Kasdienybėje dažnai susiduriame su poreikiu maitinti buitinę techniką, veikiančią nuo 220 V kintamosios srovės (AC) tinklo, nors turimas energijos šaltinis teikia nuolatinę srovę (DC), pavyzdžiui, automobilio akumuliatorius ar saulės baterijos. Tokiais atvejais nepakeičiamais tampa įtampos keitikliai, dar vadinami inverteriais. Šie elektroniniai prietaisai keičia elektros srovės tipą ar įtampą, leisdami nuolatinę srovę transformuoti į kintamąją, reikalingą daugeliui prietaisų.
Inverteriai yra harmoninių įtampų generatoriai. Nuolatinės srovės šaltinis naudojamas su specialia valdymo grandine, kuri periodiškai keičia poliškumą. Dėl to prietaiso, prie kurio prijungta apkrova, išėjimo kontaktuose atsiranda kintamosios įtampos signalas. Jo dydį (amplitudę) ir dažnį lemia keitiklio grandinė. Valdymo įtaisas (valdiklis) nustato šaltinio perjungimo dažnį ir išėjimo signalo formą, o jo amplitudę lemia grandinės išėjimo pakopos elementai. Jie yra suprojektuoti taip, kad kintamosios srovės grandinės apkrova sunaudotų didžiausią galią.
Valdiklis taip pat naudojamas išėjimo signalui valdyti, o tai pasiekiama valdant impulsų plotį (didinant arba mažinant impulsų plotį). Informacija apie apkrovos išėjimo signalo vertės pokyčius grįžtamojo ryšio grandine perduodama atgal į valdiklį ir naudojama valdymo signalui formuoti, kad būtų palaikomi reikiami parametrai. Šis metodas vadinamas PWM (impulsų pločio moduliacijos) signalu.
Energijos kaupimo sistemų keitiklių tipai ir veikimo principai
Fotovoltinių energijos kaupimo sistemų, apimančių saulės modulius, valdiklius, keitiklius, ličio baterijų buitines baterijas, apkrovas ir kitą įrangą, energijos kaupimo keitikliai gali būti dviejų pagrindinių techninių būdų: nuolatinės srovės (DC) prijungimas ir kintamosios srovės (AC) prijungimas. Saulės modulių ir akumuliatorių jungties tipas gali būti kintamoji arba nuolatinė srovė. Dauguma elektroninių grandinių naudoja nuolatinę srovę: saulės modulis generuoja nuolatinę srovę, o akumuliatorius kaupia nuolatinę srovę, tačiau dauguma prietaisų veikia kintamąja srove.
Nuolatinės srovės (DC) jungties sistemos
Hibridinės saulės inverterinės ir energijos kaupimo sistemos, kuriose nuolatinė energija iš PV modulių per valdiklį kaupiama ličio baterijų banke namams, o tinklas taip pat gali įkrauti akumuliatorių per dvikryptį DC-AC keitiklį, yra DC jungties sistemos. Energijos konvergencijos taškas yra nuolatinės srovės akumuliatoriaus pusėje.
- Veikimo principas: Dienos metu PV energija pirmiausia tiekiama į apkrovą, o tada MPPT valdiklis įkrauna ličio buitinį akumuliatorių, o energijos kaupimo sistema prijungiama prie tinklo, kad perteklinė energija būtų perduodama į tinklą. Naktį akumuliatorius iškraunamas į apkrovą, o energijos trūkumas papildomas iš tinklo. Kai tinklas neveikia, PV energija ir ličio buitinis akumuliatorius tiekiami tik į autonominę apkrovą, o apkrova tinklo gale negali būti naudojama. Kai apkrovos galia yra didesnė už PV galią, tinklas ir PV gali tiekti energiją apkrovai tuo pačiu metu. Kadangi nei PV galia, nei apkrovos galia nėra stabilios, sistema pasikliauja ličio buitiniu akumuliatoriumi, kad subalansuotų sistemos energiją. Be to, sistema taip pat padeda vartotojui nustatyti įkrovimo ir iškrovimo laiką, kad būtų patenkinti vartotojo elektros energijos poreikiai.
