Автономні інвертори MEAN WELL

У статті наведена коротка інформація про при­значення та особливості інверторів. Детально розглянуто характеристики потужних інверторів компанії Mean Well серії NTN-5K. Інвертори цієї серії дозволяють здійснювати паралельне вклю­чення до 6 пристроїв. що дає можливість сфор­мувати джерело живлення потужністю 30 кВт. На­ведені основні параметри та схеми підключення інверторів..

В. Макаренко

Інвертори напруги від компанії Mean Well пред­ставляють собою окремий клас пристроїв для пере­творення постійної напруги в змінну.

За функціональністю інвертори можна розділити на два типи:

інвертори з модифікованою синусоїдою, які мають відносно низьку вартість, але обмеження за­стосування залежить від типу навантаження.

інвертори з чистою синусоїдою, які дорожчі за перші, але область їх використання майже необме­жена.

Компанія Mean Well виробляє наступні типи ін­верторів:

• 2500 Вт – інвертори з модифікованою си­нусоїдою
• 3000 Вт – інвертори з чистою синусоїдою
• 3000 Вт – інвертори з чистою синусої­дою та можливістю заряджання від мережі або со­нячної батареї.

Модулі забезпечують високу ефективність, функції захисту від КЗ, перевантаження по струму та напрузі. Інвертори Mean Well знаходять широке за­стосування в різних побутових пристроях, при­строях енергозабезпечення, портативному та офіс­ному обладнанні.

Автономний (off grid) – не підключаються до ме­режі, працює виключно всередині однієї замкнутої системи наприклад, будинку або підприємства. Ви­конує функції контролю заряду АКБ і постачання споживачів електроенергією.

Після успішного запуску автономних односпря- мованих перетворювачів постійного струму в змін­ний потужністю 250.3200 Вт серії NTS/NTU, які от­римали схвальні відгуки, для задоволення більш ви­соких вимог до потужності був розроблений автономний інвертор з чистою синусоїдою (True Sine) потужністю 5 кВт з вбудованою функцією зарядки акумуляторів серії NTN-5K .

Інвертори цієї серії – це пристрої “все-в-одно- му”, які інтегрують зарядку від змінного струму, ін­вертування постійного струму в змінний струм та за­рядку від альтернативних джерел енергії. Вони та­кож підтримують зовнішні сонячні панелі та зарядні пристрої з контролерами MPPT*.

* Контролер МРРТ, або мікропроцесорний регу­лятор струму та напруги – пристрій, який використо­вується у гібридних джерелах безперебійного жив­лення і забезпечує ефективну зарядку та контроль параметрів акумуляторів, підключених до сонячних батарей.

Гібридний інвертор є багатофункціональним пристроєм для автономного електропостачання об’єкту з вбудованим зарядним пристроєм з можли­вістю підключення бензинового або дизельного ге­нератора, зовнішньої електричної мережі, АКБ ве­ликої місткості і спільною роботою з альтернативни­ми джерелами живлення.

Гібридне ДБЖ (джерело безперебійного жив­лення) – універсальне інтелектуальне обладнання з можливістю налаштування режимів заряджання аку­муляторних батарей.

Перший режим – сонячна енергія використову­ється як єдине джерело для заряджання акумуля­торних батарей. Гібридний інвертор контролює про­цес заряджання, настроюючи параметри роботи акумуляторів для максимальної ефективності.

Другий режим, де основне джерело заряду АКБ – мережа 220 вольтів. У цьому випадку гібридний ін­вертор працює як класичний ДБЖ, переходячи в ре­жим автономної роботи у разі відключення основного джерела живлення. Переключення на автономний режим живлення від акумулятора відбувається авто­матично.

Третій режим – гібридний, коли інвертор викори­стовує спочатку сонячну енергію для живлення електроустаткування, потім – енергію, накопичену в акумуляторі, потім – мережу 220 В. У випадку, якщо генерація електрики від сонячних панелей немож­лива (наприклад, у темний час доби), а акумулятор повністю розряджений, система автоматично пере­микається на режим роботи від мережі. Гібридний інвертор одночасно з перемиканням електроустат­кування на загальну мережу заряджає акумуляторну батарею.

