Gesynchroniseerde 4kva stapelbare omvormer

Dit eerste deel van de voorgestelde 4kva is gesynchroniseerd stapelbaar invertercircuit bespreekt hoe de cruciale automatische synchronisatie over de 4 omvormers kan worden geïmplementeerd met betrekking tot frequentie, fase en spanning om de omvormers onafhankelijk van elkaar te laten werken en toch een output te bereiken die op één lijn ligt met elkaar.

Het idee werd aangevraagd door de heer David. Het volgende e-mailgesprek tussen hem en mij beschrijft de belangrijkste specificaties van het voorgestelde gesynchroniseerde 4kva stapelbare invertercircuit.

E-mail # 1

Hallo Swagatam,

Ten eerste wilde ik u bedanken voor uw bijdrage aan de wereld als geheel, de informatie en vooral uw bereidheid om uw kennis te delen om andere mensen te helpen, is naar mijn mening om vele redenen van onschatbare waarde.

Ik zou graag enkele van de circuits die je hebt gedeeld willen verbeteren om aan mijn eigen doeleinden te voldoen, maar hoewel ik begrijp wat er gaande is in de circuits, ontbreekt het mij aan de creativiteit en kennis om de wijzigingen zelf aan te brengen.

Ik kan over het algemeen circuits volgen als ze klein zijn en ik kan zien waar ze samenkomen / aansluiten op grotere schema's.

Als ik mag, zou ik willen proberen uit te leggen wat ik zou willen bereiken, hoewel ik niet de illusie heb dat u een zeer drukbezet persoon bent en uw kostbare tijd niet onnodig zou willen opnemen.

Het uiteindelijke doel zou zijn dat ik zou willen bouwen (assembleren van de componenten) van een multi-source hernieuwbare energie micronet, gebruikmakend van zonne-PV, windmolens en biodieselgeneratoren.

De eerste stap is de verbeteringen van de PV-omvormer voor zonne-energie.

Ik zou graag uw 48 volt zuivere sinusomvormerschakeling willen gebruiken die een constante 2kW 230V-output kan behouden, deze moet in staat zijn om minimaal 3 keer deze output te leveren voor een zeer korte duur.

De belangrijkste wijziging die ik wil bereiken, is om een ​​aantal van deze omvormers te maken die parallel werken en zijn aangesloten op een AC-busbar.

Ik zou graag willen dat elke omvormer onafhankelijk en constant de AC-busbalk bemonstert voor frequentie, spanning en stroom (belasting).

Ik zal deze omvormers slave-units noemen.

Het idee is dat de invertermodules 'plug and play' zijn.

De omvormer die eenmaal op de AC-busbalk is aangesloten, zou constant de frequentie op de AC-busbalk bemonsteren / meten en deze informatie gebruiken om de ingang van een 4047-IC aan te sturen, zodat de klokuitgang kan worden vervroegd of vertraagd totdat deze de frequentie exact kloneert op de wisselstroomrail zodra de twee golfvormen gesynchroniseerd zijn, zal de omvormer een contactor of relais sluiten die de omkeringseindtrap verbindt met de wisselstroomrail.

In het geval dat de frequentie op de balk of de spanning buiten een vooraf bepaalde tolerantie komt, moet de invertermodule het relais of de schakelaar op de eindtrap openen en de uitgangstrap van de inverter effectief loskoppelen van de AC-balk om zichzelf te beschermen.

Bovendien, eenmaal aangesloten op de AC-busbalk, zouden de slaafeenheden in slaap vallen of zou tenminste de eindtrap van de omvormer slapen terwijl de belasting van de staaf minder is dan de som van alle slaafomvormers. Stel je voor dat er 3 slave-omvormers zijn aangesloten op de AC-busbar, maar de belasting op de bar is slechts 1,8 kW, dan zouden de andere twee slaves slapen.

Het omgekeerde zou ook waar zijn dat als de belasting op de balk zou springen tot 3kW, een van de slapende inverts onmiddellijk zou ontwaken (al synchroon lopen) om de extra benodigde energie te leveren.

Ik stel me voor dat enkele grote condensatoren op elk van de eindtrappen de benodigde energie zouden leveren terwijl de omvormer het zeer korte moment heeft waarop hij ontwaakt.

