Messtechnikprojekt für Prüfstand/Windenergieanlage

[Ölfinger]

...also scheu Dich nicht, ich weiss zwar weder wer Fritz, noch was fritzing ist,
aber falls ich irgendwas verstehe, melde ich mich

[Totte]

Hallo Siegfried,

ich würde Deiner Schaltung noch eine Leistungs-Schottky-Diode in Reihe nach dem MOSFET Gleichrichter spendieren.
Wenn nämlich die Generatordrehzahl und somit die erzeugte Spannung sinkt,
fällt diese Spannung unter das Potential des Ladekondensators nach dem Gleichrichter.
D.h. dann wird der Kondensator zur Energiequelle und entlädt sich durch den Generator, was unerwünscht ist.

Gutes Gelingen wünscht
Totte

[Köpke]

Moin Totte,

so habe ich das noch gar nicht betrachtet - das werde ich mir genauer ansehen und einen kleinen vorzeigbaren Versuchsaufbau überlegen. Anfang nächster Woche kommt meine Lieferung elekronischer Kleinteile an, bis dahin räume ich meine Werkstatt auf und bereite meine erste Versuchsreihe des Leistungsteils vor. Den Serienkondensator werde ich im Auge behalten und hier berichten.

P.S.: Ich habe gerade "Schrittmotoren optimal ausnutzen gelesen". Super! Ich bin immer wieder erstaunt was hier im Forum so alles passiert und wie professionell manche Projekte laufen.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo zusammen

inzwischen ist meine Lieferung angekommen und ich habe den ersten Teil der Schaltung (Längskondensator, Zenerdioden und Thyristoren aufgebaut und mit einem Lastwiderstand R = 12 Ohm abgeschlossen. Die Schaltung habe ich auf einem Steckbrett aufgebaut und dann zu Testzwecken an meinem Drahtesel angebracht und am Dynamo angeschlossen. Die eigentliche Fahrradbeleuchtung war während der Testfahrt nicht angeschlossen.
Während der Fahrt konnte ich beobachten, das die Spannung am Lastwiderstand schnell ansteigt und dann auch bei flotter Fahrt (v = 30 km /h) nicht über 6,2 V ansteigt.
Der Test dauerte rund 5 Minuten, danach waren die Thyristoren leicht angewärmt und der Lastwiderstand deutlich warm.

Die Schaltung funktioniert also soweit. Bequemer wäre natürlich ein drehzahlveränderlicher Antrieb mit einem Nabendynamo an der Werkbank; und dann in aller Ruhe Messwerte aufnehmen und die Spannungsverläufe auch mal oszilloskopieren. Naja, ...
Vielleicht kann ich meinen alten Wechselrichter wieder in Betrieb nehmen, dann könnte ich damit die Schaltung versorgen und mal die Spannung darstellen...

Mit dem Steckbrett bin auch nicht so richtig zufrieden - die Kontakte sind recht locker, Unterbrechnungen nicht auszuschließen - trotzdem immer noch besser als alles auf Lochraster zu löten.

Ich werde mich mal als nächstes mit dem zweiten Teil der Schaltung, dem Längsregler, beschäftigen und ihn dann auch testen (das Wochenende fängt ja erst an...)

Zum Bild: Links sieht man den Längskondensator, aufgebaut aus zwei einzelnen gepolten Kondensatoren. Direkt rechts daneben befinden sich die zwei 16V-Zenerdioden und unter dem Kabewirrwarr sind die vier Thyristoren versteckt. Ganz rechts im Bild der Lastwiderstand.

