Sterownik Małej Elektrowni Wiatrowej - BRIZO
UWAGA - Projekt archiwalny
Przedstawiony projekt w tej postaci nie będzie już rozwijany, ponieważ powstała jego nowsza wersja.
Zapraszamy do zapoznania się z aktualnymi informacjami na ten temat. KLIKNIJ
Całość opracowania jest własnością Autora.
Zabronione jest wykorzystywanie projektu lub jego fragmentu w celach komercyjnych (zarobkowych).
Dozwolone jest kopiowanie, publikowanie i wytwarzanie na użytek własny, jednakże w przypadku przedruku czy publikacji konieczna jest pisemna zgoda Autora.
Niezastosowanie się do powyższych warunków będzie skutkować zgłoszeniem do odpowiednich służb.
Przedstawiony układ jest głównym elementem instalacji Małej Elektrowni Wiatrowej i pozwala kontrolować jej pracę. Udostępniona wersja oprogramowania sterownika pozwala na pracę w instalacjach 12-48V DC.
Sterownik powstał według trzech założeń - miał być niewielki, prosty/tani w wykonaniu i zapewniać możliwie dużą funkcjonalność.
Projekt jest kompromisem pomiędzy powyższymi założeniami, zatem ma też swoje wady wynikające z tego kompromisu i niektóre rozwiązania układowe zostaną zastapione lepszymi/droższymi w kolejnej
wersji sterownika (np. pomiar prądu na przekładniku prądowym).
Zdjęcia i opis przedstawiają wersję finalną, nieznacznie zmodyfikowaną w stosunku do wykonanego prototypu.
W związku z tym, że tego typu projekty są bardzo często kopiowane i sprzedawane jako własne, nie udostępniam kodu źródłowego oraz plików projektu z programu EAGLE.
Projekt wraz z oprogramowaniem dla instalacji 12-48V DC udostępniam nieodpłatnie i jeżeli komuś odpowiadają funkcje realizowane przez sterownik może go wykonać sam, na użytek własny i własną odpowiedzialność, stosunkowo niedużym nakładem finansowym.
Być może kiedyś powstanie nowa, bardziej rozbudowana wersja sterownika, na innym mikrokontrolerze, być może nawet w kilku wersjach oprogramowania, aby zwiększyć zakres zastosowań.
Cechy i funkcje sterownika
- sterownik i elementy wykonawcze na jednej płytce,
- zwarta konstrukcja, wymiary sterownika (z radiatorem 4cm): 84 x 138 x 44mm (PCB: 84 x 108mm),
- praca w instalacjach 12V oraz 24V, 36V, 48V, 60V, 72V - po odpowiednim podłączeniu,
- pomiar napięcia na akumulatorze 0,0V - 99,9V z rozdzielczością 0,1V,
- pomiar prądu ładowania akumulatora 0,0A - 50,0A z rozdzielczością 0,1A (współpraca z bocznikami od 30mV do 60-75mV, programowa kalibracja wskazań amperomierza),
- pomiar mocy chwilowej elektrowni wiatrowej i mocy średniej (z ostatniej minuty),
- kontrola napięcia ładowania akumulatora poprzez płynne załączanie dodatkowego obciążenia do 50A (poprzez PWM 10bit – maksymalnie 2 tranzystory N-MOSFET połączone równolegle),
- do wyboru cztery częstotliwości pracy PWM (15Hz, 61Hz, 488Hz, 3,9kHz),
- regulowane progi zabezpieczenia PWM oraz załączenia/wyłączenia przetwornicy i przełączenia zasilania sieciowego na EW (Power Switch),
- sterowanie wejściem "Remote" (ON/OFF) przetwornicy napięcia,
- licznik wyprodukowanych Ah i kWh z wpisem do pamięci EEPROM co 4 godziny,
- regulowany czas opóźnienia załączenia Power Switch (2s - 10s),
- regulowany czas podświetlenia wyświetlacza LCD (OFF / 5-60s / ON),
- możliwość wyprowadzenia wyświetlacza (złącze 16pin) i przycisków (złącze 4pin) poza płytkę PCB.
