es für die sicherste und technisch akzeptabelste Lösung, einen 
Phasenanschnittdimmer mit 0-10V Steuereingang zu verwenden. Die 
Ansteuerung ist hier keine besondere Herausforderung und auch nicht sehr 
gefährlich, wenn alles mit Kleinspannung arbeitet. Nur die Akkuspannung 
sollte gut abgesichert sein.

Mit Phasenanschnitt oder PWM haben die Akkus kein Problem, im Gegenteil, 
das verhindert sogar die Bildung großer Sulfatkristalle, die den 
Ladungstransport stören.

Optimalerweise sollte der Wechselrichter die schnellen Lastwechsel über 
den Zwischenkreis ausgleichen, so dass an der Batterie eine nahezu 
konstante Leistung fließt.

Samuel hat eine Lösung gezeichnet, die die Lastwiderstände auf der 
DC-Seite hat, du willst aber doch einen Boiler verwenden, oder?
Dieser arbeitet mit Netzspannung muss also auf Netzseite des 
Wechselrichters betrieben werden.

Eine PWM-Steuerung ist für diese Anwendung nicht notwendig. Es hört sich 
für dich vielleicht einfach an, das ist es aber nicht. Du brauchst eine 
Signalvorkonditionierung, die die Steuersignale für die 4 
Brückentransistoren herstellt, dabei die notwendige Deadtime einfügt und 
Shoottroughs verhindert. Dann benötigst du für die Ansteuerleistung der 
Transistoren Trenntrafos, die für jeden Transistor oder IGBT eine 
positive und negative Versorgungsspannung zur Verfügung stellen, die 
Steuersignale müssen optisch entkoppelt werden von der erdbezogenen 
Mkrocontrollerschaltung, eine Transistorentsättigung muss sofort zu 
einer Softabschaltung führen und und und...


Bis du so eine Schaltung erfolgreich ohne vorherige Erfahrung mit 
Leistungselektronik in der Leistungsklasse umgesetzt hast, vergehen 
Jahre.

Es mag sein, dass die PWM geringfügige Vorteile hat gegenüber einem 
Phasenanschnitt, das handelt dir aber auch neue Probleme ein. Abgesehen 
vom komplizierten Aufbau, sorgt eine PWM für eine Störung des 
Rundfunkempfangs, wenn man nicht geeignete Filter verwendet und die 
ganze Anordnung entsprechend schirmt. Außerdem bedeutet eine PWM für 2kW 
eine erhebliche Geräuschbelastung, die du im ganzen Haus hören wirst, 
wenn du den Boiler dran anschließt.

Ich will dir die PWM nicht pauschal ausreden, aber an dieser Stelle ist 
sie wirklich nicht notwendig und bereitet jede Menge Schwierigkeiten 
ohne einen signifikanten Vorteil genenüber Phasenanschnitt zu haben.

Den Dimmer kauft man z.B. fertig und gebraucht bei Ebay und der kann 
schon alles, was man braucht, hat eine geeignete Absicherung, kann in 19 
Zoll-Schränke auch so verbaut werden, dass das ganze alle 
Brandschutzvorschriften erfüllt.

Wenn es meine Anlage wäre, dann würde ich das so machen.


Viele Grüße,

Peter

Autor: S. Nafu (Firma: flipdot hackerspace kassel) (snafu)
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Eine PWM gesteuerte "Dump Load" für Gleichstrom siehst du hier:
http://www.fieldlines.com/story/2007/7/5/172519/4320

im Prinzip (hüstel) brauchst du nichts anderes, dazu eine dicke Drossel 
im AC-Kreis.

Als Transistoren würde ich dir zu IGBT raten.

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo Jochen,
die Idee gleich die Solarspannung zu "verbraten" hatte ich auch schon.
Direkt umschalten (Solaranlage auf Batterie / Heizung) macht nicht viel 
Sinn, da man ja immer Strom im Haushalt benötigt. Das Bedeutet das sich 
die Last auch ständig zu und abschalten würde.
Hätte der Heizstab 24 Volt wäre es sicher einfacher, da ich mir dann um 
den Wechselrichter keine Gedanken machen müste.

Der Heizstab hat 2,5KW bei 230 Volt. Bei 24Volt hätte er gerade noch 
etwa 136 Watt :o(.

Man müste also einen Heizstab mit 24 Volt und 1KW haben. Hmmmm.

Autor: Peter Diener (Gast)
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>Der Heizstab hat 2,5KW bei 230 Volt. Bei 24Volt hätte er gerade noch
>etwa 136 Watt :o(.


Ich komm da auf 27 Watt.

Peter

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo Peter.

Na an was man nicht alles Denken muss.
Ich hatte allerdings nicht vor das ganze in ein Kunststoffgehäuse zu 
basteln.

