LF měniče úprava

[lanyho]

Tady upravují Powerstar W7.

Na výstupu z trafa kvůli vyhlazní je kondenzátor 4,7uF

A zde ho úspešně nahrazují 0,47uF

[FRSO]

Tady upravují Powerstar W7.

Na výstupu z trafa kvůli vyhlazní je kondenzátor 4,7uF

4_7uF capacitor.jpg

A zde ho úspešně nahrazují 0,47uF

0.47uF X2 capacitor.jpg

Zdravím, co se tím snížením kapacity kondenzátoru zlepšilo na tom měniči ??, spotřeba naprázdno ??, popř. na jakou hodnotu proudu. Dík Franta.

[ota]

Snížením kapacity a náhrada typu kondenzátoru za MP podle australského autora modifakace snížilo spotřebu naprázdno na 0,25A. Další kolegové v tom blogu také polemizují, zda je to vůbec možné a případně proč ...

[matej]

Je to možné i reálné.
Ten kondenzátor však bych nezmenšoval, Zabezpečuje filtraci právě VF složek PWM signálu které projdou za trafo. Jeho snížením se sníží filtrace oněch VF složek, takže měnič bude více rušit. Cívka je opravdu lepší řešení, protože ona ty složky vyfiltruje ještě pŕed trafem, takže naopak čistotu sinusu na výstupu zlepšuje.

[ota]

Ano, další krok té úpravy byl, že se přidaly cívky. Uvedli i velmi potřebné varování, že pokud by se kondenzátor s cívkami dostal do rezonance na kmitočtu PWM, mohlo by dojít k vzrůstu VF napští a poškození zařízení. Cívky s kondenzátorem rezonovaly na 8kHz, kde opakovací kmitočet byl cca 20kHz, takže to nebylo zas tak daleko.

Ještě bych se zeptal: jakým způsobem se dosahuje (pokud vůbec) snížení příkonu naprázdno u VF měničů?

[matej]

Frekvenci jsem neměřil, ale je určitě v supersonické oblasti. I teď, po úpravě má primární vinutí 37°C a jádro jen 29°C při chodu téměř naprázdno (cca 400W). Na ztrátách skinefektem není nic neuvěřitelného. Je potřeba si uvědomit, že při použití pásoviny o šířce 10mm je plná hloubka vniku proudu při 160Hz a pro vyšší frekvence se přiměřeně snižuje. Pro 20kHz je hloubka vniku už jen cca 0,5mm, čili vodič o průměru nad 1mm už nevede v celé ploše průřezu a to uvažujeme jen základní harmonickou PWM modulace. Všechny vyšší harmonické složky jsou na tom ještě hůře. Kupodivu je hodně nejen amatérů ale i profesionálních konstruktérů, kteří to neznají nebo ignorují.

Skin efekt samozřejmě není neuvěřitelný, nicméně si nemyslím že je to jádro problému zde. Pokud by tomu tak bylo, byly by ztráty bez úpravy závislé na frekvenci měniče. S rostoucí frekvencí hloubka vniku klesá, čili odpor vodiče roste. S rostoucí frekvencí klesá také impedance kondenzátoru na výstupu trafa, který tam je právě na to aby ji odfiltroval. Takže zvýšení pracovní frekvence by mělo spotřebu měniče zvýšit. U PowerJacku LF první kusy šly na 6kHz, výrobce to pak změnil na 20kHz, ale ztráty to prakticky vůbec neovlivnilo. A to u PowerJacku jak píšete je vinutí vinuto sdruženým vodičem, přesto bez úpravy má spotřebu naprázdno téměř trojnásobnou (150W) než měnič Multifit stejného výkonu s primárem vinutým hliníkovou pásovinou cca 5x10mm, u kterého stejná úprava ztráty snížila z 65W na 50W i přesto, že pracuje také na 20kHz.
Z toho také vyplývá, že teoretické minimální ztráty měniče lze zjistit tak, že sekundár (230V) trafa připojíme na čistých 230V 50Hz ze sítě a primár necháme naprázdno. U onoho měniče MultiFit 5kW to bylo asi 40W, u PowerJacka 5kW je to asi 9W.
Z uvedeného mi vyplývá, že příčinou ztrát jsou hlavně ztráty vířivými proudy v jádře trafa.
Jak měŕíte tu teplotu jádra a vinutí? Pokud infračerveným teploměrem, je potřeba dát pozor na emisivitu měŕeného povrchu.. Navíc výkon 400W nelze považovat pro účely tohoto měření za chod ani téméř naprázdno. Ztráty v jádře jsou totiž na výkonu téměř nezávislé, kdežto ztráty ve vinutí jsou výkonu úměrné.

