Inverter impilabile da 4kva sincronizzato

Questa prima parte della proposta 4kva sincronizzata circuito inverter impilabile discute come implementare la sincronizzazione automatica cruciale tra i 4 inverter per quanto riguarda frequenza, fase e tensione per mantenere gli inverter in funzione l'uno dall'altro, pur ottenendo un'uscita alla pari tra loro.

L'idea è stata richiesta dal Sig. David. La seguente conversazione via e-mail tra lui e me descrive in dettaglio le specifiche principali del circuito inverter impilabile da 4kva sincronizzato proposto.

Email # 1

Ciao Swagatam,

Innanzitutto volevo ringraziarti per il tuo contributo al mondo in generale, le informazioni e, soprattutto, la tua disponibilità a condividere le tue conoscenze per aiutare altre persone a mio parere sono inestimabili per molte ragioni.

Vorrei migliorare alcuni dei circuiti che avete condiviso per adattarli ai miei scopi, purtroppo mentre capisco cosa sta succedendo nei circuiti mi manca la creatività e la conoscenza per apportare le modifiche da solo.

In genere posso seguire i circuiti se sono piccoli e posso vedere dove si uniscono / si connettono in schemi più grandi.

Se posso permettermi, vorrei provare a spiegare cosa vorrei ottenere, anche se non mi illudo che tu sia una persona molto impegnata e che non vorrei sprecare inutilmente il tuo tempo prezioso.

L'obiettivo finale sarebbe quello di costruire (assemblare i componenti) di una micro rete di energia rinnovabile multi-fonte, utilizzando generatori solari fotovoltaici, mulini a vento e bio diesel.

Il primo passo sono i miglioramenti dell'inverter solare FV.

Vorrei utilizzare il tuo circuito inverter a onda sinusoidale pura da 48 volt in grado di mantenere un'uscita costante di 2kW 230V, deve essere in grado di fornire almeno 3 volte questa uscita per una durata molto breve.

La modifica chiave che voglio ottenere è creare un numero di queste unità di inverter per lavorare in parallelo e collegate a una barra bus AC.

Vorrei che ogni inverter campionasse in modo indipendente e costante la barra del bus CA per frequenza, tensione e corrente (carico).

Chiamerò questi inverter unità slave.

L'idea di invertire i moduli sarà 'plug and play'.

L'inverter una volta collegato alla barra bus AC campiona / misura costantemente la frequenza sulla barra bus AC e utilizza queste informazioni per pilotare l'ingresso di un IC 4047 in modo tale che la sua uscita di clock possa essere avanzata o ritardata fino a clonare esattamente la frequenza su la barra bus AC una volta che le due forme d'onda sono sincronizzate, l'inverter chiuderà un contattore o relè che collega lo stadio di uscita invertito alla barra bus AC.

Nel caso in cui la frequenza sulla barra o la tensione si muovano al di fuori di una tolleranza predeterminata il modulo inverter dovrebbe aprire il relè o contattore sullo stadio di uscita scollegando efficacemente lo stadio di uscita dell'inverter dalla barra AC per proteggersi.

Inoltre, una volta connesse alla barra bus AC, le unità slave andrebbero in sleep o almeno lo stadio di uscita dell'inverter andrebbe in sleep mentre il carico sulla barra è inferiore alla somma di tutti gli inverter slave. Immagina se ci fossero 3 inverter slave collegati alla barra bus CA, tuttavia il carico sulla barra è di soli 1,8 kW, quindi gli altri due slave andrebbero a dormire.

Il reciproco sarebbe anche vero che se il carico sulla barra saltava a dire 3kW uno degli invertiti addormentati si svegliava immediatamente (già sincronizzato) per fornire l'energia aggiuntiva richiesta.

Immagino che alcuni grandi condensatori su ciascuno stadio di uscita fornirebbero l'energia richiesta mentre l'inverter ha un momento molto breve mentre si sveglia.

