Kirjoittaja Aihe: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä  (Luettu 622 kertaa)

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Kaupalliset valmiit lataussäätimet näyttäisivät rajoittuvan noin 400W max tehoon 12V akustolle. Tarvitsen n. 800W buck-lataussäätimen tuulivoimalalle enkä haluaisi muuttaa akustoa. Siispä ajattelin kokeilla TSI-ratkaisua jossakin välissä. Alustavasti suunnitelmissa on käyttää 16MHz arduinon tai teensyn pwm-lähtöä (n.60kHz) ja rinnankytkettyjä fettejä esim. IRFB4110, jonka jännitekesto on 100Vds ja virta max 120A full enhancement. Total gate charge on isohko 210nC, joten high side gate-ajurina voisi toimia IR2110 (130mA) kun niitä on sopivasti valmiina. Tarvittaessa 1 ajuri per fetti. Virtamittauksessa tarkoitus on käyttää sopivaa Allegron hall efektisensoria, jossa virrankesto riittää helposti >100A. Diversion load -ohjaus onnistunee SSR-kytkimillä ja kokonaisbudjetin pitäisi pysyä alle 100e. Sähkösuunnittelu ja leiska syntyvät Kicadilla ja piirilevy + alumiinijäähyt valmistuvat helposti TSI-jyrsimellä. Jos kiinnostusta riittää niin voin päivittää tuotoksia tänne kunhan saan projektin kunnolla käyntiin.

Osat protoon näkyvät tässä takaisinkytkentää lukuunottamatta:
https://imgur.com/a/TQa9t30

Toroidi on FE36-3E25 μ = 5500 ja 16 kierroksella induktanssi on 2mH. Saturaatiovirrasta ei ole tietoa - app noten http://ferroxcube.home.pl/prod/assets/sfappl.pdf perusteella 3E25 ei ole varsinaisesti sopiva energian siirtoon, mutta kokeilenpa tätä kuitenkin. Lisätietoa googlatessa löytyi myös sellainenkin nippelitieto, että ilmaraon sahaamalla toroidin saturaatiovirtaa voisi toki nostaa ("Energy storage performance can be optimized by gapping the core"). Lisätietoa täällä https://www.mag-inc.com/Design/Design-Guides/Inductor-Cores-Material-and-Shape-Choices ref

Tässä nopea tarkistus kantikkaalle AC-jännitteelle (https://www.vkham.com/Info/ferro/tut_3.html) 80Vrms, 60kHz, 1.03cm2 poikkipinta-ala, N = 16
Bmax = (80 * 100) / (4. 00* 0.0625 * 16 * 1.03) = 1942 gauss eli 1.942T
Läninnä vastaavalle 100kHz-taajuudelle taulukossa annettu Bmax on vain 250 gauss, joten kierroksia tai toroidin kokoa pitänee ainakin kasvattaa. 3F3-coreen vaihto on kuitenkin helpompaa, jos saturoituminen on jokin ongelma. 3F3:ssa on jauheydin, jossa ym. ilmaväli on tavallaan sisäänrakennettu ominaisuus 3E25:n ferriittiytimeen verrattuna. Uskotaan ehkä kun ym. gapping core -linkissä ref niin on sanottu.

2mH induktanssiin varastoituu magneettista energiaa kaavalla 1/2*L*I2. 800W ja 12V tarkoittaa 67A tehollista virtaa, jolle magneettikentän energia on tiettävästi 4489Ws, jos kelan magneettikenttä ei saturoidu. Intuitio sanoo tässä kohdassa, että induktanssi on liian iso tälle virralle ja taajuudelle. 62.5kHz taajuudella yhdessä syklissä tapahtuva energiakonversio (sähkö > magneettikenttä > sähkö) olisi siten noin 71mWs eli 71mJ. Lukema vastaa samaa energiaa, joka varastoituu 1000uF kondensaattoriin 12V jännitteellä (0.5xCV2). Koitan tarkistaa onko lukema realistinen ~40mm kokoiselle toroidille.

Gate driver on bootstrap-tyyppiä eli sillä voi ohjata n-kanavaista high side mosfettia (Vgs = 10..20V) pienen virtaa rajoittavan sarjavastuksen kautta. Bootstrap-diodina on FR-107 ja varauspumpussa on 1uF 50V elektrolyytti. Myös low side fettinä on IRFB4110 (Vds 100V 120A), mutta arduinosta ei välttämättä saa sille suoraan ihan sopivaa ohjausta: high ja low side eivät saisi olla kytkettynä samanaikaisesti. Jos ei onnistu muuten millään yksinkertaisella ratkaisulla niin korvaan low side -kytkimen riittävän järeällä diodilla, joka hukkaa tiettävästi vähän hyötysuhdetta aktiiviseen kytkimeen verrattuna.

