Podkradacz prądu z paneli PV

Witam , na wstępie wytłumaczenie trochę dziwnego tytułu.
Otóż mieszkam na skraju niewielkiego miasta. Sieć średniego napięcia do której jest podłączony mój osiedlowy transformator 15/0.4kV przychodzi nie z miasta tylko od strony pól i lasów przez co czasem przy dużych wichurach zdarza się że gdzieś się uszkodzi i przez jakiś czas nie ma prądu (od kilku do kilkudziesięciu godzin). Z tego powodu dawno temu zaopatrzyłem się w przetwornicę (UPS firmy APC) i zestaw akumulatorów. Na kilka godzin braku prądu wystarcza, nawet dwie lodówki pociągnie, ale ... no właśnie, od niedawna czasu jestem posiadaczem instalacji PV On-Grid (niecałe 10kW) i jak prądu nie ma to panele zbierają energię ze słońca i nic z nią nie robią (bo nie mogą oddać do sieci) a część domowej instalacji "jedzie" na akumulatorach. Postanowiłem to jakoś wykorzystać (oczywiście mogłem zainstalować inwerter hybrydowy i zestaw dedykowanych akumulatorów za kilkadziesiąt tys. zł lub zainstalować dodatkowy panel 400W tylko do ładowania akumulatorów. Tylko że zimą przy braku słońca panel 400W da mi 20W , a z paneli 10kW nawet przykrytych śniegiem pociągnę 500W, co w zupełności wystarczy na uzupełnienie energii pobieranej z akumulatorów). W ten sposób narodził się pomysł żeby "podbierać" energię z paneli PV wtedy gdy i tak nie oddają energii do sieci. Problem w tym że mam podłączone do inwertera dwa stringi szeregowe po 10 paneli każdy, napięcie pracy każdego stringu ok 420V, napięcie otwartego obwodu ok 530V. No i największym wyzwaniem jest to że inwerter jest nieodizolowany galwanicznie od sieci, czyli na przewodach DC z paneli występuje potencjał sieci zasilającej 230/400V. Zatem przetwornica ładująca akumulatory z takich paneli, oprócz tego że musi obniżyć napięcie z 420-530V do 27V, musi wytrzymywać różnicę potencjałów rzędu 750-1000V pomiędzy stroną pierwotną a wtórną. I tu dochodzimy do tytułu artykułu, bowiem zaprojektowałem i wykonałem przetwornicę, która z jednej strony podłączona jest równolegle z inwerterem do paneli PV a z drugiej strony ładuje akumulatory awaryjnego zasilania, wtedy gdy sieć AC 230/400V jest niedostępna.
Ponieważ mam dwa stringi zostały one zsumowane poprzez diody 1000V 10A tak żeby można było pobierać energię z obu stringów (a w zasadzie z tego który daje wyższe napięcie). Diody wstawiłem do rozdzielnicy DC przy odgromnikach, dodatkowo dołożyłem bezpieczniki topikowe 4A.
Ze względu na dostępność elementów na wymagane napięcie (kondensatory, tranzystory,diody) oraz prostą komutację pomiędzy elementami mocy, mój wybór padł na topologię dwutranzystorowy forward (wiem że w mostku lub półmostku uzyskałbym z tego samego transformatora większą moc, ale 500W w zupełności mi wystarczy). Transformator nawinąłem w oparciu o obliczenia na stronie http://schmidt-walter-schaltnetzteile.de/smps_e/smps_e.html, transformator nawinięty na rdzeniu ETD54 z materiału 3C90 (płytka jest zaprojektowana tak że można włożyć też mniejszy transformator na rdzeniu ETD49, wtedy maksymalna moc układu przy 50kHz wynosi ok 380W), pierwotne 76 zwojów drutem 5xDNE0.4 (1 linka skręcona z 5 drutów, sumarycznie 3 warstwy), wtórne 11zwojów drutem 48xDNE0.4 ( 2 linki po 24 druty każda ułożone obok siebie, 2 warstwy).



