Synkroniserad 4kva stapelbar inverter

Denna första del av den föreslagna 4kva synkroniserades stapelbar inverterarkrets diskuterar hur man implementerar den avgörande automatiska synkroniseringen över de fyra växelriktarna med avseende på frekvens, fas och spänning för att hålla växelriktarna oberoende av varandra och ändå uppnå en utgång som är i nivå med varandra.

Idén begärdes av David. Följande e-postkonversation mellan honom och mig beskriver de viktigaste specifikationerna för den föreslagna synkroniserade 4kva stapelbara inverterarkretsen.

E-post nr 1

Hej Swagatam,

För det första ville jag säga tack för ditt bidrag till världen i stort, informationen och viktigast av allt din vilja att dela din kunskap för att hjälpa andra människor är enligt min mening ovärderlig av många skäl.

Jag skulle vilja förbättra några av de kretsar som du har delat för att passa mina egna syften, tyvärr medan jag förstår vad som händer i kretsarna saknar jag kreativitet och kunskap för att göra ändringarna själv.

Jag kan vanligtvis följa kretsar om de är små och jag kan se var de går med / ansluter till större scheman.

Om jag får skulle jag vilja försöka förklara vad jag skulle vilja uppnå, men jag är inte under någon illusion om att du är en mycket upptagen person och inte vill ta din dyrbara tid i onödan.

Det slutgiltiga målet skulle vara att jag skulle vilja bygga (montera komponenterna) av ett mikrokraftnät med flera källor förnybar energi, med hjälp av solceller, väderkvarnar och biodieselgeneratorer.

Det första steget är förbättringar av solcellsomformaren.

Jag skulle vilja använda din 48 volt rena sinusomformarkrets som kan upprätthålla en konstant 2kW 230V-utgång, den måste kunna leverera minst 3 gånger denna utgång under en mycket kort varaktighet.

Den viktigaste modifieringen att jag vill uppnå det för att skapa ett antal av dessa växelriktare för att arbeta parallellt och anslutna till en växelströmsstång.

Jag skulle vilja att varje växelriktare oberoende och ständigt samplar växelströmsstången för frekvens, spänning och ström (belastning).

Jag kommer att kalla dessa växelriktare för slavenheter.

Tanken att invertera modulerna kommer att vara 'plug and play'.

Växelriktaren som en gång är ansluten till växelströmsfältet skulle ständigt sampla / mäta frekvensen på växelströmsfältet och använda denna information för att driva ingången till en 4047 IC så att dess klockutgång kan avanceras eller fördröjas tills den exakt klonar frekvensen på AC-bussfältet när de två vågformerna har synkroniserats stänger omformaren en kontaktor eller ett relä som förbinder det inverterade utgångssteget till AC-busstången.

Om frekvensen på stången eller spänningen rör sig utanför en förutbestämd tolerans bör växelriktarmodulen öppna reläet eller kontaktorn på utgångssteget och effektivt koppla bort växelriktarens utgångssteg från växelströmsstången för att skydda sig själv.

När slavenheterna väl är anslutna till växelströmsstången går de också i viloläge eller åtminstone utgångssteget för växelriktaren skulle sova medan belastningen på stången är mindre än summan av alla slavomvandlare. Tänk om du vill att det finns 3 slavomformare anslutna till AC-bussfältet, men belastningen på baren är bara 1,8 kW då de andra två slavarna skulle sova.

Det ömsesidiga skulle också vara sant att om belastningen på baren hoppade för att säga 3 kW skulle en av de sovande inverterna omedelbart vakna (redan synkroniserad) för att leverera den extra energi som krävs.

Jag föreställer mig att några stora kondensatorer på vart och ett av utgångsstegen skulle leverera den energi som behövs medan växelriktaren har det mycket korta ögonblicket medan den vaknar.

Det skulle vara att föredra (endast enligt min mening) att inte direkt ansluta varje inverter till varandra utan snarare att de är oberoende självständiga.

Jag vill försöka undvika mikrokontroller eller enhetsfel eller felkontroll av varandra eller enheter som har 'adresser' i systemet.

Med tanke på mig föreställer jag mig att den första anslutna enheten på växelströmsstången skulle vara en mycket stabil referensomvandlare som ständigt är ansluten.

Denna referensinverterare skulle tillhandahålla frekvensen och spänningen som de andra slavenheterna skulle använda för att generera sina egna respektive utgångar.

