Onduleur empilable synchronisé 4kva

Cette première partie de la 4kva proposée synchronisée circuit onduleur empilable explique comment mettre en œuvre la synchronisation automatique cruciale entre les 4 onduleurs en ce qui concerne la fréquence, la phase et la tension pour que les onduleurs fonctionnent indépendamment les uns des autres tout en obtenant une sortie comparable les uns aux autres.

L'idée a été demandée par M. David. La conversation par e-mail suivante entre lui et moi détaille les principales spécifications du circuit onduleur empilable synchronisé 4kva proposé.

Courriel n ° 1

Salut Swagatam,

Tout d'abord, je voulais vous remercier pour votre contribution au monde en général, les informations et surtout votre volonté de partager vos connaissances pour aider d'autres personnes, à mon avis, sont inestimables pour de nombreuses raisons.

Je voudrais améliorer certains des circuits que vous avez partagés pour répondre à mes propres besoins, malheureusement, même si je comprends ce qui se passe dans les circuits, je n'ai ni la créativité ni les connaissances nécessaires pour apporter moi-même les amendements.

Je peux généralement suivre des circuits s'ils sont petits et je peux voir où ils se rejoignent / se connectent dans des schémas plus grands.

Si vous me le permettez, j'aimerais essayer d'expliquer ce que j'aimerais accomplir, même si je ne me fais aucune illusion sur le fait que vous êtes une personne très occupée et que vous n'aimeriez pas prendre votre temps précieux inutilement.

L'objectif final serait que je souhaite construire (assembler les composants) d'un micro-réseau d'énergie renouvelable multi-sources, en utilisant l'énergie solaire photovoltaïque, des moulins à vent et des générateurs bio diesel.

La première étape consiste à améliorer les onduleurs solaires photovoltaïques.

Je voudrais utiliser votre circuit onduleur à onde sinusoïdale pure de 48 volts capable de maintenir une sortie constante de 2kW 230V, il doit être capable de délivrer au moins 3 fois cette sortie pendant une durée très courte.

La modification clé que je souhaite y parvenir est de créer un certain nombre de ces onduleurs fonctionnant en parallèle et connectés à une barre omnibus CA.

Je souhaite que chaque onduleur échantillonne indépendamment et constamment la barre omnibus CA pour la fréquence, la tension et le courant (charge).

J'appellerai ces onduleurs des unités esclaves.

L'idée étant les modules invertis sera «plug and play».

L'onduleur, une fois connecté à la barre omnibus CA, échantillonnerait / mesurerait constamment la fréquence sur la barre omnibus CA et utiliserait ces informations pour piloter l'entrée d'un IC 4047 de sorte que sa sortie d'horloge puisse être avancée ou retardée jusqu'à ce qu'elle clone exactement la fréquence sur la barre omnibus CA une fois que les deux formes d'onde sont synchronisées, l'onduleur ferme un contacteur ou un relais qui connecte l'étage de sortie inverseur à la barre omnibus CA.

Dans le cas où la fréquence sur la barre ou la tension se déplace en dehors d'une tolérance prédéterminée, le module onduleur doit ouvrir le relais ou le contacteur sur l'étage de sortie, déconnectant efficacement l'étage de sortie de l'onduleur de la barre AC pour se protéger.

De plus, une fois connectées à la barre omnibus CA, les unités esclaves passeraient en veille ou au moins l'étage de sortie de l'onduleur dormirait alors que la charge sur la barre est inférieure à la somme de tous les onduleurs esclaves. Imaginez si vous voulez qu'il y ait 3 onduleurs esclaves connectés à la barre omnibus CA, mais la charge sur la barre n'est que de 1,8 kW, alors les deux autres esclaves s'endormiraient.

L'inverse serait également vrai que si la charge sur la barre sautait pour dire 3 kW, l'un des inverseurs endormis se réveillerait instantanément (déjà synchronisé) pour fournir l'énergie supplémentaire nécessaire.

J'imagine que certains gros condensateurs sur chacun des étages de sortie fourniraient l'énergie nécessaire pendant que l'onduleur a le moment très court pendant qu'il se réveille.