[matej]

Pokud se přidá cívka, zmenšení kondenzátoru má již velmi malý vliv, protože již skoro nemá co filtrovat.
U VF měničů se snížení spotřeby bohužel nijak nedosahuje, měli by mít nízkou spotřebu samé o sobě.

[kybos]

Jak měŕíte tu teplotu jádra a vinutí? Pokud infračerveným teploměrem, je potřeba dát pozor na emisivitu měŕeného povrchu..

Teplotu jsem měřil kontaktním čidlem GTF1000 od firmy Greisinger elektronic řádně přimáznutým silikonovou vazelínou pro zajištění tepelně vodivého kontaktu a vyhodnocoval Voltcraftem VC506 . Jen pro zajímavost infračervený teploměr IR-270H dává podobné výsledky s odchylkou cca 2°C směrem dolů u vinutí a 1°C směrem dolů u jádra, což je v rámci přesnosti obou přístrojů shodný údaj. Emisivita vinutí i jádra bude tedy asi blízká odhadnuté hodnotě 0,97. Pro odstranění vlivu emisivity měřeného povrchu doporučuji nalepit shodné měřící papírové terčíky (samolepky) a s ohledem na optiku infračerveného teploměru snímat záření pouze z terčíků. Pro účely chlazení měřím teplotu vinutí čidlem Dallas DS18B20, kde se emisivita povrchu příliš neuplatňuje a přesnost měření 0,5°C je pro tyto účely dostatečná.
Ztráty u LF střídače se skládají z několika složek (zjednodušeně):
a) magnetizační ztráty - jsou úměrné objemu železa. Proto je možné u PowerJacku dosáhnout cca polovičního klidového proudu oproti PIP 6048LC, jelikož má PowerJack cca poloviční hmotnost transformátoru.
b) komutační ztráty - jsou nepřímo úměrné rychlosti spínání a rozpínání tranzistorů v H-můstku. Tyto ztráty jsou u obou srovnávaných modelů přibližně shodné vzhledem k podobným typům spínacích tranzistorů a jejich budičů.
c) ztráty na reálných složkách impedancí v obvodu - do těch se promítají odpory spínačů v sepnutém stavu, odpory propojovacích vedení a odpory vinutí. Tyto ztráty se projevují jednak při nominálním zatížení, jak by se dalo očekávat ale i při chodu naprázdno, neboť v primární smyčce střídače teče nezanedbatelně velký jalový proud na modulační frekvenci, jelikož výstupní filtrační kapacita se přes transformátor přenáší do primárního obvodu dle převodového poměru trafa a společně s ostatními kapacitami v obvodu zatěžuje H-můstek. Na všech reálných odporech primárního obvodu (včetně spínačů) tak vznikají tepelné ztráty. Doplnění tlumivky do primárního obvodu pak zvyšuje impedanci smyčky a snižuje hodnotu proudu na nosné frekvenci modulace PWM a jejích harmonických. Skinefekt se projevuje na nosné frekvenci a vyšších harmonických, pro 50Hz je v těchto střídačích zanedbatelný.

[kybos]

Z uvedeného mi vyplývá, že příčinou ztrát jsou hlavně ztráty vířivými proudy v jádře trafa.

Kdyby tomu bylo skutečně tak, pak by jádro muselo být teplejší než vinutí. Vzhledem k tomu, že skutečnost je opačná (vinutí je o cca 10°C teplejší než jádro), jeví se mi tato hypotéza mylná.

[matej]

... vinutí je o cca 10°C teplejší než jádro ...