Windige Grüße
Siegfried

[Ölfinger]

Hehe...
Ich stell mir grad vor, wie jemand auf nem Fahrrad fährt und damit beschäftigt ist, den Fluxkompensator an seinem Lenker zu justieren

Bei mir ist leider grad Zeit des Auf und Umräumens, die Saison ist so ziemlich vorbei und nun muss ich den ganzen angesammelten Mist sortieren und lagern oder auch entsorgen;
nächste Woche erstmal fast eine tonne Eisenschrott entsorgen
Aber ich sehe schon das Licht am Ende des Tunnels, bald habe ich auch wieder Zeit mich um solche Sachen zu kümmern.
Aber mal eine Frage, so ganz verstehe ich das nicht, kann man so denn irgendwann auch die Messwerte auf einem PC darstellen?
...und kann man dann auch 2 Dynamos parallel auswerten?
Ich habe nämlich den Gedanken an meinem Doppelsav einen der beiden mit einem schwereren Schwungrad auszustatten um zu testen ob man so etwas konstantere Leistungsabgabe erreichen kann.

[Köpke]

Moin Ölfiger,
an dem Fluxkompensator arbeite ich dann als nächtes...

Zu deiner Frage

Aber mal eine Frage, so ganz verstehe ich das nicht, kann man so denn irgendwann auch die Messwerte auf einem PC darstellen?

Klar man wird können - das ist ja das Ziel der ganzen Aktion. Ich habe hier im Forum eine vorhergehende Testfahrt unterschlagen. Vor ein paar Tagen habe ich meinen raspberry, betrieben mit einer Powerbank als Spannungsversorgung, in der Fahrradtasche gehabt. Über USB an den raspberry angeschlossen, war das Messgerät HP-90 (das wir uns beide gekauft haben). Auf dem raspberry lief die Software QTDMM. Und dann bin ich damit losgefahren und habe die Frequenz der Nabendynamospannung gemessen, gespeichert und später am PC ausgewertet.
Fazit: raspberry läuft zuverlässig mit Batterien - auch unter rauen Bedingungen (Feuchtigkeit, Erschütterung). Die Messwerte werden zuverlässig über USB aufgezeichnet.

Der jetztige Versuch mit Messung der gleichgerichteten Nabendynamospannung zeigt mir zum einen eine Bestätigung meiner berechneten Kennlinie des Dynamos und zum anderen das mein Konzept zur Gleichrichtung der Spannung samt ausgewählter Bauelemente funktioniert.

Warum mache ich das? Weil es leichter ist in kleinen Schritten, die dann auf Funktion geprüft werden, voran zu gehen. Nächster Schritt: Ich baue meine Gleichrichterschaltung fest auf Lochrasterplatine und ergänze den Längsregler dazu, dann nächster Test. Wenn dieser Test erfolgreich war, haben wir einen funktionierenden Leistungsteil, d.h. wir können eine drehzahlabhängige Wechselspannung in eine stabilisierte Gleichspannung in gewünschter Höhe (3 bis 6 Volt) umwandeln.

Sicher läßt sich die Schaltung dann noch verbessern oder ergänzen (siehe Schottkydiode weiter oben) - das ist dann aber Feinabstimmung.

Wenn du die Schaltung zweimal aufbaust, kannst du auch einen Savonius mit zwei Generatoren nutzen und die Spannungen dann in Reihe oder parallel verschalten!

Ab diesem Zeitpunkt kommt dann der Entwiclungsschritt "Messen und Steuern", d.h. wir werden den raspberry mit Analogeingängen ausstatten und ihn Strom, Spannung und ggf. Frequenz messen lassen. Eigentlich auch noch die Windgeschwindigkeit. Dem raspberry ist es egal ob er das an einem oder zwei Dynamos macht. Und es wird ein paar digitale Ausgänge geben um die Windenergieanlage zu kontrollieren (Bremse einlegen, Spannung ausschalten, usw.)

Letzter Schritt: Entweder über LAN, WLAN oder USB-Stick kommen die Daten auf den PC.

Und dann sind wir fertig

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Hallo Leute

nach dem Aufbau des ersten Teils der Schaltung auf Steckplatine (siehe vorherigen Beitrag) habe ich mich entschlossen, im nächsten Schritt gleich die gesamte Schaltung auf Lochrasterplatine aufzubauen. Im Bild erkennt ihr den "Bauplan".

