Inversor apilable sincronizado de 4kva

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Esta primera parte de la propuesta 4kva sincronizada circuito inversor apilable analiza cómo implementar la sincronización automática crucial en los 4 inversores con respecto a la frecuencia, la fase y el voltaje para mantener los inversores funcionando independientemente entre sí y logrando una salida que esté a la par entre sí.

La idea fue solicitada por el Sr. David. La siguiente conversación por correo electrónico entre él y yo detalla las especificaciones principales del circuito inversor apilable sincronizado de 4kva propuesto.



Correo electrónico # 1

Hola Swagatam,



En primer lugar, quería agradecerle su contribución al mundo en general, la información y, lo que es más importante, su voluntad de compartir su conocimiento para ayudar a otras personas, en mi opinión, es invaluable por muchas razones.

Me gustaría mejorar algunos de los circuitos que ha compartido para que se adapten a mis propios propósitos, desafortunadamente, aunque entiendo lo que está sucediendo en los circuitos, me falta la creatividad y el conocimiento para hacer las modificaciones yo mismo.

Generalmente puedo seguir los circuitos si son pequeños y puedo ver dónde se unen / conectan en esquemas más grandes.

Si se me permite, me gustaría tratar de explicar lo que me gustaría lograr, aunque no me hago ilusiones de que es una persona muy ocupada y no le gustaría perder su valioso tiempo innecesariamente.

El objetivo final sería que me gustaría construir (ensamblar los componentes) de una micro red de energía renovable de múltiples fuentes, utilizando energía solar fotovoltaica, molinos de viento y generadores de biodiésel.

El primer paso son las mejoras del inversor solar fotovoltaico.

Me gustaría usar su circuito inversor de onda sinusoidal pura de 48 voltios capaz de mantener una salida constante de 2kW 230V, debe ser capaz de entregar al menos 3 veces esta salida durante un período muy corto.

La modificación clave que quiero lograr es crear una serie de estos inversores para que funcionen en paralelo y conectados a una barra colectora de CA.

Me gustaría que cada inversor muestreara de forma independiente y constante la barra de bus de CA para determinar la frecuencia, el voltaje y la corriente (carga).

Llamaré a estos inversores unidades esclavas.

La idea de que los módulos de inversión sean 'plug and play'.

El inversor, una vez conectado a la barra de bus de CA, muestrearía / mediría constantemente la frecuencia en la barra de bus de CA y usaría esta información para impulsar la entrada de un 4047 IC de modo que su salida de reloj se pueda adelantar o retardar hasta que clone exactamente la frecuencia en la barra de bus de CA una vez que las dos formas de onda están sincronizadas, el inversor cerrará un contactor o relé que conecta la etapa de salida del inversor a la barra de bus de CA.

En el caso de que la frecuencia en la barra o el voltaje se mueva fuera de una tolerancia predeterminada, el módulo inversor debe abrir el relé o contactor en la etapa de salida desconectando efectivamente la etapa de salida del inversor de la barra de CA para protegerse.

Además, una vez conectadas a la barra de bus de CA, las unidades esclavas se dormirían o al menos la etapa de salida del inversor dormiría mientras la carga en la barra es menor que la suma de todos los inversores esclavos. Imagínese que hay 3 inversores esclavos conectados a la barra de bus de CA, sin embargo, la carga en la barra es de solo 1,8 kW, entonces los otros dos esclavos se dormirían.

Lo recíproco también sería cierto: si la carga en la barra saltara a decir 3kW, uno de los invertidos dormidos se despertaría instantáneamente (ya estaría sincronizado) para suministrar la energía adicional requerida.

Me imagino que algunos condensadores grandes en cada una de las etapas de salida proporcionarían la energía requerida mientras que el inversor tiene un momento muy corto mientras se activa.

Sería preferible (solo en mi opinión) no conectar directamente cada inversor entre sí, sino que sean autónomos de forma independiente.

Quiero tratar de evitar que los microcontroladores o los errores o fallas de las unidades se verifiquen entre sí o que las unidades tengan 'direcciones' en el sistema.

En mi mente, imagino que el primer dispositivo conectado en la barra de bus de CA sería un inversor de referencia muy estable que está constantemente conectado.

Este inversor de referencia proporcionaría la frecuencia y el voltaje que las otras unidades esclavas usarían para generar sus propias salidas respectivas.