Opakuji, že při zátěži 400W, kdy přes primár trafa včetně magnetizačních ztrát teče cca 10A nepovažuji měření teploty jádra a vinutí za reprezentativní pro určení rozdílu ztrát mezi jádrem a vinutím při chodu naprázdno.
Komutační (u tohoto zařízení bych je zrovna tak nenazýval, spíše vodivostní a spínací) ztráty v H můstku jsou při chodu naprázdno téměř zanedbatelné - vzhledem k odporům šestic MOSFETů v sepnutém stavu (kolem 1mOhm) a relativně malému magnetizačnému proudu, který také vyvolává pouze velmi malé spínací ztráty. Ztráty v H můstku jsou vůči ztrátám ve vinutí trafa menší i při velkých výkonech.
Je pravda že PowerJack má trafa lehčí, protože obecně na stejný výkon je potřeba toroid o hmotnosti cca 60% klasického trafa. Např. PJ 6000W celý váží 28kg a naprázdno papá cca 18W.
9W ze 40W však nepovažuji za polovinu. Dělal jsem také experimentálně jeden silnější měnič stejného zapojení jako PowerJack, kde jsem použil dva toroidy o váze á 30kg. Měnič vážil 65kg. Celkové ztráty naprázdno po cívkové úpravě byly cca 45W. To je méně, než jste Vy dosáhl u PIP6048, který údajně váží celý 50kg. A to ještě v tom Vašem dle obrázku se zdá, že máte dvě cívky v sérií (dvojnásobná indukčnost).

[kybos]

Dobře, souhlasím, že 400W je příliš daleko od chodu naprázdno, je to skoro 7% zátěž. Mám měnič trvale v provozu a nechtělo se mi během dne přepínat na ČEZ. Ale po západu slunce přepnu, nechám ustálit teploty a udělám ještě jedno měření ve stavu zcela naprázdno aby byly k dispozici srovnatelné údaje.
Souhlasím s tím, že spínací a rozpínací ztráty H-můstku jsou nízké. Tyto ztráty ovšem nesouvisí s odporem spinače v sepnutém stavu ale jsou závislé na rychlosti sepnutí a velikosti proudu, který se spíná. V okamžiku sepnutí spínače se musí přes transformátor a případnou vloženou tlumivku skokově nabít výstupní filtrační kapacita. Tento nabíjecí proud není dle mého názoru zanedbatelně malý. Dokonce bych předpokládal, že efektivní hodnota tohoto pulsu bude větší než hodnota magnetizačního proudu. Má-li vložená tlumivka zanedbatelnou impedanci pro frekvenci 50Hz, nemůže snížit magnetizační proud trafa ale snižuje významně nabíjecí proud filtru na modulační frekvenci, kde je její impedance dostatečně vysoká.
Když si pozorněji prostudujete fotografie PIP6048LC, múžete si všimnout, že PIP6048LC má dvousloupkový transformátor. Na každém sloupku je jedno primární vinutí a ke každému vinutí je připojen samostatný H-můstek se samostatnou vloženou indukčností. Každá z těchto indukčností je složena ze čtyř členů. Jsou to tři feritové toroidy s jedním závitem a jeden železoprachový toroid s deseti závity. Celková indukčnost se dynamicky mění dle míry sycení jader. V nenasyceném stavu mají tři feritové toroidy s jedním závitem 3 x 4,1uH a k nim sériově připojený železoprachový toroid s deseti závity 16uH.
Problém PJ6000W s váhou 28kg je ten, že není schopen trvale dodávat 6000W bez rizika destrukce střídače. PIP6048LC se svými 52kg je schopen dodávat 6000W trvale i s rezervou. Má dvojnásobnou chladící plochu, oproti PowerJacku dvojitý H-můstek a více než trojnásobný počet ventilátorů.

[tomas]

Ti co chtějí jít do extrémů, tak je možné ještě vyměnit některé součástky za efektivnější. Například lineární stabilizátory vyměnit za DC/DC měniče. Konkrétně v těchto měničích je většinou stabilizátor 7805 a jeho efektivnější náhrada je např:
http://www.soselectronic.cz/?str=371&ar ... -tsr1-2450
To stejné platí i pro HF měniče kde jsou tyto neefektivní lineární stabilizátory většinou také.

