Transformatorloze omvormers: Belangrijkste voordelen en hoe ze zonne-energie revolutioneren

Soms maakt technologie grote sprongen vooruit voor de gemeenschap. Transformatorloze technologie is een van deze ontwikkelingen. Het biedt nutsbedrijven, onafhankelijke stroomproducenten en integratoren onbeperkte energielevering en verminderde complexiteit. Dit betekent dat de twee meest voorkomende typen commerciële PV-installaties efficiëntere methoden kunnen gebruiken en kosten verlagen.

Transformatorloze omvormers zijn kleiner en lichter dan hun transformator-gebaseerde tegenhangers, wat belangrijke redenen zijn om ze te overwegen.

Lees verder om te ontdekken hoe transformatorloze omvormers werken, de beste circuits daarvoor, installatieoverwegingen en hun voordelen.

Wat is een transformatorloze omvormer?

In plaats van een interne transformator voor energieomzetting, kan een transformatorloze omvormer de spanning verhogen met een gecomputeriseerd multi-stap proces. De elektronische componenten in de omvormer veranderen lagere-frequentie DC-vermogen naar hogere-frequentie AC. Vervolgens converteert het de stroom terug naar DC en tenslotte naar standaard-frequentie AC-spanning.

3 Beste circuits voor transformatorloze omvormers

De drie beste circuitconfiguraties voor transformatorloze omvormers zijn de IC 4047, een 200-watt compact ontwerp, en zonne-omvormercircuits. Ze zijn klein, relatief simpel, en vertrouwen op batterij- of zonne-energie in plaats van een interne transformator.

IC 4047

Fig 4: IC 4047

De IC 4047 is een van de eenvoudigste circuits voor een transformatorloze omvormer. Het vereist geen bootstrapping of speciale driver IC's.

Het is wel twee tot drie keer groter dan vergelijkbare N-kanaal apparaten met verminderde thermische tolerantie en verhoogde stroomspecificaties. Ontwerpers vermijden het daarom voor professionele en commerciële units.

Hoe het werkt

De IC 4047 is een laag-vermogen multivibrator die je kunt gebruiken in zowel astabiele als monostabiele MV-modi. Je kunt externe triggerinvoeren integreren in astabiele modus (ware gating of complementaire gating). In monostabiele modus kun je de IC positieve flank triggeren of negatieve flank triggeren.

De hertriggerbare functie stelt je in staat de uitgangstijd te verlengen tot het benodigde bedrag.

Het heeft ook een ingebouwde oscillator die variabele frequentieopties toestaat met een extern RC-netwerk.

Configuratie

• Voeding: Batterijen gewaardeerd voor 190 V bij volle lading en 160 V bij matige lading
• IC 555: PWM
• Opamp IC: geconfigureerd als comparator met driehoekgolven om de vereiste SPWM's te verwerken
• BJTs buffer schakelaar: ingesteld volgens SPWM-pulsen met lage-zijde MOSFETs geschakeld in hetzelfde patroon
• MOSFETs: gewaardeerd voor 3 kVA transformatorloze omvormer (zoals IRFB4137PBF-ND)
• Ferriet kern: in plaats van zware ijzeren transformator

Frequentietest

Gebruik de volgende formule, met f in Hz, Rt in Ohms, en Ct in Farads:

f = 1 / (1,453 × Rt × Ct)

Je wilt de frequentiebereikuitgang testen met een digitale frequentiemeter tot je de gewenste resultaten krijgt.

Onderdelenlijst

• C1 = 0,1 μF / PPC
• R1 = 56 kΩ
• IC pin 10/11 weerstand = 330 Ω – 2 stuks
• Bovenste P-kanaal MOSFETs = FQP4P40 – 2 stuks
• Ondere N-kanaal MOSFETs = IRF740 = 2 stuks
• MOSFET gate weerstanden = 100 kΩ – 2 stuks
• Optokopplers = 4N25 – 2 stuks
• Zenerdiodes = 12 V, 1/2 watt – 2 stuks

200 Watt Compact Ontwerp

De 200-watt configuratie is simpel en efficiënt, zonder zware transformator. De batterijen die het voeden nemen weinig ruimte in en leveren 110 V AC bij 200 watt.

