Projekte - Windradüberwachung - Teil 1
ich hatte immer gehört, das diese kleinen China-Windräder "Mist" sind.... Dann ist mir im Web mal ein günstiges Angebot in die Hände gefallen - da bin ich schwach geworden. Diese Dokumentation behandelt ein komplexes Projekt und ist daher umfangreich... Hier der Teil zur Hardware...
Übersicht....
SturmsicherungFernsteuerungAnlage im ÜberblickLüftersteuerungDrehzahl messenSpannung messenStrom messenNotbremse ferngesteuertGekauft habe ich ein Windrad 12V / 500W (???!!!) mit etwa 1.25m Rotordurchmesser.
Das Windrad erzeugt Wechselstrom, dieser wird dann durch einen Inverter in 12V-Gleichstrom ( ggf. auch etwas mehr - ab 13.5 V geht der Inverter in den Sicherheitsmodus ) umgewandelt.
Der Inverter, rechts unten seht Ihr die Schutzrolle für den ACS...
Montage
Das Windrad kam gut verpackt an, auch die eigentliche Montage war unkompliziert. Die mitgelieferte Grundplatte habe mir von einem Bekannten an ein "zölliges" T-Stück eines alten Wasserrohres schweissen lasse.
Dieses habe ich dann auf das Wasserrohr geschraubt - und konnte so die Kabel seitlich herausführen. Das Rohr selbst habe ich dann in ein weiteres, etwas grösseres Rohr gesteckt und die ganze Sache mit Stahldraht-Lizen im Dreieck abgespannt.
Ja, die Stabilisierung am Fuss ist noch temporär...
Es steht aktuell in einer Ecke auf meinem Hof in etwas 5m Höhe ( ich weiss nicht optimal aber für meine Testzwecke ausreichend, so komm ich auch besser ran). Und bei kräftigem Nord- bzw. NordWest-Wind dreht sich das Rad durchaus recht zügig, und es läuft erstaunlich vibrationsfrei. Dies reicht mir erstmal zum Testen.
manuell bedienbare Sturmsicherung...
Damit ich bei Sturm nicht die "Rotorblätter aus dem Dach des Nachbarn ziehen muss", ist eine Sicherung gegen Überdrehen und Zerstörung durch zu grosse Windlasten sinnvoll.
Lt. Internetrecherche können derartige Wechselstrom-Generatoren durch eine Kurzschluss-Schaltung abgebremst und angehalten werden. Also habe ich einen 3-Phasen-Schalter (wir haben ja einen Drehstrom-Generator) mit drei Schaltstufen besorgt ( 1-0-2 )....
In Stufe 0 - dreht das Rad ohne Bremse frei und produziert Strom.
In Stufe 1 - nutze ich zum Abbremsen drei 100W 5 Ohm Aluminiumkörper- Lastwiderstände in Dreiecks-Schaltung verschraubt mit zusätzlichen Kühlblechen, damit kann ich den drehenden Rotor weich abbremsen, bevor ich - in Stufe 2 - schalte.
In Stufe 2 - sind dann die Kabel ebenfalls in Dreiecks-Schaltung direkt kurzgeschlossen.
Bisher hat dieser Kurzschluss ausgereicht, das der Rotor auch bei 25-35 km/h Wind keine "Fahrt" mehr aufgenommen hat - er dreht sich dann nur ganz langsam....
Anscheinend behindert der Kurzschluss die Drehzahlsteigerung des Windrades - dadurch reisst der Luftstrom ab ( wie bei zu langsamen Flugzeugen kurz vorm Absturz 🧐).
Auch wenn ich anfangs Bedenken hinsichtlich der Stromstärken s.u. gehabt habe, hat sich dies bisher als ausreichend erwiesen.
Für den Notfall habe ich aber eine lange Stange mit einer alten Decke in Bereitschaft....
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Fernüberwachung und -steuerung..
Natürlich will ich wissen, was das Windrad jeweils so an Strom und Spannung bringt, welche Drehzahl es grad hat - und natürlich möchte ich für den Notfall auch eine Notbrems-Funktion haben. ( z.B. wenn ich "im Bett liege" 😜 ).
