Synchronizovaný stohovatelný střídač 4 kVA

Tato první část navrhované 4 kva se synchronizovala stohovatelný obvod měniče pojednává o tom, jak implementovat rozhodující automatickou synchronizaci mezi 4 střídači s ohledem na frekvenci, fázi a napětí, aby měniče fungovaly nezávisle na sobě a přitom dosáhly stejného výkonu.

Nápad požadoval pan David. Následující e-mailová konverzace mezi ním a mnou podrobně popisuje hlavní specifikace navrhovaného synchronizovaného 4kva stohovatelného invertorového obvodu.

E-mail č. 1

Ahoj Swagatam,

Nejprve jsem chtěl poděkovat za váš příspěvek celému světu, informace a hlavně vaše ochota sdílet své znalosti a pomoci ostatním lidem je podle mého názoru neocenitelná z mnoha důvodů.

Chtěl bych vylepšit některé okruhy, které jste sdíleli, aby vyhovovaly mým vlastním účelům, bohužel, i když chápu, co se v okruzích děje, chybí mi kreativita a znalosti k tomu, abych sám provedl změny.

Obecně mohu sledovat obvody, pokud jsou malé, a vidím, kde se připojují / připojují do větších schémat.

Pokud mohu, chtěl bych se pokusit vysvětlit, čeho bych chtěl dosáhnout, i když si nedělám iluzi, že jste velmi zaneprázdněný člověk a nechtěl bych vám zbytečně věnovat svůj drahocenný čas.

Konečným cílem by bylo, že bych chtěl postavit (sestavit komponenty) vícezdrojové mikroenergetické sítě z obnovitelných zdrojů pomocí solárních generátorů, větrných mlýnů a generátorů bionafty.

Prvním krokem jsou vylepšení fotovoltaického střídače.

Rád bych použil váš 48 voltový sinusový invertorový obvod schopný udržovat konstantní výstup 2kW 230V, musí být schopen dodávat alespoň 3krát tento výstup po velmi krátkou dobu.

Klíčovou modifikací, kterou chci dosáhnout, je vytvořit řadu těchto střídačů, které budou pracovat paralelně a připojeny k AC přípojnici.

Chtěl bych, aby každý střídač nezávisle a neustále vzorkoval přípojnici střídavého proudu pro frekvenci, napětí a proud (zátěž).

Nazvu tyto střídače podřízenými jednotkami.

Myšlenkou invertních modulů bude „plug and play“.

Střídač, který je jednou připojen ke sběrnici střídavého proudu, neustále vzorkuje / měří frekvenci na sběrnici střídavého proudu a používá tyto informace k řízení vstupu integrovaného obvodu 4047 tak, aby jeho výstup hodin mohl být posunut nebo zpomalen, dokud přesně klonuje frekvenci na po synchronizaci dvou vlnových tyčí střídač sepne stykač nebo relé, které spojuje invertní výstupní stupeň s AC přípojnicí.

V případě, že se frekvence na liště nebo napětí pohybuje mimo předem stanovenou toleranci, měl by měničový modul otevřít relé nebo stykač na koncovém stupni a účinně odpojit výstupní stupeň měniče od střídavého proudu, aby se chránil.

Navíc, jakmile jsou podřízené jednotky připojeny ke sběrnici střídavého proudu, přejdou do režimu spánku nebo bude spát alespoň koncový stupeň střídače, zatímco zatížení lišty je menší než součet všech podřízených střídačů. Představte si, že chcete-li, jsou na AC přípojnici připojeny 3 podřízené střídače, ale zatížení na liště je pouze 1,8kW, pak ostatní dva slave přejdou spát.

Reciproční by také platilo, že pokud zátěž na liště vyskočila na 3kW, jeden ze spících invertorů by se okamžitě probudil (již je synchronizován) a dodal dodatečně požadovanou energii.

Představuji si, že některé velké kondenzátory na každém z výstupních stupňů dodávají potřebnou energii, zatímco střídač má velmi krátký okamžik, kdy se probudí.