Het zou de voorkeur hebben (alleen naar mijn mening) om niet elke omvormer rechtstreeks met elkaar te verbinden, maar eerder dat ze onafhankelijk autonoom zijn.

Ik wil proberen te voorkomen dat microcontrollers of de units een fout of fout maken bij het controleren van elkaar of de units met ‘adres’ op het systeem.

In gedachten stel ik me voor dat het eerste aangesloten apparaat op de AC-busbar een zeer stabiele referentie-omvormer zou zijn die constant verbonden is.

Deze referentieomvormer zou de frequentie en spanning leveren die de andere slaafeenheden zouden gebruiken om hun eigen respectieve uitgangen te genereren.

Helaas begrijp ik niet hoe je een feedbacklus zou kunnen voorkomen waarbij de slaafeenheden elk mogelijk de referentie-eenheid zouden worden.

Buiten het bestek van deze e-mail heb ik enkele kleine generatoren die ik zou willen aansluiten op de AC-busbar die synchroniseert met de referentie-omvormer om energie te leveren in het geval dat de belasting de maximale DC-uitgangscapaciteit overschrijdt.

Het algemene uitgangspunt is dat de belasting die aan de AC-busbar wordt gepresenteerd, zou bepalen hoeveel omvormers en uiteindelijk hoeveel generatoren autonoom zouden worden aangesloten of losgekoppeld om aan de vraag te voldoen, omdat dit hopelijk energie zou besparen of in ieder geval geen energie zou verspillen.

Het systeem dat volledig uit meerdere modules is opgebouwd, zou dan zowel uitbreidbaar / inkrimbaar als robuust / veerkrachtig zijn, zodat als er één of misschien twee units uitvallen, het systeem zou blijven functioneren, zij het met een verminderde capaciteit.

Ik heb een blokschema bijgevoegd en het opladen van de batterij voorlopig uitgesloten.

Ik ben van plan de accubank op te laden via de AC-bus en deze te corrigeren naar 48V DC op deze manier kan ik opladen via de generatoren of de hernieuwbare energiebronnen, ik erken dat dit misschien niet zo efficiënt is als het gebruik van DC MPPT, maar ik denk wat ik verlies aan efficiëntie Ik win aan flexibiliteit. Ik woon ver van de stad of het elektriciteitsnet.

Ter referentie: er zou een minimale constante belasting op de wisselstroomrail van 2 kW zijn, hoewel de piekbelasting met wel 30 kW zou kunnen stijgen.

Mijn plan is dat de eerste 10 tot 15 kW wordt geleverd door de zonne-PV-panelen en twee 3kW (piek) windmolens, de windmolens zijn wild AC gelijkgericht naar DC en een 1000Ah 48 volt accubank. (Wat ik zou willen voorkomen dat de batterij meer dan 30% leegloopt / ontlaadt om de levensduur van de batterij te garanderen) zou aan de resterende, onregelmatige en zeer onderbroken energievraag worden voldaan door mijn generatoren.

Deze onregelmatige en onderbroken belasting komt uit mijn werkplaats.

Ik heb nagedacht dat het verstandig zou kunnen zijn om een ​​condensatorbank te bouwen om de systeemspeling van inductieve belastingstartstromen, zoals de motor op mijn luchtcompressor en tafelzaag, op te vangen of op te vangen.

Maar ik weet op dit moment niet zeker of er geen betere / goedkopere manier is.

Uw mening en opmerkingen worden zeer op prijs gesteld en gewaardeerd. Ik hoop dat u tijd heeft om contact met mij op te nemen.

Bij voorbaat dank voor uw tijd en aandacht.

Met vriendelijke groet, David Verzonden vanaf mijn draadloze BlackBerry®-toestel

Mijn antwoord

Hoi David,

Ik heb uw vereiste gelezen en hopelijk goed begrepen.

Van de 4 omvormers zou er maar één zijn eigen frequentiegenerator hebben, terwijl andere zouden werken door de frequentie uit deze hoofdomvormeruitgang te halen, en dus zouden ze allemaal synchroon lopen met elkaar en met de specificaties van deze masteromvormer.

