Metoda sinhronog vracanja energije u mrezu kod cetvorokvadrantnih SMPS

Iskopao sam jedan svoj projekat iz '98.

-------------------------------------------------------------------------------------
Odmah na pocetku stavljam upozorenje da ovo nije projekat za neiskusne elektronicare!

Takodje sam siguran da ovaj forum posecuju i vrlo iskusni profesionalci, pa je ova naprava pretezno njima namenjena, ali se moze i amaterski napraviti.
--------------------------------------------------------------------------------------

Oblast primene je simulacija vecih akumulatora, testovi raznih ispravljaca, testovi dc motora, razvoj solarnih SMPS aplikacija, aktivno opterecenje i slicno...
Radi kao napajanje za BUCK konvertore sa sinhronim ispravljanjem, koji su vec po prirodi cetvorokvadrantni izvori.
Takodje se moze koristiti kao uredjaj za sinhrono vracanje struje u mrezu iz fotonaponskih solarnih kolektora

-------------------------------------------------------------------------------------------------------

Znam da je mnogim laborantima ovo resenje "kost u grlu", pa evo tu je, provereno u visegodisnjoj primeni.
Mislim da moze biti izuzetno korisno ljudima koji se bave laboratorijskim ispitivanjem i razvojem.
Resenja za ovu problematiku su inace veoma retka ili veoma komplikovana...

Buck konverteru iza osnovnog napajanja sam posvetio minimalnu paznju jer se moze napraviti na sijaset nacina.
Nacrtao sam ga nepotpuno, vise radi shvatanja principa, nacina razvodjenja velikih struja, i metode za cetvorokvadrantni strujni limit sa maksimalnim iskoriscenjem snage samog BUCK-a.
----------------------------------------------------------------------------------------
Ovaj shematic koji koristim nema debele linije (a najbrzi mi je za crtanje), pa sam vodove koji bi trebalo da budu namenjeni za velike struje, i takodje sto kraci, nacrtao duplim linijama (razumecete kada malo uvecate prilozeni PDF).

Shema je nacrtana tako da najdirektnije asocira na nacin izrade PCB (PCB treba da podseca na shemu).

Inace, za PCB me nemojte pitati, jer mi je pre dosta godina pokradena sva arhiva filmova.
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
------------------------------------------------------------------------------------------------------

Radi se o napravi koja sinhrono vraca energiju u mrezno napajanje kod cetvorokvadrantnih stabilizatora ili aktivnih opterecenja.

Dobra osobina mu je da nema potrebe za glomaznim otpornicima koji discipiraju 500W toplote, vec tu energiju vrati u mrezu sa korektnim cos-fi, ne "zagadjujuci" pri tom izvorni talasni oblik u mreznom napajanju, istovremeno sa dobrim KKD u sva cetiri kvadranta.

Ovo je inace jednostavnija metoda koja koristi standardni mrezni transformator, SMPS metoda je znacajno kompleksnija i teza za izradu pa je nisam postavio.

Nije uopste skupa jer osim trafoa koji je inace potreban, koristi dva Mosfeta umesto greca, 6 komada BC546/BC556, nekoliko dioda, par 78-79xx, jedan LM324 i nesto malo pasivnih elemenata.
Jednostavno ga je napraviti bez obzira sto komplikovano izgleda na prvi pogled.

Svakako da se moze napraviti i za drugacije napone napajanja uz korekciju vrednosti nekih elemenata, takodje i snaga se moze dimenzionisati prema potrebi.

BUCK sa sinhronim ispravljanjem, kada mu je prikljucen izvor napona na izlaz, i ako je napon veci od osrednjene vrednosti PWM-a dovedenog na Mosfet-e, radi kao BOOST konvertor sa sinhronim ispravljanjem, vracajuci pri tom energiju u sopstvene Bulk Elko sa teznjom da poveca sopstveni napon napajanja.
Moj sklop taj "visak"energije" sinhrono vraca u mrezu u zoni vrhova mreznih polutalasa.