- pobór prądu w stanie czuwania (wyłączone przekaźniki i podświetlenie LCD) – około 25mA
Historia zmian w programie sterownika
Opis działania
Sterownik mierzy napięcie i prąd ładowania akumulatora (akumulatorów).
Mierzone wartości są wykorzystywane w programie mikrokontrolera do obliczeń mocy chwilowej, mocy średniej oraz licznika wyprodukowanych amperogodzin i kilowatogodzin.
Na podstawie mierzonego napięcia urządzenie steruje automatycznie pracą przetwornicy i przełącza zasilanie obwodu wydzielonego instalacji elektrycznej pomiędzy sieciami ZE (Zakład Energetyczny)
i EW (Elektrownia Wiatrowa).
Gdy napięcie na akumulatorze wzrośnie powyżej zaprogramowanego poziomu, sterownik włącza w sposób płynny dodatkowe obciążenie (np. grzałkę),
utrzymując stałe napięcie ładowania i zapobiegając uszkodzeniu akumulatora (akumulatorów).
Obejrzyj film na YouTube.com
Układ jest stosunkowo prosty, więc jego wykonanie nie powinno nastręczać problemów, choć zalecam zachować szczególną uwagę podczas montażu elementów (zimne luty, zwarcia, itp.).
UWAGA! - Sterownik przełącza napięcie sieciowe 230V AC, oraz mierzy napięcie stałe do 100V DC.
Napięcia te mogą być niebezpieczne dla zdrowia i życia.
Uruchomienie i podłączenie układu przeprowadzić z zachowaniem szczególnej ostrożności.
Projekt oparty na standardowych, łatwo dostępnych i tanich elementach. Koszt budowy sterownika nie powinien przekroczyć 100 zł.
Wymiary PCB: 84x108mm. Rozstaw otworów montażowych: 100x76(74)mm.
Radiator: 1/2 A4291 4cm
Rozstaw otworów w radiatorze do przykręcenia tranzystorów i stabilizatorów: 19-17-19mm. Rozstaw otworów do przykręcenia PCB: 74mm.
Przy zastosowaniu tranzystora IRF1405 (o bardzo małej rezystancji RdsON = 0,0053R) z odpowiednim montażem, 4cm radiatora 1/2 A4291 wystarcza do odprowadzenia ciepła przy przełączaniu prądu ciągłego 35-40A (w impulsie nawet 50A i więcej).
Dla innego tranzystora lub większych prądów konieczne jest przeprowadzenie obliczeń i zastosowanie odpowiednio większego radiatora.
Opis schematu urządzenia
Schemat urządzenia podzielono na bloki funkcjonalne realizujące poszczególne funkcje.
Zasilanie układu. Elementy D1, IC1 oraz C1-C4 stanowią zasilacz +12V DC dla przekaźników, sterowania bramkami tranzystorów mosfet i stabilizatora IC2, C5-C6, zasilającego elementy wymagające napięcia +5V DC.
R1 (rezystor podciągający /pull-up/ wejście RESET) oraz L1, C7-C10 (filtrowanie zasilania) zapewniają stabilną pracę mikrokontrolera IC3.
Pomiar napięcia (ADC_V). Potencjometr precyzyjny PR1 oraz rezystory R2-R3 stanowią dzielniki napięcia redukujące poziom napięcia wejściowego (mierzonego), do poziomu akceptowalnego dla wejścia pomiarowego ADC mikrokontrolera.
Dioda Zenera D2 zabezpiecza dodatkowo port ADC przed zbyt wysokim napięciem. Kondensator C11 wraz z rezystancją dzielników napięcia stanowi prosty filtr dolnoprzepustowy RC, filtrujący zakłócenia.