Dies wird mit einem ESP32, einem Spannungs-MessChip ADS1115 und einem Strom-MessChip ACS712 (hier 30A) sowie einigen "Eigenkonstruktionen" realisiert.
vorhergehende Überlegungen...
Da wir ja lt. Hersteller angeblich 12V / 500 Watt haben sollen - dies ergibt dann 500W/12V = 41,66 Ampere - reicht natürlich der INA219-MessChip hier nicht aus.
Allerdings habe ich nie geglaubt, das das Windrad die o.g. Herstellerwerte erreicht, bin also von kleineren Werten ausgegangen...
Daher messen wir die Stromstärke mit dem MessChip ACS712 (mit max. 30A) , dieser gibt das Ergebniss seiner Messung als eine analoge, veränderliche Voltzahl aus. Aber glücklicherweise messen wir ja die Spannung ohnehin mit dem Spannungs-MessChip ADS1115 und der hat ja 4 Kanäle.....
Ein gewaltiges Problem hat der MessChip ACS712 (hier 30A) allerdings - er arbeitet mit einem Hall-Sensor und ist somit sehr empfindlich gegenüber Magnetfeldern... Daher muss er weit weg von den anderen Bauteilen angeordnet werden - in der Extra-Röhre innen noch umwickelt mit ALU-Folie - siehe auf dem ersten Photo....
Für die Drehzahlermittlung wird eine weitere kleine Schaltung mit einem Opto-Koppler an einer Wechselstrom-Phase eingesetzt, dort werden dann die Phasenwechsel je Zeiteinheit gezählt.
Ein kleiner Tipp - ordnet den ADS1115 NICHT direkt unter dem ESP an - da wir nachher WLAN nutzen, wirkt sich dies auf die Messgenauigkeit aus - das muss ich noch umbauen.
Zusätzlich habe ich noch eine kleine Schaltung für die Ansteuerung eines Zug-Relais umgesetzt, um eine Notbremse durch eine zusätzliche Kurzschluss-Schaltung der Wechselstromseite aus der Ferne bedienen zu können.
Diese habe ich auf einen dauerhaft auf HIGH geschaltete PIN des ESP gelegt - sie löst aus wenn ich den PIN auf LOW schalte (per Fernschaltung) ODER wenn der Strom ausfällt (Gewitter etc.?). Auf jeden Fall ist dann das Windrad gesichert....
Alles verstanden ? - Nö ? - dann im Einzelnen....
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Hier die gesamte Anlage als schematische Darstellung
Temperatursteuerung des Lüfters am Regler....
Unser Spannungsregler aus Fernost lädt unsere Batterie auf, bis die Spannung auf etwa 13,5-14,0 Volt ansteigt (oder vom Windrad grössere Spannung kommt z.B. bei Sturm).
Dann geht er sicherheitshalber in einen Bremsmodus (fast Kurzschluss) und vernichtet die überschüssige Leistung - dabei entsteht letztendlich Wärme. Deshalb hat der Regler fette Kühlrippen... Und wir wollen ihn dabei unterstützen, diese Wärme loszuwerden...
Wir verwenden einen Thermo-Widerstand, wie Name es sagt ändert dieser seinen inneren Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur...
hier: bei 25 Grad => 96 kOhm und bei 50 Grad => 45 kOhm (gesprochen kiloOhm)
Mit der nachfolgenden Schaltung können wir eine einfache Regelung bauen...
Wir sehen hier unseren Thermowiderstand ( da steht die Temperatur dran ), einen regelbaren Widerstand ( der mit dem Schiebe-Pfeil ), einen Verbraucher ( unser Lüftermotor 12V 140mA) und .... ein n-MOSFET (?)..... eigentlich im Prinzip nur ein npn-Transistor für grössere Ströme...
Wie wir sehen, erhält unser Motor bei 19 Grad Celsius (links) nur minimale Ströme - da kann er nicht drehen - steigt die Temperatur, dann erhält der MOSFET auf seinem Steuerpin eine grössere Spannung (rechts) und schaltet den Motorkreis - Stück für Stück - frei. Dort steigen dann auch die Ströme und irgendwann fängt der Lüftermotor (mit Stromaufnahme 140 mA) an zu drehen...
Die ganze Sache kann man mit dem regelbaren Widerstand noch feinjustieren.....
Nachteil dieser Schaltung ist ein permanenter kleiner Stromverbrauch, auch wenn es kalt ist.
