Laderegler höherer Effizienz durch PWM

Hallo,
vorgestellt wird eine Idee, wie man kleinere Windräder besser an Akkumulatoren anpassen kann.

Bei einfachen Lademaschinen, bei denen hinter dem Gleichrichter direkt der Akku kommt, dazwischen gerade mal noch ein Überladungsverhinderer (umgangssprachlich Laderegler genannt),
beginnt die Ladung irgendwann, z.B. bei 3 m/s und 12V.
Nun will das Windrad ansich hoch drehen, mit Generatorspannungen bei 9 m/s dann idealerweise 36V.
Kann es aber nicht, da der Akku die Spannung quasi fest hält. Bischen eingeschränkt wird das nur durch Spulen- und Ableitungswidrstände und eventuelle bauartbedingte Strombegrenzung vom Generator.
Ergebnis sind marginale Wirkungsgrade oft schon weit unter den Abregel-Geschwindigkeiten.
Durch Pulsweiten-Modulation kann man erreichen, dass ein Windrad in Nähe der optimalen TSR läuft und damit mit nahezu bestem Cp.

Das Mittel dazu sind Step-down Wandler, auch Down Converter genannt.
Bei meinem Windrad wären Spannungen von ca. 20 bis 80V, bis ca. 10A zu wandeln auf quasi konstant 13V und dann bis ca. 50A, Wirkungsgrad einbegriffen.

Kennlinienmäßig sieht das etwa so aus:


Bild 1
Da EXCEL nicht erlaubt, auch eine 2. X-Achse ein zu fügen, musste ich die Referenzsspannungen DC händisch drunter schreiben.
Eine linear ansteigende Kennlinie, wie sie der Windmaster zur Netzeinspeisung hatte, wäre schon eine Verbesserung.
Mit 2 linearen Kennlinien unterschiedlicher Steigung auf der Leistungskennlinie wäre die Verbesserung noch viel größer und fast ausreichend. Ich habe 3 gewählt.

Grundlage für die Idee war
1. Reihenschaltung einer Z-Diode mit einem abgreifbaren Widerstand (Poti) ergibt Kennlinien folgender Art.


Bild 2

2. Das Spannungsverhältnis beim Down-Converter ist ansich nur bestimmt vom Pulsweiten-Verhältnis, in Bild 1 linke Y-Achse, handschriftlich.

Umsetzung nach einer Idee von Jörg Rehrmann. http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/bilder/b6_1_i.gif
Quelle: http://www.joretronik.de/Web_NT_Buch/Kap6/Kapitel6.html Dort auch viele Grundlagen.
Da auch mit IC TL494 gearbeitet, weiterer Link: http://www.atx-netzteil.de/pwm_mit_tl494.htm

Daraus habe ich folgende Schaltung entwickelt, wobei mir bezüglich FET-Treiber noch bkohl geholfen hat:


Bild 3: Down-Converter, Induktivität auf Schaltungsblatt 3

Die Z-Diodenstrecke D13 würde alleine schon eine lineare Üb-Kennlinie mit entsprechender Steigung erzeugen.
Mit D11 und D12 + Widerständen gedenke ich, die Üb-Kennlinie gemäß meinem Vorhaben zu beeinflussen.
Ob die Schaltung gedenkt, dem zu folgen, ist zu ergründen.

Wenn sich jemend findet, der meint, sowas lässt sich mittels Programmierung einer Klein-CPU viel eleganter und flexiebeler lösen. Gerne! Nur möchte ich mir das Programmieren nicht mehr an tun. Ginge also darum, 5 bis 10 Spannungs-Werten entsprechend viele Leistungswerte zu zu ordnen. Da die Spannungen vorhanden sind, im Endeffekt also Strom-Werte.
Dazwischen idealerweise lineare Interpolation (genügt) oder gar Polynom-Approximation.
Dann ggf. noch Wandlung digital-analog, um den PWM-Schaltkreis mit Spannungswerten füttern zu können.

Der FET-Treiber und vor allem auch IC1 entwickelt intern ne kurze Totzeit, damit ausgeschlossen ist, dass beide Fets zugleich leiten - Kurzschluss.
Ansteuerspannung für high-Fet (oberes) wird über Bootstrap gewonnen mit D15a + C5.

