AC/DC w PV MPPT

Dlaczego tak kombinować ? Dlaczego nie chcemy podpiąć agregatu w  złącze agregatu?

1. falownik 3 fazowy Deye, wymaga on agregatu 3 fazowego a mamy 1 fazowy

2. falownik i agregat 3 fazowe ale  nie jest on uznawany gdyż napięcia za AVR za bardzo skaczą albo częstotliwość się nie zgadza, nie jest stabilna, słaby AVR...

3. nie stać nas na agregat inwerterowy (stabilne napięcie i częstotliwość), 3 fazowy, na LPG z rozrusznikiem i jeszcze z ATSem...

4. agregat już działa i ładuje akumulator ale okazuje się że każde urządzenie domowe przeciąża agregat, nie da się wyłączyć bypass-u a chcemy stale obciążać agregat 70% mocy gdyż jest najbardziej ekonomiczna cena 1kWh z litra. Chcemy mieć agregat 1kW by tylko ładował akumulator a tu dom pobiera >2kW i przeciążenie. Agregat musi pokryć zapotrzebowanie i dopiero nadmiar idzie do magazynu, tak działają wszystkie falowniki hybrydowe.

5. nie stać nas na agregat DC, TAK, są takie ale cena... i są mało popularne tj. KS 48V-DC lub nie są fabrycznie DualFuel czyli nici z LPG dla obniżenia kosztów. Nie ładują do 100% więc akumulator w końcu sam się rozbalansuje.

6. nie chcemy bawić się w ładowarki laboratoryjne tj. KPS6020D 60V 20A i większe

Zamieniamy agregat w Panele Fotowoltaiczne !

Rozwiązaniem wydaje się podpięcie mostka prostowniczego i podanie napięcia stałego zamiast paneli fotowoltaicznych. Możemy podawać stałą moc i falownik nie poda nam większego obciążenia. Wydaje się takie proste. Nie jeden już YouTuber pokazał takie rozwiązanie więc za pewne jest to bezpieczne i dobre rozwiązanie, zrobię i Ja.... ale czy na pewno bezpieczne ?

Co może się popsuć ?

1. może przerwać się połączenie w mostku, zaczniemy dostawać tylko jedne połówki

2. może się przebić/wypalić dioda i zachowa się jak zwarcie a więc przepuści AC na kondensator i falownik, ujj, tego bardzo nie chcemy

3. kondensator zacznie robić zwarcie lub będzie się zachowywać jak by go nie było (mała lub zerowa pojemność) co przywróci tętnienia Vpp=325V

Złota proporcja a napięcie wyprostowane.

Tak jak kartka A4 składa do A0 zwiększając rozmiar i zachowuje proporcję 297/210~1.414 czyli pierwiastek z 2ch.
Tak samo wartość maksymalna napięcia jest większa o 1,414 od wartości skutecznej dla pojedynczej fazy.

• Dla agregatu 1 fazowego 230V AC za mostkiem prostowniczym uzyskamy ~325V DC czyli w każdym falowniku pod złączem PV możemy go użyć. Odpadną nam ładowarki MPPT które mają zakres napięć do ok 150VDC.

• Dla agregatu 3 fazowego 400V AC za 3 fazowym mostkiem będzie już ~570V DC a wiele 1 fazowych falowników ma zakres pracy MPPT do 500VDC, więc odpadają, musimy być tutaj ostrożni i sprawdzić parametr maksymalnego napięcia dla paneli. Niektórzy są wstanie zmniejszyć napięcie na AVR lub też na gaźniku by się dopasować ale nie każdy agregat na to pozwoli.

Parametry mostków prostowniczych 4ro diodowych jednofazowych

1. Prąd przewodzenia (I f - Average Forward Current )
   To jest najważniejszy parametr. Mówi, ile amperów może płynąć przez mostek w sposób ciągły (non-stop).
   Problem: Producenci podają ten prąd przy założeniu, że mostek jest przykręcony do wielkiego radiatora. Bez chłodzenia mostek 50A spali się przy 5-8A!
   Rozwiązanie: Wentylator komputerowy to najtańsza metoda skutecznego chłodzenia aktywnego. Termik uchroni przed ewentualnym przegrzaniem.