Sarebbe preferibile (solo a mio avviso) non collegare direttamente tra loro ogni inverter ma piuttosto che siano autonomi in modo indipendente.

Voglio cercare di evitare che i microcontrollori o l'errore o il guasto delle unità si verifichino a vicenda o che le unità abbiano 'indirizzi' sul sistema.

Nella mia mente immagino che il primo dispositivo collegato sulla barra bus CA sarebbe un inverter di riferimento molto stabile che è costantemente connesso.

Questo inverter di riferimento fornirebbe la frequenza e la tensione che le altre unità slave utilizzerebbero per generare le rispettive uscite.

Sfortunatamente non riesco a capire come si possa impedire un ciclo di feedback in cui le unità slave potrebbero potenzialmente diventare l'unità di riferimento.

Al di là dello scopo di questa e-mail ho dei piccoli generatori che vorrei collegare alla barra del bus AC sincronizzandoli con l'inverter di riferimento per fornire energia nel caso in cui il carico superi la capacità di uscita massima DC.

La premessa generale è che il carico presentato alla barra bus CA determinerebbe quanti inverter e, in definitiva, quanti generatori si collegherebbero o si disconnetterebbero autonomamente per soddisfare la domanda, poiché si spera che ciò risparmierebbe energia o almeno non sprecherebbe energia.

Il sistema essendo completamente costituito da più moduli sarebbe quindi espandibile / contrattabile nonché robusto / resiliente in modo tale che se qualcuno o forse due unità dovessero guastarsi, il sistema continuerebbe a funzionare tutto a capacità ridotta.

Ho allegato uno schema a blocchi ed escluso la ricarica della batteria per il momento.

Ho intenzione di caricare il banco batterie dal bus AC e di raddrizzarlo fino a 48V DC in questo modo posso caricare dai generatori o dalle fonti di energia rinnovabile, riconosco che forse non è efficiente come usare DC mppt ma penso a quello che ho perdo in efficienza guadagno in flessibilità. Vivo molto lontano dalla città o dalla rete elettrica.

Per riferimento, ci sarebbe un carico costante minimo sulla barra del bus CA di 2kW sebbene il carico di picco potrebbe aumentare fino a 30kW.

Il mio piano è che i primi 10-15 kW siano forniti dai pannelli solari fotovoltaici e da due mulini a vento da 3 kW (picco), i mulini a vento sono CA raddrizzati a CC e un banco di batterie da 1000 Ah a 48 volt. (Che vorrei evitare di scaricare / scaricare oltre il 30% della sua capacità per garantire la durata della batteria) la restante richiesta di energia rara e molto intermittente sarebbe soddisfatta dai miei generatori.

Questo carico raro e intermittente proviene dalla mia officina.

Ho pensato che potrebbe essere prudente costruire un banco di condensatori per gestire o raccogliere l'allentamento del sistema di qualsiasi carico induttivo che avvia le correnti come il motore del mio compressore d'aria e la sega da banco.

Ma non sono sicuro in questo momento se non ci sia un modo migliore / più economico.

I tuoi pensieri e commenti sarebbero molto apprezzati e apprezzati, spero che tu abbia tempo per tornare da me.

Grazie in anticipo per il tuo tempo e la tua attenzione.

Cordiali saluti David Inviato dal mio dispositivo wireless BlackBerry®

La mia risposta

Ciao David,

Ho letto la tua richiesta e spero di averla compresa correttamente.

Dei 4 inverter, solo uno avrebbe il proprio generatore di frequenza, mentre altri funzionerebbero estraendo la frequenza dall'uscita dell'inverter principale, e quindi sarebbero tutti sincronizzati tra loro e con le specifiche di questo inverter master.

Proverò a progettarlo e spero che funzioni come previsto e secondo le specifiche menzionate, tuttavia l'implementazione dovrà essere eseguita da un esperto che dovrebbe essere in grado di comprendere il concetto e modificarlo / ottimizzarlo alla perfezione ovunque si trovi richiesto .... altrimenti riuscire con questo progetto ragionevolmente complesso potrebbe diventare estremamente difficile.