Tyvärr kan jag inte ta mitt huvud över hur du kan förhindra en feedbackslinga där slavenheterna eventuellt skulle bli referensenheten.

Utöver omfattningen av detta e-postmeddelande har jag några små generatorer som jag vill ansluta till växelströmsfältet som synkroniseras med referensomvandlaren för att leverera energi i händelse av att belastningen överstiger DC max-uteffekten.

Den övergripande förutsättningen är att den belastning som presenteras för växelströmsstången skulle avgöra hur många växelriktare och i slutändan hur många generatorer som antingen skulle ansluta eller koppla ur sig själv för att möta efterfrågan eftersom detta förhoppningsvis skulle spara energi eller åtminstone inte slösa energi.

Systemet som är helt byggt av flera moduler skulle då vara utbyggbart / kontraktibelt såväl som robust / fjädrande så att om någon eller kanske två enheter skulle misslyckas skulle systemet fortsätta att fungera allt med reducerad kapacitet.

Jag har bifogat ett blockschema och för närvarande uteslutit batteriladdningen.

Jag planerar att ladda batteribanken från AC-bussen och korrigera ner till 48V DC så att jag kan ladda från generatorerna eller de förnybara energikällorna, jag inser att detta kanske inte är lika effektivt som att använda DC mppt men jag tror vad jag förlora i effektivitet Jag får flexibilitet. Jag bor långt från stan eller elnätet.

Som referens skulle det finnas en minsta konstant belastning på växelströmsstången på 2 kW, även om toppbelastningen kan stiga med så mycket som 30 kW.

Min plan är att de första 10 till 15kW ska tillhandahållas av solcellspanelerna och två 3kW (topp) väderkvarnar är väderkvarnarna vilda växelströmskorrigerade till DC och en 1000Ah 48 volts batteribank. (Som jag skulle vilja undvika att tömma / tömma mer än 30% av dess kapacitet för att säkerställa batteriets livslängd) skulle de återstående sällsynta och mycket intermittenta energibehovet tillgodoses av mina generatorer.

Denna sällsynta och intermittenta belastning kommer från min verkstad.

Jag har tänkt på att det kan vara klokt att bygga en kondensatorbank för att hantera eller plocka upp systemet slack av eventuell induktiv belastningsstartström som motorn på min luftkompressor och bordssåg.

Men jag är inte säker just nu om det inte finns ett bättre / billigare sätt.

Dina tankar och kommentarer skulle uppskattas och värderas mycket. Jag hoppas att du har tid att komma tillbaka till mig.

Tack för din tid och uppmärksamhet i förväg.

Vänliga hälsningar David skickat från min trådlösa BlackBerry®-enhet

Mitt svar

Hej David,

Jag har läst ditt krav och har förhoppningsvis förstått det korrekt.

Av de fyra växelriktarna skulle bara en ha sin egen frekvensgenerator, medan andra skulle köra genom att extrahera frekvensen från denna huvudomvandlarutgång, och alltså skulle alla vara synkroniserade med varandra och med denna huvudinverterares specifikationer.

Jag ska försöka utforma det och hoppas att det fungerar som förväntat och enligt dina nämnda specifikationer, men implementeringen kommer att behöva göras av en expert som borde kunna förstå konceptet och modifiera / justera det till perfektion var det än befinner sig krävs .... annars kan det bli extremt svårt att lyckas med denna rimligt komplexa design.

Jag kan bara presentera det grundläggande konceptet och det schematiska ... vila kommer att behöva göras av ingenjörerna från din sida.

Det kan ta mig lite tid att slutföra, eftersom jag redan har många väntande förfrågningar i kön ... Jag informerar dig som son när den publiceras

Med vänliga hälsningar Swag

E-post nr 2

Hej Swagatam,

Tack så mycket för ditt mycket snabba svar.

Det är inte riktigt vad jag tänkte men representerar verkligen ett alternativ.

Min tanke var att varje enhet skulle ha två delkretsar för frekvensmätning, en som tittar på frekvensen på växelströmsfältet och den här enheten används för att skapa klockpulsen för växelriktarens sinusvåggenerator.

Den andra delkretsen för frekvensmätning skulle titta på utgången från växelriktarens sinusvåggenerator.

Det skulle finnas en jämförelsekrets som kanske använder en opamp-array som matas tillbaka in i sinusvåggeneratorns klockpuls för att förflytta klocksignalen eller fördröja klocksignalen tills utsignalen från sinusvåggeneratorn exakt matchade sinusvågen på AC-baren .

