Как получить чистую синусоиду из модифицированной. Часть 1
Еще не стерлись из памяти события «лихих» 90-х. Помнится МММ, разгул криминала, веерные отключения электроэнергии. На Украине, например, во второй половине 90-х дело доходило до того, что свет в жилых районах выключали на 2 часа через каждые 2 часа. Помнится, наиболее коварным был зимний период темноты между пятью и семью часами вечера. Как раз, когда народ возвращался с работы. Выгружаешься на остановке, автобус уезжает, и ты остаешься в полной темноте. Пытаешься привыкнуть, трешь глаза, давишь на глазные яблоки. Все безрезультатно, вокруг полная темнота. Делать нечего, осторожно ступаешь во мраке, пытаясь нащупать заветный забор, который должен вывести к родной калитке и потихоньку, на ощупь, домой.
Однако в этих мытарствах были и положительные элементы. Например, резко возрос спрос на разные бензо- и дизель-генераторы, а также на электронные преобразователи и бесперебойные источники тока. Последнее обстоятельство позволило людям творческим применить свои профессиональные навыки и даже немного улучшить на этом поприще свое финансовое положение. А там, глядишь, появились различные фирмочки, выпускающие эти самые преобразователи и бесперебойники. Какой-никакой подъем в экономике образовался, дополнительные рабочие места и т. п. Собственно, и Ваш покорный слуга, примерно в те времена, из электроники слабосильной подался в электронику силовую.
Нельзя сказать, что тогда с этой самой электроникой сильно мудрили. Делали, чтобы было просто, надежно и дешево. В принципе, для того чтобы питать одну-две лампочки, больше ничего и не требовалось. Однако по мере развития процесса конкуренция ужесточалась. Народу уже стало из чего выбирать. Особо привередливые начали интересоваться формой напряжения на выходе преобразователей и бесперебойников. На что им очень обтекаемо отвечали, что форма там практически синусоидальная, но лишь слегка модифицированная. Более честные говорили, что там присутствует синусоида, но только квадратная. А уж совсем честные говорили напрямую, что их преобразователи и бесперебойники формируют на выходе прямоугольное напряжение с паузой. Но параметры этого напряжения (амплитудное и действующее значение, а также частота) практически соответствуют аналогичным параметрам однофазного переменного напряжения бытовой электросети. В принципе, такое напряжение вполне подходило для основных бытовых электропотребителей, таких телевизоры, компьютеры, а также накальные и люминесцентные лампы. Те же электропотребители, которые требовали чисто синусоидального напряжения (асинхронные двигатели, например), были в меньшинстве и погоды особой не делали.
Однако такое положение не могло длиться вечно. Количество отключений сокращалось и в какой-то момент они практически вообще прекратились. Однако параллельно на рынке бытовых товаров стали появляться отопительные котлы, оборудованные циркуляционными насосами, приводными задвижками и электронным управлением. Такие котлы требовали высококачественного бесперебойного электропитания. В противном случае, при отключении электричества работа системы отопления полностью нарушалась.
И вот тут возникала некая дилемма. Многие владельцы отопительного чуда уже обладали бесперебойными источниками, мощности которых с лихвой хватало для питания котла. Однако, вот беда, циркуляционные насосы ни в какую не хотели крутиться от «прямоугольной синусоиды». Для чудо-котла надо было приобретать новый чудо-бесперебойный источник, формирующий на выходе чистейшую синусоиду. А куда же теперь девать старый, к которому уже душой прикипели. Нехорошо как-то все это!
Но положение не безвыходное и старый друг нам еще послужит! Для питания асинхронного двигателя от прямоугольного напряжения можно использовать фильтр Отто. Есть множество положительных примеров практического воплощения такого подхода. Однако такой вариант не самый простой и, уж точно, не универсальный. После продолжительной и утомительной настройки фильтр можно будет использовать только с конкретным двигателем. Хотелось бы чего-то более универсального. Таким более универсальным решением будет использование в качестве фильтра феррорезонансного или подобного ему стабилизатора. При этом феррорезонансный стабилизатор, включенный после бесперебойного источника, будет не только исправлять форму его выходного напряжения в периоды отсутствия сети (работа от аккумулятора), но и будет стабилизировать напряжение сети в моменты его присутствия.
Ниже приводится описание и принципиальная электрическая схема феррорезонансного стабилизатора мощностью 1000 Вт. В статье приведены формулы и методика расчета, которая позволит вам пересчитать стабилизатор на другую мощность, если это потребуется.
Феррорезонансный стабилизатор
Феррорезонансные стабилизаторы имеют ряд достоинств, таких как высокая надежность и быстродействие, широкий диапазон входных напряжений, хорошая стабильность выходного напряжения, способность к исправлению формы сильно искаженного входного напряжения. Однако, не смотря на все свои достоинства, эти стабилизаторы имеют и некоторые недостатки, к которым можно отнести относительно низкую удельную мощность и высокий уровень шумов, создаваемых при работе.
Не так давно, в 60-80-х годах прошлого века, феррорезонансные стабилизаторы широко использовались в быту для питания ламповых телевизоров. И старшее поколение читателей, скорей всего, до сих пор помнит тот надрывный гул, которым сопровождалась работа этих аппаратов, которые различались формой и расцветкой, но имели вес 10-15 кг при мощности 250-350 Вт.
Основным источником шумов в феррорезонансном стабилизаторе является насыщающийся дроссель. В работе сердечник этого дросселя постоянно насыщается, что приводит к изменению его линейных размеров. Это явление называется магнитострикционным эффектом. О «шумности» этого эффекта говорит хотя бы тот факт, что он широко используется в гидроакустике для генерации мощных акустических волн. Следовательно, если мы хотим построить тихий стабилизатор, то в первую очередь должны избавиться от насыщающегося дросселя. Однако нельзя просто так выбрасывать неугодные комплектующие из стабилизатора. В этом случае мы рискуем потерять его функциональность. Чтобы этого не произошло, сначала нужно найти достойную замену. И на нашу удачу такая достоянная замена имеется. Еще в 70-х годах прошлого столетия была доказана возможность замены насыщающегося дросселя последовательной цепочкой, состоящей из линейного дросселя и двух встречно-параллельных тиристоров [1]. Такая цепь ведет себя аналогично насыщающемуся дросселю, но в отличие от него имеет меньшие размеры и массу, может оперативно регулироваться за счет управления тиристорами, обеспечивает меньшие потери и, самое главное, гораздо меньше шумит. В технической литературе такая цепочка зачастую называется резонансным тиристорным регулятором (РТР) [2]. При необходимости, два встречно-параллельных тиристора РТР можно с успехом заменить одним симистором.