Lamentablemente, no entiendo cómo se puede evitar un bucle de retroalimentación en el que cada una de las unidades esclavas podría terminar convirtiéndose en la unidad de referencia.

Más allá del alcance de este correo electrónico, tengo algunos pequeños generadores que me gustaría conectar a la barra colectora de CA sincronizándolos con el inversor de referencia para suministrar energía en caso de que la carga supere la capacidad de salida máxima de CC.

La premisa general es que la carga presentada a la barra colectora de CA determinaría cuántos inversores y, en última instancia, cuántos generadores se conectarían o desconectarían de forma autónoma para satisfacer la demanda, ya que con suerte esto ahorraría energía o al menos no desperdiciaría energía.

El sistema que se construye completamente con varios módulos sería expandible / contraíble, así como robusto / resistente, de modo que si alguna o quizás dos unidades fallaran, el sistema continuaría funcionando, aunque sea a capacidad reducida.

Adjunté un diagrama de bloques y excluí la carga de la batería por el momento.

Planeo cargar el banco de baterías desde el bus de CA y rectificarlo a 48V CC de esta manera puedo cargar desde los generadores o las fuentes de energía renovables, reconozco que esto quizás no sea tan eficiente como usar DC mppt, pero creo que lo que pierdo en eficiencia gano en flexibilidad. Vivo muy lejos de la ciudad o de la red pública.

Como referencia, habría una carga constante mínima en la barra colectora de CA de 2 kW, aunque la carga máxima podría aumentar hasta en 30 kW.

Mi plan es que los primeros 10 a 15kW sean proporcionados por los paneles solares fotovoltaicos y dos molinos de viento de 3kW (pico), los molinos de viento son de CA salvaje rectificada a CC y un banco de baterías de 48 voltios de 1000 Ah. (Que me gustaría evitar agotar / descargar más allá del 30% de su capacidad para asegurar la vida útil de la batería) la demanda de energía restante, poco frecuente y muy intermitente, sería satisfecha por mis generadores.

Esta carga poco frecuente e intermitente proviene de mi taller.

He estado pensando que puede ser prudente construir un banco de condensadores para manejar o recoger la holgura del sistema de cualquier corriente de arranque de carga inductiva, como el motor de mi compresor de aire y mi sierra de mesa.

Pero no estoy seguro en este momento si no existe una forma mejor / más barata.

Sus pensamientos y comentarios serán muy apreciados y valorados. Espero que tenga tiempo para responderme.

Gracias por su tiempo y atención de antemano.

Saludos cordiales, David enviado desde mi dispositivo inalámbrico BlackBerry®

Mi respuesta

Hola David,

He leído su requisito y espero haberlo entendido correctamente.

De los 4 inversores, solo uno tendría su propio generador de frecuencia, mientras que otros funcionarían extrayendo la frecuencia de esta salida principal del inversor y, por lo tanto, todos estarían sincronizados entre sí y con las especificaciones de este inversor maestro.

Intentaré diseñarlo y espero que funcione como se esperaba y según las especificaciones mencionadas, sin embargo, la implementación deberá ser realizada por un experto que sea capaz de comprender el concepto y modificarlo / ajustarlo a la perfección donde sea que esté. requerido ... de lo contrario, tener éxito con este diseño razonablemente complejo podría resultar extremadamente difícil.

Solo puedo presentar el concepto básico y el esquema ... el resto deberá ser realizado por los ingenieros de su lado.

Puede que me lleve algo de tiempo completarlo, ya que ya tengo muchas solicitudes pendientes en la cola ... Les informaré como están publicadas

Saludos cordiales Swag

Correo electrónico # 2

Hola Swagatam,

Muchas gracias por su pronta respuesta.

Eso no es exactamente lo que tenía en mente, pero ciertamente representa una alternativa.

Mi pensamiento era que cada unidad tendría dos subcircuitos de medición de frecuencia, uno que mira la frecuencia en la barra de bus de CA y esta unidad se usa para crear el pulso de reloj para el generador de onda sinusoidal del inversor.

El otro subcircuito de medición de frecuencia observaría la salida del generador de onda sinusoidal del inversor.

Habría un circuito de comparación quizás usando una matriz opamp que retroalimentaría el pulso de reloj del generador de onda sinusoidal del inversor para hacer avanzar la señal del reloj o retardar la señal del reloj hasta que la salida del generador de onda sinusoidal coincida exactamente con la onda sinusoidal en la barra de CA .