Dargestellt ist die Leiterplatte in der Draufsicht mit Blick auf die Bestückungsseite. Die gesamte Schaltung ist so angelegt, dass sie zweimal untereinander auf einer normalen Leiterplatte angeordnet werden kann (z.B. um zwei Nabendynamos gleichzeitig anschließen zu können).

Legende:

• Gelbe Linie = Rand der Lochrasterplatine (Jedes Kreuz des Karapapiers entspricht einem Loch der Lochrasterplatine).
• Rote Kreuze = Eine notwendige Unterbrechung der horizontal verlaufenden Leiterbahnen.
• Orange Linie = Senkrechte Drahtbrücke.
• Schwarze Linie = Bauteilrand bzw. benutzte Leiterbahn.

Ich habe früher fast alle meine Schaltungen s aufgebaut und etwas Erfahrungen damit, hier also ein paar Tipps zum Nachbauen:

• Das Fünfer-Raster (grüne Zahlen im Bauplan) zm einfacheren Abzählen auf die Platine übertragen.
• Alle Unterbrechungen zunächst anzeichnen (Edding) und zweimal(!) prüfen (Abzählen und Position) erst dann mit 3...4 mm Bohrer Leiterbahn unterbrechen.
• Jede Unterbrechung auf Kupferspäne und Kurzschlüsse in Ruhe kontrollieren, ggf. mit einer Lupe - jetzt finden sich Fehler noch sehr leicht
• Farben für Drahtbrücken festlegen, z.B. alle Drahtbrücken, die Kontakt mit Masse haben in BLAU und alle Drahtbrücken die Kontakt mit Versorgungsspannung haben in Rot ausführen usw.
• Dann alle Bauteile auslöten, beginnend mit den niedriegsten (Drahtbrücke, Widerstände) dann die höheren und zuletzt die ICs und Leistungsahlbleiter. Nochmal alles kontrollieren.

Unten die beiden Bilder zeigen den Entwurf der Leiterplatte und den resultieren Prototypen vor Inbetriebnahme (mir fehlt noch ein kleiner Poti zwischen R1 und R2 zum Feineinstellen der Ausgangsspannung. Funktionstest kommt jetzt als nächstes.

Windige Grüße
Siegfried

[Köpke]

Moin zusammen,

so, ein erster Test in der Werkstatt war (nach der Beseitigung einiger kleinerer Fehler im Layout) erfolgreich.

Allerdings gibt es noch etwas zu tun. Die Schaltung regelt momentan auf 7,9V. Das liegt an dem Widerstandsverhältnis von R1 und R2. Ideal passende Werte gibt es nicht, also müsste ich hier einen kleinen Trimmer spendieren.
Oder man müsste in der Schaltung gleich verschiedene Widerstandsverhältnisse, z.b. für 5V, 6V, ... einbauen und mit Jumper auswählbar machen. (Frage 1 : Was wäre eure Entscheidung?)

Der Längsregler gehorcht ebenso, Lege ich den Enable-Pin auf die Eingangsspannung wird geregelt und am Ausgang liegen die 7,9 Volt an. Ziehe ich den Enable-Pin auf Masse, wird die Ausgangsspannung auf Null gesetzt.
Es gibt eine Variante des Reglers bei dem der Enable-Pin durch ein FLAG-Pin ersetzt ist. Das meldet bei einem Abfall der mit den Widerständen eingestellten Spannung um 5% einen Fehler.
Was wäre euch lieber? Fehlermeldung über ein FLAG-Pin zu erhalten, oder den Reglerausgang "per Knopfdruck" ein- und ausschalten zu können (Frage 2).

Jetzt ist auf der Platine noch Platz. Man könnte die Meßtechnik da unterbringen, dann hätte man eine Platine mit Leistungselektronik und Steuerelektronik für einen Nabendynamo. Oder auf die Platine einen zweiten Leistungsstrang und dann für zweimal Messtechnik ebenfalls eine weitere Platine spendieren (Frage 3)?