Snížení spotřeby bez zatížení a zvýšení efektivity je možné i u HF měničů, ale je to trochu složitější.
U HF měniče 12Vdc/230Vac, 3kW obdelník, který tu má rozebraný na pokusy mne nějaké zlepšováky napadly. I když jeho spotřebu bez zatížení jsem změřil na 6W, tak je možné teoreticky jít ještě níže.
Jeho vnitřní DC/DC měnič je rozdělen na tři sekce po 4 kusech traf (celkem 12 traf). Každá sekce má tedy 1kW. Tak mne napadlo, že když je zatížení měniče pod 1kW nebo i nulové je přece zbytečné aby stále pracovali všechny sekce a budili se všechny MOSFETy. Vyžadovalo by to ale doplnění měniče o měření výstupního výkonu a vyhodnocovacího obvodu který bude ovládat buzení jednotlivých sekcí. Podobně to měl řešené i Fronius ve svých transformátorových on-grid střídačích. Možná by se tak dalo dostat až na cca 2-3W ve stavu naprázdno.
Další možnost je například udělat malý vysoce účinný kapacitní měnič (bez trafa)
http://arambajk.blogspot.cz/2010/03/nab ... 2240v.html
s můstkem, který bude mít výkon třeba jen 5W-10W a bude napájet síť v domě. V okamžiku kdy se připojí nějaký spotřebič, tak se zapne hlavní měnič ať už LF nebo HF.
A nebo přidat automatické zapínaní měniče:
https://forum.mypower.cz/viewtopic.php? ... %8De#p6549

A ten kondenzátor na výstupu z LF měniče není jen kvůli filtraci napětí, ale také k omezení napěťových špiček které na nezatížené indukčnosti (trafu) mohou vznikat a zřejmě také ke kompenzaci účiníku toho trafa. Je to taková minimální zátěž pro "lepší život" spínacích MOSFETů.

[matej]

kybos:
U mosfetů existují vodivostní ztráty a spínací ztráty. Vodivostní jsou přímo úměrné proudu a rostou s teplotou, při 100°C má mosfet asi 2,5x vyšší odpor a tedy i ztráty. Vodivostní ztráty dramaticky rostou při podbuzeném mosfetu, pokud budící signál nedosahuje minimálně 10V. Lze tak mosfety i odpálit, a tohle se děje u mnoha čínských měničů. Mnoho výrobců tomu nerozumí až do takové míry aby zakomponovaly do řízení podpěťovou ochranu anebo použili budiče s touto ochranou.
Spínací ztráty jsou složitější. Ty jsou úměrné pracovní frekvenci, výstupní kapacitě mosfetu Coss a případné kapacitě na výstupu mosfetu. Se spínacími ztrátami souvisí i vstupní kapacita hradla Cgs a náboj hradla Qg, čím je náboj větší tím musí být budič silnější a odpor před hradlem menší, aby bylo možné hradlo nabít v dostatečně krátkém čase. Ovšem největší vliv má Millerova parazitní kapacita mezi hradlem a Drainem mosfetu(Cgd), i když je ze všech parazitních kapacit nejmenší. Jak se totiž při spínání napětí na hradle zvyšuje a MOSFET se otevírá, napětí na Drainu klesá, takže kapacita Cgd se vybíjí a to tak rychle, jak silný je budič a jak malý je odpor hradla.
V nékterých pŕípadech se rychlost spínání schválně snižuje zařazením velkého odporu, právě aby se zabránilo příliš strmým přechodům na Drainech a případným parazitním zákmitům. Také se tím snižují proudové nároky na budící obvody, v PowerJacku, PowerStaru apod. jsou budiče horní strany můstku 2.5A a dolní stranu budí pouze malé 1.5A SMD bipolárky. Proto si lze všimnout, že spodní strana (výstupy na trafa) je vždy teplejší než horní (společný + pól) To je i případ všech téchto LF měničů, kde před každým z mosfetů je zpravidla 47R odpor, který při buzení 12V signálem omezuje proud na cca 0,25A. Pokud je kapacita hradla 10nF, doba sepnutí/rozepnutí je prodloužena na cca 500ns.