Ik zal proberen het te ontwerpen en hopen dat het werkt zoals verwacht en volgens uw genoemde specificaties, maar de implementatie moet worden gedaan door een expert die het concept moet kunnen begrijpen en het kan aanpassen / aanpassen tot in de perfectie waar het ook is vereist ... anders zou het slagen met dit redelijk complexe ontwerp extreem moeilijk kunnen worden.

Ik kan alleen het basisconcept en het schema presenteren ... de rest moet worden gedaan door de ingenieurs van uw kant.

Het kan wat tijd kosten om het af te ronden, dit omdat ik al veel lopende verzoeken in de wachtrij heb ... Ik zal je als zoon informeren zodra het is gepost

Met vriendelijke groet Swag

E-mail # 2

Hallo Swagatam,

Heel erg bedankt voor je zeer snelle reactie.

Dat is niet helemaal wat ik in gedachten had, maar is zeker een alternatief.

Ik dacht dat elke eenheid twee subcircuits voor frequentiemeting zou hebben, een die naar de frequentie op de AC-busbalk kijkt en deze eenheid wordt gebruikt om de klokpuls voor de inverter-sinusgolfgenerator te creëren.

Het andere subcircuit voor frequentiemeting zou kijken naar de uitvoer van de inverter-sinusgolfgenerator.

Er zou een vergelijkingscircuit zijn dat misschien een opamp-array gebruikt die terugkoppelt naar de klokpuls van de inverter-sinusgolfgenerator om het kloksignaal vooruit te laten gaan of het kloksignaal te vertragen totdat de uitvoer van de sinusgolfgenerator exact overeenkomt met de sinusgolf op de wisselstroombalk. .

Zodra de frequentie van de eindtrap van de inverter overeenkomt met de frequentie van de AC-busbalk, zou er een SSR zijn die zou sluiten en de uitgangstrap van de inverter zou verbinden met de AC-balk, bij voorkeur op het nuldoorgangspunt.

Op deze manier kan elke invertermodule uitvallen en blijft het systeem functioneren. het doel van de master-omvormer was dat hij van alle omvormermodules nooit in slaap zou vallen en de initiële AC-balkfrequentie zou leveren. als het echter mislukt, worden de andere eenheden niet beïnvloed zolang de ene 'online' is

De slave-units moeten worden uitgeschakeld of opgestart als de belasting verandert.

Uw opmerking was juist. Ik ben geen 'elektronica'-man. Ik ben een mechanisch en elektrotechnisch ingenieur. Ik werk met grote fabrieksartikelen zoals koelmachines en generatoren en compressoren.

Zou u bereid zijn om een ​​geldgeschenk te accepteren naarmate dit project vordert en tastbaarder wordt? Ik heb niet veel, maar ik zou misschien wat geld kunnen schenken via PayPal om de hostingkosten van uw website te helpen ondersteunen.

Nogmaals bedankt.

Ik kijk er naar uit van u te horen.

namaste

David

Mijn antwoord

Bedankt David,

In feite wilt u dat de omvormers synchroon met elkaar zijn in termen van frequentie en fase, en ook dat elke omvormer de mogelijkheid heeft om de masteromvormer te worden en de lading over te nemen, voor het geval de vorige om een ​​of andere reden uitvalt. Rechtsaf?

Ik zal proberen dit op te lossen met alle kennis die ik heb en met wat gezond verstand en niet door complexe IC's of configuraties te gebruiken.

Met vriendelijke groet Swag

E-mail # 3

Hallo Swag,

Dat is alles in een notendop, rekening houdend met een extra vereiste.

Naarmate de belasting daalt, gaan de omvormers in een eco- of stand-bymodus en naarmate de belasting toeneemt of toeneemt, worden ze wakker om aan de vraag te voldoen.

Ik hou van de aanpak waarmee je gaat ...

Heel erg bedankt dat uw aandacht voor mij zeer op prijs wordt gesteld.

Namaste

Vriendelijke groeten

David

Het ontwerp

Zoals gevraagd door de heer David, moeten de voorgestelde 4kva stapelbare stroomomvormercircuits de vorm hebben van 4 afzonderlijke omvormercircuits, die op de juiste manier synchroon met elkaar kunnen worden gestapeld om de juiste hoeveelheid zelfregulerend vermogen aan de aangesloten belastingen, afhankelijk van hoe deze belastingen worden in- en uitgeschakeld.