Ob IN_IC2 mit Strom aus IC1 angesteuert werden kann, oder besser mit Spannungspegel nach R18, muss probiert werden. Auch welches FET, low oder high zuerst durchschalten muss, damit das Bootstrap funktioniert. Bkohl sagte wohl, low zuerst.

Die Verbindung zur Drossel, also die Leitung, wo Ua dran steht, muss kurz und Induktivitätzarm (also möglichst breit) geführt werden. Damit wären wir beim nächsten Blatt.


Bild 4: Speicherdrossel und eigentlicher Laderegler

Speicherdrossel ist eine Wissenschaft.
Nach Rehrmann für min. Ia 2,5A berechnet mit 26 myH bei 100 kHz.
Da mit Kern (man braucht 2!) die Flussdichte selbst bei 2 mm Luftspalt zu weit in die Sättigung getrieben würde, habe ich reduziert auf 13 myH. Referenzierter I_min dann 5A. 7 Windungen. Für 50A würde ich 10x1mmD parallel nehmen. Stromdichte dann ca. 5,3 A/mm². Vermutlich gehen auch ein paar weniger Drähte. Alles ne Frage der Temperatur.
Max. Flussdichte bei 7w mit 0,59T zwar größer als 0,4T. Aber nur bei hohen Strömen. Da Kann L auch geringer sein, wie von Rehrmann beschrieben.

D18, eine Schottky-Diode, kann vermutlich weg fallen. Ist nur dafür da, wenn über die Rückflussdiode von T8 während der Totzeit eine Flusspannung höher als bei Schottky an fällt. Aber die Totzeit ist mit einigen 0,5 my s (bei C3'=1nF) so kurz, dass man mit diesen Zusatzverlusten vermutlich gut leben kann.
Ob L2 sein muss, ist von der Störstrahlung abhängig.

Der eigentliche Laderegler:
Mittels Komperator LM293, Hysterese-Erzeugung, Temperaturkompensation für Blei-Batterien.
Ansich wollte ich einen einfachen Laderegler für PV nehmen und den durch größere Kühlkörper und ggf. zusätzliche FETs parallel erweitern. Aber von den ca 1000 bei E-Bay angebotenen haben wohl inzwischen alle MPPT. Hier gerade nicht zu brauchen. Auch hatte ich mir für ne 50W PV-Platte für wenig Geld einen besorgt. Ergebnis: Trotz MPPT weniger Ladstrom als PV direkt angeschlossen. Kann aber auch an unterschiedlicher Impulsform liegen.
Zumindest schützt er vor Überladung.

Fazit
Eine Kleinigkeit ist es nicht, obwohl der eigentliche Laderegler auch schon viel Raum ein nimmt.
Der Converter ist aber nichts für Anfänger. Cs müssen Impulsbelastung aushalten, im Datenblatt z.B. mit Rippelstrom beschrieben. Natürlich muss ein gemeinsamer Kühlkörper berechnet werden.

Bin in der weniger schönen Situation, dass ich weder mein Windrad noch den Laderegler selbst nutzen kann. Weil das Haus den Wind aus der Hauptrichtung versperrt.
Habe mir dennoch die Bauteile bestellt. Beliebte Qarantäne-Aufgabe, sollte es mich mal erwischen.
Sollen morgen kommen.
Mit dem Batt.-Monitor auch China, der eigentlich erst mitte nächsten Monats eintreffen sollte, ging es schneller. Wurde vorgestern überrascht mit einem sehr kleinen Päckchen.

Wenn schon 3 Seiten Schaltplan, gibts auch mindestens 3 Seiten Bauelemente. Aber ich wollte den Beitrag vorläufig nicht sprengen.

Grüße, Che

Bekannt schon, aber man muss es auch machen, ich meine bauen, oder kaufen. Wirklich billig ist Letzteres nicht.
Entweder von Midnite oder der WindMaxx von Schams-Solar. Brauchte wohl sogar einen 1000-der, also 2 * 500 parallel. Mit bischen sekundärem Schnickschnack sinds über 1000 EUR. Daher die Idee des Selbstbaus.

Nochmal zur Argumentation:
Manchmal ist das Betriebsverhalten ohne PWM sogar akzeptabel: http://www.geopolos.de/Entwick…c528057677 Deutlicher Cp-Abfall erst über 9 m/s, da beginnt ansich schon die Abregelung.
War aber auch einer mit Ferritmagneten. Damit schon recht viel Wicklungswiderstand. 2,4 Ohm zwischen 2 Phasen. Bei meiner 600W-Anlage (Neodym) sind es 0,6 Ohm (auch Nennspannung 24V).
Da erwarte ich einen früheren Cp-Einbruch.