Posso solo presentare il concetto di base e lo schema ... il resto dovrà essere fatto dagli ingegneri dalla tua parte.

Potrebbe volerci un po 'di tempo per completarlo, dato che ho già molte richieste in sospeso nella coda ... Ti informerò come figlio non appena verrà pubblicato

I migliori saluti Swag

Email # 2

Ciao Swagatam,

Grazie mille per la tua risposta molto rapida.

Non è proprio quello che avevo in mente, ma sicuramente rappresenta un'alternativa.

Il mio pensiero era che ogni unità avrebbe due sottocircuiti di misurazione della frequenza, uno che guarda la frequenza sulla barra del bus AC e questa unità viene utilizzata per creare l'impulso di clock per il generatore di onde sinusoidali dell'inverter.

L'altro sottocircuito di misurazione della frequenza esaminerà l'uscita dal generatore di onde sinusoidali dell'inverter.

Ci sarebbe un circuito di confronto forse utilizzando un array operazionale che invierebbe l'impulso di clock del generatore di onde sinusoidali dell'inverter per far avanzare il segnale di clock o ritardare il segnale di clock fino a quando l'uscita dal generatore di onde sinusoidali corrisponderebbe esattamente all'onda sinusoidale sulla barra CA .

Una volta che la frequenza dello stadio di uscita dell'inverter corrispondesse alla frequenza della barra bus AC ci sarebbe un SSR che si chiuderebbe collegando lo stadio di uscita dell'inverter alla barra AC preferibilmente nel punto di zero cross over.

In questo modo qualsiasi modulo inverter potrebbe guastarsi e il sistema potrebbe continuare a funzionare. lo scopo dell'inverter master era quello di tutti i moduli inverter che non sarebbe mai andato a dormire e avrebbe fornito la frequenza AC bar iniziale. tuttavia, se fallisse, le altre unità non sarebbero state influenzate fintanto che una era 'online'

Le unità slave dovrebbero spegnersi o avviarsi quando il carico cambia.

La tua osservazione era corretta Non sono un uomo di 'elettronica' Sono un ingegnere meccanico ed elettrico Lavoro con elementi di grandi impianti come chiller, generatori e compressori.

Man mano che questo progetto progredisce e inizia a diventare più tangibile, saresti disposto / aperto ad accettare un regalo in denaro? Non ho molto ma forse potrei regalare un po 'di soldi tramite PayPal per aiutare a sostenere i costi di hosting del tuo sito web.

Grazie ancora.

Aspetto tue notizie.

namaste

David

La mia risposta

Grazie David,

Fondamentalmente si desidera che gli inverter siano sincronizzati tra loro in termini di frequenza e fase, e anche ciascuno abbia la capacità di diventare l'inverter master e prendere in carico la carica, nel caso in cui il precedente si guasta per qualche motivo. Giusto?

Cercherò di risolvere questo problema con qualsiasi conoscenza che ho e un po 'di buon senso e non impiegando circuiti integrati o configurazioni complesse.

Cordiali saluti Swag

Email # 3

Ciao Swag,

Questo è tutto in poche parole, tenendo in considerazione un requisito aggiuntivo.

Quando il carico diminuisce, gli inverter entrano in modalità eco o standby e quando il carico aumenta o aumenta si attivano per soddisfare la domanda.

Adoro l'approccio con cui stai andando ...

Grazie mille la tua considerazione nei miei confronti è molto apprezzata.

Namaste

Cordiali saluti

David

Il design

Come richiesto dal Sig.David, i circuiti di inverter di potenza impilabili da 4kva proposti devono essere sotto forma di 4 circuiti inverter separati, che possono essere impilati in modo appropriato in sincronia tra loro per fornire la quantità corretta di potenza autoregolante al collegato carichi, a seconda di come questi carichi vengono accesi e spenti.