Il serait préférable (seulement à mon avis) de ne pas connecter directement chaque onduleur entre eux mais plutôt qu'ils soient indépendamment autonomes.

Je veux essayer d’éviter les microcontrôleurs ou l’erreur ou le défaut des unités qui se vérifient les uns les autres ou les unités ayant une «adresse» sur le système.

Dans mon esprit, j’imagine que le premier appareil connecté sur la barre omnibus CA serait un onduleur de référence très stable et constamment connecté.

Cet onduleur de référence fournirait la fréquence et la tension que les autres unités esclaves utiliseraient pour générer leurs propres sorties respectives.

Malheureusement, je ne peux pas comprendre comment vous pourriez empêcher une boucle de rétroaction où les unités esclaves finiraient potentiellement par devenir l'unité de référence.

Au-delà de la portée de cet e-mail, j'ai quelques petits générateurs que je voudrais connecter à la barre omnibus CA en se synchronisant avec l'onduleur de référence pour fournir de l'énergie dans le cas où la charge dépasse la capacité de sortie maximale CC.

L'hypothèse générale est que la charge présentée à la barre omnibus CA déterminerait le nombre d'onduleurs et, finalement, le nombre de générateurs qui se connecteraient ou se déconnecteraient de manière autonome pour répondre à la demande, car cela permettrait, espérons-le, d'économiser de l'énergie ou du moins de ne pas gaspiller d'énergie.

Le système étant entièrement construit de plusieurs modules serait alors extensible / contractable ainsi que robuste / résilient de sorte que si quelqu'un ou peut-être deux unités tombaient en panne, le système continuerait à fonctionner, que ce soit à capacité réduite.

J'ai joint un schéma de principe et exclu la charge de la batterie pour le moment.

Je prévois de charger le banc de batteries à partir du bus AC et de le redresser à 48V DC de cette façon, je peux charger à partir des générateurs ou des sources d'énergie renouvelables, je reconnais que ce n'est peut-être pas aussi efficace que d'utiliser DC mppt mais je pense ce que je perdre en efficacité je gagne en flexibilité. J'habite loin de la ville ou du réseau électrique public.

Pour référence, il y aurait une charge constante minimale sur la barre omnibus CA de 2 kW, bien que la charge de pointe puisse augmenter de 30 kW.

Mon plan est que les premiers 10 à 15 kW soient fournis par les panneaux solaires photovoltaïques et deux moulins à vent de 3 kW (crête), les moulins à vent sont en courant alternatif redressé en courant continu et un banc de batteries de 1000 Ah 48 volts. (Ce que je voudrais éviter de drainer / décharger au-delà de 30% de sa capacité pour assurer la durée de vie de la batterie) la demande d'énergie restante peu fréquente et très intermittente serait satisfaite par mes générateurs.

Cette charge peu fréquente et intermittente provient de mon atelier.

J'ai pensé qu'il pourrait être prudent de construire une batterie de condensateurs pour gérer ou ramasser le jeu du système de tout courant de démarrage de charge inductive, tel que le moteur de mon compresseur d'air et de ma scie à table.

Mais je ne suis pas sûr pour le moment s'il n'y a pas de moyen meilleur / moins cher.

Vos pensées et commentaires seraient grandement appréciés et appréciés. J'espère que vous aurez le temps de me répondre.

Merci d'avance pour votre temps et votre attention.

Cordialement, David Sent de mon terminal mobile BlackBerry®

Ma réponse

Salut David,

J'ai lu votre demande et je l'ai bien compris.

Sur les 4 onduleurs, un seul aurait son propre générateur de fréquence, tandis que d'autres fonctionneraient en extrayant la fréquence de cette sortie de l'onduleur principal, et ainsi tous seraient synchronisés les uns avec les autres et avec les spécifications de cet onduleur maître.

J'essaierai de le concevoir et j'espère qu'il fonctionnera comme prévu et selon vos spécifications mentionnées, mais la mise en œuvre devra être effectuée par un expert qui devrait être capable de comprendre le concept et de le modifier / l'ajuster à la perfection où qu'il soit. nécessaire .... sinon réussir avec cette conception raisonnablement complexe pourrait devenir extrêmement difficile.