När väl frekvensen för omvandlarens utgångssteg matchade frekvensen för växelströmsstången skulle det finnas en SSR som skulle stänga anslutning av utgångssteget för växelriktaren till växelströmsstången, företrädesvis vid nollpunkten.

På så sätt kan någon invertermodul misslyckas och systemet fortsätter att fungera. syftet med huvudinverteraren var att det för alla invertermoduler aldrig skulle gå i viloläge och skulle ge den initiala växelströmsfrekvensen. men om det misslyckades skulle de andra enheterna inte påverkas så länge en var 'online'

Slavenheterna ska stängas av eller starta när lasten ändras.

Din iakttagelse var korrekt. Jag är inte en 'elektronik' -man. Jag är maskin- och elektrotekniker. Jag arbetar med stora anläggningsartiklar som kylaggregat och generatorer och kompressorer.

När detta projekt fortskrider och börjar bli mer påtagligt skulle du vara villig / öppen för att ta emot en pengargåva? Jag har inte mycket men jag skulle kanske kunna ge lite pengar via PayPal för att hjälpa till med dina webbhotellskostnader.

Tack igen.

Jag ser fram emot att höra från dig.

namaste

David

Mitt svar

Tack David,

I grund och botten vill du att växelriktarna ska vara synkroniserade med varandra när det gäller frekvens och fas, och att var och en har förmågan att bli huvudomvandlaren och ta över laddningen, om den tidigare misslyckas av någon anledning. Rätt?

Jag kommer att försöka fixa detta med den kunskap jag har och lite sunt förnuft och inte genom att använda komplexa IC: er eller konfigurationer.

Varmaste hälsningar Swag

E-post nr 3

Hej Swag,

Det är det i ett nötskal, med hänsyn till ett ytterligare krav.

När lasten sjunker går växelriktarna i ett miljö- eller standby-läge och när lasten ökar eller ökar vaknar de för att möta efterfrågan.

Jag älskar det tillvägagångssätt du går med ...

Tack så mycket att din omtanke till mig är mycket uppskattad.

Namaste

Vänliga hälsningar

David

Designen

På begäran av herr David måste de föreslagna 4 kva stapelbara effektomformarkretsarna vara i form av fyra separata inverterarkretsar, som kan staplas upp på lämpligt sätt synkroniserat med varandra för att leverera rätt mängd självreglerande effekt till den anslutna beroende på hur dessa laster slås PÅ och AV.

UPPDATERING:

Efter en del tanke insåg jag att designen faktiskt inte behöver vara för komplicerad, utan kunde implementeras med ett enkelt koncept som visas nedan.

Endast IC 4017 tillsammans med dess associerade dioder, transistorer och transformatorn behöver upprepas för det antal omvandlare som krävs.

Oscillatorn kommer att vara i ett stycke och kan delas med alla växelriktare genom att integrera dess pin3 med pin14 i IC 4017.

Återkopplingskretsen måste justeras exakt för de enskilda växelriktarna, så att avstängningsområdet är exakt matchat för alla växelriktarna.

Följande mönster och förklaringarna kan ignoreras eftersom en mycket enklare version redan har uppdaterats ovan

Synkronisera omformarna

Den största utmaningen här är att göra det möjligt för var och en av slavomvandlarna att vara synkroniserade med huvudomvandlaren så länge som huvudomvandlaren är i drift, och i en händelse (även om det är osannolikt) misslyckas eller slutar fungera, så tar den efterföljande växelriktaren över laddas och blir själva huvudinverteraren.
Och om den andra inveteraren också misslyckas tar den tredje växelriktaren kommandot och spelar rollen som huvudinverteraren.

Att synkronisera omformarna är faktiskt inte svårt. Vi vet att det enkelt kan göras med hjälp av IC som SG3525, TL494 etc. Den svåra delen av konstruktionen är dock att se till att om huvudomvandlaren misslyckas, kan en av de andra växelriktarna snabbt bli mästare.

Och detta måste utföras utan att förlora kontrollen över frekvens, fas och PWM även under en bråkdels sekund och med en smidig övergång.

Jag vet att det kan finnas mycket bättre idéer, den mest grundläggande designen för att uppfylla nämnda kriterier visas i följande diagram:

I figuren ovan kan vi se ett par identiska steg, där den övre växelriktaren # 1 bildar huvudinverteraren medan den nedre växelriktaren # 2 slaven.