> das verhindert sogar die Bildung großer Sulfatkristalle, die den
Ladungstransport stören.
AHA, wieder was gelernt !

>Thyristoren lässt ausschließlich Phasenanschnitt zu
Stimmt ja. Schei.. Alzheimer ;o)

Ich denke dann auch, das ich lieber auf einen Phasenanschnittdimmer mit 
0-10V Steuereingang zurückgreifen werde. Dann muss ich mir um die 
Sicherheit nicht SOOOO viele Gedanken machen.

Die Ansteuerung ist dann eigentlich kein Problem mehr.

Vielen Dank an alle !!!!!

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Peter Diener wrote:
>>Der Heizstab hat 2,5KW bei 230 Volt. Bei 24Volt hätte er gerade noch
>>etwa 136 Watt :o(.
>
>
> Ich komm da auf 27 Watt.
>
> Peter

Hallo Peter,

Wie ich jetzt auf 136 gekommen bin, verstehe ich auch nicht, aber wie 
kommst Du auf 27 ?

Autor: Mario G. (rodenberger)
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OK, ich habe schnell mal auf EBAY geschaut

Ebay-Artikel Nr. 180308798294

Das wäre ja fast optimal, oder?
Das soll keine Werbung sein, aber bei dem Preis braucht man das wirklich 
nicht selber bauen.

Autor: Peter Diener (Gast)
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>wie
kommst Du auf 27 ?

P = U^2 / R;

P - Leistung
U - Spannung
R - Widerstand der Heizung.

Annahme R ist immer gleich (trifft gut zu bei einem Boiler).

Man rechner den Widerstand des Boilers aus mit P = 2500 Watt und U = 230 
Volt. Das gibt R = 21,16 Ohm.

Jetz verwendet man die neue Spannung U = 24 Volt mit 21,16 Ohm in die 
Formel eingesetzt. Das gibt eine Leistung von P = (24V * 24V) / 21,16 
Ohm = 27,22 Watt.


Oder schneller: (24V/230V)*(24V/230V)*2500Watt = 27,22 Watt.


Peter

Autor: Peter Diener (Gast)
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>OK, ich habe schnell mal auf EBAY geschaut

Der braucht ein Poti zum ansteuern, mit einem µC wird das nichts, 
außerdem ist der Steuereingang nicht potentialfrei zum Netz.

Warte mal kurz, ich such mal was gescheites bei Ebay.

Peter

Autor: Peter Diener (Gast)
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Der ist gut:

http://cgi.ebay.de/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=...

Wird aber über DMX Digital angesteuert, das ist mit einem µC aber kein 
Problem, das geht über den uart.

Hier im Forum gibts auch schon fertigen code dazu.

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo Peter,

besten Dank nochmals.

Wenn man es eben schneller rechnen will:
2500W / 220V * 24V
kann das ja nicht klappen schäm
Da ist eben nix proportional.

Zu meinem Link gibs noch Zusatzmodule um das ganze mit einer Spannung 
anzusteuern.

Danke für deinen Link und deine Geduld.
Der DMX Dimmer sieht schon viel besser aus.
Ich suche dann gleich mal nach dem Code.

Gruß Mario

Autor: Peter Diener (Gast)
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Wenn du mit dem DMX-Code von hier nicht zurecht kommst, kann ich gerne 
weiterhelfen, daran solls nicht scheitern.

Ich habe viel Erfahrung mit DMX, wir haben in der Schule damals für 
unsere Theatertechnik viel damit gemacht und Geräte selbst programmiert.

Und du brauchst ja nur eine Adresse, das ist höchstens Code für 50 
Zeilen C.
Problemlos machbar auf einem AtMega8 oder vergleichbarem.


Peter

Autor: Mario G. (rodenberger)
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Hallo Peter,

also mit so viele Hilfe habe ich nun gar nicht gerechnet.

C ist nicht so mein Ding. Ich programmiere in Assembler, und das leider 
auch "nur" für PICs.
Aber ich komme gerne auf dein Angebot zurück.
DMX sagt mir im Moment noch gar nix. Ist das etwa so wie I2C?

Erst mal sehen wo der Preis bei dem Dimmer hingeht, dann mach ich mir 
weitere Gedanken über den Code.

Mario

Autor: Peter Diener (Gast)
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Hallo Mario,

DMX ist eine asynchrone Schnittstelle, die nur in eine Richtung Daten 
überträgt.
Es gibt daher kein Clock-Signal dazu. Der Leitungsstandard ist wie bei 
RS-485 ohne Handshake.

Es gibt am Kabel also Gnd und Signal, wobei das Signal nicht invertiert 
und invertiert übertragen wird um Gleichtaktstörungen zu unterdrücken - 
also 2 Adern (+Signal, -Signal) in geschirmtem (Gnd) Kabel.