BIJWERKEN:

Na wat nadenken realiseerde ik me dat het ontwerp eigenlijk niet al te ingewikkeld hoeft te zijn, maar eerder geïmplementeerd kon worden met een eenvoudig concept zoals hieronder getoond.

Alleen de IC 4017 en de bijbehorende diodes, transistors en de transformator hoeven te worden herhaald voor het vereiste aantal omvormers.

De oscillator zal uit één stuk bestaan ​​en kan met alle omvormers worden gedeeld door zijn pin3 te integreren met pin14 van de IC 4017.

Het feedbackcircuit moet nauwkeurig worden afgesteld voor de afzonderlijke omvormers, zodat het afsnijbereik voor alle omvormers exact op elkaar is afgestemd.

De volgende ontwerpen en de uitleg kunnen worden genegeerd aangezien een veel eenvoudigere versie hierboven al is bijgewerkt

Synchronisatie van de omvormers

De belangrijkste uitdaging hier is om ervoor te zorgen dat elk van de slave-omvormers synchroon loopt met de master-omvormer zolang de master-omvormer operationeel is, en in een geval (hoewel onwaarschijnlijk) dat de master-omvormer uitvalt of stopt met werken, neemt de volgende omvormer de taak over. opladen en wordt de master-omvormer zelf.
En in het geval dat de tweede inveter ook faalt, neemt de derde inverter het commando en speelt de rol van de master-inverter.

Het synchroniseren van de omvormers is eigenlijk niet moeilijk. We weten dat het gemakkelijk kan worden gedaan met IC's zoals SG3525, TL494 enz. Het moeilijke deel van het ontwerp is echter om ervoor te zorgen dat als de masteromvormer uitvalt, een van de andere omvormers snel de master kan worden.

En dit moet worden uitgevoerd zonder de controle over frequentie, fase en PWM zelfs voor een fractie van een seconde te verliezen, en met een soepele overgang.

Ik weet dat er veel betere ideeën kunnen zijn, het meest fundamentele ontwerp om aan de genoemde criteria te voldoen, wordt weergegeven in het volgende diagram:

In de bovenstaande afbeelding zien we een aantal identieke fasen, waarbij de bovenste omvormer # 1 de master-omvormer vormt en de onderste omvormer # 2 de slaaf.

Meer fasen in de vorm van omvormer # 3 en omvormer # 4 zouden op dezelfde identieke manier aan de opstelling moeten worden toegevoegd door deze omvormers te integreren met hun individuele optocouplertrappen, maar de opamp-fase hoeft niet te worden herhaald.

Het ontwerp bestaat voornamelijk uit een op IC 555 gebaseerde oscillator en een IC 4013 flip-flopcircuit. De IC 555 is opgetuigd om klokfrequenties te genereren met een snelheid van 100Hz of 120Hz die wordt toegevoerd aan de klokingang van de IC 4013, die deze vervolgens omzet in de vereiste 50Hz of 60Hz door de uitgangen afwisselend met een logische hoge om te draaien over pin # 1 en pin # 2.

Deze wisselende uitgangen worden vervolgens gebruikt voor het activeren van de stroomtoestellen en de transformator voor het opwekken van de beoogde 220V of 120V AC.

Zoals eerder besproken, is het cruciale probleem hier om de twee omvormers te synchroniseren zodat deze precies synchroon kunnen werken, met betrekking tot frequentie, fase en PWM.

In eerste instantie worden alle betrokken modules (stapelbare invertercircuits) apart afgesteld met exact identieke componenten zodat hun gedrag perfect op elkaar aansluit.

Maar zelfs met de precies op elkaar afgestemde attributen, kan niet worden verwacht dat de omvormers perfect synchroon werken, tenzij deze op een unieke manier zijn gekoppeld.

Dit wordt in feite gedaan door de 'slaaf'-inverters te integreren via een opamp / optocoupler-trap zoals aangegeven in het bovenstaande ontwerp.