- Privalumai:
- Hibridinis keitiklis turi integruotą autonominio įkrovimo funkciją, skirtą pagerinti įkrovimo efektyvumą ir leidžia energijai būti tiekiamos net nutrūkus elektros tiekimui.
- Supaprastina energijos stebėjimą, leidžiant svarbius duomenis patikrinti per keitiklio skydelį arba prijungtus išmaniuosius įrenginius.
- Sumažina nuostolius AC-DC konvertavimo metu. Baterijų įkrovimo efektyvumas yra apie 95-99%, o AC jungtis - 90%.
- Ekonomiški, kompaktiški ir lengvai montuojami, ypač mažos ir vidutinės galios autonominėms sistemoms.
- Labai moduliniai ir prie jų lengva pridėti naujų komponentų ir valdiklių.
- Naudoja aukštos įtampos elementus su mažesniais kabelių dydžiais ir mažesniais nuostoliais.
- Trūkumai:
- Hibridiniai saulės keitikliai netinka esamoms saulės sistemoms atnaujinti.
- Brangesni montuoti didesnės galios sistemose.
- Jei dienos metu sunaudojama daugiau energijos, efektyvumas šiek tiek sumažėja dėl nuolatinės srovės (PV) transformacijos į nuolatinę srovę (akumuliatorius) ir kintamąją srovę.
Kintamosios srovės (AC) jungties sistemos
Sujungta PV + kaupimo sistema, dar žinoma kaip kintamosios srovės modifikuota PV + kaupimo sistema, gali realizuoti tai, kad PV modulių skleidžiama nuolatinė energija yra paverčiama kintamąja energija naudojant prie tinklo prijungtą keitiklį, o tada perteklinė energija paverčiama nuolatine energija ir kaupiama akumuliatoriuje naudojant prie tinklo prijungtą kaupimo keitiklį. Energijos konvergencijos taškas yra kintamosios srovės gale. Ją sudaro fotovoltinė maitinimo sistema ir ličio buitinių akumuliatorių maitinimo sistema. Šios dvi sistemos gali veikti nepriklausomai, netrukdydamos viena kitai, arba gali būti atskirtos nuo tinklo ir suformuotos kaip mikro tinklo sistema.
- Veikimo principas: Fotovoltinę sistemą sudaro fotovoltinis masyvas ir prie tinklo prijungtas keitiklis, o ličio buitinių akumuliatorių sistemą sudaro akumuliatorių blokas ir dvikryptis keitiklis.
- Privalumai:
- AC sistemos yra 100% suderinamos su tinklu, lengvai montuojamos ir plečiamos.
- Tinka sistemų modernizavimui ir yra efektyvesnės dienos metu, esant kintamosios srovės apkrovoms.
- Esamas prie tinklo prijungtas FV sistemas galima transformuoti į energijos kaupimo sistemas su mažomis sąnaudomis.
- Gali tiekti saugią energiją vartotojams, kai elektros tinklas neveikia.
- Suderinama su įvairių gamintojų prie tinklo prijungtomis FV sistemomis.
- Efektyvesnės, kai maitinamos didelėmis kintamosios srovės apkrovomis dienos metu (97% ar daugiau).
- Trūkumai:
- Šiek tiek mažiau efektyvios (90-94%) įkraunant baterijas, palyginti su nuolatinės srovės sistemomis (98%).
- Įkrovimas kintamąja srove yra daug mažiau efektyvus ir brangesnis mažesnėms sistemoms.
- Į akumuliatorių patenkanti energija kintamosios srovės jungimo metu turi būti konvertuojama du kartus, o kai vartotojas pradeda naudoti energiją, ji turi būti konvertuojama dar kartą, todėl sistemoje atsiranda daugiau nuostolių. Dėl to, naudojant akumuliatorinę sistemą, kintamosios srovės jungimo efektyvumas sumažėja iki 85-90%.
