Пролог
Хотелось бы поприветствовать всех кто увлекается и занимается электроникой! Данная серия публикаций будет посвящена полному циклу проектирования мощного источника бесперебойного питания мощность 3,2 кВт и самое главное — с чистым синусом на выходе.
Немного о себе расскажу — работаю инженером-электронщиком на предприятии, занимающимся производством станков и линий с ЧПУ, а так же мощных импульсных устройств: ИБП, стабилизаторы напряжения, инверторы. Вместе с предприятием прошел путь от проектирования систем от 1 кВт и до 1135 кВт.
Мои публикации будут носить больше учебный характер с попытками донести до интересующихся основы силовых расчетов, трассировки плат и ВЧ цепей, программирование микроконтроллеров STM32, а так же ПЛИС от Altera. И конечно еще множество сложных, но интересных вещей. Пожалуй, начнем…
А зачем он вдруг нам понадобился этот чистый синус и ИБП вообще?
Данные устройства нужны для создания автономных систем как на производстве, так и в быту. Сам как обитатель частного дома сталкиваюсь с проблемами подачи электроэнергии. Применение ИБП позволяет обеспечить нормальное функционирования основных систем дома, такие как:
— система отопления;
— работа скважины и погружного насоса;
— резервирование домашнего сервера;
— обеспечение бесперебойной работы роутеров;
— банальное обеспечение освещения в доме.
Все, что выше — это проблемы, с которыми можем сталкиваться мы с вами. Они глобальны, но стоит ли вообще производить ИБП? Ведь пару часов без света можно и переждать!
От части это правильно, но я привык жить в цивилизованном мире. Тогда обратимся к производству, зачем там резервирование? Из своего опыта опишу несколько основных проблем:
— необходимость обеспечивать бесперебойную работу конвейерных линий;
— обеспечение автономности дата-центров, серверов компаний и прочих сетей от перебоев питания;
— защита дорогостоящего оборудования от повышенного и пониженного напряжения и коротких замыканий;
Вроде бы все проясняется! Осталось определиться: «а зачем именно чистый синус?»
Данный вопрос имеет место быть, ведь 80% современных устройств имеет встроенный импульсный блок питания, что позволяет питать их постоянным током с напряжением +310В. Осталось понять что же за оставшиеся 20%…
В основном это системы и устройства, где имеются трехфазные двигатели (асинхронные), а так же высокоточное оборудование и прочее. Если подумать, то в эту категорию попадет 90% оборудования на производстве + ко всему еще и такие бытовые устройства, как котельное оборудование, циркуляционные насосы в теплых полах и отопление, насос для скважин.
Получился достаточно серьезный повод заняться проектированием!
Что же вы получите после изучения цикла статей?
Томить не буду, а получите вы следующий девайс:
Рисунок 1 — Вид основной панели ИБП на 3200 Вт
Описание: на выходе вы получите именно такое устройство и никак иначе. Все сделано в ручную и к производству прибегал по минимуму. На нашем оборудование был лишь изготовлен корпус — стандартный под серверную стойку 2U и глубиной 600 мм.
На панели присутствует куллер охлаждения, работающий на всасывание воздуха. Так же им управляет «мозг» на основе STM32F103RBT6 с помощью ШИМ с обратной связью по температуре. То есть значение оборотов зависят от температуры радиаторов силовых ключей и от температуры трансформатора. Измерение температуры реализовано «по старинке» на DS18B20, общающемся по интерфейсу 1-Wire.
Рисунок 2 — Вид рабочей панели с полными параметрами работы устройства
Все данные о работе прибора выводятся на TFT панель 2,4", работающую через интерфейс SPI через встроенный в дисплей контроллер ILI9341. Светодиодная шкала добавлена для более наглядного отображения режимов работа: «красный светодиод горит? Караул!»
Теперь посмотрим несколько с другого ракурса на устройство:
Рисунок 3 — Вид задней панели устройства
Описание: на задней панели все скромно и функционально: разъем для входного кабеля, 4 «розетки» для подключения нагрузки, предохранители на 25А, клемма подключения аккумуляторных батарей с предельным (испытанным мною) током в 110А (производитель заявил о 150А).
Характеристики по техническому заданию
Сначала несколько замечаний к общему функционалу. Первое, как и любой ИБП on-line типа, наше устройство должно выполнять функцию стабилизатора напряжения. Так поступают в топовой компании Schneider Electric и я решил перенять их опыт, чего греха таить. Теперь к характеристикам… Требуется получить:
— мощность номинальная: 3200 Вт
— диапазон входного напряжения: 85 — 265 В (такая цифра заявлена у Шнайдера)
— выходное напряжение: 230 В +- 3% (именно 230, а не 220. Стандарты нынче изменились)
— напряжение на DC шине: 48 В
— номинальный ток по сети 230В: 16 А
— номинальный ток по DC шине: 80 А
— пусковые токи: 650% от номинального
— перегрузочная способность: 150% в течение 30 минут, 200% в течение 12 минут
— время работы от АКБ: батареи внешние и время зависит от количества батарей
— возможность удаленного доступа к устройству
— наработка на отказ, не менее: 120 000 часов
Думаю с требованиями предъявляемыми к устройству все ясно, тогда приступаем к этапу определения концепции проектирования и выбору топологий.
Проектирования структурной схемы устройства
Пожалуй это самый важный этап проектирования. Любая ошибка выльется в огромную потери времени, ресурсов и денег, по этому советую отнестись к этой задаче крайне внимательно и без спешки.
Мысли
1) Необходимо выбрать методы коммутации цепей (переключение). Существует несколько методов/типов и у каждого свои плюсы и минусы. Рассмотрим типичные из них:
а) Механический — это способ коммутации цепей по средствам электромеханических устройств, чаще всего реле. Плюсы: простота. Минусы: низкая надежность, большое время переключения (порядка 0,2 секунды пока реле новое), возможность залипания реле, что вызовет процесс горение дуги между контактами. Думаю понятно почему это не наш метод? Мы же все таки ориентируемся на Шнайдер.