Im Prinzip kann jeder UART eines µC DMX herstellen, man braucht dann nur 
noch den Leitungstreiber, z.B. Max485, um das Differenzsignal daraus zu 
erzeugen. Das kommt dann auf den 3pin oder 5pin XLR-Stecker des DMX.

Damit lässt sich eine Übertragungsstrecke von bis zu 2 km aufbauen, was 
man in großen Theatern auch oft fast voll ausnutzt.

Der Bus ist an sich dafür konzipiert, Dimmer für Theaterbeleuchtung 
anzusteuern. Mittlerweile werden aber auch andere Geräte damit 
gesteuert.

Ein DMX Signal darf bis zu 512 Adressen enthalten. Jede Adresse 
überträgt 8 bit Daten. Üblicherweise ist am Dimmer für jeden Kanal 
(Scheinwerfer) eine eindeutige DMX-Adresse eingestellt. Der jeweilige 
Kanal horcht nur auf die Daten dieser Adresse.

Es gibt keierlei Rückmeldung vom Dimmer.

Jedes DMX-Gerät hat auch wieder einen DMX-Ausgang, an dem genau das 
Signal rauskommt, was eingespeist wurde. Die Geräte werden so alle 
hintereinander geschaltet.


Das Protokoll sieht etwa so aus:

http://de.wikipedia.org/wiki/DMX_(Lichttechnik)

UART - Asynchrone Schnittstelle,
gesendet wird bei 250 kBit/s
Es gibt eine Start- und Stopsignalfolge, die ein ganzes Telegramm mit 
max 512 Datenbytes beginnt und beendet.
Die Telegramme werden immer mit vollem Inhalt wiederholt gesendet, etwa 
50 mal in der Sekunde.
Nach einer Startfolge kommt ein Startbyte, dann folgt das Datenbyte für 
Adresse 1, dann Datenbyte für Adresse 2 usw.

Man darf nach jedem Datenbyte das Telegramm beenden, wenn man z.B. nur 
ein DMX Gerät mit einer Adresse (wie in deinem Fall) hat, überträgt man 
nur das erste Datenbyte und vielleicht ist noch das zweite nötig für den 
Empfänger und dann bricht man das Telegramm ab.

Damit ergibt sich eine Minimallösung für den einen Dimmer, die etwa so 
aussieht:

Startbedingung, StartByte, Datenbyte 1 (Stellgröße für Dimmer), 
Datenbyte 2 (braucht der Empfänger vielleicht noch, Inhalt egal), 
Stopbedingung

Das ganze sendet man etwa 50 mal in der Sekunde.


Natürlich kann man das auch auf einem Pic machen, wenn er einen 
Hardware-UART hat. Vielleicht geht es sogar in Software auf einem 
Portpin, ohne Uart. Bei nur zwei Adressen kann das funktionieren.

Demnächst fange ich an einem Projekt an, das ein DMX Sender und 
Empfänger wird, den man über USB an den PC anschließt. Das soll auf 
einem ATMEGA2561 laufen, der ist für deine Anwendung völlig oversized, 
aber ich brauch noch jede Menge andere Funktionen in dem Gerät.

Die Routinen für die DMX-Signalerzeugung mit bis zu 512 Adressen sollten 
mit geringem Aufwand auf einen ATmega8 abzuändern sein, das könnte ich 
dir dann geben (auch getestet für einen mega8). Ich wollte eh mal einen 
DMX-Tester bauen, das mach ich dann daraus. Schadet ja nicht, wenn das 
noch mehr Leute brauchen können.

Die AVR Entwicklungsumgebung ist ja kostenlos, programmiert bekommt man 
den AVR als Minimallösung mit 4 Widerständen über den Parallelport eines 
PC (es gibt natürlich auch schönere Lösungen).

Bis du mit der Verkabelung der Leistungselektronik fertig bist, werde 
ich vermutlich den Code für den Atmega2561 erstellt haben.

Auf einem 51er Prozessor läuft mein DMX-Code schon seit Jahren 
zuverlässig, ich muss das nur auf den AVR umsetzen. Jetzt ist der Code 
in Pascal mit Assembleranteil, für den AVR möchte ich reines C 
verwenden.

Eine Umsetztung in Assembler wäre zwar sicher effizienter, ich habe aber 
noch ein Grafik-LCD mit jeder Menge Bildern und Benutzereingabe- und 
Anzeigemöglichkeiten, deswegen C.


Deine Schaltung wird ja die Minimallösung von meiner, da ist ja nur noch 
der Spannungsregler, der Mikrocontroller und der Max485 übrig.

Mit einem Potentialtrennverstärker (OPAMP) holst du dir dann noch die 
Batteriespannung auf einen der integrierten AD-Wandler und baust den 
Lastregler in die Software ein, der in Abhängigkeit von der 
Batteriespannung einen DMX-Sollwert an die DMX-Routine übergibt.


Peter

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