Fotovoltaický MPPT měnič pro ohřev vody SITON 210

Fotovoltaický MPPT měnič pro ohřev vody SITON 210
Tomáš Nevřela Pridal  Tomáš Nevřela
  1917 zobrazení
10
 0
Zaujímavé zapojenia

Jedná se o přepracovaný MPPT měnič, který vychází z mé předchozí konstrukce MPPT měniče pro fotovoltaický ohřev vody. Měnič jsem navrhl s jinými budiči tranzistorů a design desky plošných spojů (DPS) jsem upravil pro řízení mikroprocesorem. Úpravy spočívají v zmenšení proudových smyček silových obvodů, přizpůsobení konstrukce pro lepší zabudování do skříňky, použití jiných budičů, změna zapojení, zabudování nadproudové ochrany a nové funkce měniče.

Měnič (invertor) je určen pro optimalizaci využití a připojení fotovoltaických (FV) panelů k běžné topné vložce zásobníku TUV (bojleru), kdy převádí stejnosměrný proud z FV panelů na střídavý proud, obdélníkový s proměnnou střídou od cca 3 do 98 % o frekvenci 50 Hz. Při automatickém provozu měnič měří proud a napětí a vypočítává výkon FV panelů, změnou střídy se pak snaží neustále dosáhnout co nejvyššího výkonu, tzv. MPPT funkce. Pokud by měnič pracoval stále na maximální střídu, tak by při nízkém oslunění FV panelů, topná vložka zatížila panely tak, že by na nich kleslo napětí a výkon by byl minimální. Přednosti měniče se projeví hlavně při nestálém nebo slabém slunečním svitu ráno, večer, při zatažené obloze nebo při částečném zastínění panelů, kdy přizpůsobováním zatížení dokáže i přesto z FV panelů získat maximum. Jaký by byl výkon fotovoltaiky bez připojeného měniče si lze jednoduše zkusit nastavením střídy ručně na maximum při slabším osvitu, pak třeba z výkonu 750W máme sotva 300W. Měnič je nejlepší umístit co nejblíže k bojleru.

Na výstupní svorky měniče se smí připojit pouze odporovou zátěž (odporová spirála, topná vložka, klasický bojler bez elektroniky nebo stykačů…) výstupní svorky se nesmí spojovat s jinými napěťovými potenciály, se zemí ani jinými měniči.

Připojená topná vložka by měla vždy odpovídat alespoň přibližně napětí a proudu připojených FV panelů. Pro uvažovaných 8 panelů s výkonem  260-280Wp odpovídá topná vložka 2-3 kW na 230 V. Připojená odporová zátěž by neměla být nižší než cca 15 Ω. Vhodnost topné vložky k fotovoltaice je možné ověřit podle Excelovského souboru v sekci downloadu. Trvalý proud měniče je 8-9A ,maximální proud 10 A a maximální vstupní napětí 400 V (max. napětí fotovoltaiky bez zátěže, naprázdno) a celkový max. výkon cca 2800 W.  

Parametry

Maximální špičkové napětí z FV panelů (napětí bez zatížení, naprázdno) 400V DC
Maximální špičkový proud 10A DC
Max. trvalý provozní proud 8-9A DC
Maximální výkon 2800 W
Výstupní střídavé napětí max. – 400 V/ + 400 V podle napětí FV
Průběh výstupního proudu střídavý obdélníkový s proměnnou střídou
Střída 3 – 98 %
Charakter připojitelné zátěže odporový, ( topná vložka s termostatem nebo bojler s termostatem)
Napájení  – stabilizovaný zdroj 12 V/200 mA DC
Odběr z napájení 12V 22-30mA cca 0,3 – 0,4 W

 

Příklad zapojení fotovoltaického ohřevu vody

Měnič se skládá z výkonového můstku typu Full Bridge, ve kterém jsou čtyři výkonové MOSFET tranzistory řady 47N60 . MOSFETy jsou spínány přes budiče IR2104, které ovládají vždy polovinu můstky. Řídicí signál pro budiče poskytuje modul Arduino Nano s procesorem ATmega328P. U měniče jsem použil jiné budiče, u kterých při spojení do můstku využívám toho, že v prodlevě mezi impulzy z Arduina zůstávají oba spodní MOSFETy T2 a T4 sepnuty a tím vždy provedou vybití případného kapacitního nebo naindukovaného napětí na dlouhém kabelu k topné vložce.

