Синхронизированный наращиваемый инвертор 4 кВА

Эта первая часть из предложенных 4ква синхронизирована схема наращиваемого инвертора обсуждает, как реализовать критически важную автоматическую синхронизацию между 4 инверторами в отношении частоты, фазы и напряжения, чтобы инверторы работали независимо друг от друга, но при этом обеспечивали одинаковый выходной сигнал.

Идея была предложена г-ном Дэвидом. Следующая электронная переписка между ним и мной подробно описывает основные характеристики предлагаемой схемы синхронизированного стекируемого инвертора 4 кВА.

Электронная почта №1

Привет, Свагатам,

Во-первых, я хотел поблагодарить вас за ваш вклад в мир в целом, информацию и, самое главное, за вашу готовность поделиться своими знаниями, чтобы помочь другим людям, на мой взгляд, неоценим по многим причинам.

Я хотел бы улучшить некоторые схемы, которыми вы поделились, в соответствии с моими собственными целями, к сожалению, хотя я понимаю, что происходит в схемах, мне не хватает творчества и знаний, чтобы самому внести поправки.

Обычно я могу следить за схемами, если они маленькие, и я могу видеть, где они соединяются / соединяются в более крупные схемы.

Если позволите, я хотел бы попытаться объяснить, чего я хотел бы достичь, хотя у меня нет иллюзий, что вы очень занятой человек и не хотели бы без надобности тратить свое драгоценное время.

Конечной целью было бы создание (сборка компонентов) микросети с несколькими источниками возобновляемой энергии с использованием солнечных фотоэлектрических модулей, ветряных мельниц и биодизельных генераторов.

Первый шаг - усовершенствование фотоэлектрических солнечных инверторов.

Я хотел бы использовать вашу схему инвертора с чистой синусоидой на 48 В, способную поддерживать постоянную выходную мощность 2 кВт 230 В, она должна обеспечивать как минимум 3-кратную мощность на очень короткое время.

Ключевой модификацией, которой я хочу добиться, является создание ряда таких инверторов, которые будут работать параллельно и подключаться к шине переменного тока.

Я хотел бы, чтобы каждый инвертор независимо и постоянно измерял частоту, напряжение и ток (нагрузку) шины переменного тока.

Я назову эти инверторы ведомыми.

Идея инвертированных модулей будет «подключи и работай».

Инвертор, однажды подключенный к шине переменного тока, будет постоянно производить выборку / измерять частоту на шине переменного тока и использовать эту информацию для управления входом микросхемы 4047, так что ее тактовый выход может увеличиваться или замедляться до тех пор, пока он не будет точно клонировать частоту на шина переменного тока после синхронизации двух форм сигналов инвертор замыкает контактор или реле, которые соединяют выходной каскад инвертора с шиной переменного тока.

В случае, если частота на шине или напряжение выходит за пределы заранее определенного допуска, модуль инвертора должен размыкать реле или контактор на выходном каскаде, эффективно отключая выходной каскад инвертора от шину переменного тока, чтобы защитить себя.

Кроме того, после подключения к шине переменного тока подчиненные устройства переходят в спящий режим или, по крайней мере, выходной каскад инвертора будет спать, пока нагрузка на шину меньше, чем сумма всех подчиненных инверторов. Представьте, что к шине переменного тока подключены 3 подчиненных инвертора, однако нагрузка на шину составляет всего 1,8 кВт, тогда два других подчиненных перейдут в спящий режим.

Обратное также было бы верным, если бы нагрузка на штангу подскочила до, скажем, 3 кВт, одна из спящих инверторов мгновенно проснулась бы (уже была синхронизирована), чтобы обеспечить дополнительно необходимую энергию.

Я предполагаю, что некоторые большие конденсаторы на каждом из выходных каскадов будут обеспечивать необходимую энергию, в то время как инвертор имеет очень короткий момент, когда он просыпается.

Было бы предпочтительнее (только на мой взгляд) не подключать каждый инвертор напрямую друг к другу, а сделать их независимо автономными.

Я хочу попытаться избежать микроконтроллеров, ошибок или неисправностей модулей, проверяющих друг друга или модулей, имеющих «адреса» в системе.

Мысленно я представляю, что первым подключенным устройством к шине переменного тока будет очень стабильный опорный инвертор, который постоянно подключен.

Этот опорный инвертор будет обеспечивать частоту и напряжение, которые другие подчиненные устройства будут использовать для генерации своих собственных соответствующих выходных сигналов.

