Inversor empilhável sincronizado de 4kva

Esta primeira parte da proposta de 4kva sincronizada circuito inversor empilhável discute como implementar a sincronização automática crucial entre os 4 inversores com relação à frequência, fase e tensão para manter os inversores funcionando independentemente um do outro, ainda alcançando uma saída equivalente.

A ideia foi solicitada pelo Sr. David. A seguinte conversa de e-mail entre ele e eu detalha as principais especificações do Circuito Inversor Empilhável Sincronizado 4kva proposto.

Email # 1

Oi Swagatam,

Em primeiro lugar, gostaria de agradecer a sua contribuição para o mundo em geral, as informações e, o mais importante, sua disposição em compartilhar seu conhecimento para ajudar outras pessoas, na minha opinião, é inestimável por muitos motivos.

Gostaria de aprimorar alguns dos circuitos que você compartilhou para atender aos meus próprios objetivos, infelizmente, embora eu entenda o que está acontecendo nos circuitos, não tenho criatividade e conhecimento para fazer as alterações eu mesmo.

Em geral, posso seguir circuitos se eles forem pequenos e posso ver onde eles se unem / se conectam em esquemas maiores.

Se me permitem, gostaria de tentar explicar o que desejo alcançar, embora não tenha a ilusão de que você seja uma pessoa muito ocupada e não gostaria de ocupar seu precioso tempo desnecessariamente.

O objetivo final seria que eu gostaria de construir (montar os componentes) de uma microrrede de energia renovável de múltiplas fontes, usando Solar PV, Moinhos de Vento e geradores de biodiesel.

O primeiro passo são os aprimoramentos do inversor solar fotovoltaico.

Eu gostaria de usar seu circuito inversor de onda senoidal pura de 48 volts capaz de manter uma saída constante de 2kW 230V, ele deve ser capaz de fornecer pelo menos 3 vezes essa saída por um período muito curto.

A principal modificação que desejo realizar é criar uma série dessas unidades inversoras para funcionarem em paralelo e conectadas a um barramento CA.

Gostaria que cada inversor fizesse uma amostragem independente e constante do barramento CA para frequência, tensão e corrente (carga).

Vou chamar esses inversores de unidades escravas.

A ideia de inverter os módulos será “plug and play”.

O inversor, uma vez conectado ao barramento CA, iria constantemente amostrar / medir a frequência no barramento CA e usar essa informação para acionar a entrada de um 4047 IC de modo que sua saída de relógio possa ser avançada ou retardada até que clone exatamente a frequência em o barramento CA uma vez que as duas formas de onda são sincronizadas, o inversor fecha um contator ou relé que conecta o estágio de saída do inversor ao barramento CA.

No caso de a frequência na barra ou a tensão sair de uma tolerância pré-determinada, o módulo inversor deve abrir o relé ou contator no estágio de saída, desconectando efetivamente o estágio de saída do inversor da barra CA para se proteger.

Além disso, uma vez conectadas ao barramento CA, as unidades escravas entrariam em hibernação ou pelo menos o estágio de saída do inversor entraria em hibernação enquanto a carga na barra fosse menor que a soma de todos os inversores escravos. Imagine se você tivesse 3 inversores escravos conectados à barra de barramento CA, porém a carga na barra é de apenas 1,8 kW, então os outros dois escravos iriam dormir.

O recíproco também seria verdadeiro: se a carga na barra subisse para 3 kW, um dos invertidos adormecidos acordaria instantaneamente (já em sincronismo) para fornecer a energia adicionalmente necessária.

Eu imagino que alguns capacitores grandes em cada estágio de saída forneceriam a energia necessária enquanto o inversor tem um momento muito curto enquanto é ativado.

Seria preferível (apenas na minha opinião) não conectar diretamente cada inversor entre si, mas sim que eles fossem autônomos de forma independente.

Eu quero tentar evitar microcontroladores ou os erros das unidades ou verificação de falhas entre si ou as unidades com 'endereços' no sistema.

Em minha mente, imagino que o primeiro dispositivo conectado no barramento CA seria um inversor de referência muito estável que está constantemente conectado.

Este inversor de referência forneceria a frequência e a tensão que as outras unidades escravas usariam para gerar suas respectivas saídas.

Infelizmente, não consigo entender como você poderia evitar um ciclo de feedback em que as unidades escravas acabariam potencialmente se tornando a unidade de referência.