AGGIORNARE:

Dopo un po 'di riflessione mi sono reso conto che il design non ha bisogno di essere troppo complicato, piuttosto potrebbe essere implementato utilizzando un concetto semplice come mostrato di seguito.

Solo l'IC 4017 con i suoi diodi, transistor e trasformatore associati dovrà essere ripetuto per il numero richiesto di inverter.

L'oscillatore sarà un pezzo unico e potrà essere condiviso con tutti gli inverter integrando il suo pin3 con il pin14 dell'IC 4017.

Il circuito di feedback deve essere regolato con precisione per i singoli inverter, in modo che il range di cut off sia esattamente adattato per tutti gli inverter.

I seguenti modelli e le spiegazioni possono essere ignorati poiché una versione molto più semplice è già aggiornata sopra

Sincronizzazione degli inverter

La sfida principale in questo caso è consentire a ciascuno degli inverter slave di essere sincronizzato con l'inverter master fintanto che l'inverter master è operativo, e in un caso (sebbene improbabile) l'inverter master si guasta o smetta di funzionare, l'inverter successivo subentra carica e diventa lo stesso inverter master.
E nel caso in cui anche il secondo inveter fallisca, il terzo inverter prende il comando e interpreta il ruolo dell'inverter master.

In realtà, sincronizzare gli inverter non è difficile. Sappiamo che può essere fatto facilmente utilizzando circuiti integrati come SG3525, TL494 ecc. Tuttavia, la parte difficile del progetto è garantire che se l'inverter master si guasta, uno degli altri inverter sia in grado di diventare rapidamente il master.

E questo deve essere eseguito senza perdere il controllo su frequenza, fase e PWM anche per una frazione di secondo e con una transizione graduale.

So che possono esserci idee molto migliori, il progetto più fondamentale per soddisfare i criteri menzionati è mostrato nel diagramma seguente:

Nella figura sopra possiamo vedere un paio di fasi identiche, dove l'inverter superiore n. 1 forma l'inverter master mentre l'inverter inferiore n. 2 lo slave.

Si suppone che più stadi sotto forma di inverter n. 3 e inverter n. 4 vengano aggiunti all'impostazione nello stesso identico modo integrando questi inverter con i loro stadi optoaccoppiatori individuali, ma non è necessario ripetere lo stadio opamp.

Il design consiste principalmente in un oscillatore basato su IC 555 e un circuito flip flop IC 4013. L'IC 555 è predisposto per generare frequenze di clock alla velocità di 100Hz o 120Hz che vengono inviate all'ingresso di clock dell'IC 4013, che quindi lo converte nei 50Hz o 60Hz richiesti alternando le sue uscite con logica alta sul pin # 1 e il pin n. 2.

Queste uscite alternate vengono quindi utilizzate per attivare i dispositivi di alimentazione e il trasformatore per generare i 220 V o 120 V CA previsti.

Ora, come discusso in precedenza, la questione cruciale qui è sincronizzare i due inverter in modo che siano in grado di funzionare esattamente in sincronia, per quanto riguarda la frequenza, la fase e il PWM.

Inizialmente tutti i moduli coinvolti (circuiti inverter impilabili) vengono regolati separatamente con componenti esattamente identici in modo che il loro comportamento sia perfettamente alla pari tra loro.

Tuttavia, anche con attributi abbinati con precisione, non ci si può aspettare che gli inverter funzionino perfettamente in sincronia a meno che non siano collegati in un modo univoco.

Ciò avviene infatti integrando gli inverter 'slave' tramite uno stadio opamp / fotoaccoppiatore come indicato nel disegno sopra.

Inizialmente, l'inverter master n. 1 è acceso, il che consente allo stadio operazionale 741 di essere alimentato e di inizializzare la frequenza e l'inseguimento di fase della tensione di uscita.