Je ne peux que présenter le concept de base et le schéma ... le reste devra être fait par les ingénieurs de votre côté.

Cela peut me prendre un certain temps, car j'ai déjà de nombreuses demandes en attente dans la file d'attente ... Je vous informerai en tant que fils dès sa publication

Meilleures salutations Swag

Courriel n ° 2

Salut Swagatam,

Merci beaucoup pour votre réponse très rapide.

Ce n'est pas tout à fait ce que j'avais en tête mais cela représente certainement une alternative.

Ma pensée était que chaque unité aurait deux sous-circuits de mesure de fréquence, l'un qui regarde la fréquence sur la barre omnibus CA et cette unité est utilisée pour créer l'impulsion d'horloge pour le générateur d'onde sinusoïdale de l'onduleur.

L'autre sous-circuit de mesure de fréquence regarderait la sortie du générateur d'onde sinusoïdale de l'inverseur.

Il y aurait un circuit de comparaison utilisant peut-être un réseau opamp qui serait renvoyé dans l'impulsion d'horloge du générateur d'onde sinusoïdale de l'onduleur pour faire avancer le signal d'horloge ou retarder le signal d'horloge jusqu'à ce que la sortie du générateur d'onde sinusoïdale corresponde exactement à l'onde sinusoïdale sur la barre AC .

Une fois que la fréquence de l'étage de sortie de l'onduleur correspondait à la fréquence de la barre omnibus CA, il y aurait un SSR qui fermerait la connexion de l'étage de sortie de l'onduleur sur la barre CA de préférence au point de passage par zéro.

De cette façon, n'importe quel module onduleur pourrait tomber en panne et le système continuerait à fonctionner. le but de l'onduleur maître était que de tous les modules d'onduleur, il ne s'endormirait jamais et fournirait la fréquence de barre AC initiale. cependant, en cas d'échec, les autres unités ne seraient pas affectées tant que l'une d'entre elles était en ligne.

Les unités esclaves doivent s'arrêter ou démarrer lorsque la charge change.

Votre observation était correcte. Je ne suis pas un 'électronicien' Je suis un ingénieur en mécanique et en électricité. Je travaille avec de grandes installations comme des refroidisseurs, des générateurs et des compresseurs.

Au fur et à mesure que ce projet progresse et commence à devenir plus tangible, seriez-vous prêt / ouvert à accepter un cadeau en argent? Je n'ai pas grand-chose mais je pourrais peut-être donner de l'argent via paypal pour aider à supporter les coûts d'hébergement de votre site Web.

Merci encore.

Je suis dans l'attente de votre réponse.

Namaste

David

Ma réponse

Merci David,

Fondamentalement, vous voulez que les onduleurs soient synchronisés les uns avec les autres en termes de fréquence et de phase, et que chacun ait la possibilité de devenir l'onduleur maître et de prendre en charge la charge, au cas où le précédent échouerait pour une raison quelconque. Droit?

Je vais essayer de résoudre ce problème avec toutes les connaissances que j'ai et un peu de bon sens et non en utilisant des circuits intégrés ou des configurations complexes.

Cordialement, Swag

Courriel n ° 3

Salut Swag,

C'est tout dans une coquille de noix, avec une exigence supplémentaire en considération.

Au fur et à mesure que la charge diminue, les onduleurs passent en mode éco ou en veille et lorsque la charge augmente ou augmente, ils se réveillent pour répondre à la demande.

J'adore l'approche avec laquelle vous allez ...

Merci beaucoup votre considération à mon égard est très appréciée.

Namaste

Meilleures salutations

David

La conception

Comme demandé par M. David, les circuits onduleurs empilables 4kva proposés doivent être sous la forme de 4 circuits onduleurs séparés, qui peuvent être empilés de manière appropriée et synchronisés les uns avec les autres pour fournir la bonne quantité de puissance autorégulatrice au raccordé. charges, en fonction de la façon dont ces charges sont activées et désactivées.

