Link zu einer analogen MPPT Schaltung

[andreas]

Hallo Jürgen,

nach zwei Tagen Testen, Messen und Probieren am Netzteil habe ich die Schaltung nun wieder am Windrad als Quelle. Leider ist die Stabilität nicht wirklich gut. Verändert habe ich noch die Anbindung an den Schaltregler, geht nun glatt von Ausgang OP2 zum Pin 5 des Mc34063 durch, ohne sonstige Widerstände, damit ist ein sauberer Anlauf von 0 V an gegeben. Und den R2 habe ich kleiner machen müssen (hier nur virtuell, also halbe Spannung per Teiler abgegriffen), sonst kam die Schaltung schon bei unter einem halben Ampere vom Generator außer Tritt. Inzwischen kann sie bis zu einem A regeln und macht das bei kleinen Strömen auch ganz gut. Bei einigen hundert mA wackelt sie heftig, fängt sich darüber aber wieder.

Weitere Bastelei daran lohnt wohl nicht. Die vom selben Autor veröffentliche Nachfolgerschaltung wird das nächste Projekt sein, weil sie auf der bisherigen Schaltung aufsetzt und letztlich deutlich einfacher ist.

Ansonsten hat sich das Drehzahlverhalten des Windrades heftig verändert. Es scheint immer schwer belastet zu sein und ändert somit sehr häufig die Drehzahl. Bei Wind geht es fix hoch, dann wieder fix runter. So eine Schaltung entzieht dem Windrad natürlich Leistung, wo sie kann, solange dort etwas zu holen ist. Insofern ist die lustige Dauer-Drehzahl um die Akkuspannung herum vorbei, die Leistungsanpassung zeigt sich sehr deutlich.

MfG. Andreas

[andreas]

Hallo Allerseits,

ich habe nun mal die Schaltung von http://www.edn.com/article/CA6619019.html ausprobiert. Sie ist eigentlich recht simpel, läßt sich leicht auf übliche Schaltwandler anpassen und verarbeitet ausschließlich die Werte vor dem Wandler (egal, ob der nun auf- oder abwärts wandelt). Noch dazu ist der Erfassungsteil für Strom und Spannung statisch, läßt sich also prima allein mit dem Multimeter vermessen und anpassen.

Auf Anhieb geht da nach Aufbau gar nichts, der Wandler schaltet auf Durchzug, vorn und hinten gleiche Ströme, keinerlei Regelwirkung. Daraufhin habe ich die Erfassungsschaltung um Q1 und Q2 untersucht und festgestellt, daß man dort längst aus dem eigentlichen Regelbereich heraus ist. Dieser Bereich ist eigentlich dadurch geprägt, daß man dort sehr kleine Basisströme (µA-Bereich) verwendet, an welchen ein logarithmischer Verlauf der Basisspannungen (von vielleicht 0,2 bis 0,6 V) zu sehen ist. Nach deutlicher Anpassung der Widerstände unterhalb von Q1 und oberhalb von Q2 sowie leichten Schaltungsänderungen funktioniert die Erfassung beider Werte recht ordentlich.

Zur Funktion: Der untere Q1 ist für den Strom zuständig, bekommt also den Spannungsabfall über dem Shunt als (negative!)Eingangsspannung. Je nach Größe des Vorwiderstandes (im Original mit 200 Ohm deutlich zu klein, einige zig kOhm sind sinnvoll) fließt ein Strom durch den Q1, welcher daran einen Spannungsabfall erzeugt. IC1a regelt das soweit aus, daß an seinem Minus-Eingang wieder 0 V anstehen. Das ist auch der Emitter von Q1, der somit auf Null gehalten wird. An BC von Q1 steht somit nur die reine BE-Spannung an, welcher der erste Teil der Eingangswerte, nämlich der Strom ist. Fremdeinflüsse (wie Strom von oben durch Q2) kompensiert IC1a sauber, der richtet sich allein nach dem Strom durch den unteren Widerstand.

Auf diesen Punkt setzt Q2 auf und möchte dort die Generatorspannung abbilden. Leider ist auch dessen Strom viel zu hoch, um dort noch in einem sinnvollen Teil der gebogenen BE-Kennlinie anzukommen. Dort hilft ein hochohmiger Spannungsteiler, die Generatorspannung soweit herunter zu bringen, als daß Q2 in einem sinnvollen Bereich arbeitet.

Die Reihenschaltung von Q1 und Q2 bewirkt nun eine Addition ihrer beider Spannungskurven. Auch, wenn beide logarithmisch sind, ergibt die Addition natürlich keine korrekte Multiplikation, aber für die Ausbildung eines Trends der Leistung dürfte es ausreichend sein. Praktisch ergibt sich so eine gewisse Fehlertoleranz; allein das starke Ansteigen von Strom _oder_ Spannung führt zum Abregeln, wo die echte Multiplikation gandenlos gegen den Anschlag gefahren wäre.