К сожалению, я не могу понять, как можно предотвратить петлю обратной связи, в которой каждое подчиненное устройство потенциально могло бы стать эталонным.

Помимо этого письма, у меня есть несколько небольших генераторов, которые я хотел бы подключить к шине переменного тока, синхронизируясь с эталонным инвертором, чтобы подавать энергию в случае, если нагрузка превышает максимальную выходную мощность постоянного тока.

Общая предпосылка состоит в том, что нагрузка, представленная на шину переменного тока, будет определять, сколько инверторов и, в конечном итоге, сколько генераторов будут либо автономно подключаться, либо отключаться для удовлетворения спроса, поскольку это, как мы надеемся, сэкономит энергию или, по крайней мере, не приведет к потере энергии.

Система, полностью построенная из нескольких модулей, будет расширяться / сокращаться, а также быть надежной / отказоустойчивой, так что в случае отказа одного или, возможно, двух модулей система продолжала бы функционировать, даже если бы она была с уменьшенной мощностью.

Я приложил блок-схему и пока исключил зарядку аккумулятора.

Я планирую заряжать аккумуляторную батарею от шины переменного тока и выпрямлять ее до 48 В постоянного тока, таким образом я могу заряжать от генераторов или возобновляемых источников энергии, я понимаю, что это, возможно, не так эффективно, как использование постоянного тока mppt, но я думаю, что я теряю в эффективности, я получаю гибкость. Я живу далеко от города или от электросети.

Для справки: минимальная постоянная нагрузка на шину переменного тока должна составлять 2 кВт, хотя пиковая нагрузка может возрасти на целых 30 кВт.

Мой план состоит в том, чтобы первые 10-15 кВт были обеспечены солнечными фотоэлектрическими панелями и двумя ветряными мельницами мощностью 3 кВт (пиковые), ветряные мельницы - это дикий переменный ток, выпрямленный на постоянный ток, и аккумуляторная батарея на 48 вольт на 1000 Ач. (Который я бы хотел избежать слива / разряда сверх 30% его емкости, чтобы обеспечить срок службы батареи) оставшаяся нечастая и очень прерывистая потребность в энергии будет удовлетворяться моими генераторами.

Эта нечастая и прерывистая нагрузка исходит из моей мастерской.

Я подумал, что было бы разумно построить батарею конденсаторов, чтобы справиться или компенсировать провисание системы при любых пусковых токах индуктивной нагрузки, таких как двигатель на моем воздушном компрессоре и настольной пиле.

Но в настоящее время я не уверен, нет ли лучшего / более дешевого способа.

Мы будем очень признательны за ваши мысли и комментарии. Надеюсь, у вас будет время, чтобы связаться со мной.

Заранее благодарю за ваше время и внимание.

С уважением, Дэвид, отправлено с моего беспроводного устройства BlackBerry®

Мой ответ

Привет, Дэвид,

Я прочитал ваше требование и, надеюсь, понял его правильно.

Из 4 инверторов только один будет иметь собственный генератор частоты, в то время как другие будут работать, извлекая частоту из этого основного выхода инвертора, и, таким образом, все будут синхронизированы друг с другом и со спецификациями этого главного инвертора.

Я постараюсь спроектировать его и надеюсь, что он будет работать так, как ожидалось, и в соответствии с вашими упомянутыми спецификациями, однако реализация должна быть выполнена экспертом, который должен уметь понимать концепцию и изменять / настраивать ее до совершенства, где бы она ни находилась. требуется .... иначе добиться успеха с этой достаточно сложной конструкцией может быть чрезвычайно сложно.

Я могу представить только базовую концепцию и схему ... остальное должны будут сделать инженеры с вашей стороны.

Это может занять некоторое время, так как у меня уже есть много ожидающих запросов в очереди ... Я сообщу вам как сын, как это будет опубликовано

С уважением, Swag

Электронная почта №2

Привет, Свагатам,

Большое спасибо за очень быстрый ответ.

Это не совсем то, что я имел в виду, но, безусловно, представляет собой альтернативу.

Я думал, что каждый блок будет иметь две подсхемы измерения частоты, одна из которых смотрит на частоту на шине переменного тока, и этот блок используется для создания тактового импульса для генератора синусоидальной волны инвертора.

Другая подсхема измерения частоты будет смотреть на выходной сигнал генератора синусоидальной волны инвертора.

