עקרון ויישום של ממיר סולארי

כיום, מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית בסין היא בעיקר מערכת DC, אשר טוענת את האנרגיה החשמלית הנוצרת על ידי הסוללה הסולארית, והסוללה מספקת חשמל ישירות לעומס. לדוגמה, מערכת התאורה הסולארית הביתית בצפון מערב סין ומערכת אספקת החשמל של תחנות מיקרוגל הרחוקות מהרשת הן כולן מערכת DC. מערכת לסוג זה של מערכת ישרה בעלת מבנה פשוט ועלות נמוכה. עם זאת, בשל מתחי DC שונים של עומסים (כגון 12V, 24V, 48V וכו'), קשה להשיג סטנדרטיזציה ותאימות של המערכת, במיוחד עבור חשמל אזרחי, מכיוון שרוב עומסי ה-AC משמשים עם חשמל DC. קשה לספק חשמל לשוק כסחורה. בנוסף, ייצור חשמל פוטו-וולטאית יגיע בסופו של דבר לפעולה המחוברת לרשת, אשר תצטרך לאמץ מודל שוק בוגר. בעתיד, מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות AC יהפכו למיינסטרים של ייצור חשמל פוטו-וולטאית.
הדרישות של מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית עבור אספקת חשמל ממירכת

מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית המשתמשת ביציאת חשמל AC מורכבת מארבעה חלקים: מערך פוטו-וולטאי, בקר טעינה ופריקה, סוללה וממיר (מערכת ייצור חשמל המחוברת לרשת יכולה בדרך כלל לחסוך בסוללה), והממיר הוא הרכיב המרכזי. לפוטו-וולטאי יש דרישות גבוהות יותר עבור ממירים:

1. נדרשת יעילות גבוהה. עקב המחיר הגבוה של תאים סולאריים כיום, על מנת למקסם את השימוש בתאים סולאריים ולשפר את יעילות המערכת, יש צורך לנסות לשפר את יעילות הממיר.

2. נדרשת אמינות גבוהה. כיום, מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות משמשות בעיקר באזורים מרוחקים, ותחנות כוח רבות אינן מפוקחות ומתוחזקות. זה דורש מהממיר מבנה מעגל סביר, בחירת רכיבים קפדנית, ודורש מהממיר להיות בעל פונקציות הגנה שונות, כגון הגנה על קוטביות חיבור DC בכניסה, הגנה על קצר חשמלי ביציאת AC, הגנה על התחממות יתר, הגנה על עומס יתר וכו'.

3. נדרש טווח הסתגלות רחב למתח הכניסה של זרם ישר. מכיוון שמתח ההדקים של הסוללה משתנה עם העומס ועוצמת אור השמש, למרות שלסוללה יש השפעה חשובה על מתח הסוללה, מתח הסוללה משתנה בהתאם לשינוי הקיבולת הנותרת של הסוללה וההתנגדות הפנימית שלה. במיוחד כאשר הסוללה מזדקנת, מתח ההדקים שלה משתנה באופן נרחב. לדוגמה, מתח ההדקים של סוללה 12 וולט יכול לנוע בין 10 וולט ל-16 וולט. זה דורש מהממיר לפעול במתח ישר גדול יותר. יש להבטיח פעולה תקינה בטווח מתח הכניסה ולהבטיח את יציבות מתח המוצא של זרם חילופין.

4. במערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות בעלות קיבולת בינונית וגדולה, הפלט של ספק הכוח של הממיר צריך להיות גל סינוס עם פחות עיוות. הסיבה לכך היא שבמערכות בעלות קיבולת בינונית וגדולה, אם משתמשים בהספק גל מרובע, הפלט יכיל יותר רכיבים הרמוניים, והרמוניות גבוהות יותר ייצרו הפסדים נוספים. מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות רבות עמוסות בציוד תקשורת או מכשור. לציוד יש דרישות גבוהות יותר לאיכות רשת החשמל. כאשר מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות בעלות קיבולת בינונית וגדולה מחוברות לרשת, על מנת למנוע זיהום חשמל עם הרשת הציבורית, הממיר נדרש גם להפיק זרם גל סינוס.

