Messtechnikprojekt für Prüfstand/Windenergieanlage

[herbk]

Hi Bernd,
ich war da Gedanklich bei einem Punkt der eigentlich nicht direkt mit diesem Messtechnikprojekt zu tun hat, sondern bei "geregelter Leistungsentname" aus einem Windrad, gesteuert durch einen Rasp, Arduino o. A. . Ich hatte mich mit Siegfried mal darüber "unterhalten", - kann aber auch sein, dass das in einer PN war.

Zur reinen Datenerfassung hast Du aber recht, da lässt sich aus dem Zeitversatz das Ansprechverhalten des Rotors herauslesen.
In Regionen wo der Wind praktisch nur aus Böen besteht ist ein Windrad mit besserem Ansprechverhalten und etwas weniger Höchstleistung vieleicht sogar effektiver als das mit der besseren Höchstleistung und dem schlechteren Ansprechverhalten.

[Köpke]

Moin zusammen,

ja die geregelte Leistungsentnahme ist technisch in meiner Schaltung schon vorgesehen. Zunächst habe ich den Gleichrichter auch deshalb aus Thyristoren aufgebaut, weil diese steuerbar sind - die Elektronik zur Ansteuerung selbst ist vorgesehen aber noch nicht gebaut. Der Spannungsregler selbst ist über einen Widerstandsteiler einstellbar und in der verbauten Variante auch ein- und ausschaltbar. Das wären also drei Möglichkeiten Einfluss auf die Leistungsentnahme zu nehmen. Das kriegt der raspberry sicher hin wenn wir ihn mit entsprechenden Messwerten aus dem Leistungsteil, sowie unseren Regelvorgaben versorgen.

Momentan bin ich froh wenn ich neben den zeitraubenden Dienstreisen zunächst mal die Stromsensoren angeschlossen bekomme und deren Werte in der Datenbank landen. Aber das wäre schon ein ordentlicher Zwischenschritt - allerdings wohl nicht fertig vor Ende Februar .

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

nach einer viel zu langen Pause geht es jetzt weiter mit dem Projekt. Zunächst wird die I2C-Hardware um die letzte fehlende Komponente ergänzt: Eine TRC-Uhr.

Wenn der Pi ohne anbindung an ein Netzwerk betrieben wird und nicht permanent mit Spannung versogt ist, ist die genaue Uhrzeit nicht mehr sicher. Für genaue Messungen die mit einem eindeutigen Zeitstempel versehen werden müssen, brauchen wir die genaue Uhrzeit.

Mein Wahl fiel auf den Chip DS3231. Die passenden Treiber kommen vom Chip DS1307 - und eine Anleitung (in Englisch) findet ihr hier:

http://www.raspberrypi-spy.co.uk/2015/0 ... pberry-pi/

Der Empfehlung gleich als erstes die Widerstände (Pull-up und Charge) zu entfernen - bin ich nicht nachgekommen. Es funktioniert zumidest bei mir momentan auch mit Widerständen. Wie schon in den Anleitungen zu vor, habe ich die folgenden vier Pins des TRC-Moduls so angeschlossen:

RTC-Pin GND -- Graue Leitung -- GND (z. B. Pin 6 Raspberry)
RTC-Pin VCC -- Rote Leitung -- VCC 3,3 (Pin 1 Raspberry)
RTC-Pin SDA -- Lila Leitung -- I2C_1 SDA (Pin 3 Raspberry)
RTC-Pin SCL -- Grüne Leitung -- I2C_1 SCL (Pin 5 Raspberry)

Damit wäre der Drahtverhau fertig und die Software muss eingerichtet werden:

Zunächst wie üblich das Systen auf Stad bringen mit "sudo apt-get update" und "sudo apt-get -y upgrade". Dann mit "sudo nano /etc/modules die Datei modules öffnen und den RTC-Treiber "rtc-ds1307" in der letzte Zeile ergänzen und die Datei speichern. Jetzt den Raspberry neu starten und das Modul mit "sudo i2cdetect -y 1" ansprechen. Findet sich in der Tabelle ein Eintarg z.B bei 0x57 und/oder 0x68? Dann arbeitet des Modul bereits und die kleine Kontroll-LED auf dem Treiber leuchtet.