б) Электронный — это способ коммутации по средствам НЕ механических компонентов: диодов, симисторов, полевых транзисторов, тиристоров. Вариантов может быть много, самый адекватный на мой взгляд — диодный вентиль. Плюсы: простота, отсутствие механических подвижных элементов. Минусы: дополнительные потери тепла. В нашем случае при 80А и падение на диодах Шоттки 0.5В нам придется дополнительно рассеивать около 180 Вт, а таких диода минимум два. Потери в виде 10% К.П.Д. считаю кощунством, поэтому метод опять не наш.
в) Полный отказ от коммутации. Собственно, а зачем она нам? Слышал кучу возгласов против, но это обычно возмущаются
В чем собственно сущность — АКБ наши просто висят в буферной схеме на DC шине и постоянно находятся в процессе заряда-разряда. Многих это пугает, но вы попробуйте сами полежать месяц на диване, а потом удивитесь, что вам тяжело подниматься по лестнице. Так и с АКБ — их необходимо «тренировать» и поэтому буферная схема им полезна при условии очень быстрой защиты по току.
Плюсы: дешево, сердито, надежно, отсутствие самого понятия «время переключения» или «время перехода с питания от сети на батареи» и отсутствие дополнительных потерь. Минусы: придется использовать исключительно
2) Необходимо выбрать схему преобразования: ВЧ vs НЧ
Спорить тут можно бесконечно и каждый гнет свою линию. Многие производственники называют преобразование на частотах 10-150 кГц ненадежным, но это обычно элементарный PR ход с попытками оправдать свою несостоятельность в производстве подобного оборудования. Я думаю если бы технология не была лучшим выбором, то ведущие мировые компании не перешли бы на нее и не занимались бы в течение последних 20 лет ее совершенствованием.
Из бонусов преобразования НЧ на частоте 50 Гц могу отметить простоту производства,
Из минусов… их много, но главный — просто огромнейшие габариты! Когда-то пытались по такой схеме сделать 1100 кВт, так вот там одной меди было 1,8 тонны! Думаю можете себе представить все масштабы.
Спор на тему выбора технологии развивать не буду, т.к. даже среди моих коллег он обычно превращался в драку с явным переходом на личности. Поэтому просто выберем технологию преобразования на высокой частоте (10-150 кГц).
Исходя из доводов описанных выше и еще десятка других, которые вылезут в ходе выполнения проекта получим такую схему:
Рисунок 4 — Блок-схема силовой части ИБП двойного преобразования
Немного объясню отображенные этапы:
1) Практически сразу после входа напряжение подается на PFC — он же корректор мощности. Он нужен в первую очередь для снижения потерь, поэтому он просто необходим. В китайских схемах и большинстве отечественных он вообще не предусмотрен, это снижает себестоимость, но качество прибора можно смело «делить на 2».
Подробно что это за параметр и модуль расскажет гугл или я в следующей части статьи. Могу сказать одно — готовьтесь к достаточно серьезному «матану» и вспоминайте неравенства Коши.
2) Далее идет первое преобразование — 85-255В переменного тока в 48 В постоянного тока. Сразу прошу обратить внимание на несколько моментов. Во-первых, диапазон входных напряжений очень широкий, это создаст проблему — если напряжение в 3 раза ниже номинального (85В например), то соответственно ток вырастит в 3 раза, поэтому данную особенность (закон Ома) надо держать в голове. Это вынудит нас дальше при расчетах трансформаторов и силовых IGBT ключей закладывать минимум трехкратный запас по току.
Во-вторых, 48В это примерная величина для понимания. Ибо напряжение на батареи в заряженном состоянии 14,2В, при соединение последовательно 4-х АКБ получим напряжение 56,8 В. Из этого следует, что на самом деле напряжение на DC шине будет около 57В — это сделано для того, чтобы приложенный к АКБ потенциал был выше собственного, тогда возникнет разность потенциалов и будет протекать ток. Ток «побежит» в сторону меньше потенциала, то есть на батареи. Как только потенциал в DC шине меньше чем на батареях (например, пропало напряжение в сети) они начинают отдавать энергию (это отсылка к методу коммутации и почему нету процесса переключения).
3) АКБ сидят на DC шине в буферной зоне. Почему именно 48В и зачем объединять батареи? Все просто! Ток при питании от 48 В — около 80 А, если запитывать от 12 В, то ток будет более 300А! Огромная величина — огромные потери. Да и батареи, даже гелевые, спасибо за такой режим работы не скажут и благополучно умрут через год, вместо 10 лет на которые они способны.
4) Еще один DC-DC преобразователь 48 -> 380 В. Принцип работы и схемотехника будут в другой части статьи, пока лишь объясню почему 380В, а не 310, которые получаются после выпрямления сети. 380 В необходимы нам, чтобы спокойно и без потерь нарезать синусоидальный сигнал отличной формы. Когда начнем разбирать данный процесс, поймете зачем такой запас.
5) LC-фильтр/контур или по-научному ФНЧ 4-го порядка. Необходим чтобы после нарезки синуса с помощью ШИМ отфильтровать все лишние гармоники, помехи, шумы и прочий мусор и получить на выходе наш заветный чистенький сигнал. Он рассчитан на 1 кГц, что при частоте модуляции в 75,8 кГц позволяет получить пульсации не более +- 3 В. Это попадает в наши требования по ТЗ и поэтому дополнительно увеличивать порядок фильтра, а следовательно его габариты, попросту не вижу.
Осталось упомянуть еще несколько модулей, которые я не изобразил на блок-схеме. Почему? Да попросту они не влияют на принципиальное понимание работы и структуры данного устройства, а некоторые являются отдельной «кастой». Что я забыл:
— модуль управления, по сути «мозги» всех измерений и индикация на STM32F100RBT6
— модуль формирования чистого синуса, это отдельная плата, но входит она в большой блок DC-AC
— модуль дежурного питания, который обеспечивает низковольтное питание (+15В, + 5В, +3,3В) на популярной TOP227 мощностью 70 Вт
— модуль аварийного питания, который преобразует 48В с АКБ во все те же +15, +5, +3,3В.
Эпилог
Да бы не перегружать читателя поток информации — я планирую разбить весь процесс проектирования и самостоятельного изготовления ИБП на не менее чем 10 частей. А как вы хотели? Это дело сложное и ответственное!