IC1b verstärkt den Summenwert von Q1 und Q2 noch etwas, nach gewollter Störung durch den Schalter gelangt das als getaktete Regelspannung auf den Wandler. Ob es diesen dann auch korrekt beeinflußt, werde ich übermorgen sehen können.

MfG. Andreas

[jb79]

Was ist denn übermorgen, bekommst du da den Wandler-IC?

[andreas]

Hallo Jürgen,

der Wandler war schon da und wartete... aber es gibt auch andere Beschäftigungen und man kann nicht immer nur am Wind basteln.

Auch nach Abgleich der Erfassungsschaltung lief das nicht besser, also mal ganz trocken den Analogteil zur Erfassung vermessen und das, was der Wandler bekommt, per Oscar angesehen. Der Analogteil läuft prima, nur wirkt er nicht statisch auf dem Wandler. Bei schnellen, harten Eingangsänderungen kommen mal ein paar Pulse zur Nachstellung des Wandlers, ansonsten hat es keinen Einfluß. Der wesentlich ältere Vorgänger konnte das in Grenzen besser, wenn auch nicht perfekt.

Nach Abräumen der bisherigen Schaltungen von der Wandlerkarte habe ich den Wandler mal als solches getestet und war nicht eben begeistert. Trotz deftiger Aufrüstung der Laststrecke haben so kleine Wandler mit Nachbrenner deutliche Grenzen, ich sollte wohl mal eine bessere Schaltung mit PWM versuchen. Die ist erheblich feiner einstellbar und liefert nicht so grobe Happen an Leistung an.

MfG. Andreas

[andreas]

Hallo Jürgen,

die nun aufgebaute Schaltung zeigt sich deutlich besser als die bislang probierten.
(siehe http://www.thebackshed.com/Windmill/FOR ... =849&TPN=1)

Ich habe sie leicht angepaßt, so daß sie ohne zusätzliche Versorgung auskommt und nicht eine ganze Hundehütte als Gehäuse braucht. Als OPs habe ich LM258 eingesetzt; den Modulatorteil mit einem Komparator LM2903 (=LM393, deutlich schneller als ein OP) bestückt. Die negative Versorgung, welche eigentlich nur der zweite OP braucht, erzeugt mir der 555 nebenbei mit seinem ansonsten unbenutzten Ausgang über einen Spannungverdoppler aus vier Dioden und vier Elkos. Beim Vermessen habe ich die Schaltung mit nur 5 V aus einem 78L05 laufen lassen, alle Funktionen laufen wie beschrieben ab. Jeder einzelne Teil der Wandlerkennlinie ist separat einstellbar, alles schön statisch ausmeßbar. Der Eigenverbrauch der Steuerschaltung liegt bei etwa 10 mA.

Es fehlt noch die Anbindung an die vorhandene Schaltstufe und der Test am Netzteil als Generatorersatz.

MfG. Andreas

[andreas]

Hallo Jürgen,

die Schaltung ist nach Grundeinstellung am Netzteil nun ans Windrad gegangen und sie läuft ausgezeichnet. Da ich im Gegensatz zur Originalschaltung eine Abwärtswandlung durchführe, habe ich den zweiten OP "umgedreht" und als nichtinvertierenden Verstärker betrieben. Der Komparatorausgang hat noch einen Transistor als Treiber und Inverter bekommen, damit meine Schaltstufe mit P-Fet die richtigen Impulse bekommt.

Im Netzteil-Betrieb habe ich die Regler so eingestellt, daß der Wandler ab etwa 12 V arbeitet (bis dahin darf das Windrad nahezu lastfrei drehen) und dann mit zunehmender Spannung vom Windrad die Einschaltzeit immer größer werden läßt. Bei etwa 30 V hört die Modulation auf, der Schalter ist dann ständig geschlossen. Bis dahin sollte es allerdings in der Praxis nicht kommen. Die Laststrecke des Wandlers ist nun reichlich ausgelegt und bleibt auch bei einigen Ampere Strom kalt.

Da heute guter Wind ist, läßt sich das Arbeiten der Schaltung prima beobachten. Bei etwa 26 V stehen um 2A vom Windrad her an, nach Wandlung ergibt sich der entsprechend höhere Ladestrom am 12-V-Akku. Vermutlich kann ich mit der Einstellung noch etwas höher gehen, aber zunächst reicht das mir so.

MfG. Andreas

[andreas]

Heute noch ein bißchen eingespart und angepaßt, nachdem der Wind sich schlafen gelegt hatte. Damit entfällt der alberne Regler für die 0,00 V vor dem Summierer beim Zuschalten des Wandlers - das kann der Transistor ganz allein, wenn man ihm ein paar Widerstände wegnimmt und den Kollektor auf Masse legt. 3 mV sind dann doch ausreichend dicht an 0,00 V dran.