Autonominės (Off-grid) saulės ir energijos kaupimo sistemos
Ne tinkle veikiančias saulės ir kaupimo sistemas paprastai sudaro PV moduliai, ličio buitinė baterija, autonominis kaupimo keitiklis, apkrova ir dyzelinis generatorius. Sistema gali realizuoti tiesioginį akumuliatoriaus įkrovimą PV naudojant DC-DC konversiją arba dvikryptį DC-AC konversiją akumuliatoriui įkrauti ir iškrauti. Dienos metu PV energija pirmiausia tiekiama apkrovai, po to įkraunama baterija; naktį baterija iškraunama apkrovai, o kai baterijos energijos nepakanka, dyzelinis generatorius tiekia energiją apkrovai. Jis gali patenkinti kasdienį elektros energijos poreikį vietovėse be tinklo ir gali būti derinamas su dyzeliniais generatoriais, kad būtų tiekiamos apkrovos arba įkraunamos baterijos. Dauguma autonominių energijos kaupimo keitiklių nėra sertifikuoti jungti prie tinklo, net jei sistema turi tinklą, jos negalima prijungti prie tinklo.
Baterijų jungimo metodai: Nuoseklusis ir Lygiagretusis jungimas
Viena iš pagrindinių elektros energijos sąvokų, kurią turime žinoti prieš montuodami saulės baterijas ar, pavyzdžiui, elektrinio paspirtuko baterijas, yra žinoti, kaip sukurti nuoseklųjį arba lygiagretųjį ryšį, kad gautume norimą įtampą ir Ah (ampervalandes). Kiekviena baterija turi tam tikrą įtampą ir Ah. Yra 2V, 6V baterijos, nors dažniausiai izoliuotose saulės instaliacijose ir vieno asmens elektromobiliuose yra 12V akumuliatoriai. Ampervalandės lemia akumuliatoriaus iškrovos talpą. Visoms baterijoms, neatsižvelgiant į jų įtampą ar talpą, būdinga tai, kad jos turi 2 polius: vieną teigiamą (+) ir kitą neigiamą (-).
Baterijų jungimas nuosekliai
Jungiant baterijas nuosekliai, pridedama nuolatinės srovės įtampa, o talpa (Ah) lieka tokia pati. Pavyzdžiui, jei turime dvi 6V 10Ah baterijas ir norime gauti 12V įtampą, turėtume sujungti pirmosios baterijos teigiamą (+) polių su antrosios baterijos neigiamu (-) poliumi. Tokiu būdu pridėtume įtampas (6V + 6V = 12V), o talpa liktų 10Ah. Laisvi lieka tie gnybtai, kuriuos jungsime prie visko, kam reikia naudoti šį akumuliatorių, ar tai būtų inverteris, įkrovos reguliatorius ir pan.
Šis jungimo būdas yra geriausias norint įkrauti baterijas ir sumažinti nuostolius kartu su laidais. Su šia jungtimi užtikrinsite, kad baterijos veiktų nepriekaištingai ir pasieks 100% įkrovos. Be to, sujungimas nuosekliai palengvins geresnį visos sistemos veikimą. Akumuliatorių nuoseklaus jungimo procesas yra labai paprastas:
- Pirmiausia nustatome vienos baterijos teigiamą ir neigiamą gnybtą bei kito akumuliatoriaus neigiamą ir teigiamą gnybtą. Norėdami tinkamai prijungti, turite įdėti baterijas ta pačia kryptimi.
- Antra, mes naudosime vidutinio lankstumo ir atitinkamos sekcijos jungiamąjį laidą, ir vienos baterijos teigiamą gnybtą sujungsime su kitos akumuliatoriaus neigiamu gnybtu.
- Atlikę šią jungtį, atsukame veržles arba varžtus, esančius akumuliatoriuje, įkišame laidą ir prisukame, tada tą patį procesą atliekame priešingame gnybte. Svarbu užtikrinti, kad laidai būtų tinkamai pritvirtinti, kad ateityje išvengtumėte problemų sistemoje.