הממיר ממיר זרם ישר לזרם חילופין. אם מתח הזרם הישיר נמוך, הוא מוגבר על ידי שנאי זרם חילופין כדי לקבל מתח ותדר זרם חילופין סטנדרטיים. עבור ממירים בעלי קיבולת גדולה, עקב מתח אפיק DC גבוה, יציאת ה-AC בדרך כלל אינה זקוקה לשנאי כדי להגביר את המתח ל-220V. בממירים בעלי קיבולת בינונית וקטנה, מתח ה-DC נמוך יחסית, כגון 12V. עבור 24V, יש לתכנן מעגל הגברה. ממירים בעלי קיבולת בינונית וקטנה כוללים בדרך כלל מעגלי ממיר Push-Pull, מעגלי ממיר Full-Ghrer ומעגלי ממיר Boost בתדר גבוה. מעגלי Push-Pull מחברים את תקע הניטרלי של שנאי ה-Boost לספק הכוח החיובי, ושני צינורות כוח פועלים לסירוגין, ומוציאים זרם AC, מכיוון שטרנזיסטורי ההספק מחוברים לאדמה משותפת, מעגלי ההנעה והבקרה פשוטים, ומכיוון שלשנאי יש השראות דליפה מסוימת, הוא יכול להגביל את זרם הקצר, ובכך לשפר את אמינות המעגל. החיסרון הוא שניצולת השנאי נמוכה ויכולת ההנעה של עומסים אינדוקטיביים ירודה.
מעגל ממיר הגשר המלא מתגבר על החסרונות של מעגל הדחיפה-משיכה. טרנזיסטור ההספק מתאים את רוחב פולס המוצא, והערך האפקטיבי של מתח AC המוצא משתנה בהתאם. מכיוון שלמעגל יש לולאה חופשית, אפילו עבור עומסים אינדוקטיביים, צורת הגל של מתח המוצא לא תעוות. החיסרון של מעגל זה הוא שטרנזיסטורי ההספק של הזרועות העליונות והתחתונות אינם חולקים את הארקה, ולכן יש להשתמש במעגל הנעה ייעודי או בספק כוח מבודד. בנוסף, על מנת למנוע הולכה משותפת של זרועות הגשר העליונות והתחתונות, יש לתכנן מעגל כך שייכבה ולאחר מכן נדלק, כלומר, יש להגדיר זמן מת, ומבנה המעגל מורכב יותר.

לפלט של מעגל הדחיפה-משיכה ומעגל הגשר המלא יש להוסיף שנאי עלייה מתקדמת. מכיוון ששנאי העלייה מתקדמת גדול בגודלו, בעל יעילות נמוכה ויקר יותר, עם התפתחות טכנולוגיית האלקטרוניקה ומיקרואלקטרוניקה של הספק, נעשה שימוש בטכנולוגיית המרה עלייה מתקדמת בתדר גבוה כדי להשיג הפוכה. היא יכולה להשיג ממיר בעל צפיפות הספק גבוהה. מעגל העלייה המתקדמת של מעגל ממיר זה מאמץ מבנה דחיפה-משיכה, אך תדר העבודה הוא מעל 20 קילו-הרץ. שנאי העלייה מתקדמת מאמץ חומר ליבה מגנטי בתדר גבוה, ולכן הוא קטן בגודלו וקל במשקל. לאחר היפוך בתדר גבוה, הוא מומר לזרם חילופין בתדר גבוה דרך שנאי בתדר גבוה, ולאחר מכן מתקבל זרם ישר במתח גבוה (בדרך כלל מעל 300 וולט) דרך מעגל מסנן מיישר בתדר גבוה, ולאחר מכן הפוך דרך מעגל ממיר תדר חשמל.