Una volta avviato, gli inverter successivi vengono tutti accesi per aggiungere alimentazione alla linea di rete.

Come si può vedere l'uscita dell'opamp è collegata al condensatore di temporizzazione di tutti gli inverter slave tramite un opto accoppiatore che costringe gli inverter slave a seguire la frequenza e l'angolo di fase dell'inverter master.

Tuttavia la cosa interessante qui è il fattore di aggancio dell'amplificatore operazionale con la fase istantanea e le informazioni sulla frequenza.

Ciò accade poiché tutti gli inverter stanno ora erogando e funzionando alla frequenza e alla fase specificate dall'inverter master, il che significa che se nel caso in cui uno qualsiasi degli inverter si guasta, incluso l'inverter master, l'opamp è in grado di tracciare e iniettare rapidamente la frequenza istantanea / informazioni di fase e costringono gli inverter esistenti a funzionare con queste specifiche, e l'inverter a sua volta è in grado di sostenere i feedback allo stadio operazionale per rendere le transizioni senza interruzioni e auto ottimizzanti.

Pertanto, si spera che la fase opamp si occupi della prima sfida di mantenere tutti gli inverter impilabili proposti perfettamente sincronizzati attraverso un LIVE tracking delle specifiche di rete disponibili.

Nella parte successiva dell'articolo impareremo il stadio sinusoidale PWM sincronizzato , che è la prossima caratteristica cruciale del progetto sopra discusso.

Nella parte precedente di questo articolo abbiamo appreso la sezione principale del circuito inverter impilabile sincronizzato 4kva che ha spiegato i dettagli di sincronizzazione del progetto. In questo articolo studiamo come rendere il progetto un equivalente a onda sinusoidale e garantire anche la corretta sincronizzazione dei PWM tra gli inverter coinvolti.

Sincronizzazione PWM a onda sinusoidale tra gli inverter

È possibile creare un semplice generatore di forma d'onda sinusoidale equivalente PWM con RMS abbinato utilizzando un IC 555 e un IC 4060, come mostrato nella figura seguente.

Questo design può quindi essere utilizzato per consentire agli inverter di produrre una forma d'onda sinusoidale equivalente alle loro uscite e attraverso la linea di rete collegata.

Ciascuno di questi processori PWM sarebbe necessario per ciascuno dei moduli inverter impilabili individualmente.

AGGIORNARE: Sembra che un singolo processore PWM possa essere utilizzato in comune per tagliare tutte le basi dei transistor, a condizione che ciascuna base MJ3001 si colleghi allo specifico collettore BC547 attraverso un singolo diodo 1N4148. Ciò semplifica notevolmente il design.

Le diverse fasi coinvolte nel circuito geneartor PWM di cui sopra possono essere comprese con l'aiuto del seguente punto:

Utilizzo di IC 555 come generatore PWM

L'IC 555 è configurato come il circuito generatore PWM di base. Per essere in grado di generare impulsi PWM equivalenti regolabili all'RMS desiderato, l'IC richiede onde triangolari veloci sul suo pin7 e un potenziale di riferimento sul suo pin5 che determina il livello PWM sul suo pin di uscita # 3

Utilizzo di IC 4060 come generatore di onde triangolari

Per generare le onde triangolari, l'IC 555 richiede onde quadre sul pin n. 2, che viene acquisito dal chip dell'oscillatore IC 4060.

L'IC 4060 determina la frequenza del PWM, o semplicemente il numero di 'pilastri' in ciascuno dei semicicli AC.

L'IC 4060 viene utilizzato principalmente per moltiplicare il contenuto di bassa frequenza del campione dall'uscita dell'inverter in una frequenza relativamente alta dal suo pin n. 7. La frequenza di campionamento fondamentalmente assicura che il taglio PWM sia uguale e sincronizzato per tutti i moduli invetrer. Questo è il motivo principale per cui è incluso l'IC 4060, altrimenti un altro IC 555 avrebbe potuto svolgere facilmente il lavoro.