Baterijų jungimas lygiagrečiai
Jungiant baterijas lygiagrečiai, padidinama bendra talpa (Ah), o įtampa (V) lieka tokia pati. Tarkime, kad turime dvi 6V 10Ah baterijas, bet norime gauti 20Ah talpą, nekeičiant 6V įtampos. Viena vertus, turėtume sujungti kiekvienos baterijos teigiamus (+) polius, o iš kitos - kiekvienos baterijos neigiamus (-) polius. Tai padvigubintų iškrovos laiką, nekeičiant 6 V įtampos.
Tačiau lygiagretaus jungimo yra griežtai nerekomenduojama dėl kelių priežasčių:
- Gamintojai neatsako už gedimus, nes akumuliatorius nėra tinkamai prijungtas, todėl vartotojas yra atsakingas už teisingą šių jungčių atlikimą.
- Akumuliatoriai, net ir perkami tuo pačiu metu ir pradedami nuo to paties pradinio įkrovimo, palaipsniui dekompensuos, nes elektra visada eina trumpiausiu keliu ir ilgainiui išryškės skirtingos tų pačių vidinės varžos, sukuriant skirtumus.
- Tarp baterijų vyksta nuolatinė energijos cirkuliacija, o kai kurios niekada nepasiekia 100% įkrovos, todėl pagreitinamas jų susidėvėjimas.
- Puikioje teorinėje elektros sistemoje lygiagretusis ryšys veiktų be problemų, tačiau realybė kitokia. Vidinės varžos turi būti vienodos, laidų pjūvis ir ilgis taip pat identiški, taip pat kontaktinis paviršius, be kitų faktorių, kurių realybėje nebūna.
Todėl, jei reikia daugiau autonomijos, patariama rinktis didesnes baterijas arba pergalvoti saulės kolektorių įrengimą, kad pasikeitus poreikiams sistema veiktų aukštesne įtampa, o baterijas visada jungti nuosekliai.
12V į 220V keitikliai: techninės savybės ir veikimas
12-220 V įtampos keitikliai naudojami visur, kur reikia prijungti elektros prietaisus, naudojančius standartinę tinklo srovę, prie kintamos įtampos šaltinių, ypač kai tinklo maitinimo nėra. Kompaktiškas 12V 20Ah akumuliatorius gali būti sukurtas sujungiant 3 vnt. 3,7 V 20 Ah baterijas. Toks akumuliatorius įkraunamas įprastu 15-19 V maitinimo šaltiniu, pavyzdžiui, iš nešiojamojo kompiuterio.
Paprasti 12-220 keitikliai yra skirti mažiems energijos poreikiams tenkinti. Reikalavimai išėjimo maitinimo įtampos kokybei ir signalo formai yra nedideli. Jų klasikinėse grandinėse nenaudojami PWM mikrovaldikliai. Iš loginių elementų surinktas flip-flopas generuoja 100 Hz pasikartojimo dažnio elektrinius impulsus. D trigeris naudojamas faziniam signalui sukurti, dalinantis pagrindinio osciliatoriaus dažnį iš 2. Kvadratinių impulsų pavidalo priešfazis signalas generuojamas tiesioginiame ir atvirkštiniame trigerio išėjimuose. Šis signalas per loginių elementų buferinius elementus valdo inverterio išėjimo grandinę, kuri sudaryta iš pagrindinių tranzistorių. Jų galia lemia keitiklių išėjimo galią.
Tranzistoriai gali būti sudėtiniai bipoliniai ir lauko efekto tranzistoriai. Išleidimo arba kolektoriaus grandinės apima pusę transformatoriaus pirminės grandinės. Jo antrinė apvija skirta 220 V išėjimo įtampai. Kadangi trigeris 100 Hz multivibratoriaus dažnį dalina iš 2, išėjimo dažnis bus 50 Hz. Ši vertė reikalinga daugumai buitinės elektros ir radijo įrangos maitinti. Visi grandinės komponentai maitinami iš transporto priemonės akumuliatoriaus su papildomais stabilizavimo ir apsaugos nuo aukšto dažnio trikdžių elementais. Nuo jų apsaugotas ir pats akumuliatorius.