Pomiar prądu (ADC_I). Wzmacniacz operacyjny LM358 pracuje w układzie nieodwracającym. Wzmocnienie układu wynosi około 28 razy i jest ustalane przez rezystory R6 i R7.
Napięcie z bocznika do pomiaru prądu, podawane na wejście CUR, trafia poprzez rezystor R4 na wejście nieodwracające LM358.
Wejscie to jest podciągnięte /pull-up/ do napięcia referencyjnego mikrokontrolera przez rezystor R5.
Pozwala to wprowadzić wzmacniacz operacyjny w liniowy zakres pracy i zredukować wpływ jego wejściowego napięcia niezrównoważenia, przez co możliwy jest w miarę dokładny pomiar małych prądów.
Offset wyznaczony przez dzielnik napięcia w postaci rezystorów R4 i R5 jest kasowany programowo.
Elementy R4, C13 oraz R8, C14 stanowią filtry dolnoprzepustowe RC, filtrujące zakłócenia.
Kondensator C12 filtruje zasilanie wzmacniacza operacyjnego.
Urządzenie współpracuje z typowymi bocznikami do pomiaru prądu do 50A (spadek napięcia na boczniku max 60-75mV).
Obsługa wyświetlacza. Wyświetlacz LCD 2x16 znaków powinien być zgodny ze sterownikiem HD44780 oraz posiadać podświetlenie LED. Podświetlenie jest załączane z portu mikrokontrolera poprzez elementy wykonawcze R9 i T1. Rezystor R20 ograznicza pobór prądu przez podświetlenie wyświetlacza. Potencjometr montażowy PR2 służy do regulacji kontrastu wyświetlacza LCD.
Włączanie przekaźników (INVERTER oraz POWER_SWITCH). Przekaźniki włączane są przez port mikrokontrolera poprzez elementy wykonawcze R10, T2 oraz R12, T3.
Diody D3 i D4 zabezpieczają tranzystory T2 i T3 przed ładunkami indukowanymi przez cewki przekaźników.
Rezystory R11, R13 ograniczają prąd płynący przez diody LED1 i LED2.
PK1, PK2 - przekaźniki z cewką 12 DC o rezystancji 360R (np. Relpol RM84-2012-35-1012, Hongfa JQX-115F-012-2ZS4). Użycie innych przekaźników może powodować błędy w pomiarze prądu.
Wyjście PWM1. Sterowane z portu mikrokontrolera stanem wysokim, służy jako kontrolka działania zabezpieczenia PWM LOAD (elementy R17, LED3).
Wyjście PWM0 (LOAD). Wyjście sterowane z portu mikrokontrolera stanem niskim, służące do załączania dodatkowego obciążenia.
Rezystor R16 (*R18) ogranicza prąd ładowania bramki tranzystora T7 (*T8).
Tranzystory T5 i T6 stanowią driver push-pull ładujący i rozładowujący bramkę T7 (*T8).
Bazy tranzystorów T5-T6 sterowane są z portu mikrokontrolera poprzez rezystor R14 i tranzystor T4. Kondensator C15 przyspiesza wyłączanie tranzystora T4.
Rezystor R15 ogranicza prąd bazy tranzystora T5 i kolektora T4.
Rezystor podciągający /pull-up/ R19 ustala stan portu podczas włączania lub resetu mikrokontrolera (driver zwiera bramkę mosfeta do masy - obciążenie LOAD wyłączone).
Tranzystor T7 (*T8) trzeba zastosować na napięcie o minimum 5-10V wyższe, niż przewidywane maksymalne napięcie w instalacji.
Dla instalacji 12-36V może to być np. IRF1405, a dla instalacji 48-72V np. STP120NF10.
Gdy korzystamy z tylko jednego tranzystora N-MOSFET o bardzo dużej pojemności bramki, rezystor R16 można zmniejszyć do 15-33R.