Il potenziale di riferimento al pin n. 5 dell'IC 555 viene acquisito da un inseguitore di tensione operazionale mostrato all'estrema sinistra del circuito.

Come suggerisce il nome, questo amplificatore operazionale fornisce esattamente la stessa grandezza di tensione al suo pin # 6 che appare al suo pin # 3 .... tuttavia la replica del pin # 6 del suo pin # 3 è ben tamponata, e quindi è più ricca del suo qualità pin3, e questo è il motivo esatto per includere questa fase nella progettazione.

Il preset 10k associato al pin3 di questo IC viene utilizzato per regolare il livello RMS che alla fine sintonizza finemente i PWM di uscita dell'IC 555 al livello RMS desiderato.

Questo RMS viene quindi applicato alle basi dei dispositivi di potenza per costringerli a lavorare ai livelli PWM RMS specificati, il che a sua volta fa sì che l'uscita AC acquisisca un attributo sinusoidale puro attraverso un livello RMS corretto. Ciò può essere ulteriormente migliorato impiegando un filtro LC attraverso l'avvolgimento di uscita di tutti i trasformatori.

La parte successiva e finale di questo circuito inverter sincronizzato impilabile da 4kva descrive in dettaglio la funzione di correzione automatica del carico per consentire agli inverter di fornire e mantenere la corretta quantità di potenza attraverso la linea di alimentazione in uscita in base alla commutazione dei carichi variabili.

Finora abbiamo coperto i due requisiti principali per il circuito inverter impilabile da 4kva sincronizzato proposto, che include la sincronizzazione di frequenza, fase e PWM tra gli inverter in modo che il guasto di uno qualsiasi degli inverter non abbia alcun effetto sul resto in termini di parametri di cui sopra .

Fase di correzione automatica del carico

In questo articolo proveremo a capire la funzione di correzione automatica del carico che può abilitare l'accensione o lo spegnimento degli inverter in modo sequenziale in risposta alle condizioni di carico variabili sulla linea di rete di uscita.

Un semplice comparatore quadruplo che utilizza LM324 IC può essere utilizzato per implementare una correzione sequenziale automatica del carico come indicato nel diagramma seguente:

Nella figura sopra possiamo vedere quattro amplificatori operazionali dall'IC LM324 configurati come quattro comparatori separati con i loro ingressi non invertenti equipaggiati con preset individuali, mentre i loro ingressi invertenti tutti referenziati con una tensione zener fissa.

I relativi preset vengono semplicemente regolati in modo tale che gli amplificatori operazionali producano output elevati in sequenza a non appena la tensione di rete supera la soglia prevista ..... e viceversa.

Quando ciò accade, i relativi transistor commutano in base all'attivazione dell'opamp.

I collettori dei rispettivi BJT sono collegati con il pin # 3 dell'opamp inseguitore di tensione IC 741 che è impiegato nello stadio del controller PWM, e questo forza l'uscita dell'amplificatore operazionale ad andare basso o zero, che a sua volta fa apparire una tensione zero al pin # 5 del PWM IC 555 (come discusso nella Parte 2).

Con il pin # 5 dell'IC 555 applicato con questa logica zero, forza i PWM a diventare più stretti o al valore minimo, il che fa sì che l'uscita di quel particolare inverter si spenga quasi.

Le azioni di cui sopra tentano di stabilizzare l'uscita a una condizione normale precedente che costringe nuovamente il PWM ad allargarsi e questo tiro alla fune o una commutazione costante delle cintinues operazionali mantenendo costantemente l'uscita il più stabile possibile, in risposta a le variazioni dei carichi allegati.

Con questa correzione automatica del carico implementata all'interno del circuito inverter impilabile da 4kva proposto, il progetto è quasi completo di tutte le caratteristiche richieste dall'utente nella Parte 1 dell'articolo.