עיקרון ויישום של מהפך סולארי

כיום, מערכת ייצור החשמל הפוטו-וולטאית של סין היא בעיקר מערכת DC, שנועדה לטעון את האנרגיה החשמלית שנוצרת מהסוללה הסולארית, והסוללה מספקת חשמל ישירות לעומס.לדוגמה, מערכת התאורה הביתית הסולארית בצפון מערב סין ומערכת אספקת החשמל של תחנות המיקרוגל הרחק מהרשת הן כולן מערכת DC.סוג זה של מערכת יש מבנה פשוט ועלות נמוכה.עם זאת, בשל מתחי ה-DC השונים של עומס (כגון 12V, 24V, 48V וכו'), קשה להשיג סטנדרטיזציה ותאימות של המערכת, במיוחד עבור חשמל אזרחי, מכיוון שרוב עומסי ה-AC משמשים בהספק DC .לאספקת החשמל הפוטו-וולטאית קשה לספק חשמל כדי להיכנס לשוק כסחורה.בנוסף, ייצור חשמל פוטו-וולטאי ישיג בסופו של דבר פעולה מחוברת לרשת, אשר חייבת לאמץ מודל שוק בוגר.בעתיד, מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות AC יהפכו לזרם המרכזי של ייצור חשמל פוטו-וולטאי.
הדרישות של מערכת ייצור חשמל פוטו-וולטאית עבור אספקת חשמל מהפך

מערכת הפקת החשמל הפוטו-וולטאית באמצעות פלט מתח AC מורכבת מארבעה חלקים: מערך פוטו-וולטאי, בקר טעינה ופריקה, סוללה ומהפך (מערכת ייצור החשמל המחוברת לרשת יכולה בדרך כלל לחסוך בסוללה), והמהפך הוא המרכיב העיקרי.לפוטו-וולטאים דרישות גבוהות יותר לממירים:

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

2. נדרשת אמינות גבוהה.כיום, מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות משמשות בעיקר באזורים מרוחקים, ותחנות כוח רבות אינן מטופלות ומתוחזקות.הדבר מחייב את המהפך בעל מבנה מעגל סביר, בחירת רכיבים קפדנית, ודורש מהמהפך להיות בעל פונקציות הגנה שונות, כגון הגנה על חיבור קוטביות קלט DC, הגנה מפני קצר חשמלי במוצא AC, התחממות יתר, הגנת עומס יתר וכו'.

3. מתח הכניסה DC נדרש למגוון רחב של הסתגלות.היות ומתח הטרמינל של המצבר משתנה עם העומס ועוצמת אור השמש, למרות שלסוללה יש השפעה חשובה על מתח המצבר, מתח המצבר משתנה עם שינוי הקיבולת הנותרת של המצבר וההתנגדות הפנימית.במיוחד כאשר הסוללה מזדקנת, מתח המסוף שלה משתנה מאוד.לדוגמה, המתח המסוף של סוללת 12V יכול להשתנות בין 10V ל-16V. הדבר מחייב את המהפך לפעול במתח DC גדול יותר ודא פעולה תקינה בטווח מתח הכניסה והבטחת יציבות מתח המוצא AC.

4. במערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות בעלות קיבולת בינונית וגדולה, הפלט של ספק הכוח המהפך צריך להיות גל סינוס עם פחות עיוותים.הסיבה לכך היא שבמערכות בעלות קיבולת בינונית וגדולה, אם נעשה שימוש בכוח גל ריבועי, הפלט יכיל יותר רכיבים הרמוניים, והרמוניות גבוהות יותר ייצרו הפסדים נוספים.מערכות רבות לייצור חשמל פוטו-וולטאיות עמוסות בציוד תקשורת או מכשור.לציוד דרישות גבוהות יותר על איכות רשת החשמל.כאשר מערכות ייצור החשמל הפוטו-וולטאיות בעלות קיבולת בינונית וגדולה מחוברות לרשת, על מנת למנוע זיהום חשמל עם הרשת הציבורית, נדרש המהפך גם להפיק זרם של גלי סינוס.

המהפך ממיר זרם ישר לזרם חילופין.אם מתח הזרם הישר נמוך, הוא מוגבר על ידי שנאי זרם חילופין כדי לקבל מתח ותדר זרם חילופין סטנדרטיים.עבור ממירים בעלי קיבולת גדולה, בשל מתח אוטובוס DC הגבוה, פלט AC בדרך כלל אינו זקוק לשנאי כדי להגביר את המתח ל-220V.בממירים בעלי קיבולת בינונית וקטנה, מתח DC נמוך יחסית, כגון 12V, עבור 24V, יש לתכנן מעגל דחיפה.ממירים בעלי קיבולת בינונית וקטנה כוללים בדרך כלל מעגלי מהפך מסוג push-pull, מעגלי מממיר גשר מלא ומעגלי ממהפך תדר גבוה.מעגלי Push-pull מחברים את התקע הניטראלי של שנאי ה-Boost לאספקת הכוח החיובי, ושני צינורות מתח מתחלפים עבודה, פלט מתח AC, מכיוון שטרנזיסטורי הכוח מחוברים להארקה המשותפת, מעגלי הכונן והבקרה פשוטים, ומשום לשנאי יש השראות דליפה מסוימת, הוא יכול להגביל את זרם הקצר, ובכך לשפר את אמינות המעגל.החיסרון הוא שניצול השנאים נמוך והיכולת להניע עומסים אינדוקטיביים ירודה.
מעגל מהפך הגשר המלא מתגבר על החסרונות של מעגל הדחיפה-משיכה.טרנזיסטור הכוח 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 תתעוות.החיסרון של מעגל זה הוא שטרנזיסטורי הכוח של הזרועות העליונות והתחתונות אינם חולקים את הקרקע, ולכן יש להשתמש במעגל הנעה ייעודי או בספק כוח מבודד.בנוסף, על מנת למנוע את ההולכה המשותפת של זרועות הגשר העליון והתחתון, יש לתכנן מעגל לכיבוי ולאחר מכן להפעיל, כלומר יש לקבוע זמן מת, ומבנה המעגל מסובך יותר.