2. Napięcie wsteczne (V rrm - Repetitive Peak Reverse Voltage)
   To maksymalne napięcie, jakie dioda może wytrzymać, gdy nie przewodzi (blokuje prąd). Jeśli to przekroczysz, nastąpi przebicie i zwarcie (BUM).
   Problem: Dla agregatu 1 fazowego szczyt sinusoidy to 230*1,41≈325V. Do tego dochodzą "szpilki" z agregatu (indukcyjność prądnicy). Gdy jedna para 2ch diod przewodzi to druga para je blokuje o przeciwnym potencjale więc właściwie mamy  ~650V peak-peak.
   Mostek na 400V to ryzyko. Mostek na 600V to absolutne minimum. Standard to 1000V lub 1200V
   Rozwiązanie: warystor po stronie AC zabezpieczy przed pikami, oczywiście bezpiecznik musi być pomiędzy nim a agregatem a sam mostek Vrrm musi mieć na 1kV.

3. Prąd w impulsie ( I fsm - Surge Forward Current)
   To prąd, jaki mostek przeżyje przez bardzo krótki czas (np. 10 milisekund – pół okresu sieci).
   Problem: Jeśli podłączasz mostek do kondensatorów (żeby wygładzić napięcie), to w momencie włączenia pusty kondensator zachowuje się jak ZWARCIE. Prąd skacze wtedy do setek amperów. Mostek musi przeżyć ten "strzał" przy starcie a agregat dostaje też mocne obciążenie.
   Rozwiązanie: Rezystor szeregowo z kondensatorem jako SoftStart 2 sekundowy, po czym "mostkujemy rezystor" by wyciąć go z układu. Montuje go po stronie AC! o czym później.

4. Napięcie przewodzenia ( V f - Forward Voltage)
   To "strata za pracę", jaki płacisz za przepływ prądu. Na każdej diodzie tracisz ok. 0,7V - 1,1V. W mostku prąd płynie zawsze przez dwie diody, więc tracisz ok. 2V.
   Matematyka strat: Jeśli przepływa 20A, a spadek napięcia to 2V, to mostek wydziela ciepło: P=40A×2V=40W

Uwaga, są na rynku mostki pół-sterowane składające się z 2 diod i 2 tyrystory - unikamy, to nie dla nas!.

WYKRES 1: SAM MOSTEK           WYKRES 2: 1 KONDENSATOR     WYKRES 3: 3 KONDENSATORY

  (Brak kondensatora)            (4700 uF)                   (14 100 uF)

  Tętnienia: 100% (325V)         Tętnienia: ~10% (32V)       Tętnienia: ~3% (10V)

   Napięcie (V)                  Napięcie (V)                 Napięcie (V)

      ^                             ^                            ^

  325 |  _   _   _   _          325 |  _   _   _   _         325 |________________

      | / \ / \ / \ / \             | / \ / \ / \ / \        315 |~~~~~~~~~~~~~~~~

  293 |/   V   V   V   V        300 |/   V   V   V   \           |

      |    |   |   |   |            |                            |

      |    |   |   |   |        150 |                            |

      |    |   |   |   |            |                            |

    0 +------------------->       0 +------------------->      0 +------------------->

        (Spada do zera!)             (Nie spada do zera)         (Prawie linia prosta)

Jak dobrać kondensator

Napięcie znamionowe większe niż napięcie pracy 325VDC, następny z typo szeregu to napięcia od 450VDC.
Teraz najważniejszy wątek.... jaka pojemność powinna być by tętnienia Vpp były w okolicy 10%~33V czyli by uzyskać zakres 292-325VDC za kondesatorem a może nawet i 5% by bardziej ustabilizować napięcie DC.
Co gdy przesadzimy z pojemnością ?  Zwiększymy znacznie Power Faktor i będziemy obciążać agregat nie mocą czynną co za skutkuje większym się grzaniem agregatu, jego obciążeniem większym niż zamierzone 70% wg. mocy czynnej, nierówną pracą, większą ilością spalanego paliwa niż zysk.

Warto na początku użyć miernika/licznika energi który wykaże nam PF dzięki któremu ocenimy faktycznie obciążenie agregatu. Najlepiej by PF wynosił 1 czyli Watty ukazane na mierniku pokrywały by się z obciążeniem agregatu.