Souhlasím s tím, že PowerJack není schopen dodávat svůj jmenovitý výkon trvale, a souhlasím že je to způsobeno menší chladící plochou toroidu oproti klasickému trafu, a také tím že jeho povrch tvoří plastová izolační bandáž, která má podstatně horší tepelnou vodivost nežli odhalené vinutí a jádro klasického trafa. Chladiče mosfetů v PowerJacku nepřekročí 50° ani při plném výkonu. Ovšem plný výkon po dlouhou dobu potřebuje málokdo.
Běžnému uživateli jde spíš o onu spotřebu naprázdno, kdy se u neupravených LF měničů stává, že měnič protopí celou výrobu FV panelů a v zimě je takový systém v podstatě nepoužitelný.

[PavelR]

A ma tedy Power jack hlidani teploty traf nebo jen chladicu?

[matej]

Posledni kusy ktere prisly od vyrobce maji i snimani teploty trafa.

[kybos]

Ovšem plný výkon po dlouhou dobu potřebuje málokdo.
Běžnému uživateli jde spíš o onu spotřebu naprázdno, kdy se u neupravených LF měničů stává, že měnič protopí celou výrobu FV panelů a v zimě je takový systém v podstatě nepoužitelný.

Matej:
O spotřebu naprázdno nebo při minimální zátěži jde vždy v první řadě. To byl i osud mého střídače PIP6048LC. V zimě byl téměř nepoužitelný, jelikož od soumraku do svítání stihl spotřebovat sám téměř vše, co se do baterií za dne dostalo. Proto došlo i na úpravy klidové spotřeby. Ale právě teď v době kolem letního slunovratu se mi za slunečných dnů často stává, že akumulátory jsou po krátké noci plně nabité již v poledne a veškerá energie solárních panelů se tak musí protlačit přes střídač, za kterým je teprve spotřebována. A to je právě stav kolem poledne, kdy má FV pole plný výkon, klimatizace běží naplno, boilery se dohřívají (řízeny vytěžovačem tak, aby na střeše nic nezůstalo) a pokud je nebe bez mráčku, tak musí střídač pracovat na plný výkon i několik hodin. To je z hlediska tepelné stability střídače trvalý chod v režimu plného výkonu. Moje nasazení je tedy takové, že střídač musí být schopen jak kontinuálního chodu v režimu nízké zátěže s vysokou účinností, tak i trvalého chodu v režimu maximálního výkonu s občasným krátkodobým přetížením. Reakce vytěžovačů má vždy určité zpoždění, jelikož jejich činnost je závislá na poklesu systémového napětí a na předpokladu, že střídač je schopen přenést takovou spotřebu, která je vyšší než výkon FV pole. V případě, že by střídač nebyl schopen dlouhodobě přenášet jmenovitý výkon, nebylo by možné regulaci výkonového přizpůsobení takto jednoduše řešit. Odmítám realizovat jakékoliv komplikované systémy směrování výkonu s množstvím čidel a závislostí na složitých a tím pádem nespolehlivých řídicích strukturách. Cílem mého snažení je jednoduchý a přehledný systém s minimem spolehlivého HW. Vycházím z postulátu, že každá součást se může pokazit. A podle Murphyho zákonů se to stane vždy v tu nejméně vhodnou dobu. Proto s každou vynechanou součástí roste spolehlivost systému. Proto upřednostňuji koncepci jednoho měniče, který musí být schopen přenést celé spektrum zatížení včetně okrajových oblastí.
Aby bylo možno takový menič realizovat, je nutná analýza ztrát a to jak v oblasti maximálních výkonů, tak i zajištění dobré účinnosti při chodu téměř naprázdno. Doufám, že se k takovému střídači postupnými iteracemi dopracuji. Nechť k tomuto cíli přispěje i tato diskuse. Vzhledem ke skutečnosti, že je zde na fóru více uživatelů různých střídačů, je tu příležitost tyto střídače nezávisle porovnat a sdělit si navzájem jejich skutečné klady a zápory bez ohledu na obchodní zájmy a porovnat jejich skutečně naměřené parametry a zejména spolehlivost.