Aanvankelijk wordt de master-inverter # 1 ingeschakeld, waardoor de opamp 741-trap kan worden gevoed en de frequentie en fasevolging van de uitgangsspanning kan initialiseren.

Zodra dit is gestart, worden de volgende omvormers allemaal ingeschakeld om stroom toe te voegen aan het lichtnet.

Zoals te zien is, is de opamp-uitgang verbonden met de timingcondensator van alle slave-omvormers via een optokoppeling die de slave-omvormers dwingt de frequentie en de fasehoek van de master-omvormer te volgen.

Het interessante hier is echter de vergrendelingsfactor van de opamp met de momentane fase- en frequentie-informatie.

Dit gebeurt omdat alle omvormers nu de gespecificeerde frequentie en fase van de masteromvormer leveren en draaien, wat betekent dat als een van de omvormers uitvalt, inclusief de masteromvormer, de opamp snel de momentane frequentie kan volgen en injecteren. fase-informatie en dwingen de bestaande omvormers om met deze specificaties te werken, en de omvormer kan op zijn beurt de terugkoppelingen naar de opamp-fase ondersteunen om de overgangen naadloos en zelfoptimaliserend te maken.

Hopelijk zorgt de opamp-trap daarom voor de eerste uitdaging om alle voorgestelde stapelbare omvormers perfect gesynchroniseerd te houden door middel van een LIVE-tracking van de beschikbare netspecificaties.

In het volgende deel van het artikel zullen we de gesynchroniseerde PWM-sinusgolffase , wat het volgende cruciale kenmerk is van het hierboven besproken ontwerp.

In het bovenstaande deel van dit artikel hebben we het hoofdgedeelte van het 4kva gesynchroniseerde stapelbare invertercircuit geleerd, waarin de synchronisatiedetails van het ontwerp zijn uitgelegd. In dit artikel bestuderen we hoe we het ontwerp een sinusgolf-equivalent kunnen maken en ook zorgen voor een correcte synchronisatie van de PWM's over de betrokken omvormers.

Synchronisatie van sinusgolf-PWM over de omvormers

Een eenvoudige RMS-aangepaste PWM-equivalente sinusgolfvormgenerator kan worden gemaakt door een IC 555 en IC 4060 te gebruiken, zoals weergegeven in de volgende afbeelding.

Dit ontwerp kan vervolgens worden gebruikt om de omvormers in staat te stellen een sinusgolf-equivalente golfvorm te produceren aan hun uitgangen en over de aangesloten netlijn.

Elk van deze PWM-processors is vereist voor elk van de stapelbare invertermodules afzonderlijk.

BIJWERKEN: Het lijkt erop dat een enkele PWM-processor gemeenschappelijk kan worden gebruikt voor het hakken van alle transistorbases, op voorwaarde dat elke MJ3001-basis verbinding maakt met de specifieke BC547-collector via een individuele 1N4148-diode. Dit vereenvoudigt het ontwerp in hoge mate.

De verschillende fasen die betrokken zijn bij het bovenstaande PWM-genartorcircuit kunnen worden begrepen met behulp van het volgende punt:

IC 555 gebruiken als de PWM-generator

De IC 555 is geconfigureerd als het basis PWM-generatorcircuit. Om in staat te zijn om instelbare PWM-equivalente pulsen op de gewenste RMS te genereren, heeft de IC snelle driehoeksgolven op pin7 nodig en een referentiepotentiaal op pin5 die het PWM-niveau op zijn outputpin # 3 bepaalt

IC 4060 gebruiken als de driehoeksgolfgenerator

Voor het genereren van driehoeksgolven heeft de IC 555 blokgolven nodig op pin # 2, die wordt verkregen van de IC 4060 oscillatorchip.

De IC 4060 bepaalt de frequentie van de PWM, of simpelweg het aantal 'pilaren' in elk van de AC halve cycli.

De IC 4060 wordt voornamelijk gebruikt voor het vermenigvuldigen van de lage frequentie-inhoud van het monster van de inverteruitgang naar een relatief hoge frequentie vanaf pin # 7. De samplefrequentie zorgt er in feite voor dat de PWM-chopping gelijk en gesynchroniseerd is voor alle invetrermodules. Dit is de belangrijkste reden waarom de IC 4060 is meegeleverd, anders had een andere IC 555 het werk gemakkelijk kunnen doen.