METTRE À JOUR:

Après réflexion, j'ai réalisé que la conception n'avait pas besoin d'être trop compliquée, mais qu'elle pouvait plutôt être implémentée en utilisant un concept simple comme indiqué ci-dessous.

Seul l'IC 4017 ainsi que ses diodes, transistors et transformateur associés devront être répétés pour le nombre requis d'onduleurs.

L'oscillateur sera d'une seule pièce et pourra être partagé avec tous les onduleurs en intégrant sa pin3 avec la pin14 de l'IC 4017.

Le circuit de retour doit être ajusté avec précision pour les différents onduleurs, afin que la plage de coupure corresponde exactement à tous les onduleurs.

Les conceptions suivantes et les explications peuvent être ignorées car une version beaucoup plus simple est déjà mise à jour ci-dessus

Synchroniser les onduleurs

Le principal défi ici est de permettre à chacun des onduleurs esclaves d'être synchronisés avec l'onduleur maître tant que l'onduleur maître est opérationnel, et en cas (bien que peu probable) l'onduleur maître tombe en panne ou cesse de fonctionner, l'onduleur suivant prend le relais charge et devient l'onduleur maître lui-même.
Et en cas de défaillance du deuxième inverseur, le troisième inverseur prend la commande et joue le rôle de l'onduleur maître.

En fait, la synchronisation des onduleurs n'est pas difficile. Nous savons que cela peut être facilement réalisé en utilisant des circuits intégrés tels que SG3525, TL494, etc. Cependant, la partie difficile de la conception est de garantir qu'en cas de panne de l'onduleur maître, l'un des autres onduleurs puisse devenir rapidement le maître.

Et cela doit être exécuté sans perdre le contrôle de la fréquence, de la phase et du PWM, même pendant une fraction de seconde, et avec une transition en douceur.

Je sais qu'il peut y avoir de bien meilleures idées, la conception la plus fondamentale pour remplir les critères mentionnés est montrée dans le diagramme suivant:

Dans la figure ci-dessus, nous pouvons voir quelques étapes identiques, où l'onduleur supérieur n ° 1 forme l'onduleur maître tandis que l'onduleur inférieur n ° 2 est l'esclave.

Davantage d'étages sous la forme d'onduleur n ° 3 et d'inverseur n ° 4 sont censés être ajoutés à l'installation de la même manière identique en intégrant ces onduleurs avec leurs étages optocoupleurs individuels, mais l'étage d'amplification optique n'a pas besoin d'être répété.

La conception se compose principalement d'un oscillateur basé sur IC 555 et d'un circuit de bascule IC 4013. L'IC 555 est configuré pour générer des fréquences d'horloge à la fréquence de 100 Hz ou 120 Hz qui sont transmises à l'entrée d'horloge de l'IC 4013, qui le convertit ensuite en 50 Hz ou 60 Hz requis en inversant alternativement ses sorties avec une logique élevée sur la broche n ° 1 et la broche n ° 2.

Ces sorties alternatives sont ensuite utilisées pour activer les dispositifs d'alimentation et le transformateur pour générer le 220V ou le 120V AC prévu.

Maintenant, comme indiqué précédemment, le problème crucial ici est de synchroniser les deux onduleurs afin qu'ils puissent fonctionner exactement de manière synchronisée, en ce qui concerne la fréquence, la phase et le PWM.

Au départ, tous les modules concernés (circuits onduleurs empilables) sont réglés séparément avec des composants exactement identiques afin que leur comportement soit parfaitement au même niveau.

Cependant, même avec les attributs précisément correspondants, on ne peut pas s'attendre à ce que les onduleurs fonctionnent parfaitement en synchronisation à moins qu'ils ne soient liés d'une manière unique.

Ceci est en fait réalisé en intégrant les onduleurs «esclaves» à travers un étage ampli-op / optocoupleur comme indiqué dans la conception ci-dessus.