Jeśli chcemy przełączać 2 mosfety o dużych pojemnościach bramek, wartość rezystorów R16 i *R18 zmniejszamy do 22-33R.
Przy powyższych zmianach można także zmniejszyć R15 do 470R-1k, aby zapewnić odpowiednią szybkość przełączania tranzystora(-ów).
Montaż elementów
Montaż elementów rozpoczynamy od wlutowania zworek srebrzanką 0,8mm. Jeden z otworów montażowych można podłączyć do masy układu za pomocą opcjonalnej zworki.
Następnie lutujemy małe elementy (rezystory, diody, przyciski, podstawki, kondensatory, tranzystory, potencjometry, złącza, LED-y),
a kończymy na montażu stabilizatorów i tranzystora(-ów) mocy na radiatorze i wlutowaniu przekaźników.
Tranzystory muszą być zamontowane na radiatorze z użyciem pasty termoprzewodzącej, cienkich podkładek mikowych i tulejek izolacyjnych.
Stabilizatory mogą być przykręcone bezpośrednio do radiatora, ale należy pamiętać, że wtedy na radiatorze znajdzie się potencjał masy układu GND.
Tranzystory mocy powinny znajdować się jak najbliżej płytki PCB, czyli ich wyprowadzenia powinny być możliwie jak najkrótsze.
Konieczne jest solidne pocynowanie ścieżek (można dodatkowo zatopić kawałek drutu miedzianego, aby zwiększyć przekrój ścieżki) masy prowadzących od złącz GND i LOAD do tranzystorów T7 i *T8,
a także zalecane pocynowanie ścieżek prowadzących od przekaźnika PK1 do złącza INV-ON/OFF, oraz od PK2 do złącz AC-230V, OUT-230V, INV-230V.
Jeżeli przez PWM LOAD załączamy obciążenie powyżej 20A, należy zamiast złącz ARK (LOAD i GND) zastosować konektory samochodowe 6,3mm.
Sposób podłączenia
Przed podłączeniem i uruchomieniem sterownika proszę dokładnie zapoznać się z Instrukcją Obsługi.
Przed pierwszym podłączeniem zasilania bardzo dokładnie sprawdzić stronę lutowania elementów, pod względem poprawności lutowania (zwarcia, zimne luty, itp.). Mikrokontroler zamontować w podstawce jako ostatni - dopiero po sprawdzeniu napięć w układzie. Pierwsze uruchomienie i wstępną kalibrację przeprowadzić pod zasilaczem 12V, z ustawionym zabezpieczeniem prądowym 100-120mA.
Programowanie mikrokontrolera
Mikrokontroler ATmega8A może być programowany poza układem, lub w układzie, z wykorzystaniem złącza ISP 10pin KANDA, w które sterownik jest wyposażony.
Ze względu na zastosowane rozwiązania układowe (sterowanie PWM stanem niskim) programowanie w układzie należy przeprowadzać przy odłączonym obciążeniu PWM LOAD.
Fuse bity mikrokontrolera należy ustawić na wewnętrzny oscylator 8MHz, oraz włączyć wbudowaną funkcję monitorującą napięcie zasilania Brown-out Detection (BODEN = 0) i ustawić jej poziom na 4V (BODLEVEL = 0).
Program zajmuje blisko 100% z 8kB pamięci flash, zatem aby dodać jakąkolwiek nową funkcję, należałoby pobawić się w optymalizację kodu (raczej trudne do zrealizowania), albo zaadaptować go na mikrokontroler ATmega168/328. Mam jeszcze parę pomysłów na zwiększenie funkcjonalności sterownika, więc tę ostatnią opcję biorę pod uwagę.
Uruchomienie i kalibracja
Wykonać zgodnie z zaleceniami Instrukcji Obsługi.
Obejrzyj film na YouTube.com
Jeżeli wszystko wykonaliśmy poprawnie, podczas włączania sterownika powinien pojawić się ekran startowy.