Prakticni primeri upotrebe:
-Punjenje i praznjenje akumulatora sve do granica maksimalne struje za dati napon, koju moze podneti BUCK.
U konkretnom slucaju BUCK u rasponu od 5-50V radi kao izvor konstantne SNAGE 500W, i za akumulator od 12V (koji ima tipicno 12,7V kada je pun ) strujni limit moze biti do max. 500W/12,7V=39,3A, i to vazi kako za punjenje tako i za praznjenje.
-Veoma brzo podesavanje inteligentnih aku punjaca, jer se izvor ponasa kao pravi AKU.
-Testovi DC motora, rad, ubrzanje, regenerativno kocenje...
-Solarne mini elektrane.
-Aktivno opterecenje za testiranje opteretnih i tranzicionih osobina DC stabilizatora napona (ako se modulise BUCK).

I jos puno toga...
--------------------------------------

Pozdrav svima!

Malo sam izmenio pdf posto sam video da je dosta nepregledan oko onih duplih vodova.

Pronasao sam jos jednu gresku u precrtavanju sa papira, postavlajam ispravku.
Takodje sam uklonio guzvu sa onih duplih vodova.
Dupli vodovi simbolizuju power PCB za velike struje, u zoni ispravljaca mogu biti do 25Apk, a u zoni BUCK >100A.
-----------------------------------
Jos jedna napomena: negativnih 15V ovom recoverry sklopu nisu potrebni. Tu su za neku eventualnu pomocnu elektroniku. Ako koncepcija BUCK ne zahteva negativno napajanje, mogu se ukloniti 7915 i sve komponente koje njemu pripadaju.

<sub>[Ovu poruku je menjao macolakg dana 05.08.2012. u 22:50 GMT+1]

[Ovu poruku je menjao macolakg dana 06.08.2012. u 01:21 GMT+1]

[Ovu poruku je menjao macolakg dana 06.08.2012. u 01:28 GMT+1]

[Ovu poruku je menjao macolakg dana 06.08.2012. u 15:46 GMT+1]</sub>

Da dodam nesto u vezi ove naprave:

Uz koriscenje snaznijeg transformatora i snaznijih Mosfet-a ili IGBT, sprava moze posluziti kao opteretni otpor za aparate za zavarivanje (naravno bez BUCK konvertera iza, samo se sve dimenzionise za 24VDC).

Moze perfektno simulirati karakteristiku elektricnog luka, pri cemu se oni Kilovati koji bi trebali da greju radionicu, recirkulisu nazad u mrezu.

Sprava se lako moze napraviti i medjufazno ili za sve tri faze pojedinacno, pa paralelna veza na izlazu a zajednicko merenje napona.
-------------------------------------------------------------------


Pozdrav

lele, ja ovo nista ne kontam :( a nisam bas skroz neiskusan :D ... bice da mi iskustva otislo na neku drugu stranu ...

ali .. mogli bi malo ovo da razjasnimo ..

- pamet je u levom delu seme (ispravljackom)
- cela ova gungula sa leve strane moze da se zameni sa 4 diode i jednim kondenzatorom :D (ali bi uredjaj mogao da se prodaje nigde posto bi mu power faktor bio tuga i katastrofa)
- mali trafo pravi +-15V i onda se to koristi za potpuno otvanje dva feta tako da se sinhrono ispravlja AC signal (super, nemamo gubitke na diodama, Rds je mali..) jasno mi je kako se otvara M1 (direktno sa trafoa se vozi push/pull kombinacija koja vozi fet) ali ovo ostalo, nista ne kapiram .. sta rade ovi silni op-ampi, U6 uzima napon izmedju + i - izlaza ?! na multiturn pot-u, znaci treba precizno, vidim i 1% otpore gore i dole ... ?! 500k izmedju + i - ?! sta se tu uzima uopste .. u4 ?! ovo radi neki zero crossing sta? ne kapiram taj drugi deo uopste kako on vozi M2 i sta uopste radi ...

dodatno, deo sa vracanjem u mrezu ... tuuuuuuutamuta..

za buck .. ok, buck ko buck .. ne vidim da ima mnogo veze sa levim delom .. osim sto mu levi deo spremi DC signal...

imas li mozda sliku kako izgleda +- POWER_BUSS na skopu ?