Fler steg i form av växelriktare 3 och växelriktare 4 ska läggas till uppsättningen på samma identiska sätt genom att integrera dessa växelriktare med sina enskilda optokopplingssteg, men opampsteget behöver inte upprepas.

Designen består främst av en IC 555-baserad oscillator och en IC 4013 flip-flop-krets. IC 555 är riggad för att generera klockfrekvenser med en hastighet på 100Hz eller 120Hz som matas till klockingången på IC 4013, som sedan omvandlar den till erforderliga 50Hz eller 60Hz genom att växelvis vända utgångarna med logik högt över stift # 1 och stift # 2.

Dessa alternerande utgångar används sedan för att aktivera kraftenheterna och transformatorn för att generera den avsedda 220V eller 120V AC.

Nu som diskuterats tidigare är det avgörande problemet här att synkronisera de två växelriktarna så att dessa kan köras exakt i synk, med avseende på frekvens, fas och PWM.

Inledningsvis justeras alla inblandade moduler (stapelbara växelriktarkretsar) separat med exakt identiska komponenter så att deras beteende är helt i nivå med varandra.

Men även med de exakt matchade attributen kan omvandlarna inte förväntas fungera perfekt synkroniserade om de inte är bundna på något unikt sätt.

Detta görs faktiskt genom att integrera 'slave' -omvandlarna genom ett opamp / optokopplingssteg, såsom anges i ovanstående design.

Inledningsvis slås huvudinverteraren # 1 PÅ, vilket gör att opamp 741-steget kan få ström och initialisera frekvensen och fasspårningen av utspänningen.

När detta väl har initierats slås alla efterföljande växelriktare PÅ för att lägga till ström till huvudledningen.

Som framgår är opamputgången ansluten till tidkondensatorn för alla slavomvandlare genom en optokopplare som tvingar slavomvandlarna att följa frekvensen och fasvinkeln hos huvudomvandlaren.

Men det intressanta här är låsningsfaktorn för opamp med den momentana fas- och frekvensinformationen.

Detta händer eftersom alla växelriktare nu levererar och körs vid den angivna frekvensen och fasen från huvudomvandlaren, vilket innebär att om någon av växelriktarna misslyckas inklusive huvudomvandlaren, kan opampen snabbt spåra och injicera den momentana frekvensen / fasinfo och tvinga befintliga växelriktare att köra med denna specifikation, och växelriktaren kan i sin tur upprätthålla återkopplingarna till opampstadiet för att göra övergångarna sömlösa och självoptimerande.

Därför hanterar förhoppningsvis opamp-scenen den första utmaningen att hålla alla de föreslagna stapelbara omformarna perfekt synkroniserade genom en LIVE-spårning av den tillgängliga nätspecifikationen.

I nästa del av artikeln lär vi oss synkroniserat PWM-sinusvågsteg , vilket är nästa viktiga inslag i den ovan diskuterade designen.

I ovanstående del av den här artikeln lärde vi oss huvudavsnittet i den 4kva synkroniserade stapelbara inverterarkretsen som förklarade synkroniseringsdetaljerna i designen. I den här artikeln studerar vi hur man gör designen till en sinusvågekvivalent och säkerställer också korrekt synkronisering av PWM: erna över de involverade växelriktarna.

Synkronisering av Sine Wave PWM över växelriktarna

En enkel RMS-matchad PWM-ekvivalent sinusvågvåggenerator kan göras med hjälp av en IC 555 och IC 4060, som visas i följande figur.

Denna design kan sedan användas för att göra det möjligt för växelriktarna att producera en sinusvågekvivalent vågform vid deras utgångar och över den anslutna nätledningen.

Var och en av dessa PWM-processorer skulle behövas för var och en av de stapelbara invertermodulerna individuellt.

UPPDATERING: Det verkar som om en enda PWM-processor kan användas gemensamt för huggning av alla transistorbaser, förutsatt att varje MJ3001-bas ansluts till den specifika BC547-samlaren genom en individuell 1N4148-diod. Detta förenklar designen till stor del.

De olika stegen som är inblandade i ovanstående PWM-geneartor-krets kan förstås med hjälp av följande punkt:

Med IC 555 som PWM-generator

IC 555 är konfigurerad som den grundläggande PWM-generatorkretsen. För att kunna generera en justerbar PWM-ekvivalent pulser vid önskad RMS kräver IC snabba triangelvågor vid sin pin7 och en referenspotential vid dess pin5 som bestämmer PWM-nivån vid dess utgångsstift # 3

Med IC 4060 som Triangle Wave Generator

För att generera triangelvågorna kräver IC 555 fyrkantiga vågor vid stift nr 2, som erhålls från IC 4060-oscillatorchipet.