Hoe het werkt

Het 200 Watt eenvoudige omvormercircuit gebruikt hoge-spanning DC invoerspanning van achttien 12-volt batterijen. De IC heeft een strikte werkspanning van 5-15 volt, wat afkomstig is van één van de 12-volt batterijen.

Configuratie

• Voeding: achttien 12-volt batterijen in serie
• Oscillator: poort N1 (van de IC 4093)
• IC: invoer van één van de 12-volt batterijen, toegepast op relevante IC uitgangen
• Voor echte sinusgolf inversie: gebruik een sinusgolvgenerator in plaats van een invoeroscillator

Onderdelenlijst

• Batterij = 12 V/4 Ah, 18 stuks
• D1 = 1N4148
• NAND IC = 4093
• Q1, Q2 = MPSA92
• Q3 = MJE350
• Q4, Q5 = MJE340
• Q6, Q7 = K1058
• Q8, Q9 = J162

Transformatorloze Zonne-omvormer Circuit

Fig 3: Transformatorloze Zonne-omvormer Circuit Systeem

Een transformatorloze zonne-omvormer circuitontwerp elimineert een transformator door hoge-spannings MOSFETs te gebruiken om zonne-energie te benutten. Een spanningsregelaar kan helpen bij het regelen van stroomfluctuaties op basis van vermogensverlies en -winst door zonlichtfluctuaties.

Hoe het werkt

Transformatorloze zonne-omvormercircuits converteren zonne-energie naar AC-elektriciteit. Ze hebben drie hoofdstadia: de oscillator, uitgang, en energieafleveringsstadia.

Configuratie

• Voeding: zonnepanelen met een open-circuitspanningsbereik van 17 V (schemering) tot 24 V (heldere zon), aangesloten op B1 en B2
• Valweerstand en zenerdiode: beperken tot 15 V zener-spanning
• Spanningsstabilisator: om zonne-uitgangsspanning te regelen tussen zonnige en bewolkte dagen, wat kan variëren van 170 V-260 V
• MOSFETs: N- en P-typen gewaardeerd op 450 V en 5 A
• Oscillator: IC 555
• Uitgang: hoge-spannings MOSFETs

Formules voor R₁, R₂, en C₁

T₁ = 0,7 (R₁ + R₂) C en T₂ = 0,7 R₁ C

Dus

T = 0,7 (R₁ + 2 R₂) C of f = 1,4 / (R₁ + 2 R₂) C

Waarbij

T₁ = hoge periode, T₂ = lage periode, T = totale periode, en f = frequentie

Onderdelenlijst

• B1 en B2 = van zonnepaneel
• C1 = 0,1 μF
• Diodes = 1N4148
• R1 = 6,8 kΩ
• R2 = 140 kΩ
• R3 = 10 kΩ, 10 watt
• R4, R5 = 100 Ω, 1/4 watt
• Z1 = 5,1 V 1 watt

Alternatief kun je een complete H-brug omvormercircuit installeren. Het voordeel is dat je slechts één zonnepaneelindeling nodig hebt voor 220 V uitgang.

Fig 5: Transformatorloze Zonne-omvormer Circuit Systeem

Een transformatorloze zonne-omvormer circuitontwerp elimineert een transformator door hoge-spannings MOSFETs te gebruiken om zonne-energie te benutten. Een spanningsregelaar kan helpen bij het regelen van stroomfluctuaties op basis van vermogensverlies en -winst door zonlichtfluctuaties.