Měnič obsahuje nadproudovou ochranu s dvojitým OZ LM258 nastavenou na cca 24A, chránicí měnič při zkratu na výstupu nebo připojení nepřiměřeně velké zátěže. Při působení této nadproudové ochrany se na desce rozsvítí LED 3, na LCD se zobrazí text „NADPROUDOVA OCHRANA!!“ a budiče se zablokují. Po uplynutí doby 15 sec. provede procesor reset nadproudové ochrany a zkusí měnič znovu spustit, pokud opět zapůsobí nadproudová ochrana měnič se zase zablokuje. Toto se provede 5x po šestém zapůsobení nadproudové ochrany zůstane měnič zablokovaný do vypnutí napájení nebo resetu procesoru.

Programem je omezen maximální trvalý proud z fotovoltaických panelů, při překročení hodnoty 10A sníží procesor střídu a na LCD zobrazí krátce text „NADPROUD!!“. Měnič má vstup ENABLE (EN.), kterým lze povolovat činnost měniče z nadřazeného zařízení spínacím kontaktem. Při rozpojení obvodu na vstupu ENABLE se střída nastaví na 0%, měnič nepracuje a na displeji se místo hodnoty proudu zobrazí text „STOP E“. Dále má měnič vstup TEMP. (t), do kterého je zapojeno externí teplotní čidlo KTY81/210, které se umístí do jímky bojleru. Teplota je zobrazována na displeji a přenášena po komunikaci. V menu měniče lze nastavit max. teplotu, při jejím dosažení se střída nastaví na 0, měnič nepracuje a na displeji se místo proudu zobrazí text „STOP T“.

Procesor počítá z výkonu i vyrobenou elektrickou energii a zobrazuje ji na podsvíceném displeji LCD, vždy po 0,1 kWh nebo po 60 minutách  se provede uložení hodnoty do paměti EEPROM, kde je uchována pro případ výpadku napájení. Druhý procesor Attiny85 na desce displeje řídí úroveň podsvětlení LCD. Trimrem TP3 na desce displeje je možné upravit kontrast LCD. Celý měnič je možné napájet z malého stabilizovaného spínaného zdroje 12 V DC/min. 200 mA, odběr zařízení je cca 22-30 mA (0,3-0,4 W). Procesor je možné naprogramovat pomocí PC ,USB kabelu a aplikaci Xloader v1.00.

Doporučuji ale program nahrávat pomocí ISP programátoru, (např. USBASP) a GUI nadstavby pro Avrdude. https://blog.zakkemble.net/avrdudess-a-gui-for-avrdude/ ,vyhneme se tak možným problémům s bootloaderem. Pokud je v Arduino Nano starší typ bootloaderu nefuguje korektně s watchdogem.

Pojistky jsou nastavené tak jak je nastavuje Arduino IDE.

  • ATmega328P L(0xFF); H(0xDA); E(0xFD)
  • Attiny25-85 L(0x62); H(0xDF); E(0xFF)

Schéma měniče verze 2I

Princip hledání nejvyššího výkonu MPPT je takový, že měnič postupně zvyšuje střídu a z měřených hodnot vypočítavá výkon, pokud je výkon vyšší provede další zvýšení střídy, pokud výkon klesne, směr se otočí a měnič střídu snižuje a opět pokud výkon klesne, směr se zase otočí. Při rozepnutí termostatu topné vložky nebo bojleru a výkonu 0W se nastaví základní střída cca 10 %.

Na displeji se zobrazuje napětí FV panelů, proud, výkon, vyrobená el. energie a teplota. Teplota je snímaná externím teplotním čidlem KTY81/210 a je zobrazována na displeji a přenášena přes komunikaci. Program je nahrán do procesoru přes ISP rozhraní, bootloader není použit. Pomocí tlačítek vedle displeje je možné zkušebně měnit střídu od 3 do 98 %, při nestisknutí žádného tlačítka po dobu 10 sec. se řízení opět vrátí do automatického režimu. Měnič obsahuje funkci kontroly VA křivky FV panelů pro případ, že je FV pole složeno z panelů odlišných parametrů, kdy by na VA křivce výkonu vznikalo další „koleno“ výkonu na kterém by se mohl měnič falešně „zavěsit“. Proto pokud je střída mezi cca 30 % až 75 % provede měnič každých 5-60 minut rychlou kontrolu VA křivky FV panelů. Tuto funkci je možné vypnout nastavení periody kontroly VA křivky v menu měniče na 0 min. Maximální registrována výroba je 99 999,99 kWh pak se počítadlo výroby vynuluje.