Het referentiepotentiaal op pin # 5 van IC 555 wordt verkregen van een opamp-spanningsvolger die uiterst links van het circuit wordt weergegeven.

Zoals de naam suggereert, levert deze opamp precies dezelfde grootte van de spanning op pin # 6 die verschijnt op pin # 3 ... maar de replicatie van pin # 6 van pin # 3 is mooi gebufferd, en daarom rijker dan zijn pin3-kwaliteit, en dat is precies de reden waarom deze fase in het ontwerp is opgenomen.

De 10 k-preset die is gekoppeld aan pin3 van dit IC wordt gebruikt voor het aanpassen van het RMS-niveau dat uiteindelijk de IC 555-output-PWM's afstemt op het gewenste RMS-niveau.

Deze RMS wordt vervolgens toegepast op de bases van de voedingsapparaten om ze te dwingen te werken op de gespecificeerde PWM RMS-niveaus, wat er op zijn beurt voor zorgt dat de output-AC een zuiver sinusgolfachtig attribuut verkrijgt via een correct RMS-niveau. Dit kan verder worden verbeterd door een LC-filter te gebruiken over de uitgangswikkeling van alle transformatoren.

Het volgende en het laatste deel van dit stapelbare gesynchroniseerde invertercircuit van 4kva beschrijft de automatische belastingscorrectiefunctie waarmee de omvormers de juiste hoeveelheid wattage kunnen leveren en behouden over de uitgangsstroomleiding in overeenstemming met de wisselende belastingen.

We hebben tot dusverre de twee belangrijkste vereisten voor het voorgestelde gesynchroniseerde 4kva stapelbare invertercircuit behandeld, inclusief synchronisatie van frequentie, fase en PWM over de omvormers, zodat het uitvallen van een van de omvormers geen effect had op de rest in termen van de bovenstaande parameters .

Automatische laadcorrectiefase

In dit artikel zullen we proberen de automatische belastingscorrectiefunctie te achterhalen die het mogelijk maakt om de omvormers opeenvolgend AAN of UIT te schakelen in reactie op de variërende belastingsomstandigheden over de uitgangsnetlijn.

Een eenvoudige quad-comparator met LM324 IC kan worden gebruikt voor het implementeren van een automatische sequentiële belastingscorrectie zoals aangegeven in het volgende diagram:

In de bovenstaande afbeelding kunnen we vier opamps van de IC LM324 zien die zijn geconfigureerd als vier afzonderlijke comparators met hun niet-inverterende ingangen die zijn opgetuigd met individuele presets, terwijl hun inverterende ingangen allemaal worden gerefereerd met een vaste zenerspanning.

De relevante presets worden eenvoudig zo aangepast dat de opamps sequentieel hoge outputs produceren zodra de netspanning boven de beoogde drempel komt ..... en vice versa.

Wanneer dit gebeurt, schakelen de relevante transistors in overeenstemming met de opamp-activering.

De collectoren van de respectievelijke BJT's zijn verbonden met pin # 3 van de spanningsvolger opamp IC 741 die wordt gebruikt in de PWM-controllertrap, en dit dwingt de uitgang van de opamp om laag of nul te worden, wat op zijn beurt een nulspanning veroorzaakt. op pin # 5 van de PWM IC 555 (zoals besproken in deel 2).

Met pin # 5 van de IC 555 wordt toegepast met deze nullogica, dwingt de PWM's om het smalst of op de minimumwaarde te worden, waardoor de uitgang van die specifieke omvormer bijna wordt uitgeschakeld.

De bovenstaande acties doen een poging om de output te stabiliseren naar een eerdere normale toestand die de PWM opnieuw dwingt om breder te worden en dit getouwtrek of een constante omschakeling van de opamps zorgt ervoor dat de output consequent zo stabiel mogelijk blijft, in reactie op de variaties van de gekoppelde belastingen.

Met deze automatische belastingscorrectie geïmplementeerd binnen het voorgestelde stapelbare invertercircuit van 4kva, is het ontwerp bijna compleet met alle functies die de gebruiker in deel 1 van het artikel heeft gevraagd.