Bylo by lepší (pouze podle mého názoru) nepřipojovat každý střídač přímo k sobě, ale spíše to, aby byly samostatně autonomní.

Chci se pokusit vyhnout mikroprocesorům nebo vzájemné kontrole chyb nebo poruch jednotek nebo jednotkám, které mají v systému „adresy“.

V duchu si představuji, že prvním připojeným zařízením na sběrnici AC by byl velmi stabilní referenční měnič, který je neustále připojen.

Tento referenční měnič by poskytoval frekvenci a napětí, které by ostatní podřízené jednotky používaly ke generování svých vlastních příslušných výstupů.

Bohužel nemohu pochopit, jak byste mohli zabránit smyčce zpětné vazby, kde by se podřízené jednotky mohly potenciálně stát referenční jednotkou.

Mimo rámec tohoto e-mailu mám několik malých generátorů, které bych chtěl připojit k AC přípojnici synchronizované s referenčním střídačem a dodávat energii v případě, že zátěž překročí maximální výstupní kapacitu DC.

Celkovým předpokladem je, že zátěž prezentovaná na sběrnici střídavého proudu by určovala, kolik střídačů a nakonec kolik generátorů by se buď autonomně připojilo nebo odpojilo, aby vyhovělo poptávce, protože by to snad ušetřilo energii nebo alespoň neztrácelo energii.

Systém, který je kompletně postaven z více modulů, by pak byl rozšiřitelný / kontraktovatelný i robustní / odolný, takže pokud by selhala kdokoli nebo snad dvě jednotky, systém by i nadále fungoval, ať už se sníženou kapacitou.

Připojil jsem blokové schéma a prozatím jsem vyloučil nabíjení baterie.

Mám v plánu nabíjet bateriovou baterii ze sběrnice střídavého proudu a opravit ji na 48 V ss. Tímto způsobem můžu nabíjet z generátorů nebo obnovitelných zdrojů energie, uznávám, že to možná není tak efektivní jako použití DC mppt, ale myslím, že to, co ztráta efektivity získávám flexibilitu. Bydlím daleko od města nebo rozvodné sítě.

Pro srovnání by na sběrnici střídavého proudu bylo minimální konstantní zatížení 2 kW, ačkoli špičkové zatížení by se mohlo zvýšit až o 30 kW.

Mým plánem je, aby prvních 10 až 15 kW bylo poskytováno solárními FV panely a dva 3kW (špičkové) větrné mlýny, které jsou divokými střídavými střídavými napětími usměrněnými na stejnosměrný proud a 1 000Ah 48voltovou baterií. (Což bych chtěl zabránit vybíjení / vybíjení nad 30% své kapacity, aby byla zajištěna životnost baterie), zbývající občasné a velmi občasné energetické nároky by mé generátory uspokojily.

Toto občasné a občasné zatížení pochází z mé dílny.

Přemýšlel jsem, že by mohlo být rozumné postavit kondenzátorovou banku, která by zvládla nebo zachytila ​​systémovou vůli jakýchkoli spouštěcích proudů indukční zátěže, jako je motor na mém vzduchovém kompresoru a stolní pile.

Ale v tuto chvíli si nejsem jistý, jestli neexistuje lepší / levnější způsob.

Vaše myšlenky a komentáře by byly velmi oceněny a oceněny. Doufám, že máte čas se na mě obrátit.

Předem děkuji za váš čas a pozornost.

S pozdravem David Sent z mého bezdrátového zařízení BlackBerry®

Moje odpověď

Ahoj, Davide,

Přečetl jsem si váš požadavek a doufám, že jsem mu správně porozuměl.

Ze 4 střídačů by pouze jeden měl svůj vlastní generátor kmitočtu, zatímco ostatní by fungovaly extrakcí frekvence z tohoto hlavního výstupu střídače, a tak by byly všechny synchronizovány navzájem a se specifikacemi tohoto hlavního střídače.