Arduinon timer0 pwm:n (pin 5 tai 6) saa toimimaan 62.5kHz vauhdilla tällä setupilla:

  pinMode(6, OUTPUT); 
  TCCR0B = TCCR0B & 0b11111000 | 0x01; // 0x01 = 62.5kHz
  OCR2B = 50; // tämä taitaa olla tarpeeton
  analogWrite(6,pw); // pw = 0..255 eli pulssinleveys 8-bittisenä

loopissa voi sitten säätää pulssinleveyttä takaisinkytkennän (lähtövirta/-jännite/rpm/tsr tjms.) funktiona analogWrite()-funktiokutsulla. Ideana on siis toteuttaa lähdon ja kuorman sovitus puskuroimalla myllyn tuottamaa energia tasaisella taajuudella toroidin magneettikenttään ja muuntamalla se akustolle sopivampaan jännitteeseen ennalta määritellyllä virta / jännite -käyrällä. Ehdin tilata ennen postilakkoa 128x64 grafiikkanäyttöjä, jonka avulla voisi sitten tehdä noi tehokäyrän pikasäädöt laitteeseen sisäänrakennettuna. Ensin kuitenkin pitää varmistaa, että jännitteenmuunnos toimii muuten riittävän hyvin.

Selostus on vähän sekava, mutta toimii samalla ajatusten koosteena kun pähkäilin asiaa tässä illan mittaan. Elektroniikkaharrasteita on takana jo 35v ja nykyään alkaa jo jotenkin hommat sujua, vaikka monastikin pelkkä pof riittää kun jokin idea pitää kokeilla. Kaikista ideoista ei tule heti valmista varsinkaan, jos ei aloita ensinkään.
« Viimeksi muokattu: 05.12.19 - klo:14:04 kirjoittanut vesioinas »

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #1 : 05.12.19 - klo:12:49 »
Haeskelin high power toroideja ja aliexpressin kautta näyttäisikin saavan kohtuuhintaan FeSiAl-toroideja (rautasilikaattialumiini?) ainakin 210A virrankestoon asti. Esim.
https://www.aliexpress.com/item/32721289861.html
160A toroidin paino on hieman reilut 400gr, kuparijohtimia näyttäisi olevan rinnakkain n. 6mm2 yhteensä ja induktanssi on n. 45uH. Ko. corelle Bsat on tiettävästi 1..2T. Bmax-kaavassa pitää muuttaa kierrosmäärä 16->12 ja poikkipinta-ala kasvaa 2-3-kertaiseksi, jolloin laskettu Bmax on alle teslan luokkaa. Induktanssi on yli kertaluokkaa pienempi (2mH -> 45uH) ja se määrää suoraan lähtövirran rippelin - kun tarkoitus on syöttää virta akkuun, jolla on pieni sisäinen resistanssi niin virran rippeli ei haittaa. Laitan pari tuollaista möhkälettä (80A ja 160A) tilaukseen. Tuollainen 400gr kun tipahtaa postiluukusta niin ei jää huomaamatta - yksi aikoinaan postin tuoma ferriitti meni pudotuksessa poikki kun lähetys oli huonosti pakattu  :o
« Viimeksi muokattu: 05.12.19 - klo:12:59 kirjoittanut vesioinas »

Mikkolan

  • Jäsen
  • **
  • Viestejä: 254
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #2 : 05.12.19 - klo:20:41 »
IRFB4110 ihan hyvä fetti sikses, n. 4 mohm. Niitäkin kannattaa pistää isorivi rinnakkain. Tuplaamalla fettien määrän kokonaishäviöteho aina puolittuu.
Itellä oli 18 kpl irfp3006-fettejä vähän roheemman mottorin ohjaimessa, ( n.150 A ), mutta fetit silti hiukan kuumenivat. Fettien hinta kokopaskassa ei paljoa tunnu.