Was viel mehr inns Gewicht fällt - ich kann lt. Rechnung meine Wicklungen nur mit ca. 10A DC belasten.
Das wären bei 26V Akkuspannung ohne PWM 260W, bei 13V die Hälfte.
Wenn per PWM die Generator-Spannung hoch laufen kann bis 75V bei 9 m/s, dann sind es Anlagenleistung 750W!
Ladung auf 12V-Akku im großen Stil wird auch möglich, wobei da ansich schon die Grenze des Sinnvollen erreicht ist.

, Einspeise-WR? Gibts den noch?
Grüße, Che

....5W Standby, etwa 1xsec MPPt, langsam,
Hohe Belastung am Gen.
Nur für bestimmte WKA geeignet.
80%max Wirkungsgrad, immer wenn wirklich Leistung geht ,werden die sehr warm.

Alles eigene Erfahrungen.
Dunpload Relais anfällig.

Nix für Schwachwind..
Aber , wem das egal ist, und die genau passende Turbine...
Irgendwie geht's dann doch.
Jedenfalls..
Optimierung ist was anderes.

Cerco

Wollte mich schon bedanken für den Link zu sunshine.en. Mit Eigenerkenntnis, dass z.B. Arbeitsbereich 22 bis 60V bischen wenig ist. Verhältnis 1/2,7.
Wenn Beginn bei 3 m/s müsste man schon unter 9 m/s mechan. abregeln. Beim WinndInvert 800-36 gehts z.B von 23 bis 85V. Verhältnis 1/ 3,69.
Kostet aber auch knapp 1 EUR das Watt, übern Händler bis 100% drauf. Der andere eben unter 100 US$. Und das Herbringen von chinesischen Produkten bei mir bisher unproblematisch. Und nicht alles ist Schrott.
Beim Übersee-WR in der Spezifikation -WAL käme vorgesetzt noch die Gleichrichtung dazu, und vermutlich ne Überspannungs-Begrenzung. Dazu eine Idee, die sich aufziegeln lässt auf höhere Spannungen:


Quelle: https://www.kreidler-service.d…56-10.html

Bei Allem muss man das schon ernst nehmen, was cerco schreibt. Zumal es nachvollziehbar erscheint.
Allerdings: Bei welchen? ist das ansonsten nicht immer so? bei Euren mit Kennlinie noch viel mehr. Und max. Cp 92% ist auch selbst redend.

Könnte das "blaue Dingens" sein, was Max vor Jahren beschrieben hat. Ob überhaupt noch lieferbar, müsste man sehen. Black 600 ist bei Alibaba auch noch drin....

Wenn bei einem sonstigen Händler aufgelaufen, die alles irgendwie vermarkten wollen: Umso weniger spezialisiert, desto geringer auskunftsfähig.
Aber hier offensichtlich sogar Erzeuger. Werde mal sehen, ob der Herr Alan Wu mir paar Fragen beantworten kann, und ein Gesamtdatenblatt der technischen Daten schicken. Vielleicht haben sie "das blaue Dingens" weiter entwickelt.

@Lars: Bischen viel Text diesmal, sorry. Mein Dank für den Link verspätet aber doch!

Lars, glaube mir, es ist ein weites Feld! Und es gibt eine Reihe kluger Leute, die kümmern sich ca. 8h täglich darum. Zunehmend frustriert womöglich, da bei Wind der Bedarf eigebrochen ist. Aber es gibt ihn noch. Chance für Nieschenanbieter.
Bei Überproduktion Chance für die Restkunden.

Und vielleicht ist Dein Vorhaben garnicht nötig, denn es gibt von sunshine.en weitere interessante Produkte, vor allem preislich: 1000W Kombi Netz-WR Sorry cerco.
Und wenn "5W Verlustleistung" heißt, bei eingeschaltetem Lüfter, dann wären sie richtig gut.
Sonst bei 5W: Jahresverlust 13,15 EUR, mit 33 Ct/kWh gerechnet. Na und?
Und "nur für bestimmte WEA": Ja wenn dadurch spezifiziert, dass je eine der 3 angebotenen Spannungs-ranges dazu passen muss, also z.B. 22 bis 60V. Fein, fein. Braucht man nicht mal was einstellen.