Pokusím se to navrhnout a doufám, že to funguje podle očekávání a podle vašich zmíněných specifikací, implementaci však bude muset provést odborník, který by měl být schopen porozumět konceptu a upravovat / vylepšovat jej k dokonalosti, ať už je to kdekoli vyžadováno ... jinak by uspět s tímto rozumně složitým designem mohlo být extrémně obtížné.

Můžu představit pouze základní koncept a schematický .... zbytek budou muset udělat inženýři z vaší strany.

Může to chvíli trvat, než to dokončím, protože ve frontě už mám mnoho nevyřízených požadavků ... Budu vás informovat jako syna, jak bude zveřejněn

S pozdravem Swag

E-mail č. 2

Ahoj Swagatam,

Mockrát vám děkuji za velmi rychlou odpověď.

To není úplně to, co jsem měl na mysli, ale určitě to představuje alternativu.

Myslel jsem, že každá jednotka bude mít dva dílčí obvody pro měření frekvence, jeden, který se bude dívat na frekvenci na sběrnici střídavého proudu a tato jednotka se použije k vytvoření hodinového impulzu pro generátor sinusových vln měniče.

Druhý dílčí obvod měření frekvence by sledoval výstup z generátoru sinusových vln invertoru.

Existoval by srovnávací obvod, který by možná používal operační zesilovač, který by se vracel zpět do hodinového pulzu generátoru sinusových vln invertoru, aby posunul hodinový signál nebo zpomalil hodinový signál, dokud se výstup z generátoru sinusových vln přesně neodpovídá sinusové vlně na AC Bar .

Jakmile by frekvence výstupního stupně měniče odpovídala frekvenci AC přípojnice, došlo by k SSR, které by uzavřelo připojení výstupního stupně střídače na AC příčku, nejlépe v bodě nulového přechodu.

Tímto způsobem by mohl selhat kterýkoli modul střídače a systém by pokračoval ve fungování. Účelem hlavního střídače bylo to, aby ze všech modulů střídače nikdy nepřecházel do režimu spánku a poskytoval počáteční kmitočet střídavého proudu. pokud by však selhalo, ostatní jednotky by nebyly ovlivněny, pokud by jedna byla „online“

Podřízené jednotky by se měly při změně zátěže vypnout nebo spustit.

Vaše pozorování bylo správné. Nejsem „elektronický“ muž. Jsem strojní a elektrotechnický inženýr. Pracuji s velkými rostlinnými položkami, jako jsou chladiče a generátory a kompresory.

Jak tento projekt postupuje a začíná být konkrétnější, chtěli byste být ochotni / otevřeni přijmout peněžní dárek? Nemám toho moc, ale mohl bych snad darovat nějaké peníze přes paypal, abych pomohl podpořit náklady na hosting vašeho webu.

Děkuji ještě jednou.

Těším se, až od tebe uslyším.

namaste

Davide

Moje odpověď

Díky David,

V zásadě chcete, aby střídače byly navzájem synchronizovány, pokud jde o frekvenci a fázi, a také o to, aby každý z nich měl schopnost stát se hlavním střídačem a převzít poplatek, v případě, že předchozí z nějakého důvodu selže. Že jo?

Pokusím se to napravit jakýmikoli znalostmi, které mám, a nějakým zdravým rozumem, a ne zaměstnáním složitých integrovaných obvodů nebo konfigurací.

Warmest Regards Swag

E-mail č. 3

Ahoj lup,

To je vše v kostce ořechu, s přihlédnutím k jednomu dalšímu požadavku.

Jak zatížení klesá, střídače přejdou do ekologického nebo pohotovostního režimu a jak se zatížení zvyšuje nebo zvyšuje, probouzí se, aby uspokojily poptávku.

Miluji přístup, se kterým jdeš ...

Velice vám děkuji za vaši pozornost, kterou mi věnujete.