---

Mali transformator je tu samo zato da veliki ne bi uticao na njega (ne dele zajednicko magnetno polje), zbog tacnijeg merenja trenutnog i vrsnog napona mreze.

Bogdane, nisi dobro pogledao. Stavio sam tacke na namotaje da bi se video fazni stav transformatora i pojedinacnih namotaja.

Kod sinusnog napona se ne moze sinhrono ispravljati ako na izlazu imas naponski izvor (Elko), tako da se sa Q2 i Q5 BLOKIRA mogucnost sinhronog ispravljanja, kao ispravljaci rade samo body diode Mosfet-a.

U3 i U6 su obicni folower-i radi visoke impendanse, da bi ostala linearna karakteristika otpornickog razdelnika.

U5 je komparator na kome se formira fazni zasek, ali na takav nacin da mu je nulta vrednost smestena na samom vrhu periode, pa se po potrebi simetricno siri levo i desno od vrha polutalasa.

U4 poredi referentnu vrednost amplitude mreznog napona (koja sve vreme prati velicinu istog, izlaz razdelnika R9 i R10), sa vrednoscu napona na DC BUS.

Kada na DC BUS napon zbog spoljasnjeg uzroka PREMASI amplitudu mreznog napona za procentualnu vrednost koja se namesti trimerom 100K, U4 (koji je PI pojacavac) dimenzionise velicinu faznog zaseka srazmernu velicini premasaja napona, koja se pojavljuje na gejtu Mosfeta koji je SUPROTAN od onog koji je tog trenutka ispravljac. Taj mosfet naponski premasaj upakuje u svoju polovinu primara, sto se na primarnoj strani glavnog trafoa reflektuje kao isporuka struje ka mrezi u zoni vrha polutalasa (sto ima svojih dobrih strana jer je inace vrh polutalasa ugrozen od strane mnogobrojnih ispravljaca prikacenih na mrezu).

Na primarnoj strani imam MKP kondenzator koji vrsi reaktivnu kompenzaciju trafoa kad je ispravljac i filtriranje kada je generator, tako da je sinus vrlo prijatnog izgleda :-).

NTC su tu iz klasicnih razloga (start trafoa... bla bla), dva komada zbog snage (0.5KW).

To je to. Sada ces lakse razumeti.

----------------------------------

Oko sinhronog BUCK:
Sinhroni BUCK je reverzibilna naprava. Zamisli da mu je PWM=50%, sledi da ce se na njegovom izlazu (iza filtera) pojaviti tacna polovina napona DC BUS-a. Ako mi u izlaz BUCK (naravno iza filtera) dovedemo napon veci od integrala PWM, BUCK postaje BOOST, koji energiju "prepumpava" nazad u DC BUS, podizuci napon DC BUS-a pri tom.

E, tada na scenu stupa moja naprava, koja bez bitnih termogenih gubitaka, elegantno vrati to nazad u mrezu :-)

Cemu sve to sluzi? (a uz to i RADI :-)

Kada npr. treba da opteretis neki drugi ispravljac ili da praznis AKU, ili pak da bilo kom od njih meris opteretne karakteristike, postavis na sinhronom BUCK zadati napon MANJIM od napona tretiranog izvora, BUCK "usisava" struju iz tretirane naprave i gura je u DC BUS, a moj sklop je vraca u mrezu.

Umesto da imas dva kilograma zicanih otpornika koji ce ti zimi lepo grejati laboratoriju :-)

Reciklaza brate :-)

Sada se standardni BUCK ponasa kao pravi cetvorokvadrantni SMPS, bez "sporetirajucih" otpornika od 0.5KW.
Kada ti treba kao obican ispravljac, onda ga tako i koristis.

Priseti se da se BUCK kome je nosilac 200KHz, moze komotno modulisati sa 20KHz proizvoljnog talasnog oblika, pa izvuci jos koji zakljucak oko test mogucnosti prilozene naprave :-).

Veliki pozdrav druze!