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Messung der Drehzahl des Windrades
Tja, im Web habe ich da nicht wirklich brauchbare Lösungen gefunden.
Es gab Vorschläge, einen Magneten an den Blättern anzubringen und dann - wie beim Fahrrad - damit Signale abzugreifen. Andere wollten eine Lichtschranke verwenden...
Aber.... bei unserem Windrad dreht sich der Rotor .... und das ganze Windrad dreht sich auch noch je nach der Windrichtung. Damit müssten wir immer Kabel beweglich zwischen Mast und Windrad führen. Das ist eher ungünstig, daher....
Die Idee...Vorsicht Physik !!
Wie wir in der Schule gelernt haben, kann mit einer Spule (gewickeltem Draht) und einem Magneten eine Spannung erzeugt werden - wenn man sie aneinander vorbeibewegt - das Schlagwort heisst Induktion !!! Und das ist das Prinzip hinter allen Generatoren ( und etwas abgewandelt auch Motoren ).
Bewegt man die Spule auf den Magneten zu - entsteht eine (sagen wir) positive Spannung, bewegt man sie dann wieder vom Magneten weg - eine entsprechend umgekehrte Spannung.
Erfolgt dies in regelmässiger Bewegung, ergibt sich eine Spannungs-Sinuskurve...
Nun, wir haben unserem Generator einen (eigentlich drei) Spulenkreis(e) und entsprechend Magnete auf einer Kreisbahn - somit entsteht - in jeder Spule ein sinusförmiger Wechselstrom (in Abhängigkeit der Anzahl der Magneten entsprechende Anzahl der Wechsel je Umdrehung)
Diese Anzahl der Wechsel können wir mit einem Computer zählen....
Ende Physik.....🧐
Tja - wir können uns also auf einen der Spulenkreise aufschalten und die positiven/negativen Grösstwerte oder auch Nulldurchgänge unserer Spannungskurve zählen.
Aber es geht hier um eine grosse Anzahl vor Werten je Sekunde UND wir schliessen einen empfindlichen Computer direkt an den Wechselstrom an - KEINE GUTE IDEE !!
Allerdings... wir können die Anzahl der zu zählenden Werte mit eine Diode halbieren, da wir dann z.B. nur die positiven Spannungswerte berücksichtigen. Und - glücklicherweise - ist ein Opto-Koppler ja eine Diode zusammen mit einem lichtempfindlichen Empfänger....
Und beide Bauteile haben keine physikalische (elektrische) Verbindung zueinander..
Also...
Der linke Schaltkreisbereich enthält eine Wechselstromquelle ( unser Spulenkreis vom Generator , der hat allerdings später sehr viel mehr als 3 Hz = 3 Wechsel/Sekunde ), einen regelbaren Widerstand ( der mit dem Schiebe-Pfeil ) zur Feineinstellung und eine Zenerdiode für max. 3.3 Volt ( sicherheitshalber, da wir die maximale Spannung in dem Wechselstromkreis des Generators nicht kennen - durch die Zenerdiode fliesst alles > 3.3 Volt dann ab )
Rechts haben wir einen 3.3 Volt-PIN (vom ESP), einen Widerstand zur Begrenzung des Stromes (wir brauchen ja nicht viel), eine "Lampe" zur Visualisierung der Schaltwirkung (die ist in echt natürlich nicht da ) und den Eingangs-PIN ( am ESP - hier als GND dargestellt)
Wie die Schaubilder zeigen, wird der ESP-Eingangs-PIN bei positiver Spannung am Generator auf HIGH ( Lampe rot) gesetzt, bei negativer Spannung am Generator jedoch auf LOW (Lampe aus).
In der echten Schaltung gibt es dann noch einen zusätzlichen Widerstand zwischen dem ESP-Eingangs-PIN und dem richtigen GND, damit der Status des PIN's auch ohne anliegende Spannung wirklich in der Programmierung als NULL berücksichtigt wird (er könnte ansonsten um 0 Volt herum "flattern" - das ist bei den PIN's immer so )
Somit haben wir einen zählbaren Impuls an unserem ESP....