Una vez que la frecuencia de la etapa de salida del inversor coincidiera con la frecuencia de la barra de bus de CA, habría un SSR que cerraría la conexión de la etapa de salida del inversor a la barra de CA, preferiblemente en el punto de cruce por cero.

De esta forma, cualquier módulo inversor podría fallar y el sistema seguiría funcionando. el propósito del inversor maestro era que, de todos los módulos inversores, nunca se durmiera y proporcionaría la frecuencia de barras de CA inicial. sin embargo, si fallaba, las otras unidades no se verían afectadas mientras una estuviera 'en línea'

Las unidades esclavas deben apagarse o encenderse a medida que cambia la carga.

Su observación fue correcta. No soy un hombre de 'electrónica'. Soy un ingeniero mecánico y eléctrico. Trabajo con grandes elementos de plantas como enfriadores, generadores y compresores.

A medida que este proyecto avanza y comienza a ser más tangible, ¿estaría dispuesto / dispuesto a aceptar un regalo en dinero? No tengo mucho, pero quizás podría regalar algo de dinero a través de PayPal para ayudar a respaldar los costos de alojamiento de su sitio web.

Gracias de nuevo.

Espero escuchar de usted.

namaste

David

Mi respuesta

Gracias David,

Básicamente, desea que los inversores estén sincronizados entre sí en términos de frecuencia y fase, y también que cada uno tenga la capacidad de convertirse en el inversor maestro y asumir la carga, en caso de que el anterior falle por alguna razón. ¿Correcto?

Intentaré solucionar este problema con cualquier conocimiento que tenga y algo de sentido común, y no empleando circuitos integrados o configuraciones complejas.

Saludos cordiales Swag

Correo electrónico # 3

Hola Swag,

Eso es todo, en pocas palabras, teniendo en cuenta un requisito adicional.

A medida que la carga cae, los inversores entran en modo eco o en espera y, a medida que la carga aumenta o aumenta, se despiertan para satisfacer la demanda.

Me encanta el enfoque con el que vas ...

Muchas gracias, su consideración hacia mí es muy apreciada.

Namaste

Saludos cordiales

David

El diseño

Según lo solicitado por el Sr.David, los circuitos inversores de potencia apilables de 4kva propuestos deben tener la forma de 4 circuitos inversores separados, que se pueden apilar apropiadamente en sincronización entre sí para suministrar la cantidad correcta de energía autorreguladora a los conectados. cargas, dependiendo de cómo se enciendan y apaguen estas cargas.

ACTUALIZAR:

Después de pensarlo un poco, me di cuenta de que el diseño en realidad no necesita ser demasiado complicado, sino que podría implementarse usando un concepto simple como se muestra a continuación.

Solo el IC 4017 junto con sus diodos asociados, transistores y el transformador deberán repetirse para el número requerido de inversores.

El oscilador será de una sola pieza y podrá ser compartido con todos los inversores integrando su pin3 con el pin14 del IC 4017.

El circuito de retroalimentación debe ajustarse con precisión para los inversores individuales, de modo que el rango de corte coincida exactamente con todos los inversores.

Los siguientes diseños y las explicaciones pueden ignorarse ya que una versión mucho más fácil ya está actualizada arriba

Sincronizar los inversores

El principal desafío aquí es permitir que cada uno de los inversores esclavos esté sincronizado con el inversor principal siempre que el inversor principal esté en funcionamiento, y en un caso (aunque poco probable) de que el inversor principal falle o deje de funcionar, el inversor siguiente se hace cargo de la carga y se convierte en el propio inversor maestro.
Y en caso de que el segundo inversor también falle, el tercer inversor toma el mando y desempeña el papel de inversor maestro.

En realidad, sincronizar los inversores no es difícil. Sabemos que se puede hacer fácilmente utilizando circuitos integrados como SG3525, TL494, etc. Sin embargo, la parte difícil del diseño es garantizar que si el inversor maestro falla, uno de los otros inversores pueda convertirse rápidamente en el maestro.

Y esto debe ejecutarse sin perder el control sobre la frecuencia, la fase y PWM ni siquiera por una fracción de segundo, y con una transición suave.

Sé que puede haber ideas mucho mejores, el diseño más fundamental para cumplir con los criterios mencionados se muestra en el siguiente diagrama:

En la figura de arriba podemos ver un par de etapas idénticas, donde el inversor superior # 1 forma el inversor maestro mientras que el inversor inferior # 2 es el esclavo.