Além do escopo deste e-mail, tenho alguns pequenos geradores que gostaria de conectar ao barramento CA sincronizando com o inversor de referência para fornecer energia caso a carga exceda a capacidade máxima de saída CC.

A premissa geral é que a carga apresentada ao barramento CA determinaria quantos inversores e, em última análise, quantos geradores se conectariam ou desconectariam autonomamente para atender à demanda, pois isso economizaria energia ou, pelo menos, não desperdiçaria energia.

O sistema sendo completamente construído com vários módulos seria então expansível / contraível, bem como robusto / resiliente, de modo que se qualquer um ou talvez duas unidades falhassem, o sistema continuaria a funcionar com capacidade reduzida.

Anexei um diagrama de blocos e excluí o carregamento da bateria por enquanto.

Estou pensando em carregar o banco de bateria do barramento CA e retificar para 48 V CC, dessa forma, posso carregar dos geradores ou das fontes de energia renováveis. Reconheço que talvez não seja tão eficiente quanto usar mppt CC, mas acho que perco em eficiência ganho em flexibilidade. Eu moro longe da cidade ou da rede elétrica.

Para referência, haveria uma carga constante mínima no barramento CA de 2 kW, embora a carga de pico pudesse aumentar em até 30 kW.

Meu plano é que os primeiros 10 a 15kW sejam fornecidos pelos painéis solares fotovoltaicos e dois moinhos de vento de 3kW (pico), os moinhos de vento são CA retificados para CC e um banco de baterias de 1000Ah 48 volts. (O que eu gostaria de evitar drenar / descarregar além de 30% de sua capacidade para garantir a vida útil da bateria) a demanda de energia restante, pouco frequente e muito intermitente, seria atendida por meus geradores.

Essa carga infrequente e intermitente vem da minha oficina.

Tenho pensado que pode ser prudente construir um banco de capacitores para lidar ou compensar a folga do sistema de qualquer corrente de inicialização de carga indutiva, como o motor do meu compressor de ar e a serra de mesa.

Mas não tenho certeza neste momento se não existe uma maneira melhor / mais barata.

Seus pensamentos e comentários seriam muito apreciados e valorizados. Espero que você tenha tempo para entrar em contato comigo.

Obrigado pelo seu tempo e atenção antecipadamente.

Atenciosamente, David Enviado do meu aparelho sem fio BlackBerry®

A minha resposta

Olá David,

Eu li sua exigência e espero tê-la entendido corretamente.

Dos 4 inversores, apenas um teria seu próprio gerador de frequência, enquanto os outros funcionariam extraindo a frequência da saída deste inversor principal e, portanto, todos estariam em sincronia entre si e com as especificações deste inversor mestre.

Vou tentar projetá-lo e espero que funcione conforme o esperado e de acordo com as especificações mencionadas, no entanto, a implementação precisará ser feita por um especialista que deve ser capaz de compreender o conceito e modificá-lo / ajustá-lo com perfeição onde quer que esteja necessário .... caso contrário, obter sucesso com esse design razoavelmente complexo pode se tornar extremamente difícil.

Só posso apresentar o conceito básico e o esquema ... o resto terá de ser feito pelos engenheiros da sua parte.

Pode demorar um pouco para concluir, isso pois já tenho muitos pedidos pendentes na Fila ... Vou informá-lo como filho assim que for postado

Atenciosamente Swag

Email # 2

Oi Swagatam,

Muito obrigado pela sua resposta rápida.

Não era bem isso que eu tinha em mente, mas certamente representa uma alternativa.

Meu pensamento era que cada unidade teria dois sub-circuitos de medição de frequência, um que olha para a frequência no barramento CA e esta unidade é usada para criar o pulso de clock para o gerador de onda senoidal do inversor.

O outro sub-circuito de medição de frequência examinaria a saída do gerador de onda senoidal do inversor.

Haveria um circuito de comparação, talvez usando uma matriz opamp que realimentaria o pulso de relógio do gerador de onda senoidal do inversor para avançar o sinal do relógio ou retardar o sinal do relógio até que a saída do gerador de onda senoidal correspondesse exatamente à onda senoidal na barra AC .