Teraz w skrócie opis: kondensatory elektrolityczne na wejściu połączone szeregowo (nie mogłem znaleźć elektrolitów na 630V) do tego styrofleksowe na 450VAC (czyli wytrzymują 630VDC), ze względu na konieczność dobrej izolacji między wejściem a wyjściem zastosowałem tranzystory kluczujące i diody zwrotne w wersji izolowanej (obudowa TO-220F). Dodatkowo zastosowałem układ MPP ( bez T na końcu ) ustalający minimalne napięcie pracy paneli PV na wartość ok 420V (jak wydajność paneli jest mniejsza niż moc przetwornicy następuje ograniczenie mocy przetwornicy i stabilizacja napięcia wyjściowego paneli na poziomie ok 420V – możliwa jest regulacja tego napięcia potencjometrem, natomiast nie ma automatycznego śledzenia punktu maksymalnej mocy paneli, dlatego jest MPP a nie MPPT). Układy IC1, IC2, IC4 wraz z transoptorem TO1 mierzą napięcie wejściowe przetwornicy i "przenoszą" jego wartość na stronę wtórną. Układ IC3 to UC3845 kontroler PWM pracujący w trybie prądowym. Układ IC6 stabilizuje napięcie wejściowe (odciąża przetwornicę gdy napiecie PV jest poniżej 420V). Sterownik PWM pracuje z częstotliwością nieco powyżej 50kHz (zwiększając częstotliwość można zwiększyć moc przetwornicy). Przekładnik prądowy, pierwotne 0.5 zwoja (jeden drut przechodzący przez środek rdzenia) wtórne 100zw DNE 0.2 na rdzeniu toroidalnym fi zewn ok 14 mm fi wewn ok 9mm grubość ok 4.5 mm rdzeń z dławika skompensowanego ze starego zasilacza ATX (zielony, rdzeń o dużej wartości AL 4000-5000), uzwojenie wtórne po nawinięciu zaizolowane dodatkowo taśmą kaptonową 5mm. Transformator sterujący 4x22 zwoje. Ze względu na konieczność zapewnienia wytrzymałości napięciowej transformator sterujący wykonałem w ten sposób że 2 przewody w igielicie owinąłem dodatkowo taśmą kaptonową szerokości 5 mm ( każdy przewód owinięty oddzielnie) do tego dołożyłem jeszcze dwa przewody tylko w igielicie całość skręciłem w wiązkę i taką wiązką nawinąłem 22 zwoje, (te przewody w kaptonie są po stronie wtórnej przy bazach tranzystorów, zamiast przewodów w igielicie można uzyć drutu DNE 0.6, łatwiej wtedy zmieścić 22 zwoje na rdzeniu) rdzeń toroidalny fi zewn 22mm, fi wewn 12mm grubość 8mm z dławika skompensowanego z zasilacza ATX ( zielony, rdzeń o dużej wartości AL 4000-5000). Transformator jest dodatkowo przymocowany do PCB trytytką.



UWAGA ze względu na konieczność zapewnienia odpowiedniej wytrzymałości napięciowej wszystkie transformatory muszą być wykonane z odpowiednią starannością, z dodatkową izolacją pomiędzy stroną pierwotną a wtórną, po nawinięciu zaimpregnowane lakierem elektroizolacyjnym i sprawdzone na przebicie megaomomierzem wysokonapięciowym.