Schéma desky displeje

Na desce displeje je osazen procesor Attiny25(45,85) který řídí podsvětlení displeje. Pokud by tuto funkci někdo nepotřeboval nebo neměl možnost procesor naprogramovat stačí na desce neosazovat součástky T5,R33 a IO5 (Attiny) a udělat propojku místo kolektoru a emitoru T5, podsvětlení se pak nastaví na trvalou hodnotu změnou rezistoru R36.

Možnost nastavení počátečního stavu výroby

Tato funkce zde je pro případ potřeby celkovou výrobu zadat, nebo vynulovat. Nastavovat při odpojené fotovoltaice.

Vstup do režimu nastavení počáteční výroby kWh:

  1. Při vypnutém měniči stisknout a držet horní tlačítko a pak zapnout napájení měniče. Po zobrazení menu nastavení výroby, tlačítko pustit.
  2. Dolním tlačítkem se mění nastavovaná pozice.
  3. Horním tlačítkem se nastavuje hodnota.
  4. Uložení nastavené výroby se provede stisknutím a držením dolního tlačítka a pak stisknutím horního tlačítka.

Při nestisknutí žádného tlačítka více jak 10 sekund je režim nastavení výroby opuštěn bez uložení. Pokud je používaná komunikace, doporučuji ji před tím odpojit, aby se na server neodeslaly nesmysly, když se nastavení nepovede na poprvé.

Menu měniče

Do menu „Nastavení“ měniče lze vstoupit současným stisknutím obou tlačítek. Položky v menu jsou:

Exit opuštění menu
Max. teplota nastavení max. teploty 40-90°C
Max. výkon nastavení max. výkonu 1000-2800W
Perioda testu VA nastavení periody testu VA křivky 0-60min.
ID měniče nastavení ID měniče 10-20
Kalibrace V kalibrace měřeného napětí +- 5%
Kalibrace A kalibrace měřeného proudu +- 5%
Komunikace EasyTransfer nebo Modbus RTU
Podsvícení LCD Nastavení úrovně podsvícení LCD
Max. hodnoty zobraz. max. hodnot napětí, proudu a výkonu
Tovární RESET reset nastavení měniče a celkové výroby kWh

 

Pohyb mezi položkami v menu se provádí pomocí horního tlačítka, zvolení požadované položky se provede stisknutím dolního tlačítka. Nastavení hodnoty v příslušné položce se provádí horním tlačítkem, uložení hodnoty do paměti dolním tlačítkem, při nestisknutí žádného tlačítka po dobu 10 s je menu opuštěno.

Max. teplota – nastavení max. teploty bojleru, při které dojde k pozastavení funkce měniče, nastavení od 40 do 90°C v kroku po 1°C , při poklesu měřené teploty o 1°C pod nastavenou hodnotu se činnost měniče obnoví.

Max. výkon – nastavení max. výkonu, při jeho dosažení je max. výkon omezen a pohybuje se okolo nastavené hodnoty. Využití je v případě mnohem většího výkonu fotovoltaiky, než je připojená topná vložka. Nastavení od 1000 do 2800W v kroku po 100W .

Perioda testu VA – nastavení periody testu VA křivky fotovoltaických panelů, nastavení od 0 do 60 min. v kroku po 5 min. 

ID měniče – nastavení ID měniče, které slouží pro rozlišení zasílaných dat při využití komunikace a připojení více měničů na jednu kom. linku RS485. Po změně ID, u komunikace Modbus je potřeba vždy měnič restartovat! Nastavení od 10 do 20 v kroku po 1.