[matej]

Naprosto neoponuji koncepci minimalniho mnozstvi hardwaru v zajmu maximalizace spolehlivosti systemu. U svych montazi se snazim o totez.
Pokud mam mluvit za PowerJack a jeho vlastnosti a spolehlivost, mimo toho co jiz bylo napsano, tak musim rict ze z nekolika desitek prodanych kusu odesly 4 kusy. Vzdy se to stalo pokud majitel pouzival AC vstup, (kvuli nabijecce nebo jako transfer) a doslo k odpojeni tohoto vstupu za chodu menice. Ve spolupraci s vyrobcem se proto jiz nekolik tydnu snazim najit pricinu. Je mozne, ze dochazi pri rozepnuti transfer rele a vzniklem oblouku mezi kontaktama k zaruseni citlivych logickych signalu pro rizeni spinani mosfetu, ktere vedou velmi blizko tohoto rele. Skutecnost ze k selhani nedochazi pokud se vstup odpina nekolika kontaktama v serii, by tomu nasvedcovala. Musim jeste provest nejaka mereni a testy abych to definitivne potvrdil.
Nikomu se vsak nikdy nepovedlo odpalit menic jakymkoli jinym zpusobem, napr.pretizenim. Proto pokud je nasazen v ciste ostrovnim provozu bez vyuziti AC vstupu, povazuji ho za velmi spolehlivy. Sam ho mam na chate uz asi 6 mesicu a neni s nim zadny problem. Pokud by existoval jiny LF menic, ktery by mel po uprave podobnou spotrebu naprazdno, a byl by za podobnou cenu, velmi rad bych ho doporucoval nebo distribuoval.
Kolik jste dal za ten PIP menic, vcetne postovneho cla a DPH pokud to neni tajne?

[kybos]

Kolik jste dal za ten PIP menic, vcetne postovneho cla a DPH pokud to neni tajne?

Střídač PIP6048LC se dá koupit za cenu kolem 25000Kč viz http://www.ebay.com/itm/6000W-48v-Solar ... 1216838264 s leteckou dopravou , clem, DPH a poplatkem za zastupování při proclení vyjde na něco víc než dvojnásobek. S lodní dopravou by to možná bylo levnější ale dodací lhůty jsou o dva až tři měsíce delší. Letecká přeprava do Prahy je do týdne, celní obstrukce trvaly asi měsíc.

[kybos]

Je mozne, ze dochazi pri rozepnuti transfer rele a vzniklem oblouku mezi kontaktama k zaruseni citlivych logickych signalu pro rizeni spinani mosfetu, ktere vedou velmi blizko tohoto rele. Skutecnost ze k selhani nedochazi pokud se vstup odpina nekolika kontaktama v serii, by tomu nasvedcovala.

Nepomohlo by použít odpojování střídače pomocí SSR, jež připojuje při nulovém napětí a odpojuje při nulovém proudu a nevzniká tak rušivý oblouk?

[kybos]

Ale po západu slunce přepnu, nechám ustálit teploty a udělám ještě jedno měření ve stavu zcela naprázdno aby byly k dispozici srovnatelné údaje.

Jak jsem slíbil, přikládám měření PIP6048LC zcela bez zátěže. V tomto stavu jsou ztráty tak nízké že již zcela vypíná regulace nuceného chlazení, která jinak při minimální zátěži ještě běží i když s minimálními otáčkami. Proto se také spotřeba střídače v tomto stavu ještě o něco snížila. Takový stav ovšem v reálné situaci alespoň u mne nenastává, jelikož vždy je určitá i když minimální zátěž.

Vstupní proud bez zátěže při napětí baterie 50V

Teplota jádra bez zátěže při teplotě okolí 25°C

Teplota vinutí bez zátěže při okolní teplotě 25°C

Teploty byly měřeny infračerveným teploměrem Voltcraft IR-270H na střídači PIP6048LC s otevřeným krytem pomocí měřicích terčíků pro zajištění shodné emisivity povrchu v místech měření. IR-270H má optiku 1:6, proto byly zvoleny relativně velké měřicí terčíky. Ve stavu při otevřeném krytu bez nuceného větrání jsou tepelné poměry poněkud pozměněné, leč rozdíl teploty jádra a vinutí je pořád zřetelný.
Zkuste doložit podobná měření pro jiné typy měničů!