Работа стабилизатора
Функциональная схема стабилизатора с РТР [2] изображена на Рисунке 1.
Рисунок 1. | Функциональная схема стабилизатора с РТР. |
Стабилизатор с РТР имеет практически тот же принцип действия, что и феррорезонансный стабилизатор. Выходное напряжение UН поддерживается на требуемом уровне (220 В). Когда напряжение питающей сети UС имеет минимальное значение, симистор VS1 заперт. При этом напряжение UН поднимается до требуемого уровня за счет резонанса в колебательном контуре L1C1. Если же напряжение питающей сети UС имеет максимально допустимое значение, то симистор VS1 постоянно открыт. При этом дроссели L1 и L2 образуют делитель переменного напряжения, уменьшающий сетевое напряжение до требуемого уровня. В феррорезонансном стабилизаторе насыщающийся дроссель также максимально используется при максимальном входном напряжении, и минимально при минимальном. Дроссель L3 совместно с конденсатором С1 образует фильтр третьей гармоники, улучшающий форму выходного напряжения стабилизатора.
Рисунок 2. | Осциллограммы основных напряжений и токов стабилизатора с РТР. |
Рассмотрим подробнее работу стабилизатора с РТР. На Рисунке 2 изображены осциллограммы основных напряжений и токов стабилизатора с РТР. Выходное напряжение стабилизатора UН выпрямляется при помощи выпрямителя В2. Выпрямленное напряжение UВ2 поступает на фильтр Ф, который выделяет из него среднее, действующее или амплитудное значение, в зависимости от того, какое значение выходного напряжения UН требуется стабилизировать. Далее напряжение с выхода фильтра поступает на сумматор, где сравнивается с опорным напряжением UОП. С выхода сумматора напряжение ошибки поступает на регулятор Рег, который формирует управляющий сигнал, призванный компенсировать отклонение выходного напряжения стабилизатора. Выходное напряжение регулятора UПОР поступает на вход порогового устройства ПУ и определяет его порог срабатывания. На другой вход порогового устройства подается синхронизирующее напряжение UВ1, привязанное к моментам перехода через ноль выходного напряжения UН стабилизатора. На выходе порогового устройства ПУ формируются импульсы управления UУПР, которые усиливаются усилителем мощности УМ и в требуемой полярности поступают на управляющий электрод симистора VS1. Синхронизирующее напряжение создается при помощи интегратора Инт и выпрямителя В1. Благодаря интегратору, импульсы выпрямленного напряжения UВ1 отстают от импульсов UВ2 на 5 мс (фазовый сдвиг –90°).
Импульсы управления UУПР формируются на нарастающем фронте UВ1 между нулевым и амплитудным значением этого напряжения. При увеличении порогового напряжения UПОР импульсы управления максимально сдвигаются к амплитудному значению UВ1 и, соответственно, к нулевому значению UВ2. В этом случае симистор открывается в районе нулевого значения UН и через линейный дроссель L2 протекает незначительный ток IL2, который не оказывает существенного влияния на выходное напряжение стабилизатора. При уменьшении порогового напряжения Uпор импульс управления сдвигается в сторону амплитудного значения UН и через линейный дроссель L2 начинает протекать существенный ток, который шунтирует выход стабилизатора и уменьшает величину его выходного напряжения.
Если выходное напряжение стабилизатора меньше требуемого, то регулятор Рег увеличивает пороговое напряжение UПОР. В результате ток, протекающий через дроссель L2, уменьшается, и выходное напряжение стабилизатора возрастает за счет резонанса в колебательном контуре L1C1. Если выходное напряжение больше требуемого, то регулятор Рег уменьшает пороговое напряжение UПОР. В результате ток, протекающий через дроссель L2, увеличивается и выходное напряжение стабилизатора уменьшается.
Расчет силовой схемы стабилизатора
Рассмотрим практическую методику расчета стабилизатора мощностью 1000 ВА. Такой стабилизатор может использоваться как независимое устройство или совместно с устаревшими источниками бесперебойного питания для получения синусоидальной формы напряжения.
Принципиальная электрическая схема силовых цепей стабилизатора с РТР мощностью SН = 1000 ВА изображена на Рисунке 3. Стабилизатор рассчитан на работу от сети переменного тока 220 В 50 Гц c нагрузкой, имеющей коэффициент мощности cos φН ≥ 0.7, и формирует выходное напряжение UН = 220 В ±1% во всем диапазоне нагрузок при изменении входного напряжения от 150 до 260 В.
Рисунок 3. | Принципиальная электрическая схема силовых цепей стабилизатора с РТР мощностью 1000 ВА. |
Первым делом необходимо определить емкость резонансного конденсатора. Реактивную мощность резонансного конденсатора для стабилизатора без фильтра третьей гармоники можно найти по формуле:
– угловая частота сетевого напряжения, рад/с.
Зная реактивную мощность резонансного конденсатора, найдем его емкость:
Найдем индуктивность линейного дросселя L1:
Найдем индуктивность линейного дросселя L2:
Найдем индуктивность линейного дросселя L3:
Так как в стабилизаторе для улучшения формы выходного напряжения установлен фильтр третьей гармоники, емкость резонансного конденсатора можно уменьшить:
В качестве C1 можно использовать компенсирующие конденсаторы типа К78-99 или аналогичные, предназначенные для коррекции коэффициента мощности электромагнитных дросселей газоразрядных ламп. Например, можно использовать два включенных параллельно конденсатора К78-99 емкостью 50 мкФ, рассчитанных на напряжение 250 В переменного тока. Для этой же цели можно использовать конденсатор типа МБГВ 100 мкФ на напряжение 1000 В.