Configuratie

• Voeding: zonnepanelen met een open-circuitspanningsbereik van 17 V (schemering) tot 24 V (heldere zon), aangesloten op B1 en B2
• Valweerstand en zenerdiode: beperken tot 15 V zener-spanning
• Spanningsstabilisator: om zonne-uitgangsspanning te regelen tussen zonnige en bewolkte dagen wat kan variëren van 170 V-260 V
• MOSFETs: N- en P-typen gewaardeerd op 450 V en 5 A
• Oscillator: IC 555
• Uitgang: hoge-spannings MOSFETs

Formules voor R₁, R₂, en C₁

T₁ = 0,7 (R₁ + R₂) C en T₂ = 0,7 R₁ C

Dus

T = 0,7 (R₁ + 2 R₂) C of f = 1,4 / (R₁ + 2 R₂) C

Waarbij

T₁ = hoge periode, T₂ = lage periode, T = totale periode, en f = frequentie

Onderdelenlijst

• B1 en B2 = van zonnepaneel
• C1 = 0,1 μF
• Diodes = 1N4148
• R1 = 6,8 kΩ
• R2 = 140 kΩ
• R3 = 10 kΩ, 10 watt
• R4, R5 = 100 Ω, 1/4 watt
• Z1 = 5,1 V 1 watt

Alternatief kun je een complete H-brug omvormercircuit installeren. Het voordeel is dat je slechts één zonnepaneelindeling nodig hebt voor 220 V uitgang.

Installatieoverwegingen van transformatorloze omvormers

Fig 4: Monteurs die transformatorloze omvormers installeren en testen

Bij traditionele omvormers moet er elk met een enkele of custom-isolerende transformator gekoppeld worden. Het vermogen daalt direct omdat geïsoleerde transformators maximaal 99% efficiënt zijn. Bovendien zijn de grote afmetingen en bereik direct een belemmering. Transformatorloze omvormers zijn direct verbonden met het gebouw of het subpaneel als dat voldoende groot is.

Zonder de zware transformator is het ontwerp lichtgewicht en wendbaar, wat installatieopties vergroot. Het elimineert ook enorme hoeveelheden DC-bedrading en de lengte en kosten van AC-bedrading. Je kunt meerdere parallele omvormers zonder transformatoren koppelen die de directe stroom benutten voor de meest stabiele prestaties.

Verschillen tussen transformator-gebaseerde en transformatorloze omvormers

Het grootste verschil is de transformator zelf. De afwezigheid van een transformator vrijmaakt ruimte voor een schoner, lichter en direct ontwerp. Het maakt het ook efficiënter. Het gecomputeriseerde proces en geüpgrade elektronische componenten vervangen de transformator.

Deze ononderbrekbare stroomvoorzieningen zijn nu gangbaar in datacenteromgevingen met kleinere installaties. Ze zijn beschikbaar in vermogensbereiken van onder 10 kVA tot ongeveer 300 kVA.

Voordelen van het gebruik van een transformatorloze omvormer

Fig 5: Lichtgewicht en compacte transformatorloze omvormer

Transformatorloze omvormers zijn efficiënter dan conventionele en vermijden interne energieverliezen. Het elimineert ook extra componentenkosten door de afwezigheid van een transformator, die bulk en groot is. De transformatorloze versies zijn licht en compact en gebruiken elektronische schakeling in plaats van mechanische.

Transformatorloze omvormers hebben ook minder mechanische ruis en minder warmte van mechanische componenten. Over het algemeen maken deze eigenschappen de bouw goedkoper door geen koelventilatoren, transformatoren en andere grote componenten nodig te hebben.

Conventionele omvormers werken via een enkel PowerPoint. Betekent: prestaties van één component die laag is, verlagen de totale DC-uitgang. Met transformatorloze omvormers kun je ze in twee verschillende richtingen installeren terwijl je DC-uitgang genereert.

Conclusie

Over het algemeen zijn transformatorloze omvormers kosteneffectief vanwege de minder en efficiëntere elektrische componenten. Je hebt verschillende circuitopties, maar het algehele voordeel van transformatorloze modellen is veelzijdigheid. Het gebruik van kleinere, compactere apparaten en elektronica zorgt voor goedkopere productie en kosten voor de consument.

De circuitopties hangen af van het type DC-uitgang dat vereist is. Alternatief geven de transformatorloze componenten het voordeel van snelheid en efficiëntie. Deze technologie ontwikkelt en verbetert zich al decennialen en zal elektronische consumptie in de toekomst revolutioneren.