Złoty środek i wyliczenia.

Moc obciążenia 4500W.
Napięcie szczytowe 230V × √2 = 325V.
Obciążenie po stronie DC 4500W / 300V = 15A
Częstotliwość tętnień po stronie DC to 100Hz (wszystkie dolne połówki są odbite mostkiem na górę)
Pojemność kondensatora C = I / ( Hz * Vpp-tętnień ) = 15A / ( 100Hz * 32Vpp ) = 0,0046875 F = 4.687mF = 4687uF

Na rynku jest 4,7mF=4700uF 450VDC używany 50-150zł a nowe 150-400zł

Zwiększanie ilości kondensatorów będzie stabilizować napięcie DC, zmniejszać tętnienia lecz będzie też pogarszać Power Factor.

Dla 3ch kondensatorów 4.7mF czyli dla 14mF tętnienia wyjdą Vpp = 15A / ( 100Hz * 0.0141 ~ 10.6V czyli 314-325VDC co daje ok 3% tętnień, to już MAX.

Schemat, Dzięki temu od razu wiemy co chcemy osiągnąć.

AC Agregat

    |

    +---[ Bezpiecznik ]---+---[ Rezystor START 50R ]---+---[ MOSTEK (AC) ]---> Neutral Agregatu

        [  wyzwalacz  ]   |                            |

                          | STYKI ROBOCZE STYCZNIKA AC |

                          +---------/   /--------------+

                          |

                          +----[ Warystor 275VAC ]---> Neutral Agregatu

                          |

                          |   STEROWANIE (Cienkie przewody):

                          |

                          +---[ Zasilacz 12V ]---> [ Wentylator na radiatorze mostka]

                          |

                          +---[ Termik 85°C NO na radiatorze mostka]---[ Wyzwalacz bezpiecznika ]---> Neutral Agregatu

Za Mostkiem (Strona DC):

MOSTEK (+) ----+---------+-----------+----[ Dioda Prostownicza ]---> (+) WYJŚCIE -> DC Switch -> PV MPPT Falownika

               |         |           |                            

             [ Kond ]  [ Kond ]  [ Rezystor  ]                    

             [  1   ]  [  2   ]  [ 220kOhm   ]                    

             [      ]  [      ]  [ Safe-Stop ]                    

               |         |           |                            

MOSTEK (-) ----+---------+-----------+------------------------------> (-) WYJŚCIE -> DC Switch -> PV MPPT Falownika

PLAC BUDOWY, CO NIŻEJ TO NIE DOKOŃCZONE, WERSJA ROBOCZA

Zabezpieczenia i plan budowy

Skrótem:

agregat > bezpiecznik A 25A > stycznik 40A 1P  równolegle do >  rezystor 50Ω100W jako softstart dla kondensatorów, szeregowo > mostek prostowniczy diodowy 60-100A 1kV i koniecznie dokręć do starego radiatora komputerowego wraz z termikiem > kondensatory od 1 do 12 mF z podpiętym równolegle rezystorem 200kΩ5W > nadnapięciówka 250VDC która wykrywając że kondensatory się naładowały zmostkuje po stronie AC rezystor softstartowy > DC Switch > MPPT falownika

Po kolei element po elemencie.

• szybki bezpiecznik o charakterystyce A (2-3 × In), natężeniu 25A np. Siemens 5SY4125-5 z wyzwalaczem 5ST3030

Kondensatory gdy się ładują to robią to tak szybko jakby trwało zwarcie. Ograniczymy te ładowanie rezystorem ale musimy mieć na samym początku strażnika w postaci szybkiego bezpiecznika. Tutaj mamy pewność że zadziała już przy 50-75A rozłączając obwód i chroniąc uzwojenia agregatu.

• warystor 275VAC 350VDC 8kA 151J tj. S20K275 

nie pozwoli na przejście żadnych pików napięciowych.