Инвертор Pure sine wave на базе контроллера EG8010 (модуль EGS002). Чистый синус 220V из аккумулятора
Модуль EGS002 (EG8010 + IR2110) , который мы хорошо изучим на практике
Да, я понимаю. Немного неожиданно. Признаюсь честно, я сам от себя не ожидал. Все нижеописанное — результат стечения обстоятельств, не более.
Одним холодным зимним утром я, как обычно, встал в шесть часов утра, умылся, налил себе кофе и задумался о вечном. Вечное постепенно собиралось в кучу в ещё не проснувшейся голове, но постепенно выстраивалось в стройный ряд планов на грядущий день. Или хотя бы на пару-тройку ближайших часов.
Надо разбудить жену, детей, собрать, одеть и направить в нужном направлении и при этом никуда не опоздать. И тут почему-то резко стемнело… Только писк UPS-ов убедил меня в том, что это не кирпич на голову и не удар в лоб.
Просто отключили электричество.
Содержание / Contents
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.
Какая неприятная мелочь… Проверил щиток. Нет, это не у меня проблема. Электроэнергии нет не только у меня, но и в соседних домах. Уже интереснее… Для меня подобные вещи не являются неожиданностью. Аварийные фонари в доме есть всегда. Привычный атрибут в этом мире.
Но! Жене нужен фен! На работу же идём, а не картошку копать! А света нет. Аварийные бигуди есть, но их применение откладывается по причине «а вдруг сейчас включат?». Но в ответ — тишина. Только писк UPS.
И тут жена произносит фразу, которая в принципе и задала мне направление для исследований:
— У тебя же UPS может питать компьютер? Давай к нему подключим фен?
Все просто, как блин. Я даже не стал вдаваться в тонкости холодного пуска UPS на тяжелую нагрузку, мощность фена, несовпадения розеток там и там, пустую трату времени и прочие несущественные с точки зрения простой логики вещи, просто сказал:
— Не потянет.
Это не убедило. Но и тема закрылась сама собой. А вот идея то осталась.
Понятно, что свет дали через два часа, когда фен уже и не нужен был, и что подобные проблемы случаются раз в несколько лет, но вот я всё же решил хотя бы почитать о том, как решают подобные задачи вообще. Изучить, так сказать, матчасть.
А дальше стало просто интересно. Итак. Что мы имеем?
Источник постоянного тока — аккумулятор. Заряженный любым способом — например от солнечных батарей, ветрогенератора, генератора автомобильного двигателя, просто от электросети.
Задача — получить с него стандартную электрическую сеть небольшой мощности. Например, для того-же фена, телевизора, компьютера и прочего, когда обычная электросеть по разным причинам недоступна.
И как же прогрессивное человечество решает эту проблему? Преобразователем постоянного напряжения в переменное. В простонародье — инвертор. Однако здесь возникает вопрос — какой инвертор? Какие нужны параметры, характеристики и прочее?
При изучении вопроса было выявлено несколько основных путей. Так как нужно получить переменный ток, инверторы «изготавливают» две формы переменного напряжения.
1. Modified sine wave — модифицированная синусоида, применяется в недорогих UPS и инверторах, как правило получается при использовании двухтактного мощного каскада и трансформатора или H-моста и трансформатора.
2. Pure sine wave — чистая синусоида. Получается, как правило, с использованием ШИМ.
Применяется в более дорогих UPS, также UPS двойного преобразования, более сложных и дорогих инверторах.
В принципе, вопрос выбора схемотехники не стоял вообще. Есть масса полудохлых UPS, можно даже при желании сломать и нормальный, но только вот вопрос в том, что все они все же modified типа, а нормальных у меня есть всего два или три, и их откровенно жалко ломать.
А как иначе, не ломая ещё вполне живой UPS, можно получить контроллер с PWM?
Кто-то спросит — что, для фена обязательно pure sine? Лицо не треснет?
Так ведь если делать, так нормальный, чтоб не было ограничений по типу нагрузки. А вдруг завтра холодильник понадобится? Собрать мультивибратор — я это делал в радио кружке. Пилить прошивку контроллера для PWM? А смысл? Купить? Не спортивно. Бросить? Так уже появился интерес!
После длительных поисков у китайцев, в интернет-магазинах и просто так, была случайно найдена в продаже плата. Просто печатная плата EGP1000W для изготовления киловаттного инвертора с нормальным синусом на базе неизвестного мне контроллера EG8010 .
Набираем в поисковике » EG8010 » и вот, оказалось, друзья из Китая уже производят то, что мне нужно.
Занимается этим фирма EG Microelectronics Corporation . Китай. Провинция Чжэцзян. Есть английский даташит. Производят версии однофазные и трехфазные.
Сам по себе контроллер довольно функциональный. Параметры настраиваются наплавляемыми перемычками на плате — частота, Dead time. Есть индикация состояния на светодиоде. Стабилизация выходного напряжения. Порог — 3 В. Контроль и измерение потребляемого нагрузкой тока, на этом измерении завязана защита от перегрузки. Порог — 0,5 В.
Термоконтроль выходных ключей внешним датчиком с включением вентилятора по достижении температуры 45°. Термодатчик — 10К*25°С.
На дисплей модуля EGS002 выводится:
1. Выходное напряжение.
2. Частота.
3. Потребляемый нагрузкой ток.
4. Температура ключей.
Плата EGS002 управляет H-мостом. Работа с разными режимами PWM (bipolar, unipolar). Прикольно, да?
Ниже приведены примеры использования блока EGS002 в двух способах получения переменного напряжения 220 В.
↑ Вариант первый: нужна постоянка 400 В
↑ Вариант второй: нужна постоянка 12/24/36/48 В
БЖТ можно использовать, например, от старого UPS.