Может существовать схема сравнения, использующая матрицу операционных усилителей, которая будет возвращаться в тактовый импульс генератора синусоидальной волны инвертора, чтобы продвигать тактовый сигнал или замедлять тактовый сигнал, пока выходной сигнал генератора синусоидальной волны точно не совпадет с синусоидальной волной на шине переменного тока .

Как только частота выходного каскада инвертора совпадет с частотой шины переменного тока, возникнет SSR, который замкнется, подключая выходной каскад инвертора к шине переменного тока, предпочтительно в точке перехода через нуль.

Таким образом, любой инверторный модуль может выйти из строя, и система продолжит работу. Задача главного инвертора заключалась в том, что из всех модулей инвертора он никогда не переходил в спящий режим и обеспечивал начальную частоту переменного тока. однако, если это не удастся, то другие устройства не будут затронуты, пока один из них находится в режиме онлайн

Подчиненные блоки должны выключиться или запуститься при изменении нагрузки.

Ваше наблюдение было правильным. Я не специалист по электронике. Я инженер-механик и инженер-электрик. Я работаю с крупными производственными объектами, такими как чиллеры, генераторы и компрессоры.

По мере того, как этот проект прогрессирует и начинает становиться все более ощутимым, готовы ли вы принять денежный подарок? У меня немного, но, возможно, я мог бы подарить немного денег через PayPal, чтобы покрыть расходы на хостинг вашего сайта.

Еще раз спасибо.

С нетерпением жду Вашего ответа.

намасте

Дэйвид

Мой ответ

Спасибо Дэвид,

В основном вы хотите, чтобы инверторы были синхронизированы друг с другом с точки зрения частоты и фазы, а также каждый из них имел возможность стать главным инвертором и взять на себя заряд в случае, если предыдущий выйдет из строя по какой-либо причине. Правильно?

Я постараюсь исправить это, используя все имеющиеся у меня знания и здравый смысл, а не используя сложные ИС или конфигурации.

С наилучшими пожеланиями, Swag

Электронное письмо №3

Привет, Swag,

Вот и все в ореховой скорлупе, с учетом еще одного дополнительного требования.

Когда нагрузка падает, инверторы переходят в экономичный режим или режим ожидания, а при увеличении нагрузки они выходят из спящего режима, чтобы удовлетворить потребность.

Мне нравится ваш подход ...

Большое вам спасибо, ваше внимание ко мне очень ценится.

Намасте

С наилучшими пожеланиями

Дэйвид

Дизайн

По просьбе г-на Дэвида, предлагаемые схемы наращиваемого силового инвертора 4 кВА должны быть в форме 4 отдельных схем инвертора, которые можно соответствующим образом объединить в синхронизацию друг с другом для подачи правильного количества саморегулирующейся мощности на подключенные нагрузки, в зависимости от того, как эти нагрузки включаются и выключаются.

ОБНОВИТЬ:

Поразмыслив, я понял, что дизайн на самом деле не должен быть слишком сложным, скорее, его можно реализовать, используя простую концепцию, как показано ниже.

Только IC 4017 вместе с соответствующими диодами, транзисторами и трансформатором необходимо будет повторить для необходимого количества инверторов.

Генератор будет единым целым и может использоваться всеми инверторами путем интеграции его контакта 3 с контактом 14 микросхемы IC 4017.

Цепь обратной связи должна быть точно настроена для отдельных инверторов, чтобы диапазон отсечки точно согласовывался для всех инверторов.

Следующие конструкции и пояснения можно игнорировать, поскольку выше уже обновлена ​​более простая версия.

Синхронизация инверторов

Основная проблема здесь состоит в том, чтобы обеспечить синхронизацию каждого из подчиненных инверторов с главным инвертором, пока главный инвертор работает, и в случае (хотя маловероятно), что главный инвертор выходит из строя или перестает работать, последующий инвертор берет на себя заряжается и сам становится главным инвертором.
А в случае выхода из строя второго инвертора, третий инвертор принимает команду и играет роль главного инвертора.

Собственно, синхронизировать инверторы несложно. Мы знаем, что это можно легко сделать, используя такие микросхемы, как SG3525, TL494 и т. Д. Однако сложная часть конструкции состоит в том, чтобы в случае отказа главного инвертора один из других инверторов мог быстро стать мастером.

И это нужно делать, не теряя контроля над частотой, фазой и ШИМ даже на доли секунды, и с плавным переходом.

Я знаю, что могут быть гораздо лучшие идеи, самый фундаментальный дизайн для выполнения упомянутых критериев показан на следующей диаграмме:

На рисунке выше мы видим пару идентичных стадий, где верхний инвертор №1 образует главный инвертор, а нижний инвертор №2 - подчиненный.

