Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Sześć prostych kroków aby dobrać izolator cyfrowy dla inwertera do instalacji PV

ghost666 31 Gru 2016 00:55 2736 0
  • Rynek inwerterów dla farm fotowoltaicznych rozwija się bardzo szybko, jak donosi Międzynarodowa Agencja Energii, ale zalecenia są takie, aby systemy rozwijały się jeszcze szybciej, aby sprostać wymaganiom rynkowym. Niestety systemy pracujące z wysokim napięciem wymagają dokładnego doboru elementów - w jednym układzie współegzystują moduły pracujące przy napięciu 1000 Vrms jak i mikrokontrolery zasilane 5 V. Kluczowym aspektem niezawodnego działania takiego urządzenia jest zastosowanie odpowiedniej izolacji pomiędzy wysoko- i niskonapięciowymi sekcjami inwertera. Dobór odpowiednich izolatorów galwanicznych jest tutaj kluczowym krokiem. Poniższy artykuł ma za zadanie doradzić jak w prosty i szybki sposób dobrać taki element do projektowanego inwertera.

    Na rysunku 1 pokazano uproszczony schemat blokowy beztransformatorowego systemu konwersji napięcia dla systemu PV podłączonego do sieci przesyłowej. W instalacji takiej energia słoneczna konwertowana jest na prąd elektryczny przed moduły fotowoltaiczne, a następnie konwertowana przez przetwornicę DC/DC i kolejno DC/AC. Stopień oparty na przetwornicy DC/DC zaimplementowaną ma kontrolę z śledzeniem punktu maksymalnej mocy modułów PV, a stopień DC/AC pozwala na podłączenie instalacji do sieci przesyłowej napięcia przemiennego

    Sześć prostych kroków aby dobrać izolator cyfrowy dla inwertera do instalacji PV
    Rys.1. Uproszczony schemat blokowy typowego systemu konwersji prądu dla instalacji PV.


    Moduł kontrolny przetwarza sygnały zwrotne z sensorów prądu i napięcia, oraz zapewnia odpowiednią sekwencję i częstotliwość sygnałów kontrolnych w postaci przebiegu o zmiennym wypełnieniu (PWM). Sygnały te sterują izolowanymi bramkami w tranzystorach IGBT lub MOSFET, które bezpośrednio kontrolują prąd i napięcie wyjściowe z układu. W pierwszym stopniu układu kontrola napięcia i prądu ma za zadanie śledzenie maksymalnego punktu mocy modułów PV, a w drugim synchronizację z przebiegiem w sieci. Moduł kontrolny wyposażony jest ponadto w interfejsy komunikacyjne, np. RS-485, CAN czy przemysłowe wersje Ethernetu.

    Część z wyprowadzeń modułu kontrolnego ma wyprowadzenia dostępne dla operatora: interfejsy komunikacyjne, przyciski etc. Krytycznie istotne jest odpowiednie izolowanie tego modułu od wysokiego napięcia w pozostałej części układu, aby zapewnić użytkownikowi bezpieczeństwo. W tym celu używa się izolowanych sterowników bramek, izolowanych wzmacniaczy napięciowych oraz sensorów prądu z izolacją galwaniczną. Na rysunku 1 oznaczona jest część układu dostępna dla operatora wraz z miejscami izolacji. Z kolei na rysunku 2 pokazano jak do układu wprowadzić można dodatkową izolację galwaniczną pomiędzy modułem kontrolnym a interfejsami komunikacyjnymi najbardziej narażonymi na kontakt z operatorem.





    Sześć prostych kroków aby dobrać izolator cyfrowy dla inwertera do instalacji PV
    Rys.2. Schemat blokowy systemu z rysunku 1 z dodatkową izolacją galwaniczną.


    Norma IEC 62109-1 dotyczy m.in. izolacji w przetwornicach mocy. Standard ten definiuje minimalne wymagania co do projektów i realizacji systemów przetwarzania mocy. Norma definiuje też zabezpieczenia co do bezpieczeństwa pożarowego, energetycznego, wytrzymałości mechanicznej etc. Jak zatem dobrać odpowiednią izolację galwaniczną, aby spełnić normę IEC62109-1? Wystarczy przejść poniższe sześć kroków!

    Krok 1: Zidentyfikuj izolatory obecne w systemie i funkcje każdego z nich. Oceń czy dany odcinek wymaga izolacji zwykłej czy wzmocnionej. Izolacja tego drugiego rodzaju może być zrealizowana poprzez zastosowanie odpowiednio mocniejszego izolatora lub dwóch słabszych połączonych szeregowo. Na rysunku 1 izolacji wzmocnionej potrzebują sterowniki bramek i izolowane moduły pomiaru prądu i napięcia.

    Krok 2: Oceń napięcia w systemie. W przetwornicach w instalacjach PV napięcia mierzone są względem ziemi: osobno w obwodzie modułów PV, a osobno w części połączonej z siecią. Napięcia w tej drugiej części mogą wynosić do 400 Vrms. To, w połączeniu z zapisami normy IEC oznacza, że w obwodach tych trzeba wykorzystywać izolację dla napięć 480 Vrms.

    Krok 3: Oceń jakie najwyższe chwilowe napięcia mogą wystąpić na każdym z izolatorów, zgodnie ze standardami normy IEC62109-1. Napięcia tych impulsów oceniane są na podstawie zasad zawartych w normie i napięcia w systemie. Ma to istotne implikacje, szczególnie dla miejsc o wzmocnionej izolacji galwanicznej: o ile dla zwykłych izolatorów wystarczy używanie izolacji o stopień wyższej, to w przypadku izolatorów wzmocnionych konieczne jest zastosowanie układów na podwojone napięcie chwilowe.

    Krok 4: Oszacuj jakie odległości pomiędzy elementami konieczne są w układzie, aby nie zapalały się w układzie łuki elektryczne. Zgodnie z normą do tych szacunków używa się napięcia chwilowego w układzie, jako że jest ono najwyższe.

    Krok 5: Określ napięcie pracy (szczytowe i RMS) w oparciu o realne warunki pracy poszczególnych izolatorów. Napięcia te zależą od wielu czynników - napięcia zasilania układów, konfiguracji systemu i topologii pracy. Na przykład w przetwornicy DC/AC zależy to od stopnia modulacji przebiegu - im wyższy tym wyższe napięcie. W najgorszym przypadku, jako maksymalne napięcie założyć można najwyższe napięcie DC obecne w systemie.

    Krok 6: Finalnie oszacować należy odległości 'pełznięcia' napięcia poprzez przewodniki w systemie (ang. creepage). Sposoby wyznaczania tej odległości opisane także są w normie; szacowana jest ona na podstawie napięcia układu, materiału płytki drukowanej itp.

    Dobierając izolator do układu warto upewnić się, że spełnia on wymagane parametry co do:
    * chwilowego napięcia maksymalnego
    * ciągłego napięcia maksymalnego
    * napięcia pracy
    * odległości pomiędzy wyprowadzeniami - tak w linii prostej, przez powietrze (clearance), jak i po linii najmniejszego oporu (creepage).

    Jeśli układ spełni te wymagania jak i warunki stawiane w opisanych wyżej 6 krokach, to możemy mieć pewność, że będzie on poprawnie pracował w projektowanym urządzeniu.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/analogwire/archive/2016/12/29/six-easy-steps-to-select-the-right-digital-isolator-for-solar-inverter-applications


    Fajne!