Осциллограммы изображены для униполярного режима. Режимы описаны в даташите. В униполярном режиме одна половина Н-моста работает как ШИМ, вторая — как переключатель полярности.
В биполярном режиме оба плеча молотят как ШИМ, но при этом требуется дроссель на каждую половину моста и отдельная обратная связь для каждой половины. Синхронная.
Модуль EGS002 рассчитан на униполярный режим, поэтому другие не рассматриваю.
Ну, а теперь пора попробовать на практике то, что так красиво в теории.
↑ Практика по Варианту 1
Контроллер UC3825. Двухтакт. Планируется использование трех пар полевиков типа P60NF06 . Из того, что смог купить на вскидку. Чтоб их раскачать, драйвер усилен каскадом из биполяров.
Предусмотрена защита от перегрузки, а защита от перегрева и от понижения напряжения питания реализована в виде отдельного модуля на IC1. Там два компаратора. При перегреве или при понижении напряжения ниже 10,5 В, в цепь защиты ШИМ контроллера приходит напряжение выше 1 В, и он отключается.
Трансформатор от киловаттного UPS, павшего в неравной борьбе с электрокомпанией.
Первичка: 4+4+4+4 витка проводом 0,8?4.
4+4 — это если нужно 12 В.
4+4-4+4 — это уже для 24 В.
Вторичка: 147+10+10+10+20 тем же проводом 0,8 мм.
Отводы сделаны для того, чтоб оперативно менять число витков для получения 400 В.
Дроссель после моста выдернут из какого-то БП, он там использовался как ДГС, обмотки включены последовательно, чтобы получить желаемые 2-2,2 мГн. Лучше, конечно, побольше.
Предусмотрел два варианта питания низковольтной части — 12 и 24 В.
Дроссель L1 – транс от компьютерного БП на 400 Вт. 80 витков провода 0,8 мм. Почти внавал.
Далее — установка нужной индуктивности в 3,3 мН с помощью прокладок.
Вместо конденсатора на 2,2 мкФ по даташиту поставил 2?1,5 мкФ х 630 В. Типа СВВ. Что было.
Для теста в первый раз использовал свежезаряженный аккумулятор CSB 12 В 12 А/ч. Надо потестить сам контроллер 12/400 и следом инвертор. Соединяю.
Дисплей очень маленький, прямо перед ним пробка аккумулятора. И при нагрузке в виде лампы 220 В 40 Вт ток не показывает — надо настраивать.
Зато не обманули — это правда синус!
Девайс имеет интересный софт-старт. Около 1-1,5 С. Напряжение плавно «выползает» до нормы. На смену нагрузки реагирует адекватно, но после 250 Вт начинает верещать дроссель L1 конвертера 12/400 — не хватает ему ёмкостей после дросселя. Но это решимо. А вот что делать с током?
С нагрузкой 250 Вт (лампы 40+60+150 Вт) аккумулятор живет около 5 минут! При этом радиатор самого ШИМ не нагревается выше 30° — и по индикатору и на ощупь.
Сильнее всего греется набор резисторов токовой защиты в конвертере 12/400.
То есть преобразование для больших мощностей, выше 200 Вт, для аккумулятора на 12 В не имеет просто никакого смысла. Даже если у вас рядом автомобиль. Измеренный ток при мощности в 160 Вт (лампы 40+60+60 Вт) в цепи 12В — 15-16 А. Да и прибор похоже врёт сильно на таком токе.
Ну ладно, пока отложим этот вариант и попробуем другой — там где используется БЖТ.
↑ Практика по варианту 2. Большой железный трансформатор
Вот такой там тор. Две обмотки. Число витков не известно. Известно то, что работал он на два аккумулятора. При включении первички в сеть 220 В, на вторичке 17 В. Использовался Н-мост.
Схема инвертора будет намного проще.
Включение вообще элементарное.
А вот по массогабаритным показателям — не факт.
Но запуск тоже проблем не вызвал. Ничего не стрельнуло и не задымило.
Конструктивно все силовые ключи находятся на радиаторах под 80 мм вентилятором.
Термодатчик закреплен на одном из радиаторов.
Ну, хорошо. Теперь есть два варианта устройства. Нужно выбрать одно. Критерий — КПД. И он даже более важен в этом случае, чем масса, мощность и прочее.
Нагружаю по очереди оба преобразователя лампочками 220 В 40 Вт. Две лампы параллельно — 80 Вт активной мощности.
Первым идет инвертор 24 В ? 400 В ? 220 В. Ток в цепи 24 В — 4,3 А. То есть для получения 80 Вт на выходе мы потратим 103 Вт от батарей. Интересно.
Теперь инвертор на БЖТ. Ток в цепи 24 В — 3,6 А. А тут уже 86 Вт. Еще интереснее! Мне почему-то казалось, что будет наоборот.
А как железяка терпит нагрузку? Собрал все лампы, что были. Это сложная задача при отсутствии места на столе.
Итак: 150+150+40+40+60 = 440 Вт. Такой гирляндой я по очереди нагрузил оба преобразователя.
Тот что с конвертером на 400 В сдулся сразу — писк транса и ШИМ вылетел с ошибкой «пониженное напряжение».
А вот БЖТ легко запустился и продолжил работать.
Получается — слабое звено — именно мой конвертер 12/24?400В.
То есть для получения хотя бы 500 Вт мне нужен больший транс, толще провод и так далее.
И скорее всего нужно кольцо. Других каркасов у меня нет. Поэтому отложу его в сторонку и продолжу с БЖТ.
Попробую разместить устройство в корпусе от UPS, откуда был сдернут трансформатор.
Всё помещается. П-образные кронштейны держали внутри корпуса два аккумулятора на 7,2 А/ч. Мне этого мало, поэтому аккумуляторы будут снаружи.