Der Spannungsteiler für den Festwert mußte noch etwas weiter runter kommen, mit einem Zehntel des Originalwertes für den unteren Begrenzungswiderstand liegt man richtig. Damit ist das Taktverhältnis auch bis auf Null herunter zu bekommen, falls man völlig ohne Last ab Zuschaltung des Wandlers anfahren möchte. Ich habe nun vielleicht 10 Prozent Takt für den Anfang eingestellt, damit dreht das Windrad wie bisher auch willig weiter hoch, wenn der Wind zunimmt.

So hat die Schaltung nur noch drei Regler; einen für die Startdrehzahl, einen für die Grundlast ab diesem Punkt und einen dritten, der allein die drehzahlabhängige Belastung bestimmt. Falls es die nächsten Tage wieder etwas Wind geben sollte, werde ich den letzten noch ein wenig verdrehen, um da möglichst hohe Drehzahlen (=hohe Leistung) zu erreichen. Bislang spielt sich das alles unterhalb von 300 U/min ab, also völlig harmlos.

MfG. Andreas

[Wolle]

Hallo Andreas,

wollte mal fragen, ob die MPPT sich nun bewährt hat?

Ich glaube es sind Ihr viele im Forum (ich natürlich auch) an einer solchen analogen MPPT interessiert.
Könntest du einen Stromlaufplan der aktuellen Schaltung posten? (mit den Randbedingungen der Schaltung z.B. Ein- & Ausgangsspannungsbreich, Ströme usw.),
da du vermutlich die meisten Erfahrungen damit gesammelt hast und somit einigen hier helfen könntest.
Wenn ich das richtig verstanden habe arbeitet deine als Step-Down-Wandler. Arbeitet die ursprüngliche als Step-Up/-Down-Wandler?

Schonmal DANKE!

[andreas]

Hallo Wolle,

die Schaltung hat sich soweit gut bewährt, sie läuft nun schon einige Monate reibungslos. Sie steuert hier einen Abwärtswandler und ermöglicht damit eine sehr gute Anpassung zwischen Windgenerator und Akku. Das sieht praktisch so aus, daß das Windrad lastfrei anlaufen kann, also schon bei geringem Wind auf eine gewisse Drehzahl kommt, bei der bei ausreichender Spannung auch schon eine geringe Ladung erfolgt. Nimmt der Wind zu, wird das Windrad bei weiter ansteigender Drehzahl immer stärker belastet und der Ladestrom nimmt überproportional zu. Dabei wird das Windrad keineswegs ausgebremst, es kann durchaus gut mit dem Wind hochdrehen, aber eben mit dazu passender Belastung. Rein optisch sieht das völlig anders aus als ein freilaufendes Rad an einer festen Last - es gibt mit der Drehzahl dem Wind nach, tourt also schnell mit hoch, aber genauso schnell wieder ab bei nachlassendem Wind. Das sieht zunächst recht ungewohnt und irgendwie zäh aus, holt aber die maximale Leistung raus. Mit etwas Erfahrung kann man anhand der Drehzahl genau auf die Leistung schließen...

Da dies keine rechnergestützte Regelung ist, sondern bloß eine analoge, sind natürlich daran Abgleicharbeiten erforderlich. Die Schaltung sollte bei verschiedenen Windstärken am Zielwindrad einmalig abgeglichen werden, damit sie die optimale Leistung einstellen kann. Dazu ist eine Messung der Ladeleistung (am Ziel-Akku) bei mehreren Windstärken und gleichzeitigem Einstellen der Regler auf Leistungsmaximum erforderlich. Deren Grenzen sind weit einstellbar. Es ist jede Spannungskurve im Bereich von 7 bis etwa 40 V machbar, ganz flach und lang bis ganz steil und kurz, ob nun bei geringer oder bei hoher Spannung. Anschläge bezüglich der Taktierung hat die Schaltung keine, sie moduliert von 0 bis 100%. Leistungsmäßig begrenzt da nur die Schaltendstufe mit ihrem maximalen Strom. Das sehe ich hier aber als unkritisch an, weil ich die deutlich überdimensioniert habe - bis 20 A dürfte sie mithalten.

Momentan betreibe ich die Schaltung an einem Solarmodul (weil: Windrad ist im Umbau) und habe daher die Regler nur darauf eingestellt. Das geht ebenso gut, ist aber natürlich auf eine deutlich knappere Spannungskurve gesetzt.

Die originale Schaltung betreibt einen reinen Aufwärts-Wandler, nur um einen früheren Ladebeginn zu erreichen. Sie wirkt also nur vor dem ursprünglichen Ladebeginn und wird danach abgeschaltet. So etwas macht nur für wirklich große Windräder Sinn. Bei kleinen ist die Leistung bei geringen Drehzahlen nicht wirklich nutzbar.

MfG. Andreas

[Wolle]

Das hört sich richtig gut an.
Erst das Windrad in Schwung kommen lassen und dann Energie "ernten".
Würdest du deinen Stromlaufplan hier zur Verfügung stellen??
Ich würde gern die Schaltung aufbauen und an mein Windrad testen bzw. damit betreiben.

Danke