Eine weitere Datei muss noch angepasst werden "sudo nano /etc/rc.local" Bitte sorgfältig genau den Text aus dem Link einfügen - Es müssen zwei Zeilen sein:

echo ds1307 0x68 > /sys/class/i2c-adapter/i2c-1/new_device
hwclock -s

Nun den Rechner erneut starten und mit "sudo i2cdetect -y 1" kontrollieren ob die Adresse 0x68 durch ein UU ersetzt ist? Ja? Dann weiter mit der Kontrolle der Uhrzeit mit "sudo hwclock -r". Jetzt wird auf der Konsole die korrekte Uhrzeit ausgegeben.

Der nächste Schritt wird jetzt sein:
Anschließen von Stromsensoren und Spannungssensoren.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

Inzwischen habe ich die passenden Strom- und Spannungssensoren zusammen:

Als Stromsensoren dienen zwei ACS714. Die Sensoren werden direkt an den Analog-Digitalwandler angeschlossen und können sowohl Gleich- wie auch Wechselströme bis +/- 5A messen. Es gibt natürlich von Adafruit auch Sensoren die für größere Ströme einsetzbar sind.

Eine zweite Variante ist der ISQ007V1, der ebenfalls direkt an den AD-Wandler angeschlossen wird. Von diesem Sensor gibt es drei Versionen. Leider ist der Kundendienst des Anbieters nicht in der Lage mitzuteilen welche Version man bei einer Bestellung erhält. Da der Sensor recht teuer ist - fällt er für mich aus der Auswahl.

Für kombinierte Strom- und Spannungsmessung verwende ich den Sensor INA219. Dieser kann jedoch nur Gleichströme bis zu 3,2A und Gleichspannungen bis zur Höhe der eigenen Spannungsversorgung (bis 26V) messen. Für Wechselgrößen eignet er sich nicht. Der Sensor wird allerdings nicht am AD-Wandler, sondern direkt am I2C-Bus angeschlossen. Er bietet sogar die Möglichkeit die Bus-Adresse auf dafür vorgesehenen Lötpins in Grenzen ein zu stellen. Falls hier jemand einen passenden Sensor für Messung von Wechselgrößen hat hat - immer her damit. Als Suchbegriffe habe ich unter anderem "Instrumentenverstärker", und "Messverstärker" benutzt. Denn wir benötigen für die Spannungsmessung ja einen extrem hochohmigen Messeingang. Evtl. hat auch jemand hier eine separate Schaltung aus Operationsverstärkern zur Hand..?

Für die Erfassung der Drehzahl des Rotors habe ich mich für einen Reedkontakt entschieden. Der ist einfach und wetterfest zu installieren - und per Software des Raspberry leicht zu erfassen. Fertige Systeme gibt es für wenig Geld als billigen Fahrradtacho.

Für die Erfassung der Windgeschwindigkeit werde ich ein professionelles Messgerät einsetzen. Das allerdings ist als einziges Bauteil noch nicht gekauft.

Womöglich schaffe ich es unter der Woche die vollständigen Schaltpläne zu zeichnen und hier rein zu stellen - mal sehen.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

hier ein kurzer Zwischenstand. Ich habe für den Meßtechnikteil diesmal Schaltplan und Bestückungsplan für die Lochrasterplatine kombiniert. Den oberen Teil kennt ihr bereits: Der Leistungsteil (inzwischen auch aufgebaut), der untere Teil (die Messtechnik) kommt nun auf die gleich Platine drauf. Von Links nach Rechts seht ihr hier die Echtzeituhr RTC DS3231, einen Temperatursensor LM75 am I2C-Bus mit der Versorgungsspannung 3,3V. Dann ein Levelshifter von 3,3 V auf 5,0 V. Ab hier läuft der I2C-Bus mit 5 V. Direkt dahinter zweimal einen INA219. Damit kann man Ströme und Spannungen messen, allerdings nur Gleichgrößen. Anschließend folgt ein 12-Bit-AD-Wandler. An diesen sind zwei ACS714-Wechselstromsensoren angeschlossen für +/-5 A.
We die Verbindung zur Leistungselektronik aussieht beschreibe ich im nächsten Beitrag. Da nun tatsächlich alle Bauteile auf der Werkbank liegen, wird erst Mal alles zusammengebaut.
Ganz links, nicht im Bild wird der Raspberry angeschlossen, auch das zige ich noch genau im nächsten Beitrag. So langsam komme ich mit dem Projekt auf die Zielgerade...