↑ Двухканальное зарядное устройство
При полном заряде ток в цепи становится практически нулевым, и зажигается индикация полного заряда батареи. При этом FSFA2100 может перейти в Burst mode, тем самым экономя электроэнергию. Сильно усложнять систему я не стал, не вижу практического смысла. В плюсовом проводе БП установлен диод, позволяющий запускать БП при подключенной батарее. Иначе защита даёт это сделать только после отключения батареи, и подключения её заново после пуска БП. Лишний диод, зато нет проблем. LED1и LED2 – индикация питания, LED3 и LED4 – индикация полного заряда. Порог включения светодиодов 14,2-14,3 В регулируется подбором R32 и R35.
Идеи, примененные здесь, собраны по крупицам в сети, так что на авторство не претендую. Шунты лучше подобрать по нужному току, у меня стоят 3 шт. по 0,47 R. Пока вроде нормально.
Вот такая колдобина получилась в результате.
Трансформаторы намотаны на сердечниках, аналогичных примененным мной в БП на сборках FSFR/FSFA. Первичка 40 витков литца 0.07?80. Вторичка 5+5 витков тоже литца 0.1?70. Индуктивность первички немного занижена, порядка 450-470 мкГн, так меньше проблем с запуском на этих трансах.
В процессе работы выяснилось, что сильно греются радиаторы с диодами выпрямителя, поэтому пришлось ломать голову на счет охлаждения. Как питать вентилятор? Искать на 24 В? Делать стаб? Подключать его только к одной батарее? Но тогда она будет более разряжена. Блин, да чем же я занимаюсь? Бросать то уже поздно…
И тут мне на глаза попался дежурный БП на FSDM0265RN , что я как-то использовал для экспериментов с другими БП.
Небольшая доработка и получился БП для питания вентилятора и реле.
Трансформатор заводской. На выходе в оригинале было два напряжения — 5 В и 18 В.
Обмотка для 5 В намотана в два провода, поэтому не разбирая трансформатор, я ее разделил и соединил последовательно. Немного подстроил напряжение на выходе. Получилось 12 В для вентилятора и 25 В для питания реле (они у меня были на 24 В ). Всё в пределах нормы.
О назначении реле чуть ниже, а вот фото девайса.
Вот здесь он слева стоит торцом к основной плате.
↑ Что получилось итого
Когда нет сетевого питания, все реле отключены. В этом положении можно включить инвертор для работы от аккумуляторов. Выход инвертора подключен к розетке выхода 220 В.
Когда есть сетевое питание, то, включив S1, запускаем зарядное устройство и сервисный БП. От него срабатывают реле, одно отключает выключатель запуска инвертора, чтоб в режиме заряда случайно не запустить его от заряжаемых батарей, остальные два реле отключают выход от инвертора, и перекидывают выход напрямую на питающую сеть.
Устройство заряжается и прозрачно для сети 220 В. При пропадании сети, реле отключатся и можно на ходу переехать на батареи. Конечно это не UPS и произойдет это не так быстро, но и необходимости в таком варианте и нет.
Теперь из подручных материалов нужно создать корпус. Иначе просто не имеет смысла. Сверху получиласть аккуратная полка для батарей.
И ручки для переноски. Родной корпус от UPS пилить желания не возникло — там толстый металл и не факт что получится, как задумывалось.
И пока оставлю его в таком виде — в процессе эксплуатации может что-то допилить придется.
Ну, а что же делать со второй версией конвертера, той, что на 400 В? Разобрать? Всегда успею. А вот попробовать его в другом виде идея пришла по ходу дела. Всем известно, что напряжение питающей сети у нас далеко от идеала.
Обычно это искажение формы и постоянка, помехи от холодильников и выключателей. Да мало ли что там еще?
Для импульсных БП это не проблема — их можно питать как угодно и чем угодно. А если это тор? Да еще и питающий усилитель мощности или ЦАП? Тогда кривое напряжение из сети понижается трансом, сохраняя форму, а если есть ещё и примесь постоянки, то ещё и добавляется всякая «отсебятина». Потом имеем «артефакты» в питании, щелчки, всплески и т.п.
А если прогнать нашу сеть через конвертер в режиме двойного преобразования?
То есть получить 400 В постоянки с помощью обычного трансформатора, а потом с помощью конвертера получить чистый синус без всплесков и прочего! И при этом получить полную гальваноразвязку от сети! Стабилизированная чистая сеть.
Мощности большие для домашней аудиотехники не требуются, поэтому и трансформатор можно выбрать небольшой. Например, у меня валялся ТС180-2.
Можно конечно домотать на транс до нужного напряжения, собрав в кучу все вторички (всего-то 130 В домотать), но я не хочу делать так. Хочу правильно.
Кстати, автотрансформатор тут не годится — после него диодный мост и Н-мост, где оба выхода висят в воздухе относительно земли и питания. Поэтому я бы не стал рисковать, делая силовую часть на корпусе всего устройства — это бессмысленно и не безопасно.
Переделав плату с учетом всех доработок, соединяю все в кучу и включаю.
Как обычно, с пуском проблем не возникло. Только подстроить выходное напряжение и ток. В процессе работы выяснилось, что нагрузка в виде лампочки на 150 Вт не является проблемой для данного устройства. Тяжелее всего трансформатору. Он самый нагревающийся элемент конструкции. Радиатор 38-40° всё время, даже не дождался срабатывания вентилятора охлаждения.
Теперь надо засунуть это всё в коробку. От предыдущей конструкции остались уголки и текстолит, из этих остатков был быстренько собран корпус. Неказисто конечно, но это и не на стол и не на выставку. Немного не хватило длины листа, поэтому сверху оставил щели. Так и носить его проще. В принципе потом можно и закрыть, но пока так.
На задней стенке есть вход, выход, предохранитель, вентилятор охлаждения и главное — выключатель. Он разрывает цепь земли (третьего контакта на вилке) между входом и выходом. Это нужно мне, когда я буду через неё подключать осциллограф и лазить по силовым цепям. Для других задач эту цепь можно и иногда нужно замкнуть.
↑ Резюме
Вот на такие вещи может сподвигнуть простое отключение электропитания.