Initialement, l'onduleur maître n ° 1 est mis en MARCHE, ce qui permet à l'étage d'ampli op 741 d'être alimenté et d'initialiser le suivi de fréquence et de phase de la tension de sortie.

Une fois que cela est lancé, les onduleurs suivants sont tous mis en marche pour ajouter de l'énergie au secteur.

Comme on peut le voir, la sortie opamp est connectée au condensateur de synchronisation de tous les onduleurs esclaves via un optocoupleur qui force les onduleurs esclaves à suivre la fréquence et l'angle de phase de l'onduleur maître.

Cependant, la chose intéressante ici est le facteur de verrouillage de l'ampli-op avec les informations instantanées de phase et de fréquence.

Cela se produit puisque tous les onduleurs délivrent et fonctionnent maintenant à la fréquence et à la phase spécifiées à partir de l'onduleur maître, ce qui implique que si l'un des onduleurs tombe en panne, y compris l'onduleur maître, l'amplificateur opérationnel est capable de suivre et d'injecter rapidement la fréquence instantanée / les informations de phase et obligent les onduleurs existants à fonctionner avec ces spécifications, et l'onduleur à son tour est capable de maintenir les rétroactions à l'étage de l'amplificateur opérationnel pour rendre les transitions transparentes et auto-optimisées.

Par conséquent, nous espérons que l'étage opamp relève le premier défi de garder tous les onduleurs empilables proposés parfaitement synchronisés grâce à un suivi LIVE de la spécification secteur disponible.

Dans la prochaine partie de l'article, nous allons apprendre le étage sinusoïdal PWM synchronisé , qui est la prochaine caractéristique cruciale de la conception discutée ci-dessus.

Dans la partie ci-dessus de cet article, nous avons appris la section principale du circuit onduleur empilable synchronisé 4kva qui expliquait les détails de synchronisation de la conception. Dans cet article, nous étudions comment rendre la conception équivalente à une onde sinusoïdale et garantir une synchronisation correcte des PWM entre les onduleurs concernés.

Synchronisation du signal PWM sinusoïdal sur les onduleurs

Un simple générateur de forme d'onde sinusoïdale équivalente PWM adaptée RMS peut être réalisé en utilisant un IC 555 et un IC 4060, comme illustré dans la figure suivante.

Cette conception peut ensuite être utilisée pour permettre aux onduleurs de produire une forme d'onde équivalente en onde sinusoïdale à leurs sorties et à travers la ligne secteur connectée.

Chacun de ces processeurs PWM serait requis pour chacun des modules onduleurs empilables individuellement.

METTRE À JOUR: Il semble qu'un seul processeur PWM puisse être utilisé en commun pour hacher toutes les bases de transistors, à condition que chaque base MJ3001 se connecte au collecteur BC547 spécifique via une diode 1N4148 individuelle. Cela simplifie dans une large mesure la conception.

Les différentes étapes impliquées dans le circuit du générateur PWM ci-dessus peuvent être comprises à l'aide du point suivant:

Utilisation de l'IC 555 comme générateur PWM

L'IC 555 est configuré comme circuit générateur PWM de base. Pour pouvoir générer des impulsions équivalentes PWM réglables au RMS souhaité, le circuit intégré nécessite des ondes triangulaires rapides à sa broche 7 et un potentiel de référence à sa broche 5 qui détermine le niveau PWM à sa broche de sortie n ° 3

Utilisation de l'IC 4060 comme générateur d'ondes triangulaires

Pour générer les ondes triangulaires, l'IC 555 nécessite des ondes carrées à sa broche n ° 2, qui sont acquises à partir de la puce d'oscillateur IC 4060.

L'IC 4060 détermine la fréquence du PWM, ou simplement le nombre de «piliers» dans chacun des demi-cycles AC.

L'IC 4060 est principalement utilisé pour multiplier le contenu basse fréquence de l'échantillon de la sortie de l'onduleur en une fréquence relativement élevée à partir de sa broche # 7. La fréquence d'échantillonnage garantit essentiellement que le hachage PWM est égal et synchronisé pour tous les modules d'inveteur. C'est la raison principale pour laquelle l'IC 4060 est inclus, sinon un autre IC 555 aurait pu facilement faire le travail à la place.