Paprastų keitiklių grandinėse nėra apsaugos ar automatinio valdymo elementų. Išėjimo signalo dažnį lemia į pagrindinio osciliatoriaus grandinę įtraukto kondensatoriaus ir rezistoriaus varžos pasirinkimas. Paprasčiausia apsauga nuo trumpojo jungimo apkrodoje yra automobilio akumuliatoriaus maitinimo grandinės saugiklis. Todėl visada reikėtų turėti atsarginį saugiklių rinkinį.
Galingesniuose šiuolaikiniuose nuolatinės srovės keitikliuose į kintamąją srovę naudojama kitokia grandinė. PWM valdiklis nustato darbo režimą, išėjimo signalo amplitudę ir dažnį. 2000 W keitiklio grandinė (12V+220 V+2000 W) išėjimo pakopose lygiagrečiai sujungia galios aktyviuosius elementus, kad būtų pasiekta reikiama išėjimo galia. Tačiau patikimesnis būdas padidinti galios parametrus yra sujungti kelis nuolatinės ir nuolatinės srovės keitiklius kaip įėjimą į bendrą nuolatinės ir kintamosios srovės (DC/AC) keitiklį, kurio išėjimas naudojamas didelės apkrovos apkrovai prijungti. Kiekvieną DC/DC keitiklį sudaro inverteris su transformatoriaus išėjimu ir tos įtampos lygintuvas. Išėjimo gnybtuose yra maždaug 300 V nuolatinė įtampa. Visi jie išėjime sujungti lygiagrečiai. Iš vieno inverterio sunku gauti daugiau nei 600 W galios. Visą įrenginio grandinę maitina akumuliatoriaus įtampa.
Inverteriai, kaip jie veikia?
Inverterių išėjimo įtampos signalo formos
Vienfazius įtampos keitiklius galima suskirstyti į dvi grupes pagal išėjimo įtampos signalo formą:
- Grynos sinusinės bangos išvestis: aukšto dažnio keitiklis gamina pastovią įtampą, kurios vertė yra artima sinusinio signalo amplitudei. Tilto grandinėje iš šios nuolatinės įtampos impulsų pločio moduliacijos valdikliu ir žemo dažnio filtru išgaunamas komponentas, kuris yra labai artimas sinusoidinei bangos formai. Išėjimo tranzistoriai atsidaro kelis kartus per kiekvieną pusperiodį, kad būtų galima taikyti laike kintantį harmoninį dėsnį. Gryna sinusinė banga reikalinga prietaisams, kurių įėjime yra transformatorius arba variklis.
- Su modifikuota sinusoidine išėjimo bangos forma: daugumoje šiuolaikinių prietaisų galima nustatyti įtampą, kurios forma yra panaši į sinusoidę. Ypač maži reikalavimai keliami gaminiams su komutuojamaisiais maitinimo šaltiniais.
Transformatorių vaidmuo keitikliuose
Įtampos keitikliuose gali būti transformatorių. Inverterių grandinėse jie dalyvauja blokuojančių generatorių, kurie sukuria stačiakampio formos impulsus, veikime. Tokiame osciliatoriuje naudojamas impulsinis transformatorius. Apvijos sujungtos taip, kad būtų sukurtas teigiamas grįžtamasis ryšys, dėl kurio atsiranda slopinami virpesiai. Magnetinė šerdis pagaminta iš lydinio, pasižyminčio dideliu magnetinės juostos pločiu, taip užtikrinant neprisotintą transformatoriaus veikimą. Šiuolaikiniuose inverterių modeliuose transformatoriai veikia išėjimo pakopose. Iš pirminės apvijos centrinio taško išvestas laidas tiekia baterijos maitinimo įtampą juose naudojamų tranzistorių kolektoriams arba išleidimui. Antrinės apvijos apskaičiuojamos naudojant transformacijos koeficientą iki 220 V kintamosios srovės įtampos. Ši vertė naudojama daugumai buitinių vartotojų maitinti.