Дополнительные каскады в виде инвертора № 3 и инвертора № 4 должны быть добавлены к установке таким же идентичным образом путем интеграции этих инверторов с их отдельными каскадами оптопары, но каскад операционного усилителя не должен повторяться.

Конструкция в основном состоит из генератора на базе IC 555 и схемы триггера IC 4013. IC 555 настроен для генерации тактовых частот с частотой 100 Гц или 120 Гц, которые поступают на тактовый вход IC 4013, который затем преобразует их в требуемые 50 Гц или 60 Гц, поочередно переключая свои выходы с высоким логическим уровнем на контакте # 1. и штифт №2.

Эти переменные выходы затем используются для активации силовых устройств и трансформатора для выработки предполагаемых 220 В или 120 В переменного тока.

Теперь, как обсуждалось ранее, ключевой проблемой здесь является синхронизация двух инверторов, чтобы они могли работать точно синхронно в отношении частоты, фазы и ШИМ.

Первоначально все задействованные модули (схемы наращиваемых инверторов) настраиваются отдельно с использованием точно идентичных компонентов, так что их поведение полностью соответствует друг другу.

Однако даже с точно подобранными атрибутами нельзя ожидать, что инверторы будут работать идеально синхронно, если они не связаны каким-либо уникальным образом.

Фактически это достигается путем интеграции «подчиненных» инверторов через каскад операционного усилителя / оптопары, как указано в приведенной выше схеме.

Первоначально главный инвертор №1 включается, что позволяет каскаду операционного усилителя 741 получить питание и инициализировать отслеживание частоты и фазы выходного напряжения.

Как только это инициируется, все последующие инверторы включаются для добавления мощности к сети.

Как можно видеть, выход операционного усилителя соединен с синхронизирующим конденсатором всех подчиненных инверторов через оптопару, которая заставляет подчиненные инверторы следовать частоте и фазовому углу главного инвертора.

Однако интересным здесь является коэффициент фиксации операционного усилителя с мгновенной информацией о фазе и частоте.

Это происходит потому, что все инверторы теперь выдают и работают с заданной частотой и фазой от главного инвертора, что означает, что в случае отказа одного из инверторов, включая главный инвертор, операционный усилитель может быстро отслеживать и выдавать мгновенную частоту / информация о фазе и заставить существующие инверторы работать с этими спецификациями, а инвертор, в свою очередь, может поддерживать обратную связь с каскадом операционного усилителя, чтобы переходы были плавными и самооптимизирующимися.

Поэтому, мы надеемся, что каскад операционного усилителя решает первую задачу по поддержанию идеальной синхронизации всех предлагаемых наращиваемых инверторов посредством отслеживания в реальном времени доступной спецификации сети.

В следующей части статьи мы узнаем синхронизированный синусоидальный каскад ШИМ , что является следующей важной особенностью обсуждаемого выше дизайна.

В приведенной выше части этой статьи мы изучили основную часть схемы синхронизированного стекового инвертора 4 кВА, в которой объяснялись детали синхронизации конструкции. В этой статье мы изучаем, как сделать конструкцию эквивалентом синусоидального сигнала, а также обеспечить правильную синхронизацию ШИМ на задействованных инверторах.

Синхронизация синусоидальной ШИМ через инверторы

Простой генератор синусоидального сигнала с согласованным среднеквадратичным значением ШИМ может быть создан с использованием IC 555 и IC 4060, как показано на следующем рисунке.

Эта конструкция может затем использоваться для того, чтобы инверторы могли генерировать синусоидальный эквивалент сигнала на своих выходах и через подключенную сетевую линию.

Каждый из этих процессоров PWM потребуется для каждого из наращиваемых инверторных модулей индивидуально.

ОБНОВИТЬ: Похоже, что для отключения всех баз транзисторов можно использовать один процессор ШИМ, при условии, что каждая база MJ3001 соединяется с конкретным коллектором BC547 через отдельный диод 1N4148. Это значительно упрощает конструкцию.

Различные этапы, включенные в приведенную выше схему генератора ШИМ, можно понять с помощью следующего пункта:

Использование IC 555 в качестве генератора ШИМ

IC 555 сконфигурирован как основная схема генератора ШИМ. Для того, чтобы иметь возможность генерировать регулируемый ШИМ эквивалентных импульсов в нужных RMS ИС требует быстрых треугольные волны на ее pin7 и опорный потенциал на своей PIN5, который определяет уровень ШИМ на его выходной контакт # 3

Использование IC 4060 в качестве генератора треугольных волн

Для генерации треугольных волн IC 555 требуются прямоугольные волны на контакте № 2, которые поступают от микросхемы генератора IC 4060.