Namaste

Nejlaskavější pozdravy

Davide

Design

Jak požaduje pan David, navrhované stohovatelné obvody výkonového invertoru 4 kva musí být ve formě 4 samostatných obvodů invertoru, které lze navzájem vhodně synchronizovat, aby dodávaly správné množství samoregulačního výkonu připojenému zátěže, v závislosti na tom, jak jsou tyto zátěže zapnuty a vypnuty.

AKTUALIZACE:

Po nějakém přemýšlení jsem si uvědomil, že design ve skutečnosti nemusí být příliš komplikovaný, spíše by mohl být implementován pomocí jednoduchého konceptu, jak je znázorněno níže.

U požadovaného počtu střídačů bude nutné opakovat pouze IC 4017 spolu s přidruženými diodami, tranzistory a transformátorem.

Oscilátor bude z jednoho kusu a může být sdílen se všemi střídači integrací jeho pin3 s pin14 IC 4017.

Zpětnovazební obvod musí být přesně nastaven pro jednotlivé střídače, aby byl rozsah vypnutí přesně sladěn pro všechny střídače.

Následující návrhy a vysvětlení lze ignorovat, protože mnohem jednodušší verze je již aktualizována výše

Synchronizace střídačů

Hlavní výzvou zde je umožnit synchronizaci každého z podřízených střídačů s hlavním střídačem, pokud je hlavní střídač funkční, a v případě (i když nepravděpodobné) selhání hlavního střídače nebo přerušení jeho činnosti převezme následující střídač nabije a stane se samotným hlavním střídačem.
A v případě, že selže i druhý inveter, převezme příkaz třetí střídač a hraje roli hlavního střídače.

Synchronizace střídačů ve skutečnosti není obtížná. Víme, že to lze snadno provést pomocí integrovaných obvodů jako SG3525, TL494 atd. Složitou součástí konstrukce je však zajistit, aby v případě selhání hlavního střídače byl jeden z ostatních střídačů schopen rychle se stát hlavním.

A to je třeba provést bez ztráty kontroly nad frekvencí, fází a PWM i na zlomek sekundy as plynulým přechodem.

Vím, že mohou existovat mnohem lepší nápady, nejzásadnější design pro splnění uvedených kritérií je uveden v následujícím diagramu:

Na obrázku výše vidíme několik identických fází, kde horní měnič # 1 tvoří hlavní střídač, zatímco spodní střídač # 2 slave.

Více fází ve formě invertoru # 3 a invertoru # 4 má být přidáno do sestavy stejným identickým způsobem integrací těchto invertorů s jejich individuálními stupni optočlenu, ale stupeň operační zesilovače není nutné opakovat.

Konstrukce se primárně skládá z oscilátoru založeného na IC 555 a klopného obvodu IC 4013. IC 555 je navržen tak, aby generoval taktovací frekvence rychlostí 100 Hz nebo 120 Hz, které se přivádějí na hodinový vstup IC 4013, který jej poté převádí na požadovaných 50 Hz nebo 60 Hz střídavým převracením jeho výstupů s logikou vysoko přes pin # 1 a pin # 2.

Tyto střídavé výstupy se poté používají k aktivaci výkonových zařízení a transformátoru pro generování zamýšleného napětí 220 V nebo 120 V stř.

Nyní, jak již bylo diskutováno dříve, je zde zásadní problém synchronizovat dva střídače tak, aby byly schopny pracovat přesně synchronně, s ohledem na frekvenci, fázi a PWM.

Zpočátku jsou všechny zapojené moduly (stohovatelné obvody střídače) odděleně nastaveny s přesně identickými součástmi, takže jejich chování je dokonale stejné.

I při přesně sladěných atributech však nelze očekávat, že střídače budou fungovat perfektně synchronizovaně, pokud nebudou spojeny nějakým jedinečným způsobem.

To se ve skutečnosti provádí integrací „podřízených“ střídačů prostřednictvím stupně operační zesilovač / optočlen, jak je uvedeno ve výše uvedeném návrhu.