P.S.
Probaj u simulatoru, nadam se da ce razmrsiti ovo :-)

sad mi je malo jasnije ali morace da radi simulator :D

---

@bogdan.kecman

He he, nemam bas savrseno poverenje u simulatore, posebno kada je resenje iz "cudnog" ugla posmatranja :-).

Uspevao sam vise puta nekoliko simulatora da "zaludim" cudnim resenjima koja rade, i to sa realnom teoretskom i prakticnom podlogom.

Npr. ni LT-ov, ni Ti-ov ne kapiraju pojacavac sa prevrnutim tranzistorom (rokada kolektor-emiter), koji je veoma realna stvar, koriscena '70-'80 godina kao odlican prekidac na ulazima coperskih DC pojacavaca, ili kao pojacavac sa klamp-om na Ueb, ili pak kao "rezac" vrhova za gitarske efekte, i jos toga...

Npr. obican BC546B, kada radi "prevrnut" ima Hfe oko 50-tak (normalno oko 250), i napon saturacije svega oko 2mV (normalno oko 50-100mV pri istoj struji) i klamp na oko 7-9V zavisno od komada tranzistora.

To je samo jedan od primera gde simulatori (bar ovi besplatni) padaju na ispitu, jer avaj, niko nije uneo u model tranzistora ovaj pomalo zaboravljen nacin koriscenja koji se i dan danas moze vrhunski upotrebiti.

Inace, mnogi mladji momci ne znaju da kada nemaju pri ruci zener diodu potrebnog napona, uvek je mogu pronaci medju tranzistorima koje imaju, i to u rasponu od oko 3V pa do 15-tak V.

Naime, deonica emiter-baza je dobra zener dioda, i postoji indirektna zavisnost zenerovog napona od indeksa strujnog pojacanja (Hfe), i to na takav nacin da ako je Hfe veci, zenerov napon je manji.

Takodje, kada se npr. kod NPN tranzistora baza i emiter spoje, i upotrebe kao katoda zener diode, a kolektor kao anoda, dobije se zenerica onolike snage kolika je dozvoljena discipacija upotrebljenog tranzistora (onda ucestvuje i Hfe prevrnutog tranzistora, pa emiter-kolektor deonica preuzme vecinsku discipaciju).

Svasta se moze napraviti sa "prevrnutim" tranzistorima, od raznih klampera do okidnih sklopova sa karakteristikom negativnog otpora.

Nisam takve sklopove do sada postavljao da klinci ne pomisle: "izlapeli matorac, poceo na semama da crta tranzistore naopacke" :-)

Posledica neznanja o zenerovom zapornom naponu emiter-baza deonice su veoma cesto pregoreli samooscilujuci SMPS pretvaraci (cak i fabrike znaju napraviti takav propust), gde se ne ogranici inverzan napon b-e.
Zna to da radi i koju godinu ako nije preterano veci Ueb, ali kad-tad postane zrtva visoke discipacije tim izazvane.
-----------------------------------------------------------------


Sklop za vracanje energije u mrezu je prvo proradio kod mene u glavi, pa onda nisam mogao da izdrzim a da ga ne probam u realnosti :-).
Tada je bio u opticaju mali broj simulatora, i kostali su kao dobar auto, pa nisam imao prilike da ih probam na taj nacin :-)

Inace, sklop radi itekako.

Vise puta mi je bio veoma koristan.

Imam i proverenu SMPS varijantu, ali tesko da cu je "free" postaviti.

--------------------------------------------------------------

Ne mogu da ti objasnim koliko sam radoznao u vezi simulatora i ovog resenja.

Nemam vremena da ga strpam u ovih par besplatnih koje imam (LT i Ti), ali ako ti to uradis, molim te postavi oscilograme, a a ja cu ti odmah reci koliko se to poklapa sa realnoscu.

Veliki pozdav

Zaboravio sam nesto oko sklopa o kom je tema (moram ja nesto da zboravim :-):

Za potpuni cetvorokvadrantni rad se koriste DVA BUCK konvertora u opoziciji, prakticno H most.

Na takav nacin se dobija proizvoljan polaritet napona pri proizvoljnom polaritetu struje.

Pozdrav