Я планирую по мимо того, что посвящу для каждого описанного выше модуля целую часть, еще и выделить одну статейку как пособие по выбору компонентов, поиску выгодных цен. Так же отдельно будет рассмотрено изготовление трансформаторов и дросселей, их расчетам и намотке. Все данные этапы будут сопровождаться подробным фото отчетом и виде.
Надеюсь вас заинтриговал, а возможно кому-то уже стало интересно, так что читаем дальше…
Расчет и изготовление «сердца» ИИП — импульсный трансформатор.
Часть 2
Комментарии (105)
viktorpanasiuk
15.12.2015 13:23+1Интересно, а как у такого устройства с электромагнитной совместимостью? Свистит оно наверное не реально. И еще интересен вопрос: как сильно нужно модифицировать схему для Li-Ion аккумуляторов?
R4ABI
15.12.2015 13:31+1«Свист» отсутствует, т.к. частота преобразования не меньше 75 кГц во всех модулях. Его услышать наверное только летучие мыши смогут. Это определенно удорожает схему на 5-10%, т.к. IGBT транзистоды до 75 кГц стоят около 89р/шт, а до 150 кГц уже около 140р/шт. Но за качество приходится жертвовать ценой.
Литиевые батареи — это отдельный эксперимент был, себя они показывают лучше на мощностях до 2 кВт включительно. Правда требуют отдельного зарядного устройства, т.к. в буферной схеме включения им тяжело работать.
Вроде видел новые разработки тяговых батарей литиевых — но цены пока на них неизвестны и боюсь они будет на первом этапе достаточно высокие.viktorpanasiuk
15.12.2015 13:45+2Под свистом я имел ввиду электромагнитный а не акустический) просто интересно какая напряженность э/м поля на частотах преобразователя вблизи такой вот штуки. И не повлияет ли это на работу чувствительной электроники работающей рядом.
R4ABI
15.12.2015 14:18Понял… Китайский телефон лежащий на корпусе таки работает. По факту корпус заземлен — по сути выполняет роль экрана. Трансформаторы имеют поверх обмоток слой фольги с подключением к земле, что тоже гасит основной источник фона. Конечно напряженность поля повышена, но в пределах ISO и фонит не более чем микроволновка.
mazy
15.12.2015 13:34+4на задней панели под клеммами батарей — там где «вход 220» написано «выход 220» )
R4ABI
15.12.2015 13:37+3Видел, но это к счастью просто прототип, который в доме теперь стоит и обеспечивает мне работу отопления и скважины. А вообще я всегда рад абсолютно любым замечания и критике — ибо это делает мою работу только лучше!)
synka
15.12.2015 13:59+1Синхронизация по фазе с сетью есть?
R4ABI
15.12.2015 14:15+1Все есть, так что можно объединять с бытовой сетью без каких либо дополнительных коммутационных блоков. Как ни как это попытка приблизиться к производителям, чья продукция на рынке стала эталоном надежности.
synka
15.12.2015 14:32Это хорошо. Думал собрать на EG8010 ватт на 300, Но возникла проблема, что нельзя синхронизировать по фазе с сетью. Непонятно какие токи будут с банки PFC, когда в сети ноль, а на выходе максимум синуса. Планировал сделать стабилизатор, без АКБ.
R4ABI
15.12.2015 15:07+1EG8010 брал на али потестировать, до 500-600Вт отличное решение, правда косяк с синхронизацией. Токи на литах можно «придавить» термистором, на такой мощности самое путное решение.
kindacute
15.12.2015 14:08На блок-схеме после PFC разве не AC-DC преобразователь?
R4ABI
15.12.2015 14:14Обычный диодный мост, он у меня вместе с ККМ идет. На самом деле как я писал в статье — далеко не все модули показаны с целью упрощения понимания, да и надо было как-то графически прокомментировать написанное.
kindacute
15.12.2015 14:17понял, спасибо. А готовые продукты где можно посмотреть? купить в смысле. а не просто посмотреть
R4ABI
15.12.2015 14:25Конечно можно, в личку можете написать — оставлю номер и может позвонить выслушать все предложения. Или оставить свое ТЗ и под него изготовим любое устройство.
P.S. надеюсь всевидящие модераторы не воспримут это за рекламу и не вышлют за мной «команду»
tmg
15.12.2015 15:10+1Тоже присоединяюсь, хотел узнать порядок цен и сравнение с однокласниками, например МАП ПРО на 48 вольт. Цена такая же или же в 10 раз дешевле \ дороже?
R4ABI
15.12.2015 15:24+2МАП работает по другой схеме — мост рисующий синус по DC шине, а потом транс на железе (50 Гц). На этот колхоз даже ровняться страшно)
Цена 3 кВт — 62 тыс. и гарантия 5 лет минимум. На промышленные серии 10 лет.
Но самое забавное, что можете потратить 12-16 тыс + свой труд и получить тоже самое.
Indemsys
15.12.2015 14:28+1Уж не творческая ли это переработка всем известного референс-дизайна от ST?
Вернее двух, учитывая KKM.
Кстати у Freescale в этом плане более мощные дизайны для такого рода преобразователей.
Они включают даже встроенное осциллографирование сигналов в реальном времени.
Я думаю статью надо было начинать со схемы.R4ABI
15.12.2015 14:48+3Нет, учитывая что мы производим «забугор», то очень жестко ставится вопрос с патентованием и прочим.
Я конечно извиняюсь, но на кой черт мне осциллограф в ИБП? Особенно не понятно зачем он реальному пользователю или технику дата-центра, который это обслуживает? Техника должна быть максимальной просто и надежной. Изготовление «елочной гирлянды» — это удел китайских производителей.
ККМ — стандартный узел в любой импульсной технике среднего качества и выше. Особенно это критично в сварочных источниках.
Цикл статей заключается не в «дать схему», а позволить людям самим придти к подобному результату, пройдя все этапы проектирования. На производстве схема устройства появляется обычно ближе к концу, после всех концепций, расчетов и изготовления макетов.Indemsys
15.12.2015 17:09-2Напрасно, рефдизайн от ST очень интересный, там ИБП прямо подключается в действующую сеть и байпаса даже не надо.
Но важнее математика и технология. Поэтому не понятно зачем скрывать схему.
Было бы интересно если бы сравнили вашу схему и схему от ST.
А запись сигналов в этом деле самая важная вещь, не мне вам объяснять. Или не вы писали программу?