Toroideista en paljon ymmärrä, tai siis olin ymmärtävinäni ettei se tarvii ilmarakoa kun se on jo tavallaan olemassa siinä aineessa? 50-luvun autosähkömies kun joutuu suurtaajuus puolelle niin on siinä aika iso gappi kiinni kurottavaksi ;)

Iso peukku hommalle, toivotaan että onnistuu ja tiedon sekä kokemuksen murusia tippuu tänne tyhmenpienkin  pöydille :)

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #3 : 06.12.19 - klo:01:27 »
Kiitoksia peukutuksesta. Fetit ottavat lämpöä ainakin, jos gate-ajurit eivät nykäise total gate -varausta ylös tai alas riittävän nopeasti tai jos drainin notkahtaessa parasiittikapasitanssit laskevat gate-jännitteen hetkellisesti jonnekin thresholdin tuntumaan tai jos high side ja low side sattuvat aukeamaan jostakin syystä ajallisesti päällekäin. Tämä jälkimmäinen ongelma on yhä ratkaisematta tässä mun suunnitelmassa, mutta eiköhän siihen löydy jokin epäsymmetrinen RC-viive tjms. Muuten joskus kun tilasin läjän noita IRFB4110-fettejä tuntemattomalta toimittajalta Kiinasta niin tuntuivat olevan vähän eri speksillä kuin mitä originaali valmistaja oli määritellyt. Rdson oli selvästikin kertaluokkaa isompi kuin mitä sen piti olla. Toistin tilauksen oikean toimittajan kautta niin sitten asia korjaantui. Markkinoilla on siis myös halpoja kopioita ja hinta on yleensä hyvä indikaattori.

Korjaisin aloituksen postiin vielä ajurin, joka on siis IR2103, eikä IR2110. Tekstin editointi ei kuitenkaan näytä enää onnistuvan. Piirtelin jo alustavasti skemaa ja leiskaa ja loin puuttuvat symbolit niin, että sain jonkinlaisen g-koodin ulos flatcamistä - asetukset olivat vähän aikaa hakusessa kun en ole ihan hetkeen jyrsinyt levyjä. V-terällä on tarkoitus tehdä 1-puolinen piirilevy kunhan saan perustoiminnan ensin testattua koekytkentälevyn avulla.  Lopputloksestahan ei ole takeita ja suunnittelen tätä toistaiseksi vain itselleni - kupletin juoni on näissä harrastehommissa paljolti uusien asioiden oppimisessa ja omien osaamisrajojen hakemisessa. Väkisin ei onnistu mikään, mutta aika usein ongelmat ovat ratkenneet kun on hetken aikaa tehnyt jotakin ihan muuta. Jyrsimen rakentelusta voisi myös kertoa pitkät tarinat, mutta en ehkä sotke sitä enempää tähän varsinaiseen aloituksen aiheeseen.
« Viimeksi muokattu: 06.12.19 - klo:07:41 kirjoittanut vesioinas »

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #4 : 08.12.19 - klo:17:53 »
Simuloin ratkaisua high side (HIN musta käyrä) ja low side (invertoitu /LIN sininen käyrä) ohjaukseen ja seuraavaksi pitäisi kokeilla samaa käytännössä. Kytkimien tilanvaihdossa on puolen mikrosekunnin viive, jolloin kumpikaan kytkin ei johda. Katkoksien aikana induktanssista syntyvät jännitepiikit pitää leikata pois kytkimen ulostulosta. Vihreä käyrä on gate-ajuria ohjaava pwm-lähtö.
https://imgur.com/a/n4aPFA3

Päivitin skeman ja leiskaa ensiksi - fettejä on yhteensä 8kpl. Simuloin jyrsintää, josta on myös lyhyt videonpätkä - punaiset kohdat syövät kuparia ja sinisissä segmenteissä terä on irti työkappaleesta:
https://imgur.com/a/cUNQEWd

Simulaattorin piirto ei oikein pysy tahdissa työn lopussa vaan ohittaa muutaman segmentin/kulman virheellisesti. Tuon saa helposti korjattua pienellä viiveellä tai - jyrsintä oikeasti ohjatessa G-koodparseri jää odottelemaan kuitteja komennoista, joten silloin lisäviive ei ole tarpeen. Tarkistan yleensä simuloimalla ensin, että lopputulos vastaa suunnilleen haluttua. Tässä G-koodissa on hieman reilut 48k askelta.

KiCadissa on myös 3D-viewer, mutta itse piirrettyjen symbolien mallit puuttuvat.
« Viimeksi muokattu: 09.12.19 - klo:01:18 kirjoittanut vesioinas »

Ilmaisenergia.info

Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #4 : 08.12.19 - klo:17:53 »