Zpočátku je hlavní měnič č. 1 zapnutý, což umožňuje napájení stupně opamp 741 a inicializaci sledování frekvence a fáze výstupního napětí.

Jakmile je toto zahájeno, všechny následující střídače se zapnou pro přidání energie do síťového vedení.

Jak je vidět, výstup operační zesilovače je spojen s časovacím kondenzátorem všech podřízených střídačů prostřednictvím optočlenu, který nutí podřízené střídače sledovat frekvenci a fázový úhel hlavního střídače.

Zajímavou věcí zde však je blokovací faktor operačního zesilovače s okamžitou informací o fázi a frekvenci.

K tomu dochází, protože všechny střídače nyní dodávají a běží na zadané frekvenci a fázi z hlavního střídače, což znamená, že v případě selhání některého ze střídačů, včetně hlavního střídače, je operační zesilovač schopen rychle sledovat a injektovat okamžitou frekvenci / informace o fázi a nutí stávající střídače běžet s touto specifikací a střídač je zase schopen udržet zpětné vazby do fáze operační zesilovače, aby byly přechody plynulé a samočinně optimalizované.

Proto doufejme, že fáze operačního zesilovače se postará o první výzvu, jak udržet všechny navrhované stohovatelné střídače dokonale synchronizované prostřednictvím LIVE sledování dostupné specifikace sítě.

V další části článku se dozvíme synchronizované PWM sinewave fáze , což je další zásadní vlastnost výše diskutovaného designu.

Ve výše uvedené části tohoto článku jsme se dozvěděli hlavní část synchronizovaného stohovatelného invertorového obvodu 4 kva, který vysvětlil podrobnosti synchronizace návrhu. V tomto článku studujeme, jak udělat z designu sinusový ekvivalent a také zajistit správnou synchronizaci PWM napříč zapojenými střídači.

Synchronizace sinusových vln PWM mezi střídači

Jednoduchý generátor sinusových vln PWM odpovídající PWM lze vytvořit pomocí IC 555 a IC 4060, jak je znázorněno na následujícím obrázku.

Tuto konstrukci lze poté použít k tomu, aby střídače mohly na svých výstupech a přes připojenou síťovou linku vytvářet sinusový ekvivalentní tvar vlny.

Každý z těchto PWM procesorů by byl vyžadován pro každý ze stohovatelných invertorových modulů samostatně.

AKTUALIZACE: Zdá se, že pro sekání všech tranzistorových bází lze použít jeden společný procesor PWM za předpokladu, že se každá základna MJ3001 spojuje se specifickým kolektorem BC547 přes samostatnou diodu 1N4148. To do značné míry zjednodušuje design.

Různé fáze zapojené do výše uvedeného obvodu geneartoru PWM lze pochopit pomocí následujícího bodu:

Použití IC 555 jako generátoru PWM

IC 555 je konfigurován jako základní obvod generátoru PWM. Aby bylo možné generovat nastavitelné PWM ekvivalentní impulsy na požadovaném RMS, vyžaduje IC rychlé trojúhelníkové vlny na svém kolíku 7 a referenční potenciál na svém kolíku 5, který určuje úroveň PWM na jeho výstupním kolíku # 3

Použití IC 4060 jako generátoru trojúhelníkových vln

Pro generování trojúhelníkových vln vyžaduje IC 555 čtvercové vlny na svém pinu # 2, který je získán z oscilátorového čipu IC 4060.

IC 4060 určuje frekvenci PWM, nebo jednoduše počet 'pilířů' v každém z polovičních cyklů střídavého proudu.

IC 4060 se používá hlavně pro násobení nízkofrekvenčního obsahu vzorku z výstupu měniče na relativně vysokou frekvenci z jeho pinu č. 7. Vzorkovací frekvence v zásadě zajišťuje, že sekání PWM je stejné a synchronizované pro všechny moduly útočníka. To je hlavní důvod, proč je IC 4060 zahrnut, jinak by místo toho mohl snadno pracovat jiný IC 555.