Monoroch
15.12.2015 14:45И каковы итоговые затраты на подобную железку? Без корпуса и аккумуляторов, чисто начинка.
Хотя бы примерно.
vladimir_open-dev
15.12.2015 15:08+2Ну если запал у вас не пропадет на 10 частей, то годные статьи похоже будут.
R4ABI
15.12.2015 15:25+1Если активность будет такая же как у этой статьи, то определенно не пропадет. Там на очереди еще несколько конструкций, так что работы много еще)
Alexeyslav
15.12.2015 16:07+1Почему с выхода APFC выбрано напряжение 310В, а не 400...420 как это обычно делают?
Поскольку, такую схему можно запитать и постоянным током, то трёхфазный вход реализуется лишь установкой трехфазного диодного моста по входу до APFC. Осталось только добавить схему управления возбуждением генератора и можно подключать любой 3-х фазный генератор на вход.
Кстати вот, замечание на счёт запитки бытовых приборов постоянным напряжением — да, они будут работать от постоянки но это запрещено по технике безопасности.
И еще одно небольшое замечание, в ИБП который я видел на 3кВт использовались две батареи по 48В включенные последовательно — итого 96В. Да и разъёмы батарейных блоков выглядели как-то посолидней.R4ABI
15.12.2015 16:34310В — это напряжение сети номинальное, можно подать до 430В на вход постоянки и ничего — работать будет. Ведь как упоминалось в статье — есть функция стабилизатора. Вообще ИБП работает от 80В и до 300В без проблем, то есть чуть лучшем чем было в ТЗ.
Про запитку постоянкой — неистово плюсую, кощунство, но… многие этим пренебрегают, используя китайский хлам.
В этом варианте 4 по 12В, что тоже было регламентировано ТЗ. Клемма на ток как тоже писал были проверены: неделя под постоянным проходным током 110А — нагрев не выше 35 градусов. В промышленном исполнение правда поставили на 200А клемма из соображения двойного запасаAlexeyslav
15.12.2015 18:03Нет, это понятно. Просто выход с блока APFC обычно делают на 400...420В а не 310В — ему то всеравно до чего повышать.
И да, амплитудное 310В соответствует переменному напряжению в 220В а не 230В.R4ABI
16.12.2015 11:58220В я использую для понимания людьми) не все знаю что по ГОСТу уже давно 230В / 0,4 кВ. Но в схемотехнических выкладках будет уже все рассчитано на инженера маломальского.
xDimus
16.12.2015 17:43Да вроде 220 давно опять…
В электрических сетях низкого напряжения стандартное номинальное напряжение электропитания U nom равно 220 В (между фазным и нейтральным проводниками для однофазных и четырехпроводных трехфазных систем) и 380 В (между фазными проводниками для трех? и четырехпроводных трехфазных систем).
ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначенияR4ABI
16.12.2015 18:36+1Нам в ТЗ предприятия всегда указывают 230/0,4 кВ ссылаясь на ГОСТы, если честно с вопросами сертификации и стандартизации особо не сталкиваюсь. Но по мне как было в розетке всегда 224-227В, так и осталось)
JerleShannara
15.12.2015 16:07+3Очень сильно жду продолжения, т.к. некоторые особенности доступных по цене обычному человеку решений от «легендарити релайабилити, [censored]» мягко говоря не радуют своей надежностью и качеством.
И сразу пара вопросов:
1) Реализация байпаса — из статьи не понятно, имеется ли этот самый байпас или возможность его реализации (т.к. хочется иметь возможность вынуть железку из сети без особых проблем и без снятия нагрузки)
2) Почему было выбрано именно 48В, а не более высокое напряжение (192в например) — для безопасности при работе с блоком аккумуляторов?
3) Исходя из упоминания FPGA и красивых решений — PWM как я понимаю не на уровне «ARM/Ардуина с софтовым ШИМом», а на нормальном железном?
4) Масштабируемость — до какого уровня потребления схема будет требовать только пересчёта и замены компонентов (на больший ток), а не изменение ключевых узлов схемы (к примеру если я захочу сделать таковое на 10KVA хватит ли пересчёта, или надо будет разрабатывать PFC/DC-DC/ещёодинкусок с нуля)?R4ABI
15.12.2015 16:40+21) байпаса нету, т.к. предполагался он в электрощите на магнитном пускателе. При желание добавить можно
2) 48В — можно хватать руками и не дернет, что для «типичного пользователя» ну очень важный пункт. Да и сертификацию проще оформить))
3) Да, синус рисуется ШИМом с ЦАПа реализованного на ПЛИС + синхронизация на ней же и еще несколько задач. Это дает очень чистый сигнал на выходе в совокупности с хорошим ФНЧ 4-го порядка. Конечно можно и в дуйню засунуть, но параметры раз в 10 упадут, особенно по скорости ОС и прочему.
4) Масштабируемость возможна, проверял объединение до 8 штук, но тут возникает вопрос зачем? После 6 кВт уже лучше брать трехфазные модели. Конечно снять с одной фазы 20 кВт никто не запретит, но это правило плохого тона и местный электрик оторвет одно место за жуткий перекос по фазам.JerleShannara
15.12.2015 16:561) Понятно.
2) Понятно (хотя для себя любимого наверное буду пересчитывать на большее напряжение, т.к. планирую 7кВт, а тут токи будут слишком некультурные)
3) Отлично (т.к. сталкивался с программными ШИМами и это черевато (большим фейерверком))
4) Это хорошо (порой есть одна фаза и разрешение снять до 10кВт)R4ABI
15.12.2015 20:05Для себя любимого и для производства использовать лучше 120, 240, 360В. То есть напряжения кратные 10 аккумуляторам. Правда приходится быть осторожнее уже)
GarryC
16.12.2015 11:23+1ШИМ даже у Atmel есть и программный на таймере и там единственно — ограничение по скорости ОС, а так большим проблем нет.
Кстати, посмотрите последние TI кристаллы для Digital Power, там очень интересное решение в смысле сочетания непосредственно аналоговых узлов и цфровой обработки, ну очень интересное.R4ABI
16.12.2015 18:38Техас мы активно используем в промышленных вариантах, но ценник у них повыше как и параметры, особенно в генераторах для трехфазных систем. Многих радиолюбителей банально отпугнет. Тут я всегда иду по пути поиска «золотого сечения» — качество и доступность элементарной базы.