Проработало это хозяйство на полу на работе в течении шести часов, вызывая недоуменные взгляды проходящих мимо. Так что система вполне жизнеспособна.
Уже после сборки вспомнил одну историю. Несколько лет назад моему бывшему коллеге по работе привезли в подарок из североамериканских штатов интересные часы. Если помните, это такие, как показывают в старых фильмах, электромеханические часы Flip Clock с индикацией на перекидываемых карточках.
Так вот, мало того, что они на 110 В, так ещё и сами часы с синхронизацией от сети 60 Гц (наш стандарт 50 Гц). Естественно в работе они серьезно отставали и были у него больше как элемент интерьера, чем часы.
Вот теперь эта задача решилась бы очень просто. Нашлось ещё одно возможное применение данного устройства.
А ведь есть еще и трехфазные версии! Не, всё, хватит экспериментов на сегодня!
Тема: Как сгладить синусоиду, после бензинового генератора напряжения?
Как сгладить синусоиду, после бензинового генератора напряжения?
Проблема в следующем, живу в частном секторе, наблюдается нестабильное напряжения в сети(160..250вольт), эту проблему решил нормализатором https://forum.vegalab.ru/showthread. BD%D0%B8%D1%8F Напряжения частенько и вовсе пропадает, особенно в зимний период, а т.к. мой газовый котел не работает без электричества — в таких случаях, есть риск вывести систему отопления из строя, да и просто не комфортно, холодно, котел двухконтурный и без света даже помыться составляет массу неудобств.
У соседа та же проблема, по этому решили мы на двоих купить бензиновый генератор напряжения, но к сожалению не мой не его котлы не захотели работать от него, вся техника работает, котлы не запускаются. Начал разбираться, посмотрел осциллографом синус — весь в выбросах, а в одном промежутке и вовсе провал почти до нуля. Отвезли мы его обратно, посмотрел я на месте работу нескольких генераторов, оказывается все они не в состоянии выдать чистый синус, пришлось взять тот, у которого этот синус был наиболее приближенный к нормальному, хотя ступенчатость пилообразная все равно наблюдается. От него мой котел работает, однако котел соседа все таки отказался, выдает ошибку по напряжению сети.
Вопрос в следующем, каким образом можно сгладить форму синусоиды и очистить ее от "пилы"? Может дроссель какой намотать? Важно запустить хотя бы котлы, потребления которых составляет 150..170вт, остальная техника включая холодильник работает и так.
Инвертор с чистым синусом за 15 минут или «силовая электроника — каждому»
Что такое силовая электроника? Без сомнения — это целый мир! Современный и полный комфорта. Многие представляют себе силовую электронику как что-то «магическое» и далекое, но посмотрите вокруг — почти все, что нас окружает содержит в себе силовой преобразователь: блок питания для ноутбука, светодиодная лампа, UPS, различные регуляторы, стабилизаторы напряжения, частотники (ПЧ) в вентиляции или лифте и многое другое. Большинство из этого оборудования делает нашу жизнь комфортной и безопасной.
Разработка силовой электроники по ряду причин является одной из сложнейших областей электроники — цена ошибки тут очень высока, при этом разработка силовых преобразователей всегда привлекала любителей, DIYщиков и не только. Наверняка вам хотелось собрать мощный блок питания для какого-то своего проекта? Или может быть online UPS на пару кВт и не разориться? А может частотник в мастерскую?
Сегодня я расскажу о своем небольшом открытом проекте, а точнее о его части, который позволит шагнуть в мир разработки силовой электроники любому желающему и при этом остаться в живых. В качестве демонстрации возможностей я покажу как за 15 минут собрать инвертор напряжения из 12В DC в 230В AC с синусом на выходе. Заинтриговал? Поехали!
Причины появления проекта
В последние пару лет разработка силовых преобразователей составляет около 90% моих заказов, основные трудозатраты уходят в основном на разработку ПО и макетирование, проектирование схемотехники + финальная трассировка платы от общих затрат составляет обычно не более 10-15%. Тут приходит понимание, что процесс макетирования, в который входит разработка ПО, необходимо как-то сократить и оптимизировать.
Выхода как всегда есть минимум два: купить готовую отладку, например, у Texas Instrumets или Infineon, но они обычно заточены под конкретную задачу и стоят от 500 до 5000$, при этом нет гарантии, что будет похожий заказ и данное вложение с высокой вероятностью просто не окупится.
Второй вариант — делать самому, но делать основательно это почти тоже самое, что запустить «+1 ревизию железа», что выльется в дополнительные траты для заказчика. Если делать не основательно, то как обычно все будет на соплях и где-нибудь что-то отвалится и пока макет, комплектующие и сроки.
Спустя какое-то время, я обратили внимание на очевиднейшее решение. Оно настолько простое и очевидное, что долго удивлялся почему такого еще не сделал тот же TI или Infineon. Сейчас расскажу о своем «просветление».
Давайте рассмотрим несколько наиболее популярных топологий силовых преобразователей:
- Все топологии включают в себя основные компоненты — конденсаторы, транзисторы и индуктивность (дроссель или трансформатор). Это 3 кита силовой электроники;
- Транзисторы включены везде одинаково и образуют так называемый «полумост». Из него построены почти все топологии преобразователей;
- Вариант включения связки «полумост + конденсатор» не меняется на всех топологиях. Меняется тип индуктивности и варианты включения полумостов.
Из этого можно сделать вывод, что имея некий стандартный модуль в виде связки «полумост + конденсатор» можно построить любой преобразователь, добавляя лишь нужный дроссель или трансформатор. Поэтому очевидным решения для упрощения прототипирования было создание вот такого модуля:
Борьба добра со злом
К сожалению ограниченное количество часов в сутках и банальная лень диктуют свои условия. К необходимости изготовить данный модуль я пришел еще год назад, но реализация постоянно переносилась под лозунгом — «на следующих выходных точно сделаю!».