Falls jemand das Teil nachbaut, bitte auf die I2C-Adressen achten, diese dürfen sich nicht überlappen (Manuals lesen) - und 3,3 V strikt von 5 V trennen.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

so, nach dem letzten Posting mit dem erweiterten Schaltplan / Layout kommt hier nun die Umsetzung. Zunächst müssen, wie schon geschrieben, die I2C-Adressen der einzelnen Chips festgelegt werden.

Die Uhr (DS3231) liegt fest bei 0x68 und der Temperatursensor (LM75) bei 0x48.

Die zwei Spannungs-, Stromsensoren (INA219) habe ich auf 0x40 und 0x41 adressiert. Der Auslieferzustand ist immer die Adresse 0x40. Um einem der Sensoren eine alternative Adresse zu verpassen, müssen die beiden Jumperpads bei A0 (bitte kleines Bild betrachten) mit einer Lötperle verbunden werden. Das ergibt dann 0x41. Möglich wäre auch noch 0x44 (Lötperle auf A1) oder 0x45 (Lötperlen auf A0 und A1).

INA219_01.jpg (122.25 KiB) 18080-mal betrachtet

Der AD-Wandler bietet eine komfortablere Lösung durch ein herausgeführten Adresspin. Diesen mit GND verbunden ergibt 0x48 - da liegt schon der Temperatursensor; verbunden mit VDD (5 V) ergibt die Adresse 0x49, und die ist noch frei.

Echtzeituhr RTC DS3231 0x68
TemperaturfühlerLM75 0x48
UI-Sensor Nr.1 INA219 0x40
UI-Sensor Nr.2 INA219 0x41
AD-Wandler ADS105 0x49

Es macht in jedem Fall Sinn sich über die Datenblätter zunächst einen Überblick über die möglichen alternativen Adressen aller einzusetzender Chips zu verschaffen, bevor man aufwändig irgendwelche Lötstellen wieder aufkratzen muss.

An den beiden UI-Senoren habe ich noch eine weitere Variation vorgenommen. zum einen habe ich die Steckerleisten auf 90° gebogen, um die Sensoren stehend montieren zu können. Da die Sensoren nun aufrecht nebeneinander stehen, war es nötig bei einem die Anschlußklemme von hinten anzulöten.

Wie nun alles zusammen mit der Leistungselektronik auf der Lochrasterplatine aussieht zeigt das große Bild:

Ganz links liegt der Raspberry Pi. Oben ist der kleine schwarze USB-Stecker der Spannungsversorgung sowie der goldene HMDI-Stecker für den Bildschirm zu erkennen. Am unteren USB-Hub stecken Maus und Tastatur. Die fünf einzelnen leitungen zwischen Raspberry und Platine sind schwarz (GND), rot (3,3 V), gelb (5 V), lila (I2C-SDA) und grün (I2C-SCL).
Direkt daneben eine gelbe Kontroll-LED für die 5 V und eine rote Kontroll-LED für die 3,3 V entsprechend der Kabelfarben.
Der Temperatursensor hängt mit seinen zunächst 4 Leitungen. Die fünfte für die Ansteuerung der zweiten roten LED fehlt noch. Dann kommen die beiden stehenden UI-Sensoren und daneben der AD-Wandler mit der Brücke zwischen ADDR und VDD. Ganz rechts die I-Sensoren (ACS714 für +/- 5A. Diese werden direkt an einen der Eingänge des AD-Wandler angeschlossen.

Leiterplatte-komplett_01.jpg (434.54 KiB) 18080-mal betrachtet

Mit der Leistungselektronik im oberen Teil der Platine gibt es noch keine Verbindung, denn erstmal muss die Sensorik funktionieren und programmiert werden.

Soweit funktioniert alles schon. Am Screenshot kann man die Adressen erkennen. Alle Sensoren werden somit erkannt und die Schaltung funktioniert soweit. Jetzt muss ein Pyhtonprogramm her welches die Sensordaten ausliest, so das wir auch an die Strom- und Spannungswerte herankommen...

screenshot_01.png (9.06 KiB) 18080-mal betrachtet

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,
wieder geht es einen kleinen Schritt weiter. Leistungselektronik (oberer Teil im Bild) und Messtechnik (unterer Teil im ersten Bild) müssen noch miteinander verbunden werden.