IC 4060 определяет частоту ШИМ или просто количество «столбов» в каждом из полупериодов переменного тока.

Микросхема IC 4060 в основном используется для умножения выборки низкочастотного содержимого с выхода инвертора на относительно высокую частоту от его вывода №7. Частота дискретизации в основном гарантирует, что прерывание ШИМ одинаково и синхронизировано для всех модулей Invetrer. Это основная причина, по которой IC 4060 включен, иначе вместо этого другая IC 555 могла бы легко выполнить эту работу.

Опорный потенциал на выводе № 5 микросхемы IC 555 получается от повторителя напряжения операционного усилителя, показанного в крайнем левом углу схемы.

Как следует из названия, этот операционный усилитель выдает точно такое же напряжение на своем выводе №6, которое появляется на его выводе №3 ... однако репликация вывода №6 его вывода №3 хорошо буферизирована и, следовательно, богаче, чем его pin3 качество, и это точная причина включения этого этапа в дизайн.

Предустановка 10 k, связанная с выводом 3 этой ИС, используется для регулировки уровня RMS, который в конечном итоге точно настраивает выходные PWM IC 555 на желаемый уровень RMS.

Затем это среднеквадратичное значение применяется к базам силовых устройств, чтобы заставить их работать с указанными среднеквадратичными уровнями ШИМ, что, в свою очередь, заставляет выходной переменный ток приобретать атрибут, подобный чистой синусоиде, через правильный уровень среднеквадратичного значения. Это может быть дополнительно улучшено за счет применения LC-фильтра на выходной обмотке всех трансформаторов.

Следующая и последняя часть этой схемы наращиваемого синхронизированного инвертора 4 кВА подробно описывает функцию автоматической коррекции нагрузки, позволяющую инверторам обеспечивать и поддерживать правильную мощность в выходной линии электросети в соответствии с изменяющимся переключением нагрузок.

До сих пор мы рассмотрели два основных требования к предлагаемой схеме синхронизированного наращиваемого инвертора 4 кВА, которая включает синхронизацию частоты, фазы и ШИМ на инверторах, чтобы отказ любого из инверторов не повлиял на остальные с точки зрения вышеуказанных параметров. .

Этап автоматической корректировки нагрузки

В этой статье мы попытаемся выяснить функцию автоматической коррекции нагрузки, которая может включать и выключать инверторы последовательно в ответ на изменяющиеся условия нагрузки на выходной линии сети.

Простой счетверенный компаратор, использующий LM324 IC, может использоваться для реализации автоматической последовательной коррекции нагрузки, как показано на следующей диаграмме:

На рисунке выше мы можем видеть четыре операционных усилителя от IC LM324, сконфигурированных как четыре отдельных компаратора с их неинвертирующими входами, настроенными с индивидуальными предустановками, в то время как их инвертирующие входы все связаны с фиксированным напряжением стабилитрона.

Соответствующие предустановки просто настраиваются таким образом, что операционные усилители производят высокие выходные сигналы последовательно, как только напряжение сети поднимается выше заданного порогового значения ... и наоборот.

Когда это происходит, соответствующие транзисторы переключаются в соответствии с активацией операционного усилителя.

Коллекторы соответствующих BJT подключены к выводу № 3 операционного усилителя повторителя напряжения IC 741, который используется в каскаде контроллера ШИМ, и это заставляет выход операционного усилителя опускаться до низкого или нулевого уровня, что, в свою очередь, вызывает появление нулевого напряжения. на выводе № 5 микросхемы PWM IC 555 (как описано в Части 2).

К выводу № 5 IC 555 применяется эта нулевая логика, заставляет ШИМ сужаться до минимального значения, что приводит к почти отключению выхода этого конкретного инвертора.

Вышеупомянутые действия представляют собой попытку стабилизировать выход до более раннего нормального состояния, которое снова заставляет ШИМ расширяться, и это перетягивание каната или постоянное переключение операционных усилителей постоянно поддерживает выход как можно более стабильным в ответ на вариации прикрепленных грузов.

Благодаря этой автоматической коррекции нагрузки, реализованной в предлагаемой схеме многоуровневого инвертора 4 кВА, конструкция почти полностью соответствует всем функциям, запрошенным пользователем в Части 1 статьи.