Uma vez que a frequência do estágio de saída do inversor coincidisse com a frequência do barramento CA, haveria um SSR que fecharia conectando o estágio de saída do inversor à barra CA, de preferência no ponto zero de cruzamento.

Desta forma, qualquer módulo inversor poderia falhar e o sistema continuaria funcionando. a finalidade do inversor mestre era que, de todos os módulos do inversor, ele nunca entraria em hibernação e forneceria a frequência de barra CA inicial. no entanto, se falhasse, as outras unidades não seriam afetadas, desde que uma estivesse 'online'

As unidades escravas devem desligar ou inicializar conforme a carga muda.

Sua observação estava correta. Não sou um homem de 'eletrônicos', sou um engenheiro mecânico e elétrico. Trabalho com grandes itens de instalações, como chillers, geradores e compressores.

À medida que este projeto progride e começa a se tornar mais tangível, você estaria disposto a aceitar um presente em dinheiro? Não tenho muito, mas talvez pudesse doar algum dinheiro via paypal para ajudar a suportar os custos de hospedagem do seu site.

Obrigado novamente.

Estou ansioso para ouvir de você.

namaste

David

A minha resposta

Obrigado David,

Basicamente, você deseja que os inversores estejam sincronizados entre si em termos de frequência e fase, e também cada um tendo a capacidade de se tornar o inversor mestre e assumir a carga, caso o anterior falhe por algum motivo. Direita?

Vou tentar consertar isso com todo o conhecimento que tenho e algum bom senso, e não usando CIs ou configurações complexas.

Atenciosamente, Swag

Email # 3

Oi Swag,

É isso em uma casca de noz, levando em consideração um requisito adicional.

À medida que a carga diminui, os inversores vão para o modo eco ou standby e conforme a carga aumenta ou diminui eles acordam para atender à demanda.

Eu amo a abordagem que você está usando ...

Muito obrigado, sua consideração por mim é muito apreciada.

Namaste

Atenciosamente

David

O design

Conforme solicitado pelo Sr. David, os circuitos do inversor de energia empilháveis ​​de 4kva propostos precisam estar na forma de 4 circuitos de inversor separados, que podem ser empilhados apropriadamente em sincronia uns com os outros para fornecer a quantidade correta de energia autorregulada aos conectados cargas, dependendo de como essas cargas são LIGADAS e DESLIGADAS.

ATUALIZAR:

Depois de pensar um pouco, percebi que o design não precisa ser muito complicado, mas pode ser implementado usando um conceito simples, conforme mostrado abaixo.

Apenas o IC 4017 junto com seus diodos, transistores e o transformador associados precisarão ser repetidos para o número necessário de inversores.

O oscilador será uma peça única e poderá ser compartilhado com todos os inversores integrando seu pino 3 com o pino 14 do IC 4017.

O circuito de feedback deve ser ajustado com precisão para cada inversor, de modo que a faixa de corte seja exatamente igual para todos os inversores.

Os seguintes designs e explicações podem ser ignorados visto que uma versão muito mais fácil já foi atualizada acima

Sincronizando os Inversores

O principal desafio aqui é permitir que cada um dos inversores escravos esteja em sincronia com o inversor mestre, enquanto o inversor mestre estiver operacional e, em um evento (embora improvável), o inversor mestre falhar ou parar de funcionar, o inversor subsequente assume o carregar e se tornar o próprio inversor mestre.
E caso o segundo inveter também falhe, o terceiro inversor assume o comando e faz o papel do inversor mestre.

Na verdade, sincronizar os inversores não é difícil. Sabemos que isso pode ser feito facilmente usando ICs como SG3525, TL494 etc. No entanto, a parte difícil do projeto é garantir que, se o inversor mestre falhar, um dos outros inversores será capaz de rapidamente se tornar o mestre.

E isso precisa ser executado sem perder o controle sobre a frequência, fase e PWM, mesmo por uma fração de segundo, e com uma transição suave.

Eu sei que pode haver ideias muito melhores, o design mais fundamental para cumprir os critérios mencionados é mostrado no diagrama a seguir:

Na figura acima, podemos ver alguns estágios idênticos, onde o inversor superior nº 1 forma o inversor mestre, enquanto o inversor inferior nº 2 forma o escravo.

Mais estágios na forma do inversor # 3 e do inversor # 4 devem ser adicionados à configuração da mesma maneira idêntica, integrando esses inversores com seus estágios optoacopladores individuais, mas o estágio opamp não precisa ser repetido.