Platine_02.jpg (437.72 KiB) 17709-mal betrachtet

Dazu sind im Layout der Leistungselektronik kleinere Änderungen notwendig (gelbe Umrandungen im zweiten Bild).

Platine_00.jpg (254.11 KiB) 17709-mal betrachtet

Daraus ergibt sich dann folgende Situation im vereinfacht dargestellten Schaltplan (drittes Bild): Zwischen Gleichrichter und Regler befindet sich der erste Sensor. Vin+ korrespondiert mit X5.1+ im Schaltplan und ist mit einer gelben Leitung im ersten Bild sichtbar. Vin- entspricht dann X5.1- und ist mit einer weißen Leitung angeschlossen. Analog dazu ist der zweite Sensor an x8.1+ und X8.1- angeschlossen. Die Masse für beide Sensoren ist gemeinsam an X5.2 mit blauer Leitung angeschlossen.

Platine_01.jpg (26.79 KiB) 17709-mal betrachtet

Damit können wir nun jeweils die Spannung "Bus Voltage" messen. Einmal als Ausgangsspannung des Gleichrichters und einmal als Ausgangsspannung des Reglers. Der Spannungsabfall "Shunt Voltage" wird zwischen Vin+ und Vin- gemessen und ergibt zusammen mit dem bekannten Shuntwiderstand (R=0,1Ohm) den Strom zwischen Gleichrichter und Regler sowie zwischen Regler und Last.

Tatsächlich funktioniert das auch alles - ich habs probiert. Mein Programm zeigt bereits alle Werte (Spannung, Strom, Leistung) an. Allerdings: "Wer misst, misst Mist" Da beide Sensoren noch durch das Programm konfiguriert und kalibriert werden müssen, stimmen die angezeigten Werte noch nicht vollständig. Wie das funktioniert, zeige ich mit dem nächsten Post.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin Leute,

so, inzwischen funktioniert der erste Teil des Programmes: Spannung über dem Lastwiderstand und dem Messshunt durch selbigen werden ordnungsgemäß gemessen. Das rote Messgerät zeigt den Strom durch Shunt und Lastwiderstand (330mA) und das blaue die Spannung an. Im Bild kann man die Werte mit denen des Programmes vergleichen - wenn ihr bei den Reglerwerten schaut (Sensor 0x40), der andere Sensor misst gerade zwischen Gleichrichter und Regler. Die Berechnung der Leistung und des Stromes funktioniert noch nicht - es fließen also nicht wirklich 5632 A und 39428 W kommen aus meiner Schaltung auch nicht raus - eigentlich schade.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

inzwischen funktioniert die Erfassung der elektrischen Messwerte, wobei ich die Werte für Ströme und Leistung z. Z. noch selber im Programm berechne, weil die Konfiguration der Sensoren über I2C noch nicht sauber funktioniert. Auch die Drehzahlerfassung läuft jetzt. Ich verwende einen Reedkontakt am Rotor und erfasse die Zeit zwischen zwei Impulsen. Das Prellen des Reedkontaktes beseitige ich mittels Software, der Impuls wird über einen Interrupt erfasst.

Jetzt habe ich bei Amazon einen Windsensor gekauft - von Eltako. Ich würde mal sagen: Das Ding ist "unter aller Kanone, aber billig(!)". Ich werde es mit meiner Wetterstation kalibrieren um halbwegs vernünftige Messwerte zu erhalten.

Zum aktuellen Stand werde ich natürlich noch Bilder nachliefern.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute,

kurzer Zwischenstand: Der Windsensor von Eltako ist angekommen. Der Beipackzettel extrem kurz. Angaben über die Impulse pro Umdrehung oder Toleranzangaben fehlen komplett. Als Messgerät eigentlich nicht einsetzbar. Ich kalibriere jetzt auf meine Wetterstation. Dazu habe ich den Windsensor möglichst nah an den der Wetterstation herangeführt (siehe Bild).
Momentan gehe ich davon aus das ich ca. 2 - 3 Wochen benötige, bis die Messwerte in ausreichender Anzahl vorhanden und ausgewertet sind.

Windige Grüße
Siegfried