Отже, гібридний ДБЖ з контролером МРРТ мож­на використовувати у випадках, коли у в офісі або на виробництві не встановлено сонячні панелі. Тут ви­користовується другий режим роботи. Крім того, побутовий сонячний гібридний ДБЖ із МРРТ вста­новлюють у домашніх сонячних електростанціях, підключених до системи “зелений тариф”.

Гібридні інвертори можуть мати декілька моди­фікацій:

• Гібридний (hybrid) інвертор, що працює за принципом джерела безперебійного живлення. Тільки доданий контролер заряду акумуляторів, який дозволяє заряджати їх не тільки від мережі, але і від альтернативного джерела (наприклад, від со­нячних панелей). Коли мережа є, такий інвертор жи­вить споживача від мережі і заряджає акумулятори (як від мережі, так і від сонячних панелей). Коли ме­режа пропадає, інвертор перемикається на живлен­ня навантаження від акумуляторів з їх дозарядом від альтернативного джерела. При критичній розрядці акумуляторів, інвертор відключить живлення спожи­вачів до тих пір, поки не буде відновлена мережа. З гібридних це найпростіші і найдешевші інвертори.

Модифікацією інвертора першої групи є гіб­ридний інвертор з функцією вибору пріоритету AC – DC . У режимі АС він працює як інвертор, описаний вище. При виборі пріоритету DC інвертор починає максимально використовувати енергію альтерна­тивного джерела. Живлення навантаження і заряд батарей йде від альтернативного джерела. Коли по­тужність навантаження починає перевищувати по­тужність альтернативного джерела, починається розряд батарей з їх дозарядом (наприклад, від со­нячних панелей). При критичному розряді інвертор перемикається на живлення споживача від основної мережі, поки не буде відновлений заряд акумулято­рів. Такий режим дозволяє максимально використовувати енергію альтернативного джерела, але вима­гає акумуляторів великої ємності (при циклах глибо­кої розрядки акумуляторів у значно скорочується термін служби). Такі гібридні інвертора стоять не на багато більше інверторів з першої групи, т. к. зазви­чай така функціональність досягається перепрогра- муванням контролера.

3. Найбільш сучасними і просунутими гібридни­ми інверторами є інвертори з функцією “підмішуван­ня”. Так звані line-interactive (що взаємодіє з мережею). Основний плюс такого інвертора – мак­симально використовувати енергію альтернативно­го джерела без розряду батарей, “підмішуючи” її в основну мережу (тобто брати максимум від соняч­них панелей, а решта добирати з мережі). Це дозво­ляє дуже просто реалізувати мету економії електро­енергії. Так само корисною буде функція підтримки мережі: коли потужності основної мережі не виста­чає, інвертор буде компенсувати відсутню частину від акумуляторів. Подібні інвертори мають функцію короткочасного компенсування велике навантажен­ня, коли потужність одночасно береться з основної мережі, альтернативного джерела і акумуляторів. Це необхідно при наявності устаткування з велики­ми стартовими струмами (наприклад, електродви­гун – компресор холодильника, насос, верстат). У такій ситуації інвертор може видавати потужність перевищує номінал в 3 рази, але дуже короткочас­ний термін (2-3 секунди). Дані інвертора є найбільш складними з названих і найдорожчими (при інших рівних умовах).

Наведений поділ інверторів трохи умовний, тому що з гібридного інвертора можна зробити автоном­ний шляхом встановленя додаткових модулів.

При виборі інвертора варто звернути увагу на на­ступні характеристики:

• номінальна потужність – можлива сумарна по­тужність підключених навантажень (Вт або ВА)
• максимальна (пікова) потужність – показує, яке навантаження може короткочасно (протягом за­значеного проміжку часу) забезпечувати інвертор (в Вт або ВА);
• форма вихідного сигналу – параметр визначає якість інвертора: форма вихідного сигналу повинна бути максимально наближена до синусоїди (зазви­чай вказується THD (він же КНС), який не повинен перевищувати 5%
• сила струму зарядного пристрою – визначає якої ємності і як швидко можна зарядити акумулято­ри;

сплячий режим – можливість інвертора переходити в режим зниженого енергоспоживання при від­сутності навантажень.