GarryC
16.12.2015 12:47+1А все таки, если без ПЛИС? Я просто делал источник вызывного сигнала, задача похожая по входу (48/60В), частоте (25/50 Гц) и напряжению (95Вэфф) выходного сигнала, хотя, конечно, несравнимая по мощности (50 Вт). И там все управление сидело на AVR MEGA, начиная от формирования синуса и заканчивая ШИМом, включая ПИД, и получался КНИ менее 5% (и переходы через ноль были гладкие, в отличие от Mean Well), или этого недостаточно в данном случае?
R4ABI
16.12.2015 14:361) мега и промышленные устройства — несовместимы, конечно если мы не делаем что-то на уровне Поднебесной. Даже STM в данном случае приходится либо экранировать, либо в металло-керамике использовать.
2) без ПЛИС можно обойтись, в этой серии статей я перегружу формирование синуса на STM32F100C4T6, он только этим и будет заниматься. Конечно характеристики несколько снизятся, но обычный пользователь не заметит этого.
Вариант с ПЛИС — промышленный вариант и о нем я расскажу вкратце без приведения полной схемотехники и кода. Расскажу лишь об особенностях построения некоторых узлов.GarryC
16.12.2015 14:45+1А за что так с AVR? Высокая помеховая обстановка? Так экран между силовой и цифровой частью так и так нужен, я не уверен, что металлокерамика спасет в случае мощных наводок, все равно останутся вывода и дорожки. Или Вы про температурный диапазон? Тогда да, ST получше будет.
R4ABI
16.12.2015 15:27И про помехи и про температуру) Поле внутри корпуса сильное, AVR начинает люто брехать — АЦП выдает чушь и это даже при условии экранировки цепей. Температуры тоже плавать могут очень сильно, у меня пару раз макеты бахнули на мега8 — забыл про них
Конечно если кто-то захочет сделать на AVR — запрещать никто не будет, это же творчество)
amarao
15.12.2015 17:56+2Неподписанная полярность на контактах — зашибись. Предохранители подписаны, а что предохраняют не написано (вход? выход?) Хотя интуитивно понятно, но выход и выход должны быть помечены значком переменного напряжения, а вход для батареи — постоянного.
Инженерная культура — она в головах, а бескультурье — в продакшене.R4ABI
15.12.2015 20:07+5Это образец «для себя», на нем обкатывались схемотехнические «приемы», а так же различные версии софта. В конечной версии все учтено) А так спасибо за замечания, думаю с предохранителями тоже стоит добавить указание входа/выхода.
syrompe
15.12.2015 20:17+1Жду продолжения с нетерпением (надеюсь запала хватит дописать до конца). Матана главное побольше :)
Пару вопросов:
1. Какой в итоге КПД планируется?
2. Очень сейчас актуальна возможность повышения мощности за счет батарей. Т.е. у меня автомат вводной на 6 ампер висит, а иногда нужно кратковременно врубить нагрузку 3квт.
3. Еще интересна тема переделки обычного генератора в инверторный чтобы при малой нагрузке двигатель не молотил 3000 rpm, а понижался скажем до 800. Соответственно помимо входного напряжения еще и частота плавать будет раза эдак в 3. Такое вообще имеет смысл делать или это все мои фантазии?
4. Мне тут продаваны инверторов что-то активно впаривали про косинус фи. Мол их девайсы реактивную мощность обратно чуть ли не в батареи закачивают, а все остальные — лохи и тупо эту энергию на нагрев тратят. Это как-то можете прокомментировать?R4ABI
15.12.2015 20:27+2Второй кусок цикла вас ждет)
1. КПД вышел порядка 92-94% в зависимости от напряжений входных и на батареях
2. Прибор с сетью очень хорошо состыковывается
3. Смысл есть такое делать и так делают, правда от 20 кВт и далее. Там инвертор выполняет роль и стабилизатора напряжения, и стабилизатора частоты и прочее)
4. Продавцы сейчас втюхивают все что угодно, нам в контору звонят люди и утверждают, что конкуренты предлагают при сохранение мощности потребление из сети в 20 раз ниже! Ну вечный двигатель с КПД 2000%.
Косинус ф — 0,96 получился с применением корректора мощности (ККМ/PFC), без него 0,6. Он показывает, грубо говоря, разницу в паспорте между характеристикой мощи в кВА и кВт. При ф = 1, они равны. если 0,96… то на 1000 ВА отобранных из сети на двигатель ИБП сможет отдать 960 Вт, если ф= 0,6, то уже 600 Вт.
Китайцы не ставят ККМ и поэтому вместо написанных 2000Вт у них почему то максимум 700.
Надеюсь ответ достаточно полно)
sabre01
16.12.2015 12:22Весьма необычное решение не использовать HVDC шину, как это сделано в других ИБП двойного преобразования. Во-первых большие из-за высоких токов в PFC и на самой шине, во вторых нужно тщательно следить за напряжением и током батарей, что достаточно сложно, ну и в теретьих нельзя использовать технологии зарядки АКБ, которые предполагают отключение их от заряда на время (для экономии ресурса АКБ).
R4ABI
16.12.2015 12:371) DC шина с напряжением больше 48-96 В на мощности до 3-4 кВт определенно избыточна, а для обычного пользователя еще и не безопасна. На мощностях от 5 кВт используется уже 120 или 240В
2) Следить за батареями не так сложно на самом деле, особенно за гелевым
3) А зачем отключать батареи? На срок службы это не сказывается, если соблюдать более менее мягкий режим заряда/разряда. Да и отсутствие коммутации:
а) нету потерь на элементах, выигрыш в 30-40 Вт в виде тепла
б) меньше узлов — выше надежностьsabre01
16.12.2015 12:51+2DC шина с напряжением больше 48-96 В на мощности до 3-4 кВт определенно избыточна
Во многих ИБП нормальных производителей 2кВА идут уже с шиной 72-96В — меньше потери на проводах к батареям.
А зачем отключать батареи? На срок службы это не сказывается, если соблюдать более менее мягкий режим заряда/разряда.