Le potentiel de référence à la broche n ° 5 de l'IC 555 est acquis à partir d'un suiveur de tension d'ampli-op montré à l'extrême gauche du circuit.

Comme son nom l'indique, cet ampli-op délivre exactement la même amplitude de tension à sa broche n ° 6 qui apparaît à sa broche n ° 3 .... cependant la réplication de la broche n ° 6 de sa broche n ° 3 est bien tamponnée, et est donc plus riche que son pin3, et c'est la raison exacte de l'inclusion de cette étape dans la conception.

Le préréglage de 10 k associé à la broche 3 de cet IC est utilisé pour ajuster le niveau RMS qui finit par régler finement les PWM de sortie de l'IC 555 au niveau RMS souhaité.

Ce RMS est ensuite appliqué aux bases des dispositifs de puissance afin de les forcer à travailler aux niveaux RMS PWM spécifiés, ce qui à son tour amène la sortie AC à acquérir un attribut de type onde sinusoïdale pure via un niveau RMS correct. Ceci peut être encore amélioré en utilisant un filtre LC à travers l'enroulement de sortie de tous les transformateurs.

La partie suivante et finale de ce circuit onduleur synchronisé empilable 4kva détaille la fonction de correction de charge automatique pour permettre aux onduleurs de fournir et de maintenir la puissance correcte sur la ligne d'alimentation de sortie en fonction des variations de charge.

Nous avons jusqu'à présent couvert les deux principales exigences pour le circuit onduleur empilable synchronisé 4kva proposé, qui comprend la synchronisation de la fréquence, de la phase et du PWM sur les onduleurs de sorte que la défaillance de l'un des onduleurs n'ait aucun effet sur le reste en termes des paramètres ci-dessus. .

Étape de correction automatique de la charge

Dans cet article, nous allons essayer de comprendre la fonction de correction automatique de la charge qui peut permettre la mise en marche ou l'arrêt des onduleurs de manière séquentielle en réponse aux conditions de charge variables sur la ligne secteur de sortie.

Un simple comparateur quadruple utilisant LM324 IC peut être utilisé pour implémenter une correction de charge séquentielle automatique comme indiqué dans le schéma suivant:

Dans la figure ci-dessus, nous pouvons voir quatre amplificateurs opérationnels de l'IC LM324 configurés comme quatre comparateurs séparés avec leurs entrées non inverseuses dotées de préréglages individuels, tandis que leurs entrées inverseuses sont toutes référencées avec une tension Zener fixe.

Les préréglages pertinents sont simplement ajustés de telle sorte que les amplificateurs opérationnels produisent des sorties élevées de manière séquentielle dès que la tension du secteur dépasse le seuil prévu ..... et vice versa.

Lorsque cela se produit, les transistors concernés commutent conformément à l'activation de l'amplificateur opérationnel.

Les collecteurs des BJT respectifs sont connectés à la broche n ° 3 de l'IC 741 de l'amplificateur de tension suiveur de tension qui est utilisé dans l'étage du contrôleur PWM, et cela force la sortie de l'amplificateur optique à descendre ou à zéro, ce qui provoque à son tour l'apparition d'une tension nulle. à la broche n ° 5 du PWM IC 555 (comme indiqué dans la partie 2).

Avec la broche n ° 5 de l'IC 555, cette logique zéro est appliquée, force les PWM à devenir plus étroits ou à la valeur minimale, ce qui provoque la quasi-arrêt de la sortie de cet onduleur particulier.

Les actions ci-dessus tentent de stabiliser la sortie à une condition normale antérieure qui oblige à nouveau le PWM à s'élargir et ce tir à la corde ou une commutation constante des amplificateurs opérationnels maintient systématiquement la sortie aussi stable que possible, en réponse à les variations des charges attachées.

Avec cette correction de charge automatique implémentée dans le circuit onduleur empilable 4kva proposé, la conception est presque complète avec toutes les fonctionnalités demandées par l'utilisateur dans la partie 1 de l'article.