IC 4060 bestämmer frekvensen för PWM, eller helt enkelt antalet 'pelare' i var och en av växelströmshalvcyklerna.

IC 4060 används huvudsakligen för att multiplicera provets låga frekvensinnehåll från växelriktarens utgång till en relativt hög frekvens från dess stift nr 7. Provfrekvensen ser i princip till att PWM-hackningen är lika och synkroniserad för alla inbyggnadsmoduler. Detta är huvudorsaken till att IC 4060 ingår, annars skulle en annan IC 555 lätt ha gjort jobbet istället.

Referenspotentialen vid stift nr 5 i IC 555 erhålls från en opamp-spänningsföljare som visas längst till vänster om kretsen.

Som namnet antyder levererar denna opamp exakt samma spänningsstorlek vid stift nr 6 som visas vid stift nr 3 .... dock är stift nr 6 replikering av stift nr 3 snyggt buffrad och är därför rikare än dess pin3-kvalitet, och det är den exakta anledningen till att inkludera detta steg i designen.

Den 10 k förinställning som är associerad vid pin3 i denna IC används för att justera RMS-nivån som slutligen finjusterar IC 555-utgångspWM: erna till önskad RMS-nivå.

Denna RMS appliceras sedan på basenheterna för kraftenheterna för att tvinga dem att arbeta vid de angivna PWM RMS-nivåerna, vilket i sin tur får utgången AC att förvärva en ren sinusvågliknande attribut genom en korrekt RMS-nivå. Detta kan förbättras ytterligare genom att använda ett LC-filter över utgångslindningen för alla transformatorerna.

Nästa och sista del av denna 4 kva stapelbara synkroniserade växelriktarkrets beskriver den automatiska belastningskorrigeringsfunktionen för att göra det möjligt för växelriktarna att leverera och upprätthålla rätt mängd watt över utgångsnätet i enlighet med varierande belastningsomkoppling.

Vi har hittills täckt de två huvudkraven för den föreslagna synkroniserade 4kva stapelbara inverterarkretsen, som inkluderar synkronisering av frekvens, fas och PWM över växelriktarna så att fel på någon av växelriktarna inte hade någon effekt på resten när det gäller ovanstående parametrar. .

Automatisk belastningskorrigering

I den här artikeln kommer vi att försöka räkna ut den automatiska lastkorrigeringsfunktionen som kan möjliggöra att PÅ eller AV för växelriktarna sekventiellt som svar på de varierande belastningsförhållandena över utgångsledningen.

En enkel fyrkomparator som använder LM324 IC kan användas för att implementera en automatisk sekventiell belastningskorrigering som anges i följande diagram:

I figuren ovan kan vi se fyra opamps från IC LM324 konfigurerade som fyra separata komparatorer med deras icke-inverterande ingångar riggade med individuella förinställningar, medan deras inverterande ingångar alla refereras till med en fast zenerspänning.

De relevanta förinställningarna justeras helt enkelt så att opamporna producerar höga utgångar i en följd så snart nätspänningen går över den avsedda tröskeln ..... och vice versa.

När detta händer växlar relevanta transistorer i enlighet med opampaktivering.

Samlarna för respektive BJT är anslutna med stift nr 3 på spänningsföljaren opamp IC 741 som används i PWM-styrsteget, och detta tvingar opamputgången att bli låg eller noll, vilket i sin tur får en nollspänning att visas vid stift nr 5 i PWM IC 555 (som diskuteras i del 2).

Med stift nr 5 i IC 555 tillämpas med denna nolllogik, tvingar PWM: erna att bli smalast eller vid minimivärdet, vilket gör att utgången från den specifika växelriktaren nästan stängs av.

Ovanstående åtgärder gör ett försök att stabilisera utgången till ett tidigare normalt tillstånd som återigen tvingar PWM att bli bredare och denna dragkamp eller en konstant växling av opamparna fortsätter att konsekvent hålla utmatningen så stabil som möjligt, som svar på variationerna av de bifogade lasterna.

Med denna automatiska belastningskorrigering implementerad inom den föreslagna 4 kva stapelbara inverterarkretsen gör designen nästan komplett med alla funktioner som begärs av användaren i artikel 1.