Есть опыт использования ИБП APC — через 2-3 года батареи пухнут и приходят в негодность — там на батареи постоянно подается напряжение 13.6В на АКБ. В то же время ИБП Powerware используют технологию при которой, после полного заряда, батареи отключаются на 28дней (или до падения напряжения до уровня 2.1В на банку), что существенно продлевает жизнь АКБ.JerleShannara
16.12.2015 17:32У одной конторы есть две проблемы (модели с именем от слова симметрия не рассматриваю, это другая область уже)
1) В онлайнах HVDC шина, при этом туева хуча аккумов включена последовательно, и от единичного бракованного аккума(а качество родных в последний десяток лет у них не очень хорошее) становится хреново всем. Плюс куча контактов (в одном бесперебойнике помог пирометр, увидели перегретый контакт, после замены стало намного лучше)
2) В интерактивах с синусом (ну грех мне эту отраву не упомянуть) встречается идиотский температурный режим, а аккумам не нравится круглый год жить при +50, про офисные решения я пожалуй не буду говорить, накушался полностью и надолго (хотя хз, есть ли у кого другого нормальные упсы на 400-600ВА)
sabre01
16.12.2015 17:23И я имел ввиду DC шину с напряжением 400В, к которой подключаются батареи через DC/DC преобразователь, а в штатном режиме на нее нагружен PFC.
GarryC
16.12.2015 12:41+1Ну это, возможно, и необходимо для других типов АБ, а здесь приняты свинцовые желированые, они дают 10 лет в постоянном подключении, по крайней мере те источники питания для телефонных станций, что я поставлял более 10 лет назад с китайскими Coslight (кстати, тоже GX серии), вполне себе работают до сих пор.
R4ABI
16.12.2015 14:37Вы совершенно правы. Для GX серии 10 лет — это срок эксплуатации в тяжелых условиях/режимах. С дуру конечно и их можно убить, но не в нашем случае)
br0x
16.12.2015 14:51+1Девайс просто под мои нужды! Дом ждет умной электрификации, а я — остальных статей)
КПД 92% — невероятно круто
pencilTM
16.12.2015 15:06не совсем понятно:
АКБ сидят на DC шине в буферной зоне. Почему именно 48В и зачем объединять батареи? Все просто! Ток при питании от 48 В — около 80 А, если запитывать от 12 В, то ток будет более 300А! Огромная величина — огромные потери. Да и батареи, даже гелевые, спасибо за такой режим работы не скажут и благополучно умрут через год, вместо 10 лет на которые они способны.
разве ток от каждой батареи меняется при различном подключении? или имеются в виду разные батареи (т.е. на разное напряжение), а не самостоятельное включение последовательно/параллельно?R4ABI
16.12.2015 15:32+2Меняется ток потребления устройства. При запитки инвертора от 12В — он жрет 300А с одной батареи. При запитке от 48В — он жрет 80А с каждой батареи.
Да и представьте потери банально в проводах при 300А — это 45 мм2 надо брать минимум, боюсь можно разориться) И конечно придется отказаться от силовой части на платах, ибо даже платы с 105 мкм меди и HASL не осилят такой ток.
P.S. Идеальный путь — повышение напряжения на входе, для снижения тока потребления в DC шине. 360В — 30 аккумов последовательно вот как надо на самом деле)pencilTM
16.12.2015 16:10+2он жрет 300А с одной батареи
про это и спрашивал. Показалось, что есть 4 батареи по разному соединённые.
Sykoku
16.12.2015 15:51Замечания:
1. Разъемы для подключения батарей — одинаковы? — А защита от дурака?
2. Значков "+" и "-" так же не увидел.
Красивый китайский дизайн отечественной крупно-узловой сборки. Цену на данное изделие не увидел. Как и тестирование в работе с генератором. Поясню поподробнее последний пункт. Подавляющее большинство из представленных на рынке на выходе выдают не «230» и «ноль», а "+115" и "-115" (это называется «без изолированной нейтрали»).
Как поведет себя Ваше решение, если для него придется городить свою собственную «землю»? — А иначе у соседей все лампочки через нейтраль засветятся.R4ABI
16.12.2015 16:00Про значки уже было, исправлено, да и это не серийный вариант — прототип и для «самоделкиных» так сказать. В моем вариант 230В и ноль, при чем входной-выходной ноль таки можно объединить даже) Заземление отдельно, оно сидит на корпусе, радиаторах, на экране трансформатора и прочих элементах, которые не должны оказаться под высоким напряжением.
Факт, что в наших электросетях обычно применяют не чистое заземление, а защитное зануление — учтен. Самого пару раз дергало 110В от корпуса некоторых девайсов китайских.
+-115В обычно из-за симметричного ФНЧ на выходе, через одно и тоже железо идет и обмотка «нуля» и «фазы». Делают так по-моему только в Китае и Польше — ради снижения себестоимости.
С генератором тестов пока не планировал, но возможно в самом конце все таки сделаю видео, где этот вопрос подниму.
KbRadar
16.12.2015 21:49Если 230 В и ноль то правильно ли я понимаю что присутствует двуполярная шина +-380В?
Вот и дожили до того момента когда управление вентилятором на DS1820 и проце стали называть «по старинке».R4ABI
16.12.2015 21:58Шина однополярная на 360-400В, но имеется «псевдо»-средняя точка. Создается она с помощью асимметричного ФНЧ на выходе и контроля тока на дросселе, но об это будет дальше) Конечно можно было сделать обычный делитель на электролитах, но это не самое стабильное решение.
1820 — это эпоха 2000-х как не прискорбно) Сейчас есть более совершенные датчики, но 1-wire уже настолько разжеван, что я решил в данной версии применить его. Да и датчики «круче»: избыточны, дороже и почти все на SPI. Последние у меня использованы все (аппаратные).
propell-ant
19.12.2015 23:16Извиняюсь за вопрос не совсем по теме, но очень интересно — Если за PFC блоком питания (не бесперебойник, просто БП, без батареи) происходит ШИМ регулирование мощности, отдаваемой в нагрузку — будет ли потребляемый из сети 220V ток «скакать» на частоте ШИМ? Если нет, то за счет какого механизма?
Давно пытаюсь понять, можно ли сделать блок питания, который и плавно регулирует мощность на нагрузке, и не искажает форму напряжения питающей сети.