Letzte Frage (Frage 4): Für diejenigen die das Teil nachbauen, lieber Lochraster (quasi umsonst, aber Leiterbahnunterbrechungen und Drahtbrücken selber machen) oder lieber eine layoutete Platine (kostet etwas Geld, aber nur Bauteile einlöten)?

Update 1: Doch noch eine weitere Frage (Nr. 5): Welche Spannungen würdert ihr benötigen, 5V (USB), 6,9V (Blei-Akku laden), ...?
Update 2: Das Widerstandsverhältnis passt jetzt - ohne Trimmer. Die Schaltung regelt auf 5,2V (Damit könnte das Windrad später alle USB-Geräte laden, die mit einem Strom <= 700mA auskommen.

Bin auf eure Antworten gespannt! Ich würde soweit wie möglich alle Ideen einfließen lassen, so das die gesamte Schaltung universell ist.

Windige Grüße
Siegfried

[Ölfinger]

Moin Siegfried,
das ist ja wirklich schon ganz gut, was du da hast.
Je mehr ich mich damit befasse, desto klarer wird mir wie wenig Ahnung ich von Elektronik habe.
Ich habe aber auch momentan nicht soviel Zeit für soetwas, ich strukturiere grad meine Bastelgarage etwas um und muss auch noch die Tonnen von Schrott die ich im laufe der Saison angesammelt habe sichten und sortieren...

So wie ich das jetzt von anderen Regelschaltungen kenne, würde ich die Version mit dem Trimmer bevorzugen,
so könnte man ja auch noch mit verschiedenen Ausgangsspannungen spielen, oder irre ich da?
Aber bei dieser Anwendung halte ich auch die USB Spannung für die beste Variante, so kommt wenigstens etwas sinnvolle Leistung zusammen.
Das mit dem Flag pin verstehe ich leider nicht so richtig, aber ich vermute mal das mein Defizit da wesentlich tiefer liegt...
Ich denke zum auswerten ist das mit pin besser, mit Schalter eher wenn man das gerät als Ladegerät verwendet.

Ich habe bisher zu den Leuten gehört, die Ihre Schaltungen so eng wie möglich zusammenquetschen, was ich aber nun nach einigen Fehlersuchen anders machen will.
Persönlich gefallen mir Schaltungen auf Streifen oder Lochplatinen besser, da hab ich auch noch einige von hier rumliegen.

So, nu gehts aber hier erstmal mit dem Aufrümen weiter

[Köpke]

Moin Ölfinger,
nochmal zum Längsregler. Es gibt für unseren Einsatzfall zwei mögliche Varianten:

a) Mit FLAG, d.h. das Beinchen am Regler funktioniert als Signalausgang. Sinkt die geregelte Ausgangsspannung um mehr als 5% ab, dann wird das an diesen Beinchen gemeldet. Damit könnte dann im einfachsten Fall z.B. eine rote LED eingeschaltet werden: "Achtung Ausgangsspannng unter Sollwert!". Oder komfortabler ein Microcontroller verarbeitet das Signal und regelt nach oder oder oder.

b) mit ENABLE (habe ich aktuell verbaut), d.h. das Beinchen am Regler funktioniert als Signaleingang. Schließe ich es an Masse an, schaltet sich der Regler aus (keine Spannung am AUsgang). Schließe ich es an die Eingangsspannung an, schaltet sich der Regler ein. Auch hier wieder: Einfachster Fall einen Umschalter anschließen, oder einen Microcontroller anschließen, der dann bedarfsgerecht ein- oder ausschaltet.

Ansonsten:
Habe heute mal einen Belastungstest versucht. Schaltung Fahrrad angeschlossen und DMM am Ausgang. Die Schaltung arbeitet auch prima am Fahrrad mit wechselnder Spanung und Frequenz zufridenstellend. Leider musste ich wegen strömenden Regen nach 15min abbrechen. Ich wollte eigentlich die Schaltung mal so richtig auf "Temperatur" bringen - einen Dauerbelastungstest sozusagen

Windige Grüße
Siegfried
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