Se supone que más etapas en forma de inversor n. ° 3 e inversor n. ° 4 se agregan a la configuración de la misma manera idéntica integrando estos inversores con sus etapas de optoacoplador individuales, pero no es necesario repetir la etapa de opamp.

El diseño consiste principalmente en un oscilador basado en IC 555 y un circuito flip flop IC 4013. El IC 555 está preparado para generar frecuencias de reloj a una velocidad de 100Hz o 120Hz que se alimenta a la entrada de reloj del IC 4013, que luego lo convierte en los 50Hz o 60Hz requeridos cambiando alternativamente sus salidas con lógica alta a través del pin # 1 y pin # 2.

Estas salidas alternas se utilizan para activar los dispositivos de potencia y el transformador para generar los 220 V o 120 V CA previstos.

Ahora, como se discutió anteriormente, el problema crucial aquí es sincronizar los dos inversores para que puedan funcionar exactamente en sincronización, con respecto a la frecuencia, fase y PWM.

Inicialmente, todos los módulos involucrados (circuitos inversores apilables) se ajustan por separado con componentes exactamente idénticos para que su comportamiento esté perfectamente a la par entre sí.

Sin embargo, incluso con los atributos combinados con precisión, no se puede esperar que los inversores funcionen perfectamente sincronizados a menos que estén conectados de alguna manera única.

De hecho, esto se hace integrando los inversores 'esclavos' a través de una etapa opamp / optoacoplador como se indica en el diseño anterior.

Inicialmente, el inversor maestro # 1 se enciende, lo que permite que la etapa opamp 741 se encienda e inicialice el seguimiento de frecuencia y fase del voltaje de salida.

Una vez que esto se inicia, todos los inversores posteriores se encienden para agregar energía a la línea principal.

Como se puede ver, la salida opamp está conectada con el condensador de temporización de todos los inversores esclavos a través de un optoacoplador que obliga a los inversores esclavos a seguir la frecuencia y el ángulo de fase del inversor maestro.

Sin embargo, lo interesante aquí es el factor de enganche del amplificador operacional con la información instantánea de fase y frecuencia.

Esto sucede porque todos los inversores ahora están entregando y funcionando a la frecuencia y fase especificadas desde el inversor maestro, lo que implica que si en caso de que alguno de los inversores falle, incluido el inversor principal, el opamp puede rastrear e inyectar rápidamente la frecuencia instantánea / información de fase y obligar a los inversores existentes a funcionar con estas especificaciones, y el inversor, a su vez, puede mantener las retroalimentaciones en la etapa opamp para que las transiciones sean fluidas y se optimicen automáticamente.

Por lo tanto, es de esperar que la etapa opamp se encargue del primer desafío de mantener todos los inversores apilables propuestos perfectamente sincronizados a través de un seguimiento EN VIVO de la especificación de red disponible.

En la siguiente parte del artículo aprenderemos las etapa de onda sinusoidal PWM sincronizada , que es la siguiente característica crucial del diseño discutido anteriormente.

En la parte anterior de este artículo, aprendimos la sección principal del circuito inversor apilable sincronizado de 4kva que explica los detalles de sincronización del diseño. En este artículo, estudiamos cómo hacer que el diseño sea equivalente a una onda sinusoidal y también garantizar la sincronización correcta de los PWM en los inversores involucrados.

Sincronización de PWM de onda sinusoidal entre los inversores

Se puede hacer un generador de forma de onda sinusoidal equivalente PWM emparejado RMS simple usando un IC 555 e IC 4060, como se muestra en la siguiente figura.

Este diseño se puede utilizar para permitir que los inversores produzcan una forma de onda equivalente a una onda sinusoidal en sus salidas y en la línea de red conectada.

Cada uno de estos procesadores PWM sería necesario para cada uno de los módulos inversores apilables individualmente.

ACTUALIZAR: Parece que se puede usar un solo procesador PWM en común para cortar todas las bases de transistores, siempre que cada base MJ3001 se conecte con el colector BC547 específico a través de un diodo 1N4148 individual. Esto simplifica el diseño en gran medida.

Las diferentes etapas involucradas en el circuito generador PWM anterior se pueden entender con la ayuda del siguiente punto:

Usando IC 555 como generador PWM

El IC 555 está configurado como circuito generador de PWM básico. Para poder generar pulsos equivalentes de PWM ajustable en el RMS deseado, el IC requiere ondas triangulares rápidas en su pin7 y un potencial de referencia en su pin5 que determina el nivel de PWM en su pin de salida # 3

Uso de IC 4060 como generador de ondas triangulares

Para generar las ondas triangulares, el IC 555 requiere ondas cuadradas en su pin # 2, que se adquiere del chip oscilador IC 4060.