Спасибо.R4ABI
20.12.2015 00:171) можно, добейтесь косинуса фи равного хотя бы 0,99 и все будет. Но это огроооомный мега дроссель нужен, так что достаточно жирно
2) Не, ток не будет меняться на частоте ШИМ, т.к. в блоке много емкостей и индуктивностей (те же обмотки), они в десятки раз снижают пульсации тока из сети потребляемого.
Итог: идеальный БП создать нельзя, но приблизиться можно, только цена огорчит многих.
askbow
20.12.2015 15:31Мой друг в этом году разбирался с тем, как работают некоторые он-лайн бесперебойники, если интересно:
видео про схему ИБП СимметраR4ABI
20.12.2015 15:58Можно купить второй ИБП или собрать и объединить их выходы — данная функция синхронизации заложена.
Главный косяк Симетры и это видно на фото — наличие реле, а это слабое место. Тут же задача сделать просто и исключить все электромеханические узлы.
Нормальный Шнайдер (APC) с полностью электронной коммутацией стоит 174 тыс. руб. за 4 кВт)Sykoku
22.12.2015 15:32Ну, современные коммутаторы «клацают» за 1 мс. Некоторые схемы даже отлавливают «0» для обратного включения в сеть. А за указанную сумму можно купить Eaton на 15 кВт.
R4ABI
22.12.2015 17:19Откуда у вас такая цифра?) Eaton на 15 кВт двойного преобразования стоит даже для диллеров 634 тыс. руб. На 13,5 кВт — 521 тыс. руб.
1 мс — назовите это цифру крупному предприятию или дата центру, они посмеются и даже рассматривать дальше не станут.
У нас те, кто заказывают оборудование для цехов с ЧПУ станками требуют стабильно не более 125 мкс, ибо это у них написано в тех паспорте. 1 мс — при коммутации 100 кВт, это время за которое линия просто сгорит.Sykoku
22.12.2015 17:38Вы тут рассматривали свой вариант, используя термины «подешевле» и для задач типа «банальное обеспечение освещения в доме». Я так понимаю, что Вашими паспортными 4 кВт вряд-ли весь подъезд прокормится. Поэтому плавный переход на дата-центры остался где-то вне поля зрения.
А насчет цены — можно и за лимон найти. Смотря какой откат заложить.R4ABI
22.12.2015 17:52Мы изучаем рынок и о ценах в курсе, даже цена за которую его можно пригнать к нам из Штатов выше 6 тыс. у.е.))
Если весь подъезд захочет кормиться для такого решения предложим 20-60 кВт трехфазку.
Термин «по дешевле» употребляется в сравнениями с буржуями. Самый частый вариант для ДЦ, что у нас покупают 30 кВт. У нас он стоит 470 тыс. С теми же характеристиками и такой же мощностью Шнайдер (АРС) от 740 тыс. и далее.
Я думаю это достаточный аргумент, не так ли? Хотя тут дело даже в ценах, я тут не торговать пытаюсь. Вопрос в критичности применения коммутации. В каких-то решениях и 10 мс вполне приемлемо, а в каких-то уже (например, котельное оборудование буржуйское) это значение недопустимо. Поэтому каждому изделию своя ниша и место на рынке. Не зря все, кто производят подобное оборудование имеет от 5 различных линеек продукции.Sykoku
23.12.2015 07:17В русском языке наречия пишутся слитно. Итоны делают не только в Штатах. Это и бывшие заводы MG, коих полно не только в Европе. Если Ваш ИБП выдержит лифт, сварку и прочие пиковые нагрузки подъездной жизни — замечательно.
R4ABI
23.12.2015 10:55Это когда кончаются аргумент начинается переход на орфографию? :D Если он выдеживает пусковые токи синхронных машин (на местном Водоканале наши аппараты на 1135 кВт резервируют насосы с синхронниками номинальной мощностью 1100 кВт), то асинхронник да еще и через частотник точно выдержит. А сварку и любой китаец осилит.
Подъездные условия — это рай по сравнению с тем, куда их закупают) Для особо упоротых типа Газпрома у нас есть ко всему прочему IP69M, которые ставят оборудование на болотах и случай, когда ИБП стоит на 50 см в воде — норма))Sykoku
23.12.2015 11:37+1Аргументов достаточно:
— Схем нет,
— «Родная» только сборка,
— Даже торговую марку открыто не называете.
Спор считаю бесполезным — китайских ИБП с российскими корнями (RuSelf'ов, Luxeon'ов и прочей живности) и так хватает на рынке.
А сравнивать себя с АРС (голословно, без результатов тестирования) — как-то слишком «импортозамещающе».R4ABI
23.12.2015 13:45Вы действительно хоть как-то предполагали увидеть промышленный вариант схем? :D
Торговую марку рекламировать в данном разделе — дурной тон, кому надо было уже поинтересовались в личку и несколько человек заказали. Так что тесты от них лучше ждать.
Дело не в сравнение, нашу продукцию берет как альтернативу шнайдеру из-за цены, сервисного обслуживания от производителя, а не левых мастерских, ну и гарантии базовой 5 лет, против 1 года конкурентов. Вернее там тоже можно 5 лет, но это +20% цены + выезды 800 евро + командировочные. И бонус промышленникам — от 100 кВт у нас пожизненная гарантия.
Как итог: не путайте научно-популярную статейку (даже не просто научную) с рекламной акцией.Sykoku
23.12.2015 14:16Когда будут тесты, тогда и выйдете из раздела «очевидное-невероятное».
R4ABI
23.12.2015 14:21Тесты чего? Образца из темы для самоделкиных и радиолюбителей?
Если интересует промышленный образец, то можете приобрести в личку дам телефоны продажников. У нас на предприятии можно записать на тест оборудования, раз в неделю проводим, в том числе и высоковольтные образцы.
Посетить можно в Волгограде, Зеленограде (Московская обл.) и иногда наши диллеры в Таллине проводят тесты.Sykoku
23.12.2015 14:25Вы здесь рассказывали, что у время переключения Ваших устройств измеряется в хроноквантах, стоят они мало, весят еще больше, а работать могут вниз головой на дне Марианской впадины. ТТХ есть? Хоть какое-то? Или «купите — узнаете»?