Obsługa menu
Do obsługi menu służą 3 przyciski funkcyjne:
MODE – przełącza ekrany menu,
UP – zwiększa wartość zmiennej w menu USTAWIENIA,
DOWN – zmniejsza wartość zmiennej w menu USTAWIENIA, włącza podświetlenie LCD w trybie ekranu głównego.
Menu sterownika składa się z ekranu głównego i trzech ekranów pomocniczych.
Od wersji oprogramowania 1.0a, podczas działania zabezpieczenia PWM LOAD, na ekranie głównym zamiast mocy średniej wyświetlana jest cyklicznie aktualna wartość wypełnienia PWM wyrażona w procentach (0-100%).
Menu zmiany ustawień jest szczegółowo opisane w instrukcji obsługi:
Opcje dodatkowe
W projekcie przewidziano możliwość wyprowadzenia wyświetlacza LCD oraz przycisków funkcyjnych poza płytkę PCB sterownika,
dzięki czemu można zamontować go w obudowie, np. skrzynce bezpiecznikowej IP-65. Szczegóły w Instrukcji Obsługi.
Poniżej przykładowe dodatkowe płytki dla przycisków i LCD.
Na płytce PCB sterownika przewidziano także miejsce na opcjonalne wykorzystanie portu PWM1 mikrokontrolera,
do załączania innych urządzeń (np. siłownika elektrycznego składającego ogon elektrowni wiatrowej lub wentylatora do chłodzenia radiatora).
Aby skorzystać z tej możliwości nie montujemy rezystora R17, diody LED3 i zworki przy kondensatorze C15.
Zamiast tego wlutowujemy dodatkowo 2 rezystory i tranzystor N-MOSFET sterowany logicznie (np. IRLZ44N) według poniższego rysunku.
Tranzystor IRLZ44N może w tym przypadku przełączać prądy do około 5A bez zastosowania radiatora.
Sterownik BRIZO jako multimetr/licznik energii
Sterownik BRIZO może pracować także jako prosty multimetr/licznik energii elektrycznej w instalacjach, w których występuje napięcie stałe.
Nie lutujemy wtedy elementów wykonawczych (tranzystor mosfet i jego sterowanie, przekaźniki i ich sterowanie, kontrolki PWM i przekaźników na LED-ach) oraz części zasilania
(kondensatory C2, C4, zamiast stabilizatora IC1 lutujemy zworkę łączącą piny 1-3), niepotrzebnych złącz i radiatora (przy wyższym napięciu zasilającym może być potrzebny mały radiatorek na stabilizator IC2).
Po takich zmianach, na wejście zasilające (między S+ i GND) podajemy napięcie zasilania rzędu 8-9V DC i pobór prądu układu wyniesie poniżej 20mA.
Progi zabezpieczenia PWM/przełączenia sieci ZE/EW zmieniamy w Ustawieniach, przesuwając je poza zakres mierzonych napięć, kalibrujemy urządzenie i cieszymy się z prostego/taniego licznika energii.
Dokładność licznika jest ograniczona przez przyjęte rozwiązania układowe, ale do orientacyjnego pomiaru wyprodukowanej energii powinien wystarczyć.
Pozostałe informacje i wskazówki znajdują się w Instrukcji Obsługi
W razie pytań, wątpliwości, sugestii, zapraszam na nasze FORUM
Zdjęcia sterownika BRIZO w wersji 1.0 z połówką radiatora A4291 długości 4cm.
Sterownik można umieścić w obudowie, np. w taki sposób, jak poniżej.
Zdjęcia przedstawiają działający prototyp sterownika, różniący się nieznacznie od wersji 1.0 (m.in. sterowaniem bramki mosfeta, rozmieszczeniem elementów, wejściem do pomiaru obrotów prądnicy, brakiem wyjścia dla przycisków).