El IC 4060 determina la frecuencia del PWM, o simplemente el número de 'pilares' en cada uno de los semiciclos de CA.

El IC 4060 se emplea principalmente para multiplicar el contenido de baja frecuencia de la muestra de la salida del inversor en una frecuencia relativamente alta de su pin # 7. La frecuencia de muestreo básicamente asegura que el corte PWM sea igual y esté sincronizado para todos los módulos inversores. Esta es la razón principal por la que se incluye el IC 4060, de lo contrario, otro IC 555 podría haber hecho el trabajo fácilmente.

El potencial de referencia en el pin # 5 del IC 555 se adquiere de un seguidor de voltaje de amplificador operacional que se muestra en el extremo izquierdo del circuito.

Como su nombre sugiere, este opamp entrega exactamente la misma magnitud de voltaje en su pin # 6 que aparece en su pin # 3 ... sin embargo, la réplica del pin # 6 de su pin # 3 está bien amortiguada y, por lo tanto, es más rica que su calidad pin3, y esa es la razón exacta para incluir esta etapa en el diseño.

El preajuste de 10 k asociado en el pin 3 de este IC se utiliza para ajustar el nivel RMS que finalmente ajusta los PWM de salida del IC 555 al nivel RMS deseado.

Este RMS luego se aplica a las bases de los dispositivos de potencia para forzarlos a trabajar a los niveles PWM RMS especificados, lo que a su vez hace que la CA de salida adquiera un atributo de onda sinusoidal pura a través de un nivel RMS correcto. Esto se puede mejorar aún más empleando un filtro LC en el devanado de salida de todos los transformadores.

La siguiente y última parte de este circuito inversor sincronizado apilable de 4kva detalla la función de corrección de carga automática para permitir que los inversores proporcionen y mantengan la cantidad correcta de vataje a través de la línea de alimentación de salida de acuerdo con la conmutación de cargas variables.

Hasta ahora hemos cubierto los dos requisitos principales para el circuito inversor apilable sincronizado de 4kva propuesto, que incluye sincronización de frecuencia, fase y PWM a través de los inversores para que la falla de cualquiera de los inversores no tenga ningún efecto en el resto en términos de los parámetros anteriores. .

Etapa de corrección de carga automática

En este artículo intentaremos descubrir la función de corrección de carga automática que puede habilitar el encendido o apagado de los inversores secuencialmente en respuesta a las condiciones de carga variables en la línea de salida principal.

Se puede usar un comparador cuádruple simple que usa LM324 IC para implementar una corrección de carga secuencial automática como se indica en el siguiente diagrama:

En la figura anterior podemos ver cuatro amplificadores operacionales del IC LM324 configurados como cuatro comparadores separados con sus entradas no inversoras montadas con presets individuales, mientras que sus entradas inversoras todas referenciadas con un voltaje zener fijo.

Los preajustes relevantes simplemente se ajustan de manera que los amplificadores operacionales produzcan salidas altas en secuencia una vez que la tensión de la red supere el umbral previsto ... y viceversa.

Cuando esto sucede, los transistores relevantes cambian de acuerdo con la activación del opamp.

Los colectores de los respectivos BJT están conectados con el pin # 3 del seguidor de voltaje opamp IC 741 que se emplea en la etapa del controlador PWM, y esto obliga a la salida del opamp a baja o cero, lo que a su vez hace que aparezca un voltaje cero. en el pin # 5 del PWM IC 555 (como se discutió en la Parte 2).

Con el pin # 5 del IC 555 se aplica con esta lógica cero, obliga a los PWM a volverse más estrechos o al valor mínimo, lo que hace que la salida de ese inversor en particular casi se apague.

Las acciones anteriores hacen un intento de estabilizar la salida a una condición normal anterior que nuevamente obliga al PWM a ensancharse y este tira y afloja o un cambio constante de los interruptores de operación manteniendo constantemente la salida lo más estable posible, en respuesta a las variaciones de las cargas adjuntas.

Con esta corrección de carga automática implementada dentro del circuito inversor apilable de 4kva propuesto, casi se completa el diseño con todas las características solicitadas por el usuario en la Parte 1 del artículo.




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