Gleichrichter und vermutlich auch Spannungsbegrenzung ist im genannten Produkt schon integriert.

Dass für Wind und PV je ein PWM-System drin ist, mit je einer Speicherdrossel, wäre ein Traum.
Aber irgendwie müssen sie beides auf das Niveau der Netzspannung bringen. Bei uns auf etwa 350V.
Schon toll, wie sowas funktioniert.

Für Batt-Ladung gibts sowas sicher auch schon, s. Midnite Classic. Und wenn bei höherer Leistung Wind und PV getrennt - never mind. Versagt ein System, verbleibt wenigstens das andere.

Mal sehen, ob der Herr Wu mir antwortet. Ging nämlich nicht ohne Angabe einer tel.-Nr.. Einer Phantasienummer 1234 56789. Habe keinen Bedarf an Telefonaten auf engl. mit chinesischem Akzent, zudem zu einer Zeit, wo ich noch schlafe.
Wenn aber keine Datenblätter und weiteren Angaben, sollte man eigentlich nicht kaufen. Obwohl der Preis unschlagbar ist.

Hallo , als ich (billi) damals mit dem billig China Netzwechselrichter gespielt habe , war ich auf dem Forum unterwegs http://forums.windynation.com/…#post-4445


Anyway , sowas ist ja auch endlich auf dem Markt , wörtlich genommen muss man mit "Buck and boost " controller suchen (ob der taugt ?) https://www.alibaba.com/produc…52917.html

Mit Schams Solar und Ihrem Wind MPPT Laderegler war ich damals in Kontakt , leider musste ich dan verzichten , weil deren Produkt , nicht Batterie laden kann wenn die Turbine unter der Batteriespannung dreht , das war der Knackpunkt

gruss Lars

Ja , so ists Che , und gut mal auch was rauszulassen aus der Lernkurve , war halt alles auch nicht umsonst damals ...

Hallo Wieso..Schams bietet Hochsetzer Module..
Wir nehmen immer beim Akkuladen unsere DC Hochsetzer, stimmen Gen ,Rotor und Wandler so ab, das ab den ersten 50-60 U/min der Akku geladen wird.Eigenverbrauch 1.3 W...
Das kann man soweit programmieren,dass ab den ersten 3 Volt DC nach B6 Gleichrichter ein beliebiger Akku geladen wird.
Ladebeginn um 30 ,U/min.

Die CN Buck Boost Mal ausprobieren bitte, interessant, wie schnell die sind..
Und wie viel die selber verbrauchen in Watt..

Merke schon wieder wie bereichernd es ist, wenn viele sich beteiligen.
Bezüglich cerco aber:
Öffentlich bietet Schams da derzeit keine an. Konnte zumindest nichts finden. Möglicherweise ne Spezialanfertigung für Euch. Zweifel allerdings bezüglich Nutzen.
Aber vielleicht meintest Du nur, dass es theoretisch möglich wäre ab 3V, ohne das wirklich zu empfehlen.
Dann Sorry!

Was meine Programmierungsaufgabe betrifft, so habe ich nochmal überlegt.
Ne Zuordnung von paar PW-Prozenten ein paar Spannungswerten ist sicher schnell gemacht. Den Trubel hat man aber anschließend. Entweder Windkanal - teuer - oder Messwagen, auch nicht ohne Mühe.

Daher wird es in Etwa folgendes sein müssen:



Vom Anwender parametrierbar müssen sein die Werte Pout=f(U_L) wobei U_L schon 90% von U_0 sind, also unter Belastung.
Zur Leistungsbildung müssen die Stromwerte I_in heran gezogen werden, als Spannunsfall an einem Messwiderstand mit der Empfindlichkeit 100mV/10A.
Der Spannungshub U_L wieder runter geteilt 10:1 auf max. 10V.
Für beide evtl. noch programmierte Tiefpass-Filter 80Hz, sost muss das hardwaretechnisch erledigt werden.
Ist wegen Restrippel nach Gleichrichtung, bei Höchstdrehzahl um 400Hz. (Selbst Multimeter zeigen unruhig an.)

Die Pulsweite als Ausgang gerne wieder als Spannungshub bis 10V. Werte hier nur Beispiele.

Es findet zusammen mit der Hardware dann eine Regelung statt. Vorgegebene Leistung in Abhängigkeit von U_L durch Beeinflussung von I_in mittels Pulsweite.