O projeto consiste principalmente em um oscilador baseado em IC 555 e um circuito flip-flop IC 4013. O IC 555 é equipado para gerar frequências de clock na taxa de 100 Hz ou 120 Hz, que é alimentado para a entrada de clock do IC 4013, que então o converte nos 50 Hz ou 60 Hz necessários alternando suas saídas com lógica alta no pino # 1 e pino nº 2.

Essas saídas alternadas são então usadas para ativar os dispositivos de energia e o transformador para gerar os 220 V ou 120 V CA pretendidos.

Agora, como discutido anteriormente, a questão crucial aqui é sincronizar os dois inversores para que eles sejam capazes de funcionar exatamente em sincronia, no que diz respeito à frequência, fase e PWM.

Inicialmente, todos os módulos envolvidos (circuitos inversores empilháveis) são ajustados separadamente com componentes precisamente idênticos para que seu comportamento esteja perfeitamente em paridade entre si.

No entanto, mesmo com os atributos precisamente correspondentes, não se pode esperar que os inversores funcionem perfeitamente em sincronia, a menos que estejam ligados de uma maneira única.

Na verdade, isso é feito integrando os inversores 'escravos' por meio de um estágio opamp / optoacoplador, conforme indicado no design acima.

Inicialmente, o inversor mestre nº 1 é ligado, o que permite que o estágio opamp 741 seja alimentado e inicialize o rastreamento de frequência e fase da tensão de saída.

Uma vez iniciado, os inversores subsequentes são todos ligados para adicionar energia à linha de alimentação.

Como pode ser visto, a saída opamp é conectada com o capacitor de temporização de todos os inversores escravos através de um optoacoplador que força os inversores escravos a seguir a frequência e o ângulo de fase do inversor mestre.

No entanto, o interessante aqui é o fator de travamento do opamp com a fase instantânea e informações de frequência.

Isso acontece porque todos os inversores agora estão entregando e operando na frequência e fase especificadas do inversor mestre, o que implica que, se no caso de qualquer um dos inversores falhar, incluindo o inversor mestre, o opamp é capaz de rastrear e injetar rapidamente a frequência instantânea / As informações de fase e forçar os inversores existentes a funcionar com essas especificações, e o inversor, por sua vez, é capaz de sustentar os feedbacks para o estágio OP para tornar as transições contínuas e otimizadas automaticamente.

Portanto, esperançosamente, o estágio opamp cuida do primeiro desafio de manter todos os inversores empilháveis ​​propostos perfeitamente sincronizados por meio de um rastreamento AO VIVO das especificações de rede disponíveis.

Na próxima parte do artigo, aprenderemos o estágio de onda senoidal PWM sincronizado , que é a próxima característica crucial do design discutido acima.

Na parte acima deste artigo, aprendemos a seção principal do circuito inversor empilhável sincronizado de 4kva que explica os detalhes de sincronização do projeto. Neste artigo, estudamos como tornar o projeto um equivalente de onda senoidal e também garantir a sincronização correta dos PWMs nos inversores envolvidos.

Sincronizando Sine Wave PWM entre os Inversores

Um gerador de forma de onda sinusoidal equivalente de PWM compatível com RMS simples pode ser feito usando um IC 555 e IC 4060, conforme mostrado na figura a seguir.

Este projeto pode ser usado para permitir que os inversores produzam uma forma de onda equivalente de onda senoidal em suas saídas e através da linha de alimentação conectada.

Cada um desses processadores PWM seria necessário para cada um dos módulos inversores empilháveis ​​individualmente.

ATUALIZAR: Parece que um único processador PWM pode ser usado em comum para cortar todas as bases do transistor, desde que cada base MJ3001 se conecte ao coletor BC547 específico por meio de um diodo 1N4148 individual. Isso simplifica muito o design.

Os diferentes estágios envolvidos no circuito gerador de PWM acima podem ser compreendidos com a ajuda do seguinte ponto:

Usando IC 555 como o gerador PWM

O IC 555 é configurado como o circuito gerador PWM básico. Para ser capaz de gerar pulsos equivalentes de PWM ajustáveis ​​no RMS desejado, o IC requer ondas triangulares rápidas em seu pino 7 e um potencial de referência em seu pino 5 que determina o nível de PWM em seu pino de saída # 3

Usando IC 4060 como o gerador de ondas triangulares

Para gerar as ondas triangulares, o IC 555 requer ondas quadradas em seu pino # 2, que é adquirido do chip oscilador IC 4060.