А еще мне нравится, когда на суд аудитории представляется что-то сделанное из набора ЮТ, но обсуждаются устройства чуть ли не мирового масштаба. Это все равно, что показать картинку детекторного приемника, но хвастаться спутником в гараже.R4ABI
23.12.2015 14:36+1В этой статье упоминалось что время переключения у нас вообще 0, т.к. батареи в буферной схеме висят и коммутационных элементов нету.
Стоят не мало, цена абсолютно такая же, только у нас нету таможенных пошли (а это не меньше 15% к цене), налогообложение льготное, т.к. поддержка государства, это -5%. Транспортные расходы меньше чем везти с Европы.
Куча этих факторов дают разницу в цене 30-35% от тех же европейцев.
Сплошное разглагольствование и просто разговоры не о чем. Кто хотел промышленных образцов связался, кто хотел просто потрындеть — 50% комментариев под этой статьей.
Если кто-то не может делать — это его проблемы. Мы производим то, что считаем нужным. Реклама нам не нужна, ибо с частниками мы стараемся не работать, единственное для Крыма выпустили бюджетную линейку с минимальной наценкой, т.к. там особый на данный момент регион и надо помочь ему. А предприятия России у нас и так отлично покупают))
Поэтому я думаю не стоит нам отклоняться от тематики статьи, радиолюбительства и самостоятельного повторения да бы не разводить демагогию)
sabre01
25.12.2015 17:43А кто сказал, что наличие реле отменяет «онлайновость»? Это прежде всего ИБП двойного преобразования — на выходе переключения вы не заметите, т.к. пока переключаются реле инвертор питается от емкостей DC шины.
legiar
24.12.2015 21:22Давно искал что-то подобное — заменить и стабилизатор напряжения и пачку упсов и т.д.
Конечно в интернете очень много разных статей, но что бы вот так комплексно, обстоятельно, блоками, с разными вариантами плат (одно/двух сторонние) — нету (либо я плохо искал :) ).
Очень жду продолжения цикла.
И попутно вопрос — будете открывать прошивку STM32? Так как программирую стм-ки, то, естественно, для себя обязательно захочеться добавить «вкусняшек». Как минимум, лично мне нужен еще CAN для интеграции в умный дом — есть часть устройств, которые имеют свое автономное питание и есть мысль посылать им комманду переключения на свое автономное.
Да и вообще, при наличии исходников, можно коммуникационную перефирию и систему мониторинга переписывать под себя как угодно, вплоть до того, что разносить код на несколько микроконтроллеров (многие скажут что не есть гуд, но я уже сталкивался с «писателями» софта: прислали обновление для исправления RS485 для котла отопления на предприятии — так при установке отрубился контроль температуры и 4-ро суток в три смены дежурили около кнопки «Вкл/Выкл»).
Спасибо большое.R4ABI
24.12.2015 21:51CANа не будет в этом цикле, но связь с умным домом есть — Ethernet. Разбор первого исходника сегодня выйдет отдельной статьей))
legiar
24.12.2015 22:39Так я ж и не прошу «впилить» туда еще и CAN — тут же как, сколько людей, столько и разных потребностей. Я за то, чтобы исходники были — а CAN я и сам запилю — у меня весь дом на шине CAN висит — опыт есть.
Еще раз спасибо и жду продолжения.
Rumlin
Было бы интересно если бы на такой аппарат можно было ввести три фазы с нестабилизированного генератора, а на выходе получить стабильный синус. Тогда бы это был универсальный аппарат для блекаута. Возьмем для примера Керчь — там не было 5 суток электроэнергии, потом давали по два часа — аккумуляторы не успеют зарядится.
Решением вопроса в исключительной ситуации мог бы быть импровизированный генератор — электродвигатель приводимый ветром, ДВС, или просто велосипедом — подключив его к аппарату можно было бы питать холодильник/ заряжать аккумуляторы.
R4ABI
Жизненную ситуацию описали — данный вариант как раз предусматривает возможность подключению генератора, правда однофазного.
Так есть функция управления генератором, то есть при разряде, например, до 60% батарей — включается генератор. Такой вариант позволяет пережить кратковременные «посадки» без запуска генератора (его ресурс мото-часов не расходуется), а при длительном отключение повысить автономность.
Трехфазный вариант я как раз на данном этапе проектирую, правда мощность там уже солиднее — 15 кВт. Так что все будет.
P.S. у нас с Крыма уже достаточно активно народ покупает, специально для наших соотечественников разработали 1 и 3 кВт — упрощенную версию: качество абсолютно такое же, но выброшены излишние опции аля «удаленный доступ» и TFT панель. Это позволило понизить цену на 27% — за что нам сказали спасибо.
Rumlin
трехфазный я имел ввиду потому, что такой двигатель, по-моему, чаще попадается, чем, например, однофазный от стиральной машинки. Такая ситуация мне попадалась в каком то сборнике советов по выживаю чрезвычайных условиях — электродвигатель через шкив подсоединялся к колесу велосипеда, мотоцикла, автомобиля (поднималось одно заднее колесо, снималась покрышка и с полученного шкива через приводной ремень/трос вращение передавалось на шкив электродвигателя) и напряжение регулировалось положением дроссельной заслонки. А для этого аппарата вполне может хватить трехфазного выпрямителя на входе.
R4ABI
Сделать можно — не вопрос. Но чрезмерное увеличение стоимости не самый лучший путь. Любые траты финансовые при проектирование должны быть чем-то оправданы. Если рассматривать вариант апокалипсиса, то человеку больше понадобится зажигалка и ружьем, не же ли бесперебойник)
Учитывая, что всех исходники будут открыты — никто не запрещает модернизировать схемы под себя и я надеюсь, что люди так будут делать. Ведь не бывает идеальных конструкций.
kotomyava
Вот так просто как вы описываете, большинство трёхфазных асинхронных двигателей, не будет работать в режиме генератора.
Надо будет переделывать ротор, с постоянными магнитами, или мудрить схему его намагничивания.
Rumlin
model.exponenta.ru/electro/0080.htm
линк
kotomyava
А вы пробовали на практике запустить произвольный современный асинхронник в режиме генератора?
Попробуйте — думаю, этот эксперимент вас разочарует.
В вашей первой цитате, есть подсказка, почему это не будет работать так, как вы описали в первом сообщении.