Наверно идея так бы и осталась лежать на полке, если бы не 2 события. Во-первых, ко мне пришли в один месяц 2 заказчика и каждый хотел сложный и интересный в реализации преобразователь, а главное готовы были очень хорошо заплатить. Хотя учитывая, что он из Европы, то может для них этого и дешево еще оказалось)) Оба проекта для меня были интересны, например, один из них «трехфазный стабилизатор напряжения с гальванической развязкой (sic!)», то есть 3-х фазный PFC + 3 мостовых преобразователя (phase shifted) + синхронный выпрямитель + 3-х фазный инвертор. Все это на SiC и очень компактное. В общем я взялся за 2 больших заказа, каждый из них по
800 человеко-часов и срок 6 месяцев. В итоге меня «заставили» искать пути оптимизации.
Во-вторых, мне неожиданно написали ребята из компании PCBway, многие наверняка у них платы заказывали, и предложили по сотрудничать. Они очень активно поддерживают открытые железячные проекты, то есть ту самую инициативу CERN — Open Source Hardware. Сотрудничество простое, понятное для обеих сторон — они снабжают меня бесплатно платами для моих проектов, а я их открываю, ну и выкладываю на их сайте, в других местах уже по желанию. Для меня это стало дополнительной мотивацией, а главное совесть моя чиста, т.к. я уже несколько лет заказываю у них платы и на прототипы, и для серийного производства при этом рассказываю о них знакомым и партнерам. Теперь мне за это еще и плюшка в виде бесплатных плат для мелких проектов, можно чаще писать на хабр))
И тут лед тронулся, было решено создать не просто описанный ранее модуль, а целый комплект разработчика силовой электроники и сделать его открытым и доступным каждому.
Структура проекта
В начале статьи я упомянул, что расскажу сегодня лишь про одну часть — это силовой модуль полумоста. Он один уже позволяет создать преобразователь, просто прикрутив управляющую схему, например, отладку STM32-Discovery, Arduino, TMS320, TL494 или чем вы там владеете. Привязка к какой либо платформе или МК нет вообще.
Только это не весь проект, а часть)) Из чего состоит готовый силовой преобразователь? В первую очередь силовая часть, чтобы она заработала нужен некий модуль управления, чтобы понять что происходит нужна индикация, а чтобы понять что происходит с безопасного расстояния еще и интерфейс, например, Modbus RTU или CAN.
В итоге общая структура проекта выглядит так:
Вероятно в будущем еще напишу программку для расчета трансформаторов и дросселей, как обычных, так и планарных. Пока что так. Разные части диаграммы в черновом варианте уже реализована и обкатаны в двух проектах, после небольших доработок по ним так же будут написаны статьи и доступны исходники.
Силовой модуль полумоста
Теперь пришло время подробнее посмотреть на сегодняшнего героя. Модуль универсален и позволяет работать с транзисторами Mosfet и IGBT, как низковольтными, так и высоковольтными ключами до 1200В.
- Гальваническая развязка управляющей (цифровой) стороны от силовой. Напряжение пробоя изоляции 3 кВ;
- Верхний и нижний ключ независимы, каждый имеет свой гальванически развязанный драйвер и гальванически развязанный dc/dc;
- Применен современный драйвер от компании Infineon — 1EDC60I12AHXUMA1. Импульсный ток открытия/закрытия — 6А/10А. Максимальная частота — 1 МГц (проверено до 1.5 МГц стабильно);
- Аппаратная защита по току: шунт + ОУ + компаратор + оптрон;
- Максимальный ток — 20А. Ограничен не ключами, а размером радиатора и толщиной медных полигонов.
В статье фигурирует 1-я ревизия модуля, она полностью рабочая, но будет 2-я ревизия, в которой устранятся чисто конструктивные недочеты и поменяются разъемы на более удобные. После завершения создания документации, закинул gerber в PCBway и мне через 6 дней в дверь постучался курьер и вручил вот такую прелесть:
Еще через неделю наконец-то привезли на собаках комплектующие из одного прекрасного отечественного магазина. В итоге все было смонтировано:
Перед тем, как двигаться дальше, давайте посмотрим на принципиальную схему модуля. Скачать ее можно тут — PDF.
Тут ничего сложного или магического нет. Обычный полумост: 2 ключа внизу, 2 вверху, можете паять по одному. Драйвер как выше писал из семейства 1ED, очень злой и бессмертный. Везде по питанию есть индикация, включая +12В на выходе dc/dc. Защита реализована на логическом элементе AND, в случае превышения тока компаратор выдаст +3.3В, они засветят оптрон и он притянет один из входов AND к земле, что означает установление лог.0 и ШИМ-сигнал с драйверов пропадет. AND с 3-мя входами использован специально, в следующей ревизии планирую сделать еще и защиту от перегрева радиатором и завести сигнал ошибки туда же. Все исходники будут в конце статьи.
Собираем макет инвертора
Долго думал на чем бы продемонстрировать работу модуля, чтобы и не сильно скучно, и полезно, и не сильно сложно, чтобы повторить мог любой. Поэтому остановился на инверторе напряжения, такие используют для работы с солнечными панелями, если что-то бахнет по низковольтной стороне — не страшно, а по высоковольтной — просто когда включите не суйте туда руки.
Сам инвертор до безобразия простой, кстати, МАП Энергия клепают именно такие, вот вам пример даже коммерческой реализации сей идеи. Работа инвертора заключается в том, чтобы сформировать из постоянного напряжения 12В переменное синусоидальной формы с частотой 50 Гц, ведь именно с таким привык работать обычный трансформатор на 50 Гц. Я использую какой-то советский, вроде ОСМ, 220В обмотка заводская и используется как вторичка, а первичная
8В намотана медной шиной. Выглядит это так:
И это чудовище всего на 400 Вт! Вес трансформатора около 5-7 кг по ощущениям, если уронить на ногу, то в армию точно не возьмут. Собственно в этом и заключается минус инверторов с «железными» трансформаторами, они огромные и тяжелые. Плюс их в том, что данные инверторы оооочень простые, не требует никакого опыта для создания и конечно же дешевые.