Leider hat diese Lösung noch eine Schwachstelle - bei hohen Drehzahlen "spinnt" die Messung, wahrscheinlich wirken sich da die beiden anderen Spulenkreise mit aus und unsere "Sinus-Welle" ist nicht mehr sauber ausgeprägt. Aber das zu erklären, ist ein Fall für Fachleute...Ich habe in meiner Software diese Bereiche einfach nicht berücksichtigt siehe dort...
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Messung Spannung
Dies wird mit einem ESP32 und einem Spannungs-MessChip ADS1115 realisiert. Den MessChip schalten wir PARALLEL in unseren 12-15 Volt Gleichstromkreis... (angeblich kann die Spannung auf bis zu 40 Volt durch den Inverter steigen - glaub ich aber nicht - eigentlich rechne ich mit der üblichen Ladespannung für Batterien von 12-14 Volt - wozu sonst ein Ladeeinverter für Batterien ? ). Sicherheitshalber stellen wir uns aber trotzdem drauf ein (bevor der MessChip zerstört wird)...
ABER !!! er kann ja nur Spannungen bis zu seiner eigenen Versorgungsspannung ( hier 3.3 Volt vom ESP ) und nur positive Spannungen ( d.h. richtig herum anschliessen ) messen, ansonsten kann er ggf. sogar defekt werden.
Wir müssen also einen Spannungsteiler berücksichtigen. Wir messen also zwischen 0 und ca. 40 Volt ( angeblich) und wir wollen maximal 3.3 Volt am Messeingang.
Rges = R1 + R2 und U2 = ( U1 / Rges ) x R2
hier muss man dann etwas "spielen"....
Rges = 220kOhm+20 kOhm = 240 kOhm und U2 = (40 V / 240 kOhm) x 20 kOhm = 3,33 Volt = OK...
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Messung Strom
Dies wird mit einem ESP32, dem o.g. Spannungs-MessChip ADS1115 und einem Strom-MessChip ACS712 (hier 30A) realisiert.
Der ACS712 wird dabei mit einer Spannung von 5 Volt (vom ESP) versorgt, er gibt ein Signal von 0-5 Volt je nach gemessener Stromstärke aus... Den MessChip schalten wir IN REIHE in unseren 12 Volt Gleichstromkreis...
Das Signal deckt negativen und positive Stromflussrichtung ab - bei NULL wird ein 2.5 Volt-Signal ausgegeben !!!! Zur Auflösung ( Step's Volt/Ampere) siehe die entsprechenden Dokumentationen im Web.....
Auf den ADS1115 schalten wir dann auch die Mess-Ausgabe des ACS712 auf.....
ABER !!! der MessChip kann ja nur Spannungen bis zu seiner eigenen Versorgungsspannung ( hier 3.3 Volt vom ESP ) und nur positive Spannungen ( hier haben wir auch nur 0 bis + 5 Volt ) messen, ansonsten kann er ggf. sogar defekt werden.
Wir müssen also wieder einen Spannungsteiler berücksichtigen. Wir messen zwischen 0 und ca. 5 Volt ( vom ACS712 ) und wir wollen maximal 3.3 Volt am Messeingang.
Berechnung:
Rges = R1 + R2 und U2 = ( U1 / Rges ) x R2
hier muss man dann wieder etwas "spielen"....
Rges = 10kOhm+20 kOhm = 30 kOhm und U2 = ( 5 V / 30 kOhm) x 20 kOhm = 3,33 Volt = OK...
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite
Notbremse ferngesteuert
Im Falle eines nächtlichen Sturmes oder Stromausfalls ( dann komme ich ja auch per WLAN nicht mehr auf den ESP ) möchte ich nicht unbedingt mitten in der Nacht zum Windrad rennen müssen.... Also brauche ich eine Fernsteuerung und Automatik für den Stromausfall...
und hier als Sketchup-Datein zum herunterladen....
Habt Ihr bisher durchgehalten ? Jetzt wird es wirklich etwas komplizierter - aber wir schaffen das schon....
Wir brauchen also eine elektronische Schaltung, welche s.o. auf Befehl oder bei Stromausfall unsere Notbremse auslöst. Möglichst aber nicht bei jedem "Flackern" oder Neustart unseres Programmes.