Ze względu na fakt że to przetwornica forward we wszystkich w/w transformatorach istotne jest prawidłowe podłączenie początków i końców uzwojeń nawijanych w tym samym kierunku. Dławik wyjsciowy ma indukcyjność 80uH, nawinięty na rdzeniu RTMSS (niebieskim) AL 88nH fi zewn. 40.5mm fi wewn 23.5mm grubość 14.5 mm 30 zwojów 30xDNE0.4mm. dławik może mieć trochę mniejszą indukcyjność, wystarczy 60uH, ale im większa indukcyjność, tym mniejsza składowa zmienna przepływająca przez elektrolity wyjściowe(i dłuższa ich żywotność) Elementy PC1, PC2 to gotowe przetwornice 12na +/-12V, służą do zasilania wzmacniaczy operacyjnych, jedna zasila stronę pierwotną druga wtórną, (przy PC1 zasilajacej stronę pierwotną dla zwiększenia wytrzymałości na przebicie wyfrezowana jest szczelina powietrzna pomiędzy nóżkami wejściowymi a wyjsciowymi). Cały sterownik zasilany jest napięciem 13.5 V z przetwornicy PC3 (gotowy moduł na MP1584 z ustawionym Vout na 13.5V). Na złącze ARK wyprowadzone są sygnały pomiarowe do sterownika nadrzędnego: napięcie wejściowe, napięcie wyjściowe , prąd wyjściowy, oraz sygnał załączający przetwornicę. Elementy mocy są przykręcone do radiatora, mają nóżki wygięte do góry i wlutowane w płytkę. Sama płytka leży nad radiatorem równolegle do niego w odległosci 6mm. Na radiator w miejscu gdzie na płytce są elementy strony pierwotnej nałożona jest dodatkowa izolacja, wycięte są tylko otwory na elementy mocy. Na elementy mocy założone sa dodatkowe dystanse tak że śruby mocujące mają łby nad PCB (śruby skręcają całość , tzn PCB, podkładki, tranzystory/diody z radiatorem), jest to trochę trudniejsze w montażu, natomiast łatwiejsze przy demontażu, gdyby każdy element mocy był przykręcony śrubą pod PCB w przypadku potrzeby odkręcenia PCB od radiatora trzeba by było najpierw odlutować wszystkie elementy mocy, a tak to wystarczy odkręcić wszystkie śrubki mocujące, bez rozlutowywania.
Płytkę zrobiłem w firmie Elecrow, niestety ścieżki są standardowej grubości (płytki z podwójną grubością miedzi wychodziły dwa razy drożej), ale ścieżki którymi płynie duży prąd wyjściowy są wzmocnione nalutowanymi dodatkowymi drutami 2.5mm2. Płytka na zdjęciach wygląda trochę inaczej niż w załaczonej dokumentacji gdyż podczas uruchamiania wykonałem jeszcze drobne korekty. Początkowe testy przeprowadzałem z diodami wyjściowymi MBRF20200, te diody trochę się grzały przy prądzie wyjściowym 18.5A,( początkowe próby robiłem z dwoma oddzielnymi radiatorami zastępczymi żeby sprawdzić nagrzewanie się elementów) więc postanowiłem włożyć MBRF30200, ale ostatecznie włożyłem V60200PGW z podkładkami izolacyjnymi mikowymi (MBRF20200 lub MBRF30200 nie wymagały podkładek izolacyjnych). Myślałem że z diodami V60200PGW układ będzie miał większą sprawność, ale zarówno z MBRF20200 (początkowo) jak i V60200PGW (ostatecznie) sprawność wynosi ok 93%. Większą sprawność można by było uzyskać przy pomocy synchronicznego prostowania (zamiana diod wyjściowych na mosfety z odpowiednim układem sterowania) ale spowodowałoby to dodatkową komplikację układu. Już w trakcie uruchamiania dołożyłem dodatkowe kondensatory 10nF/2kV na zasilaniu przylutowane bezpośrednio do nóżek tranzystorów/diod wejściowych, nie ma na nie miejsca na PCB. Na załączonych obrazkach przedstawiam m.in.oscylogram przebiegu żródło-dren na tranzystorze T2, widać że komutacja przebiega bardzo ładnie, nie ma praktycznie żadnego przepięcia w momencie wyłączania tranzystora i przejmowania prądu przez diodę D1 ( pomiary oscyloskopem oczywiście robiłem przy zasilaniu układu z dodatkowego zasilacza odseparowanego galwanicznie od sieci zasilającej).



UWAGA, artykuł jest opisem mojej, działającej konstrukcji, w celu pokazania że się da, ale ostrzegam że w układzie występują wysokie napięcia które są niebezpieczne dla życia i zdrowia, dlatego nie zachęcam początkujących elektroników do naśladowania, poza tym wszelka ingerencja w działającą instalację PV może być powodem utraty gwarancji na instalację.