Теперь давайте соединим модули и трансформатор. На самом деле модуль для разработчика должен представляться просто как «черный ящик» у которого есть вход 2-х ШИМов и 3 силовых вывода: VCC, GND и собственно выход полумоста.
Теперь из этих «черных ящиков» давайте изобразим наш инвертор:
Ага, понадобилось всего 3 внешних элемента: трансформатор + LC фильтр. Для последнего дроссель я изготовил просто намотав провод от модуля до трансформатора на кольцо из материала Kool Mu размер R32 с проницаемость 60, индуктивность около 10 мкГн. Конечно же дроссель надо бы рассчитать, но нам же надо за 15 минут)) Вообще если будете гонять что-то подобное на 400 Вт, то нужно кольцо размером R46 (это внешний диаметр). Емкость — 1-10 мкФ пленка, этого достаточно. На самом деле в качестве экономии можно конденсатор не ставить, ибо емкость обмотки трансформатора здоровая… в общем у китайцев и МАПа именно так и сделали)) Дроссель выглядит вот так:
Остается накинуть тестовую нагрузку на выход, у меня это пара светодиодных лампочек на 20 Вт (ничего другого наглядного не оказалось под рукой), сами они кушают 24Вт, КПД однако. Так же ток холостого хода трансформатора около 1А. С АКБ будет кушать около 5А. В итоге имеем такой стенд:
Так же в макете используется АКБ Delta HR12-17 соответственно на 12В и емкостью 17 А*ч. Управлять преобразователем будем с отладочной платы STM32F469-Discovery.
Изначально для управления предполагалось использовать мою STM32VL-Disco, полученную на выставке еще в 2010-м, но так случилось, что именно на этом макете ей суждено было умереть уже когда весь код написан и макет запущен. Забыл про щупы осциллографа и объединил 2 земли, аминь. В итоге все было переписано на STM32F469NIH6, именно эта отладка имелась под рукой, поэтому будет 2 проекта: для F100 и для F469, оба проверены. Проект собран для TrueSTUDIO, версия эклипса от ST.
Вообще в своей другой статье ооочень подробно и наглядно рассказал как формировать синусоидальный сигнал, как писать код и прочее прочее. Прочитать можно — тут.
Прочитали? Хотите собрать? Держите проект:
Стоит обратить внимание, что я на один полумост (модуль) подаю 2 сигнала, рисующих синус, а на другой 2 сигнала задающие 50 Гц. При чем одна диагональ «красный+желтый», а другая «синий+зеленый». В статье, что дал выше про это подробно написано, если вдруг не поняли. Теперь как подали сигналы, накидываем на оба полумоста +12В и GND от лабораторного блока питания. Сразу АКБ не советую, если где-то ошиблись, то может сгореть что-то. Защита на плате спасает от превышения тока, но не от явных косяков, когда плюс и минус перепутали, а вот лабораторник спасает. 12В и 1А для тестов хватит. Берем щуп осциллографа, его земляной провод на выход первого полумоста, а сам щуп на выход другого полумоста и должна быть такая картинка:
Где синус спросите вы? Дело в том, что сопротивление входа осциллографа большое и он не представляет из себя нагрузку, поэтому ток не протекает и синусу взяться не откуда. Добавим нагрузку, я смастерил из резисторов 10 Ом нагрузку 90 Ом просто включив последовательно 9 штук. Цепляем нагрузку к выходам полумостов и видим такую картину:
У вас так же? Значит пришла пора подключать дроссель, трансформатор, нагрузку и пробовать запускать. Achtung! Нельзя включать данный макет без нагрузки, ибо на холостом ходе на выходе может быть до 350. 380В. Чтобы такого не было нужна нагрузка или ОС. Последней у нас не будет, это тема отдельной статьи, можете в качестве факультатива прикрутить П-регулятор простейший, шаблон проекта у вас уже есть.
Включение
После включения получаем на выходе около 230В, выход конечно не стабилизированный и будет плавать 230В +-30В, для тестов пойдет, в другой статье доработаем макет как решусь рассказать про П и ПИ-регуляторы и их реализацию.
Теперь можно насладиться результатом работы, а при необходимости упихать все в коробку и даже применить в хозяйстве или на даче для обеспечения себя светом и прочими прелестями.
Вы наверняка заметили задержку между «щелчком», то есть подачей питания на Discovery и включением ламп — это время, которое МК потратил на инициализацию. Эту задержку можно уменьшить, если писать в регистр разом одну цифру, а не дробить запись регистра на кучу строк. Я раздробил исключительно для наглядности. Хотя и это не страшно, с кодом на HAL задержка в 3 раза дольше и народ как-то живет с ним))
Пока не забыл, исходники проекта:
- Принципиальна схема — PDF
- BOM — Excel
- Gerber-files — RAR
Осталось посмотреть как там с температурами на плате, нет ли каких-то особо горячих мест. 5-6А это конечно мало, но если сквозной ток идет или еще какая серьезная ошибка, то этого хватит, чтобы превратить плату в чайник:
Как видите самым горячим элементом является dc/dc модуль для гальванической развязки, это который на 2 Вт, он нагревается аж до 34 градусов, ну еще и шунт. Сами же транзисторы и радиатор имеют температуру окружающей среды после 30 минут работы преобразователя))
Благодарности и планы
В ближайшее время я планирую написать про DSP board и по управлять уже не с отладки discovery, а уже со «специализированного» модуля. Платы 2-й ревизии на него уже пришли от тех же PCBway, жду компоненты и сразу писать.
Надеюсь статья и сама идея вам понравились. В дальнейшем на этих же модулях покажу как собрать частотник, mppt контроллер, а может и еще чего интересного. Если у вас есть вопросы, то не стесняйтесь их задавать в комментариях или в личку, если у вас вдруг нет полноценного аккаунта, постараюсь ответить на все вопросы.
Теперь немного благодарностей компании PCBway, на самом деле очень хорошо, что они поддерживают open source движуху. Может скоро железячники даже догонять софтописателей по количеству и качеству открытых проектов.