בעזרת מבנה מעגל זה, הספק הממיר משתפר משמעותית, אובדן האנרגיה ללא עומס של הממיר מצטמצם בהתאם, והיעילות משתפרת. החיסרון של המעגל הוא שהמעגל מורכב והאמינות נמוכה יותר משני המעגלים הנ"ל.

מעגל בקרה של מעגל ממיר

המעגלים העיקריים של הממירים שהוזכרו לעיל צריכים להיות ממומשים באמצעות מעגל בקרה. באופן כללי, ישנן שתי שיטות בקרה: גל מרובע, גל חיובי וגל חלש. מעגל אספקת החשמל של הממיר עם פלט גל מרובע הוא פשוט, בעל עלות נמוכה, אך בעל יעילות נמוכה ובעל רכיבים הרמוניים גדולים. פלט גל סינוס הוא מגמת הפיתוח של ממירים. עם התפתחות טכנולוגיית המיקרואלקטרוניקה, צצו גם מיקרו-מעבדים עם פונקציות PWM. לכן, טכנולוגיית הממיר לפלט גל סינוס התבגרה.

1. ממירים בעלי פלט גל מרובע משתמשים כיום בעיקר במעגלים משולבים של אפנון רוחב פולס, כגון SG 3 525, TL 494 וכן הלאה. הניסיון הוכיח כי השימוש במעגלים משולבים SG3525 ושימוש ב-FETs להספק כרכיבי הספק ממותגים יכולים להשיג ביצועים גבוהים יחסית ובמחיר גבוה לממירים. מכיוון של-SG3525 יש את היכולת להניע ישירות FETs להספק ויש לו מקור ייחוס פנימי ומגבר תפעולי ופונקציית הגנה מפני תת-מתח, המעגל ההיקפי שלו פשוט מאוד.

2. מעגל משולב בקרת ממיר עם פלט גל סינוס, מעגל הבקרה של הממיר עם פלט גל סינוס יכול להיות נשלט על ידי מיקרו-מעבד, כגון 80 C 196 MC המיוצר על ידי תאגיד INTEL, ומיוצר על ידי חברת Motorola. MP 16 ו-PI C 16 C 73 המיוצרים על ידי חברת MI-CRO CHIP, וכו'. מחשבים בעלי שבב יחיד אלה כוללים גנרטורים מרובים של PWM, ויכולים לכוונן את זרועות הגשר העליונות והעליונות. במהלך זמן המת, השתמשו ב-80 C 196 MC של חברת INTEL כדי לממש את מעגל פלט גל הסינוס, 80 C 196 MC כדי להשלים את יצירת אות גל הסינוס, ולזהות את מתח פלט AC כדי להשיג ייצוב מתח.

בחירת התקני כוח במעגל הראשי של הממיר

בחירת רכיבי הכוח העיקריים שלממירחשוב מאוד. נכון לעכשיו, רכיבי ההספק הנפוצים ביותר כוללים טרנזיסטורי הספק דרלינגטון (BJT), טרנזיסטורי אפקט שדה הספק (MOS-F ET), טרנזיסטורי שער מבודדים (IGB). T) ותיריסטור כיבוי (GTO), וכו'. המכשירים הנפוצים ביותר במערכות מתח נמוך בעלות קיבולת קטנה הם MOS FET, מכיוון של-MOS FET יש ירידת מתח נמוכה יותר במצב פעולה ותדירות מיתוג גבוהה יותר. IG BT משמש בדרך כלל במערכות מתח גבוה ובמערכות בעלות קיבולת גדולה. הסיבה לכך היא שההתנגדות במצב פעולה של MOS FET עולה עם עליית המתח, ו-IG BT תופס יתרון גדול יותר במערכות בעלות קיבולת בינונית, בעוד שבמערכות בעלות קיבולת גבוהה במיוחד (מעל 100 קילוואט), GTO משמשים בדרך כלל כרכיבי הספק.