Плюси і мінуси гібридних інверторів

Плюси гібридного інвертора включають в себе більш високу ефективність, можливість підмішуван­ня енергії від різних джерел, включаючи мережеву енергію і енергію від генераторів. Гібридний інвер­тор з підмішуванням дозволяє оптимізувати спожи­вання енергії, зменшуючи таким чином рахунки за електрику.

Однак у гібридного інвертора є і свої мінуси. За­звичай він коштує дорожче, ніж звичайні інвертори, і може вимагати більш складної схеми підключення. До того ж, трифазний гібридний інвертор, який за­безпечує ще більш ефективне використання енергії, може бути ще дорожче.

Схеми підключення гібридних інверторів

Гібридні Інвертори можуть бути включені в си­стему сонячної енергії різними способами залежно від конкретної конфігурації системи та типу інверто­ра. Ось дві найпоширеніші схеми підключення гіб­ридного інвертора:

• Однофазне підключення

Це найбільш поширений тип підключення для до­машніх систем. У цьому випадку гібридний інвертор підключається безпосередньо до сонячних панелей, акумуляторів та домашньої мережі. Інвертор пере­творює постійний струм від сонячних панелей в змінний струм для використання в домашній мережі і управляє зарядом і розрядом акумуляторів.

• Трифазне підключення

У трифазних системах використовується гібрид­ний інвертор, здатний обробляти енергію від три­фазних джерел. Це з’єднання зазвичай використо­вується у великих або комерційних системах, де на­вантаження розподіляється між трьома фазами. Ін­вертор підключається до кожної фази і контролює потік енергії між сонячними панелями, акумулятора­ми та мережею на кожній фазі.

Розглянемо детально характеристики гібридно­го інвертора NTN-5K (рис. 1).

Рис. 1. Гібридний інвертор NTN-5K

NTN-5K підходить для аварійного живлення все­редині приміщень під час перебоїв в подачі електро­енергії або при відключенні від мережі на відкритому повітрі, наприклад, в домашніх господарствах, офі­сах, складах, транспортних засобах, човнах, відда­лених гірських районах, на будівельних майданчиках і т. д.; здатний живити освітлення, комп’ютери, кон­диціонери, холодильники, фени, аварійні пристрої, електроінструменти і т. д.

Це багатофункціональний пристрій “все в одно­му” (зарядний пристрій змінного струму + інвертор постійного струму для навантаження + паралельне включення декількох виходів змінного струму для збільшення можливого навантаження).

Основні особливості NTN-5K:

• Вбудований потужний зарядний пристрій змінного/постійного струму
• Модульна конструкція з одним модулем по­тужністю 5 кВт, що дозволяє гнучко підключати па­ралельно виходи змінного струму потужністю до 30 кВт (1 + 5 пристроїв) з можливістю гнучкого збіль­шення потужності.
• Корпус висотою 2U, що забезпечує простоту установки і швидку збірку при установці в стандарт­ну 19-дюймову стійку.
• Використовує 3 однофазних виходи змінного струму, які можуть бути об’єднані для отримання по­трібної потужності змінного струму.

Це дозволяє розробникам кінцевих систем швидко створювати малогабаритні системи безпе­ребійного резервного живлення для зберігання енергії, мобільну зарядку, мобільну електростанцію і багато іншого (рис. 2).

Рис. 2. Малогабаритні системи безперебійного резервного живлення

Інші характеристики NTN-5K:

• вбудований зарядний пристрій змінного / по­стійного струму високої потужності до 4520 Вт
• синусоїдальний вихідний сигнал з коефіцієн­том нелінійних спотворень THD < 3%
• миттєва пікова потужність змінного струму до 10 кВт
• до 6 блоків змінного струму можуть бути під­ключені паралельно, що збільшує потужність до 30 кВт (5 + 1 блок)
• використовуються 3 однофазних виходи змін­ного струму NTN-5K, що можуть бути об’єднані для отримання потрібної вихідної потужності
• діапазон робочих температур від -30 до +70 %
• дистанційне керування включенням / вимикан­ням
• захист по входу постійного струму:
• від зворотної полярності
• попередження про низьку напругу і відклю­чення
• перенапруження
• надмірного розряду батареї
• захист по виходу змінного струму від:
• короткого замикання
• перевантаження
• перегріву
• вбудований модуль зв’язку по шинах Modbus або CANbus
• додатково можна придбати інтелектуальні контролери:
• CMU2E (автономний вертикальний монтаж / монтаж на рейку)
• CMU2E-R (установка в стійку)
• габаритні розміри 5 мм
• покриття друкованої плати для основного захи­сту від вологи / пилу / бруду
• сертифікати: CB / TUV / RCM / EAC / CE / UKCA / FCC
• сумісний зі свинцево-кислотними або літієви­ми батареями
• гарантія 5 років.