Referenční potenciál na pinu č. 5 IC 555 je získáván od sledovače napětí operační zesilovače zobrazeného v krajní levé části obvodu.

Jak název napovídá, tento operační zesilovač poskytuje přesně stejnou velikost napětí na svém pinu # 6, který se objevuje na jeho pinu # 3 .... replikace pinu # 6 jeho pinu # 3 je však pěkně uložena do vyrovnávací paměti, a proto je bohatší než jeho kvalita pin3, a to je přesný důvod zahrnutí této fáze do designu.

Předvolba 10 k přidružená na pin3 tohoto IC se používá k úpravě úrovně RMS, která nakonec jemně vyladí výstupní PWM IC 555 na požadovanou úroveň RMS.

Tento RMS je poté aplikován na základny výkonových zařízení, aby je přinutil pracovat na specifikovaných úrovních PWM RMS, což zase způsobí, že výstupní AC získá čistý atribut jako sinusová vlna prostřednictvím správné úrovně RMS. To může být dále vylepšeno použitím LC filtru přes výstupní vinutí všech transformátorů.

Další a poslední část tohoto stohovatelného synchronizovaného obvodu invertoru o výkonu 4 kva podrobně popisuje funkci automatické korekce zátěže, která umožňuje střídačům dodávat a udržovat správné množství příkonu po výstupním napájecím vedení v souladu s měnícím se přepínáním zátěží.

Dosud jsme pokryli dva hlavní požadavky na navrhovaný synchronizovaný stohovatelný obvod střídače 4kva, který zahrnuje synchronizaci frekvence, fáze a PWM přes střídače, takže selhání kteréhokoli ze střídačů nemělo žádný vliv na zbytek, pokud jde o výše uvedené parametry .

Fáze automatické korekce zatížení

V tomto článku se pokusíme zjistit funkci automatické korekce zátěže, která může umožnit postupné zapínání nebo vypínání střídačů v reakci na měnící se zátěžové podmínky na výstupní síťové lince.

Pro implementaci automatické korekce postupného zatížení lze použít jednoduchý čtyřkomparátor využívající LM324 IC, jak je uvedeno v následujícím diagramu:

Na obrázku výše vidíme čtyři operační zesilovače z IC LM324 konfigurované jako čtyři samostatné komparátory se svými neinvertujícími vstupy vybavenými individuálními předvolbami, zatímco všechny jejich invertující vstupy odkazovaly s pevným zenerovým napětím.

Příslušné předvolby jsou jednoduše upraveny tak, aby operační zesilovače produkovaly vysoké výstupy v sekvenci, jakmile napětí v síti překročí zamýšlenou prahovou hodnotu ..... a naopak.

Pokud k tomu dojde, příslušné tranzistory se přepnou podle aktivace operační zesilovače.

Kolektory příslušných BJT jsou spojeny s vývodem č. 3 zesilovače IC 741 sledovače napětí, který je použit ve fázi regulátoru PWM, a to nutí výstup zesilovače jít dolů nebo na nulu, což zase způsobí, že se objeví nulové napětí na pinu # 5 PWM IC 555 (jak je popsáno v části 2).

Když je pin č. 5 IC 555 aplikován s touto nulovou logikou, nutí PWMs, aby se staly nejužšími nebo na minimální hodnotě, což způsobí téměř vypnutí výstupu konkrétního měniče.

Výše uvedené akce se pokoušejí stabilizovat výstup do dřívějšího normálního stavu, což opět nutí PWM rozšířit se a toto přetahování nebo neustálé přepínání opamps cintinu neustále udržuje výstup co nejstabilnější, v reakci na variace připojených břemen.

S touto automatickou korekcí zátěže implementovanou v navrhovaném stohovatelném obvodu invertoru 4 kva je design téměř kompletní se všemi funkcemi požadovanými uživatelem v části 1 článku.