Und da wir mit einem Relais und einem elektrischen Zugmagneten arbeiten, müssen wir eine Lösung finden, das dieser nach dem Auslösen nicht "unendlich" angeschaltet bleibt - er würde Strom verbrauchen und HEISS werden !!!
Das wird "tricky"......an der nachfolgenden Lösung habe ich lange "gebastelt"....
Was sehen wir ?
Fast in der Mitte ist ein Opto-Koppler ( das Ding im "Kästchen" ), der davon linke Schaltkreisbereich wird von unserem ESP angesteuert. Der kleine weisse Strich ist ein Schalter - momentan geschlossen. Dies ist der Dauerzustand.
Beim ersten Start (oder Neustart) fliesst der Strom durch unseren Opto-Koppler und schaltet diesen dauerhaft an. Gleichzeitig fliesst er durch den Kondensator, die Diode und durch den Widerstand 100 Ohm ( der begrenzt den aufgenommenen Strom - wir speisen ja aus dem ESP ein... ) und weiter dann zum GND.
Dadurch lädt sich der Kondensator langsam auf, bis er voll ist und diesen Teil des Stromkreises sperrt - dann läuft nur noch der Strom durch den Opto-Koppler...
Im rechten Schaltkreisbereich fliesst der Strom ebenfalls durch unseren Opto-Koppler und gleichzeitig durch einen pnp-Transistor (Erinnerung: er öffnet, wenn der Steuerpol eine geringere Spannung als die zu schaltende Spannung hat ). Der fliessende Strom wird wieder durch einen Widerstand 10 kOhm begrenzt und ist somit im Ruhezustand sehr gering.
Die rechte grüne Stromverbindung geht zum Relais - das aber aktuell nicht geschaltet ist.
Jetzt fällt unser Steuerstrom aber aus bzw. auf Befehl über meine Fernsteuerung (der Schalter ist offen ...)
Im linken Schaltkreisbereich versorgt jetzt der Kondensator unseren Opto-Koppler - bis der Kondensator leer ist....
War es nur ein "Stromflackern" oder ein Neustart des ESP, dann wird der Schalter ja schnell wieder geschlossen - und es passiert - gar nichts....
Aber unser Kondensator wird ja immer schwächer....
Irgendwann wird die Leuchtdiode in unserem Opto-Koppler immer dunkler - und er schaltet ab ( das passiert hier fliessend ).
Wenn rechten Schaltkreisbereich aber der Steuer-Pol unseres PNP-Transistors nicht mehr mit gleicher Spannung - wie der Hauptkreis (hier 12V) versorgt wird, schaltet der Transistor den Stromkreis zum Relais frei.
Das Relais zieht an und unser Zug-Magnet ebenso. Der - für die Spule des Relais - notwendige Strom fliesst über 2 Widerstände 10 Ohm und 10 kOhm ab, wobei der Hauptteil natürlich den "einfachen Weg" durch den kleinen Widerstand nimmt.
Aber in diesem Stromweg haben wir noch ein Kondensator - jetzt lädt sich dieser ja auf - und wenn er voll ist, sperrt er seinen Stromweg.
Jetzt reicht der verbleibende Stromweg über den grossen 10 kOhm-Widerstand aber für die Spule des Relais nicht mehr aus ( im vorigen Bild unten knapp 150 mA - jetzt nur noch 1.5 mA ) und das Relais fällt ab - und unser Zugmagnet ist wieder stromlos - also kann er auch nicht HEISS werden.
Ihr könnt es Euch auf " www.falstad.com/circuit/circuitjs.html " auch gern mal anschauen, anbei die Simulationsdatei ( ist eine reine Textdatei ), ihr könnt sie mit "von lokaler Datei importieren" auf die Webseite hochladen...
Aber lasst Euch zeitlich nicht täuschen - die Zeit zwischen anziehendem und abfallendem Relais ist real nicht mal eine Sekunde - und dort ist der grosse Kondensator - auf der linken Seite will ich auch noch einen grösseren Kondensator einbauen - den hab ich aktuell aber nicht.
Auch diese Schaltung verbraucht im Ruhezustand etwas Strom...und das Lösen der Bremsmechanik muss von Hand erfolgen ( da halten die Möbel-Magnete ja fest)..
Alles verstanden ? - War doch nicht so schwer...oder ?
Ist mir zu kompliziert..... =>.... zurück zur Startseite