הפלט של מעגל דחיפה ומעגל גשר מלא חייב להוסיף שנאי עלייה.מכיוון שהשנאי המוגבר הוא גדול בגודלו, נמוך ביעילותו ויקר יותר, עם הפיתוח של טכנולוגיית האלקטרוניקה והמיקרו-אלקטרוניקה, נעשה שימוש בטכנולוגיית המרת שלב-אפ בתדר גבוה כדי להשיג הפוך. זה יכול לממש מהפך בצפיפות הספק גבוהה.מעגל החיזוק בשלב הקדמי של מעגל מהפך זה מאמץ מבנה דחיפה, אך תדר העבודה הוא מעל 20KHz.שנאי הדחיפה מאמץ חומר ליבה מגנטית בתדר גבוה, כך שהוא קטן בגודלו וקל משקל.לאחר היפוך בתדר גבוה, הוא מומר לזרם חילופין בתדר גבוה באמצעות שנאי בתדר גבוה, ולאחר מכן מתקבל זרם ישר במתח גבוה (בדרך כלל מעל 300V) באמצעות מעגל מסנן מיישר בתדר גבוה, ולאחר מכן הופך באמצעות מעגל מהפך תדר חשמל.

עם מבנה מעגל זה, הספק של המהפך משתפר מאוד, אובדן ללא עומס של המהפך מופחת בהתאם, והיעילות משתפרת.החיסרון של המעגל הוא שהמעגל מסובך והאמינות נמוכה משני המעגלים לעיל.

מעגל בקרה של מעגל מהפך

המעגלים העיקריים של הממירים הנ"ל צריכים להתממש כולם על ידי מעגל בקרה.באופן כללי, קיימות שתי שיטות בקרה: גל ריבועי וגל חיובי וחלש.מעגל אספקת החשמל של המהפך עם פלט גל ריבועי הוא פשוט, נמוך בעלות, אך נמוך ביעילות וגדול ברכיבים הרמוניים..תפוקת גלי סינוס היא מגמת הפיתוח של ממירים.עם התפתחות טכנולוגיית המיקרו-אלקטרוניקה, יצאו גם מיקרו-מעבדים עם פונקציות PWM.לכן, טכנולוגיית המהפך עבור פלט גלי סינוס הבשילה.

1. ממירים עם פלט גל ריבועי משתמשים כיום בעיקר במעגלים משולבים של אפנון רוחב דופק, כגון SG 3 525, TL 494 וכן הלאה.התרגול הוכיח שהשימוש במעגלים משולבים SG3525 ושימוש ב-FETs כוח כרכיבי כוח מיתוג יכולים להשיג ביצועים גבוהים יחסית ומחיר ממירי.מכיוון של-SG3525 יש את היכולת להניע ישירות את יכולת ה-FET, ויש לו מקור ייחוס פנימי ופונקציית הגנה על מגבר תפעולי ומתח, כך שהמעגל ההיקפי שלו פשוט מאוד.

2. המעגל המשולב של בקרת המהפך עם פלט גלי סינוס, ניתן לשלוט במעגל הבקרה של המהפך עם פלט גלי סינוס על ידי מיקרו-מעבד, כגון 80 C 196 MC המיוצר על ידי INTEL Corporation, ומיוצר על ידי חברת מוטורולה.MP 16 ו-PI C 16 C 73 מיוצרים על ידי חברת MI-CRO CHIP וכו'. למחשבים עם שבב יחיד אלה יש מספר גנרטורים של PWM, ויכולים להגדיר את זרועות הגשר העליונות והעליונות.במהלך הזמן המת, השתמש ב-80 C 196 MC של חברת INTEL כדי לממש את מעגל הפלט של גלי הסינוס, 80 C 196 MC כדי להשלים את יצירת אות גלי הסינוס, ולזהות את מתח המוצא AC כדי להשיג ייצוב מתח.

בחירת התקני כוח במעגל הראשי של המהפך

הבחירה של מרכיבי הכוח העיקריים שלממיר מתחמאוד חשוב.נכון לעכשיו, רכיבי הכוח הנפוצים ביותר כוללים טרנזיסטורי כוח של דרלינגטון (BJT), טרנזיסטורי אפקט שדה כוח (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 מפל מתח במצב במצב נמוך יותר ויותר. תדירות המיתוג של IG BT היא בדרך כלל משמש במערכות מתח גבוה ובעלות קיבולת גדולה.הסיבה לכך היא שההתנגדות במצב במצב של MOS FET עולה עם עליית המתח, ו-IG BT נמצא במערכות בעלות קיבולת בינונית תופס יתרון גדול יותר, בעוד שבמערכות בעלות קיבולת סופר-גדולה (מעל 100 kVA), משתמשים בדרך כלל ב-GTOs כרכיבי כוח.