•  rezystor startowy Soft-Start, 50 Ω  / 100 Watt  z radiatorem aluminiowym

szeregowo wpinamy go w obwód by ograniczył prąd ładowania kondensatora,.
Pełni kilka bardzo istotnych ról w tym obwodzie i to na nim skupia się całe bezpieczeństwo systemu.
Płynie prąd około: 230V/50Ω=4,6A
Jaka wydziela się moc ? P=R*I*I = 50  * 4,6 * 4,6 =  1060Watt
Rezystor to 100W... i wytrzyma te 2-3sekundy na ładowanie kondensatora ale gdy będzie trwało zwarcie to ten rezystor się PRZEPALI i jest naszym BEZPIECZNIKIEM ! Bardzo ważną rolę dla nas  wykonuje. Nie uda nam się też pobrać mocy z agregatu z podpiętym  tym rezystorem, musi być "odłączony" na czas normalnej pracy.

Kondensator ładując się będzie zwiększał napięcie do 325VDC co później wykorzystamy do diagnostyki układu i przełączenia się na normalną pracę.
Jeśli się nie naładują to ten rezystor non-stop wpięty w układ się przepali a my mamy zabezpieczenie przed zwarciami.
Jeśli się naładuje to powinniśmy równolegle do rezystora zewrzeć przewód, np. równolegle do rezystora wpiąć stycznik przez który będzie się odbywać normalna praca.

Zamiast rezystora mogła by być wykorzystana lampa halogenowa 300-500W i pięknie przygaśnie gdy kondensatory się naładują a gdyby trwało zwarcie to świeciła by cały czas informując że trwa zwarcie. Mój projekt będzie zamknięty w puszcze elektrycznej więc zostaje z rezystorem.

• Mostek prostowniczy
  Zmienia nam 230VAC na 325VDC ale mamy tętnienia 325V czyli 100 razy na sekundę skaczemy 0V..325V i falowniki mogę tego nie rozpoznać jako napięcia stałego/stabilnego.

• Wentylator na radiatorze lub duży radiator odbierający ciepło od mostka.
  Dodatkowo można go wyposarzyć o termik który jeśli wykryje za wysoką termeraturę to rozłączy cały układ wyzwalaczem bezpiecznika.

• Kondensator

• rezystor Safe-Stop
  równolegle do kondensatorów by rozładował je i nie stanowiły zagrożenia gdy układ przestanie pracować.

• 
  

Jeśli radiator przekroczy 85°C -> Termik rozłącza cewkę Stycznika -> Prąd wraca na Rezystor Startowy po strone AC -> Przy dużym obciążeniu napięcie siądzie (rezystor ogra1niczy prąd), ratując mostek przed spaleniem (lub zadusi agregat, co też jest bezpieczne).

Po wyłączeniu agregatu -> Rezystor rozładowczy (ten 220kOhm) powoli "wysysa" energię z kondensatorów (do bezpiecznego poziomu w ok. 30-60 sekund). Warto ew. zamontować miernik na 400VDC.

To będzie działać w pełni automatycznie. Po podłączeniu wtyczki do agregatu:

Prąd płynie przez Rezystor Startowy -> Mostek -> Kondensatory. Napięcie powoli rośnie (Soft Start). Wentylator rusza.

Jednocześnie prąd zasila Czasówkę. Ona zaczyna odliczać ustawiony czas (np. 3 sekundy).

Po 3 sekundach Czasówka podaje prąd na cewkę Stycznika.

Stycznik "klapie", swoimi grubymi stykami zwiera (omija) Rezystor Startowy.

Pełna moc (32A) płynie teraz przez Stycznik. Układ gotowy do obciążenia.

Lista elementów:

• termik, 85°C NO (Normalnie otwarty) gdy wykryje przegrzanie radiatora z mostka to uruchomi wyzwalacz 5ST3030 głównego Bezpiecznika A25A który rozłączy całkowicie cały układ . KSD301

• wentylator komputerowy z wentylatorem i zasilacz na 230V

• rezystor rozładowujący Safe-Stop 200kOhm / 5 Watt na stałe zamontowany do jednego z rezystorów, równolegle.

• Przekaźnik czasowy tj. Zamel PCM-01, F&F PCU-511 / Przekaźnik Kontroli Napięcia 300VDC

• Stycznik główny, bypass dla rezystora Soft-Startowego, styki robocze na 40-63A.

• 
  

Problemy/pytania

• 
  

• Na wyjściu DC można dać Diodę Prostowniczą 50A jak do spawarki... i mieć pewność ze tylko DC wyjdzie na falownik ale kolejne straty typu 1,2V*20A=24W

• ...