O IC 4060 determina a frequência do PWM, ou simplesmente o número de 'pilares' em cada um dos semiciclos AC.

O IC 4060 é empregado principalmente para multiplicar o conteúdo da amostra de baixa frequência da saída do inversor em uma frequência relativamente alta de seu pino # 7. A frequência de amostra basicamente garante que o corte PWM seja igual e sincronizado para todos os módulos inveteradores. Esta é a principal razão pela qual o IC 4060 está incluído, caso contrário, outro IC 555 poderia ter feito o trabalho facilmente.

O potencial de referência no pino # 5 do IC 555 é adquirido de um seguidor de tensão opamp mostrado na extremidade esquerda do circuito.

Como o nome sugere, este opamp fornece exatamente a mesma magnitude de voltagem em seu pino # 6, que aparece em seu pino # 3 .... no entanto, a replicação do pino # 6 de seu pino # 3 é bem protegida e, portanto, é mais rica do que seu qualidade pin3, e essa é a razão exata de incluir esta etapa no design.

O pré-ajuste de 10 k associado no pino 3 deste IC é usado para ajustar o nível RMS que, em última análise, faz o ajuste fino dos PWMs de saída do IC 555 para o nível RMS desejado.

Este RMS é então aplicado às bases dos dispositivos de energia para forçá-los a trabalhar nos níveis PWM RMS especificados, o que, por sua vez, faz com que a CA de saída adquira um atributo puro como onda senoidal por meio de um nível RMS correto. Isso pode ser ainda mais aprimorado com o emprego de um filtro LC em todo o enrolamento de saída de todos os transformadores.

A próxima e a parte final deste circuito inversor sincronizado empilhável de 4kva detalha o recurso de correção automática de carga para permitir que os inversores forneçam e mantenham a quantidade correta de potência em toda a linha de alimentação de saída de acordo com as variações de carga de comutação.

Até agora cobrimos os dois requisitos principais para o circuito inversor empilhável sincronizado de 4kva proposto, que inclui a sincronização de frequência, fase e PWM entre os inversores, de modo que a falha de qualquer um dos inversores não tenha efeito sobre o resto em termos dos parâmetros acima .

Estágio de correção automática de carga

Neste artigo, tentaremos descobrir o recurso de correção automática de carga que pode permitir ligar ou desligar os inversores sequencialmente em resposta às condições de carga variáveis ​​na linha de alimentação de saída.

Um comparador quad simples usando LM324 IC pode ser usado para implementar uma correção de carga sequencial automática, conforme indicado no diagrama a seguir:

Na figura acima, podemos ver quatro opamps do IC LM324 configurados como quatro comparadores separados com suas entradas não-inversoras equipadas com predefinições individuais, enquanto suas entradas inversas são todas referenciadas com uma tensão zener fixa.

As predefinições relevantes são simplesmente ajustadas de modo que os opamps produzam altas saídas em uma sequência, assim que a tensão da rede ficar acima do limite pretendido ... e vice-versa.

Quando isso acontece, os transistores relevantes mudam de acordo com a ativação do opamp.

Os coletores dos respectivos BJTs são conectados com o pino # 3 do seguidor de tensão opamp IC 741, que é empregado no estágio do controlador PWM, e isso força a saída do opamp a ficar baixa ou zero, o que por sua vez faz com que uma tensão zero apareça no pino # 5 do PWM IC 555 (conforme discutido na Parte 2).

Com o pino # 5 do IC 555 aplicado com esta lógica zero, força os PWMs a se tornarem os mais estreitos ou com o valor mínimo, o que faz com que a saída daquele inversor em particular quase desligue.

As ações acima fazem uma tentativa de estabilizar a saída para uma condição normal anterior, o que novamente força o PWM a ficar mais amplo e este cabo de guerra ou uma troca constante dos cintintos opamps mantêm consistentemente a saída o mais estável possível, em resposta a as variações das cargas anexadas.

Com esta correção automática de carga implementada dentro do circuito inversor empilhável de 4kva proposto, o projeto quase completa com todos os recursos solicitados pelo usuário na Parte 1 do artigo.