Структурна схема NTN-5K наведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурна схема NTN-5K

Рис. 4. Панель управління вихідною напругою змінного струму

Гальванічно ізольований інтерфейс Modbus або CANbus дозволяє здійснювати керування інверто­ром від персонального комп’ютера. Здійснювати вмикання і вимикання інвертора можна безпосеред­ньо на панелі управління інвертора (рис. 4).

Зв допомогою перемикачів SW2 можна змінюва­ти величину і частоту вихідної напруги, як показано на рис. 5.

Рис. 5. Управління значеням частоти та значення вихідної напруги інвертора

Перемикачі SW1 дають змогу встановити фазо­вий зсув вихідного сигналу інвертора (рис. 6).

У NTN-5K передбачена функція температурної компенсації для продовження терміну служби свин­цево-кислотних акумуляторів. Діапазон темпера­турної компенсації становить 0…40 %. Датчик тем­ператури акумулятора, що поставляється разом із зарядним пристроєм, може бути підключений до пристрою для температурної компенсації напруги зарядки (рис. 7). Зарядний пристрій працює нор­мально і при відключеному датчику температури.

Рис. 6. Формування фази вихідної напруги змінного струму вибирається за допомогою SW1

Рис. 7. Підключення датчика температури свинцево-кислотних акумуляторів

Функція паралельного підключення виходів інверторів

NTN-5k має вбудовану функцію активного розпо­ділу струму. До 6 пристроїв може бути підключено паралельно для забезпечення більш високої вихід­ної потужності змінного струму, як показано нижче на рис. 8,а. При паралельному підключенні інверто­рів потрібно виконувати наступні вимоги:

інвертори повинні підключатись паралельно за допомогою коротких проводів великого діаметру, а потім підключатися до навантаження

• сумарний вихідний струм не повинен переви­щувати значення, що визначається наступним рів­нянням:

де І _ном1 – номінальний вихідний струм одного ін­вертора, N – кількість інверторів, включених пара­лельно (при N < 6)

На рис. 8,б наведено з’єднання контактів роз’ємів PAR1 / PAR2 при паралельній роботі інвер­торів. Більш детальна інформація про призначення контактів PAR1 / PAR2 наведена в .

Рис. 8. Схема з’єднання інверторів (а) та  контактів PAR1 / PAR2 при паралельному підключенні інверторів

Призначення інших органів управління, контактів роз’ємів та перемикачів наведено в .

У табл. 1 наведені характеристики інверторів різ­них модифікацій.

На рис. 9,а наведена залежність припустимого навантаження від температури навколишнього се­редовища, а на рис. 9,б – залежність вхідної напруги постійного струму від навантаження.

Рис. 9. Залежності припустимого навантаження від температури навколишнього середовища (а) та вхідної напруги постійного струму від навантаження (б)

На рис. 10 наведені трьохступінчасті криві заряду акумуляторів. Такий режим встановлений по замов­чуванню. При необхідності можна перейти на дво­ступінчастий режим заряду .

Рис. 10. Трьохступінчасті криві заряду акумуляторів

Зарядний пристрій NTN-5K забезпечує заряд  свинцево-кислотних акумуляторів (залитих, гелевих і AGM) або літій-іонних.

Більш детальну інформацію по параметри і поря­док інсталяції, про площу поперечного перерізу про­водів для підключення інверторів, про формування адреси кожного інвертора і про інші питання можна знайти в .

Таблиця 1. Параметри інверторів NTN-5K

продовження табл. 1