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #5 : 10.12.19 - klo:18:28 »
Testasin eilen gate-ajureiden toimintaa sen verran, että skemaa pitää heti korjata. Fettien ohjurina on IR2103, jota voi ohjata yhdellä pwm-lähdöllä kun toisen fetin ohjaus on invertoitu. Ohjaimessa on lisäksi 10V alijännitesuojaus, eikä fettien ohjaus onnistu sitä pienemmällä käyttöjännitteellä. Alunperin tarkoitus oli käyttää akun napajännitettä käyttöjännitteenä. Mutta tässä piilee se ongelma, että napajännite voi notkahtaa kuormapiikissä, jolloin ko. alijännitesuojaus kytkee päälle ja estää toiminnan. Tämän vuoksi riittävä käyttöjännite pitää varmistaa pienellä hakkurilla tjms. Selvittelen tuohon jonkin mahdollisimman yksinkertaisen ratkaisun. Testaus jatkuu seuraavaksi 80A toroid-kelan kanssa kunhan tilaus saapuu perille. Myös ohjaimet tuntuvat kärähtävän helposti oikosulkujen jms. vuoksi ja tilasin niitäkin lisää varalle. Hakkurikytkentä on skaalautuva ja ainakin alustavasti ajattelin neljää rinnakkaista kytkinparia. Isompien virtojen testaus ei kuitenkaan onnistu koekytkentälevyllä vaan siihen tarvitaan jo jonkinlainen proto. Isoista virroista ja induktansseista aiheutunee uusia haasteita, mutta niitä pitää selvitellä sitten vaan erikseen.

Huominen sääennuste lupailee 7m/s keskituulta lähes koko päivän ajaksi. Tarkoitus on mittailla samalla vähän tuotantolukemia. Myllyn nimellisteho on 600W, mutta käytännön lukemista ei ole vielä mitään tietoa. Katsotaan, jos saan jotakin raporttia tännekin näytettäväksi.
« Viimeksi muokattu: 12.12.19 - klo:10:10 kirjoittanut vesioinas »

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #6 : 12.12.19 - klo:09:37 »
Päätin vaihtaa fet- ohjurin vielä toiseen tyyppiin IR2104, jossa on shutdown-tuki, yksi yhteinen ohjaussignaali molemmille kytkimille (hi/lo) ja sisäänrakennettu 500ns kytkentäviive kytkimien ohjauksessa. Shutdown avaa molemmat kytkimet ja sen avulla voisi säästyä yksi hintava 75A ssr-moduli kun akustoa ei tarvitse kytkeä erikseen irti hakkurista releellä. Tosin en ole varma saako tuon toimimaan oikein heti virtaa kytkettäessä. Jos lo-kytkin jää vaikka jotenkin osittain auki bootin ajaksi niin virta muuttuu nopeasti lämmöksi ja ainakin fetit tuhoutuvat. Pitänee testata käytännössä kelluuko lo-lähtö vai onko siinä jonkinlainen passiivinen alasveto. Hi-kytkimillä on merkitystä vain, jos generaattorissa on jännitteet päällä bootissa - sähköjarrua ei saa tehtyä tälläkään ohjurilla, mutta sen voinee tehdä diskreeteillä erikseen. Yksi alkutilan suojauskonsti on kytkeä akusto kiinni vasta bootin jälkeen, mutta siinä on toki aina käyttäjävirheen mahdollisuus.

Yksinkertaistettu lohkokaavio (vain yksi kytkinpari) näyttää tältä
https://imgur.com/a/KINQLX6

Tuohon pitää lisätä vielä ainakin käyttöliittymä. Gateajurin hi-puoliskon pitäisi kestää 600V, mutta ohjaussignaali voisi olla kytketty varmuuden vuoksi optoerottimen kautta. Sopiva osa näyttäisi olevan esim. ACPL-M46U.

Lisäksi rpm-mittaukseen oli jo toimiva ratkaisu entuudestaan, mutta en nyt heti muista tarkkaan, että kuinka se olikaan tehty. Taisi olla vaan dc-blokilla tehty triggaus nollapisteen ohitukseen hystereesin kera yhdestä vaiheesta mitattuna.

Sulake pitänee siirtää jarrun jälkeen ja lo side fetin body diodin rinnalle laitan vielä freewheeling-diodin (esim. Schottky MBR10100G) lisäsuojaksi. Vs ei saa käydä juurikan negatiivisena (undershoot), koska se jättää app noten mukaan hi side fetin johtamaan (latch-up) ja myös ajuri voi rikkua. Body diodi ei ole välttämättä muutenkaan riittävän nopea - etenkään reverse recovery. Ntc-vastus kytkee jarrun, jos fetit/jäähdytyslevyt alkavat lämmetä liikaa. Koekytkentälevyllä gate-jännitteet tuntuivat oskilloivan pahasti kun kytkin oikosuljetun 2mH toroidin kuormaksi fettien keskipisteeseen. Virrankulutus oli 11V jännitteellä vasta 3A kun pulssisuhde oli 50% -> johtimien pituudet pitää pyrkiä minimoimaan ja käyttöjännite puskuroida riittävästi niin ringing-ongelma toivottavasti katoaa. Pulssisuhde ei voi olla täyttä 100%, koska bootstrap lakkaa silloin toimimasta. En tiedä vielä mikä on käytännön maksimi. Ehkä jokin 15us/16us -pulssisuhde voisi vielä toimia.