Energijos kaupimo keitiklių taikymo scenarijai ir rinkos tendencijos
Energijos kaupimo keitikliai atlieka tris pagrindines funkcijas: piko reguliavimą, budėjimo režimo galią ir nepriklausomą galią. Pagal regionus didžiausia paklausa Europoje, ypač Vokietijoje, kur elektros energijos kainos yra aukštos, skatina vartotojus diegti buitinius kaupimo įrenginius. Namų ūkių FV paskirstymo ir kaupimo sistemos gali sumažinti elektros energijos kainą.
JAV ir Japonijoje reikalinga atsarginė energija, o autonominė energija yra būtent tai, ko reikia rinkai, įskaitant tokius regionus kaip Pietų Afrika, kur elektros tiekimo sutrikimai yra dažni. Namų ūkių PV paskirstymo ir kaupimo sistemų taikymas gali sumažinti priklausomybę nuo tinklo ir padidinti elektros energijos tiekimo patikimumą. JAV PV kaupimo sistema yra didesnė ir aprūpinta daugiau akumuliatorių, nes reikia kaupti energiją reaguojant į stichines nelaimes. Nepriklausomas energijos tiekimas yra neatidėliotina rinkos paklausa ir šalyse, kuriose pasaulinėje tiekimo grandinėje yra įtampa, o šalies infrastruktūros nepakanka gyventojams aprūpinti elektra.
Hibridiniai keitikliai, kaip atsarginės energijos šaltiniai, turi apribojimų. Palyginti su specialiais autonominiais akumuliatoriniais keitikliais, hibridiniai keitikliai turi tam tikrų apribojimų, daugiausia ribotą viršįtampių arba maksimalią galią elektros energijos tiekimo sutrikimų atveju. Be to, kai kurie hibridiniai keitikliai neturi arba turi ribotą atsarginės energijos tiekimo galimybę, todėl elektros energijos tiekimo sutrikimo metu galima tiekti tik mažas arba būtinas apkrovas. Tuo tarpu autonominiai keitikliai užtikrina labai didelę viršįtampių ir maksimalią galią ir gali atlaikyti dideles indukcines apkrovas (siurblius, kompresorius, skalbimo mašinas ir elektrinius įrankius).
Šiuo metu pramonėje vis daugiau naudojama PV kaupimo sistemų su nuolatinės srovės jungtimi, siekiant integruoto PV kaupimo dizaino, ypač naujose sistemose, kuriose hibridinius keitiklius lengva ir pigiau įdiegti. Pridedant naujas sistemas, hibridinių keitiklių naudojimas PV energijai kaupti gali sumažinti įrangos sąnaudas ir įrengimo išlaidas, nes kaupimo keitiklis gali pasiekti valdymo ir keitiklio integraciją.
Apsaugos ir aušinimo sistemos keitikliuose
Šiuolaikinėse inverterių grandinėse yra visų rūšių apsauga, įskaitant šiluminę apsaugą. Temperatūros jutikliai montuojami ant išėjimo tranzistorių radiatorių paviršių. Jie generuoja įtampą, kuri priklauso nuo šilumos laipsnio. Slenkstinis įtaisas palygina jį su projektavimo etape nustatyta užduotąja verte ir duoda signalą, kad įrenginys būtų sustabdytas atitinkamu pavojaus signalu. Kiekviena apsaugos rūšis turi savo signalizaciją, dažnai garsinę.
Papildomas priverstinis aušinimas atliekamas naudojant korpuse sumontuotą oro aušintuvą, kuris automatiškai įsijungia pagal atitinkamo šilumos jutiklio komandą. Be to, pats korpusas yra patikimas šilumos radiatorius, nes dažnai pagamintas iš gofruoto metalo.
tags: #kaip #akumuliatoriaus #srove #pakeisti #i #220