Kalibrace V – úprava měřené hodnoty napětí měničem. Kalibraci je nejlepší provést za ustáleného osvitu fotovoltaiky při odpojené zátěži, nebo připojené zátěži a ručním nastavení střídy kdy se hodnota napětí tolik nemění. Nastavení od +5% do -5% v kroku po 0,5% 

Kalibrace A – úprava měřené hodnoty proudu měničem. Kalibraci je nejlepší provést za ustáleného osvitu fotovoltaiky, připojené zátěži a ručním nastavení střídy kdy se hodnota proudu tolik nemění. Nastavení od +5% do -5% v kroku po 0,5% 

Komunikace – nastavení typu komunikačního protokolu EasyTransfer (původní) nebo Modbus RTU(výrobní nastavení EasyTransfer).

Podsvícení LCD – nastavení úrovně podsvícení LCD od 0 do 10.

Max. hodnoty – zobrazení maximálních nezávislých hodnot, napětí, proudu a výkonu, které byly dosaženy během provozu měniče a jsou uloženy v paměti.

Tovární RESET – resetovaní nastavení měniče na výchozí hodnoty a vynulování celkové výroby kWh. Možnost ANO/NE. Tovární Reset provádět při odpojené fotovoltaice!

Komunikace a rozhraní

K měniči je připojen komunikační převodník na dvouvodičové sériové rozhraní RS485 pro přenos provozních údajů měniče do nadřazeného systému nebo na internetový server. V menu měniče lze zvolit dva druhy komunikačních protokolů EasyTransfer a Modbus RTU.

Komunikace protokolem EasyTransfer

Data jsou odesílána v 3 sec. intervalech komunikační rychlostí 9600 Bd. Data jsou odesílaná ve formátu knihovny EasyTransfer pro Arduino a obsahují mimo jiné ID měniče, adresu cíle, napětí, proud, výkon, teplotu a vyrobenou el. energii. Při odeslání dat blikne na Arduinu ledka L. 

Struktura dat:
hlavička – 06h, 85h
počet dat – počet byte dat
node ID – adresa, odkud jsou data vyslána
address – adresa, komu jsou data určena
command – 05h data odesílaná bez požadavku
func – nevyužito
data1 – napětí – (int) hodnota ve Voltech (245 = 245 V)
data2 – proud – (int) hodnota ve formátu (856 = 8,56 A)
data3 – výkon – (int) hodnota ve Wattech (1500 = 1500 W)
data4 – teplota – (int) hodnota ve °C (62 = 62°C)
data5 – data8 – rezerva (int)
data9 – výroba – (unsigned long) hodnota ve Wh (1270564 = 1270,564 kWh)
data10 – data12 – rezerva (unsigned long)
kontr. součet – provedení operace XOR s jednotlivými byte dat a byte počtu dat

 

Data lze jednoduše přijímat druhým Arduinem s převodníkem RS485 a zpracovat, případně zobrazit nebo odeslat na internetový server. Příklad jednoduchého zapojení a programu přijímače komunikace. Přijímaná data je možné zobrazit přes seriál monitor v Arduino IDE.

 

Nebo verze přijímače komunikace z měniče s LCD displejem připojeného k Arduinu přes I2C převodník.

Komunikace protokolem Modbus RTU

Slave adresa je podle nastavení položky ID měniče/adresa v menu měniče. Komunikační rychlost 9600 Bd; 8 data bitů; 1 stop bit; bez parity. Vyčítat hodnoty lze pomocí funkce 03 (Read Holding Register). Při odeslání dat blikne na Arduinu ledka L.

Kombinované připojení jednoho bojléru na Siton a zároveň i síť je možné vyřešit pomocí podobného zapojení jako je níže. Důležité je aby stykače byly blokovány mezi sebou nejen elektricky ale i mechanicky. V e-shopech je možné je vyhledat jako reverzační stykače.

Video

Realizace

Informace : Tento měnič je amatérská konstrukce, nejedná se o výrobek.

Tady je odkaz aktuálního provozu mého měniče - klikni

Download

Eagle 7.6.0.brd soubory
FW_5.4.27.ino
Firmware 5.3.xx
Stavebnice Siton210 – DPS, návod, podklady pro stavbu
libraries_I2C_Attiny.zip – knihovny pro Attiny
prijmac_rs485.zip
prijmac_rs485_LCD.zip
SoftEasyTransfer.zip
NewliquidCrystal.zip
Výkon topné vložky.xlsx – výpočet vhodné topné vložky k fotovoltaice

Podporná FB skupina - Siton 210 - FVE bastlíři - klikni

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
Webwiki Button