Tässä pari hyvää app notea gate-ajureista (bootstrap-mitoitus, Vs undershoot protection jne.) :
http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-978.pdf
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN-6076.pdf.pdf
« Viimeksi muokattu: 14.12.19 - klo:08:36 kirjoittanut vesioinas »

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #7 : 13.12.19 - klo:17:14 »
Tilasin aliexpressin kautta 12V ja 5V buck boost -modulit powereiksi (PSU) gate-ajureille ja arduinolle:
https://www.aliexpress.com/item/32963598972.html

Vaikka akun napajännite notkahtaisi alle 10V tilaan niin gate ajurin käyttöjännite pysyy 12V:ssa. Arduino toimii 5V jännitteellä. EN-signaalilla hakkurit saa tarvittaessa pois päältä - esim. gate-ajureita on turha käynnistää, jos generaattori ei pyöri. Arduinon saa nukkumaan <1mA virrankulutuksella niin, että gpio-tilat on lukittu. Sitä ei tarvinne sammuttaa kokonaan. Kyotton järeät 75Adc ssr-releet ja johtimien kytkentäkiskot tulivat postilla tänään. Yksi rele maksaa melkein 30e ja tarvitsen ainakin 2kpl. Kokonaisbudjetti on näillä näkymin vähän alkuperäissuunnitelmaa isompi eli 100->200e. 
« Viimeksi muokattu: 14.12.19 - klo:08:39 kirjoittanut vesioinas »

fraatti

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 21
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #8 : 13.12.19 - klo:17:41 »
Vakuuttavaa touhuamista. Taustaa elektroniikan parista lienee jo pitkät siivut...

vesioinas

  • Tulokas
  • *
  • Viestejä: 25
Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #9 : 13.12.19 - klo:21:52 »
Vakuuttavaa touhuamista. Taustaa elektroniikan parista lienee jo pitkät siivut...

Varsinainen ammattini on sulautettujen järjestelmien suunnittelu, mutta siinäkin lähinnä ohjelmistopuoli. HW-suunnittelu on enemmänkin harrastejuttu ja kestänyt jo 35v. Bootstrap gateajuri ei ole entuudestaan tuttu juttu, vaikka idea sinänsä on selvä. H-siltoja on kyllä tullut tehtyä moottorikäytöille ja RC-laitteisiinkin kaikenlaista servo- ja askelmoottoriohjausta. Tämä tehonsäädin on ollut tarkoitus tehdä jo pari vuotta sitten ja nyt sitten sain homman nytkähtämään eteenpäin. Mikäli projekti menee ihan maaliinsa asti niin koitan laatia jonkinlaisen dokumentin tai koosteen tuotoksesta. Jos tästä väliraportoinnista on jotakin hyötyä tai iloa myös muille niin sen parempi. Tämä toimii itselleni jonkinlaisena työkaluna kun pitää välillä koostaa ajatukset luettavaan formaattiin.

Rakennan samanaikaiseti axial flow generaattoria pienehköä vesivoimalaa varten ja voin tehdä siitäkin jotakin koostetta sitten kun vortex-altaan suunnittelu ja rakentaminen alkaa. Ko. generaattorissa ei sinänsä ole mitään erikoista kuin se, että tietyt osat ovat 3D-tulostettuja - tavoittelen sillä tavoin mahdollisimman pientä käynnistysmomenttia ja tarkkaa balansointia. Pakkaskestävyys voi olla pieni haaste, mutta jäätyyhän se koko purokin viimeistään tammikuussa.

Metallien työstöä varten on pieni paja, josta löytyy suunnilleen kaikki tarvittava metallisorvia lukuunottamatta. Pieni Proxxon on kyllä ollut harkinnassa. Tämän hahmon videot ovatkin olleet varsin inspiroivaa ajanvietettä ja riittävät toistaiseksi https://www.youtube.com/channel/UCgye4RmWOR8AmleinMxgbYw
« Viimeksi muokattu: 14.12.19 - klo:08:48 kirjoittanut vesioinas »

Ilmaisenergia.info

Vs: Buck invertteri ohjelmoitavalla tehokäyrällä
« Vastaus #9 : 13.12.19 - klo:21:52 »