Onduleurs sans transformateur : avantages clés et révolution dans l'énergie solaire

Parfois, la technologie peut faire des bonds de géant pour la communauté collective. La technologie sans transformateur est l'un de ces développements. Elle offre aux services publics, producteurs d'énergie indépendants et intégrateurs une livraison de puissance illimitée et une complexité réduite. Cela signifie que les deux types les plus courants d'installations PV commerciales peuvent utiliser des méthodes plus efficaces et réduire les coûts.

Les onduleurs sans transformateur sont plus petits et plus légers que leurs homologues à transformateur, ce qui peut être des raisons majeures pour les considérer.

Lisez la suite pour découvrir comment fonctionnent les onduleurs sans transformateur, les meilleurs circuits pour eux, les considérations d'installation, et leurs avantages.

Qu'est-ce qu'un onduleur sans transformateur ?

Un onduleur de puissance convertit l'électricité courant continu (DC) à basse tension en électricité courant alternatif (AC) à haute tension, que les appareils utilisent.

Au lieu d'avoir besoin d'un transformateur interne pour convertir l'énergie, un onduleur sans transformateur peut augmenter la tension en utilisant un processus informatisé à plusieurs étapes. Les composants électroniques à l'intérieur de l'onduleur changent la puissance DC à basse fréquence en AC à haute fréquence. Puis il convertit la puissance à nouveau en DC et finalement en tension AC à fréquence standard.

3 Meilleurs circuits pour onduleurs sans transformateur

Les trois meilleures configurations de circuit pour les onduleurs sans transformateur sont l'IC 4047, un design compact 200 watts, et les circuits d'onduleur solaire. Ils sont petits, relativement simples, et reposent sur une batterie ou l'énergie solaire plutôt qu'un transformateur interne.

IC 4047

Fig 4 : IC 4047

L'IC 4047 est l'un des circuits les plus simples que vous pouvez utiliser pour un onduleur sans transformateur. Il ne nécessite pas de bootstrap ou de drivers IC spéciaux.

Cependant, il est deux à trois fois plus grand que des dispositifs N-channel similaires avec une tolérance thermique diminuée et des spécifications de courant augmentées. Ainsi, les concepteurs l'évitent pour les unités professionnelles et commerciales.

Comment ça marche

L'IC 4047 est un multi-vibrateur à faible puissance que vous pouvez utiliser en mode astable ou monostable MV. Vous pouvez intégrer des entrées de déclenchement externes en mode astable (vrai gating ou gating complémentaire). En mode monostable, vous pouvez déclencher l'IC par front montant ou front descendant.

Sa fonction re-déclenchable vous permet d'étendre la temporisation de sortie à la quantité dont vous avez besoin.

Il a aussi un oscillateur intégré qui permet des options de fréquence variable avec un réseau RC externe.

Configuration

• Alimentation : Batteries nominales 190V quand complètement chargées et 160V quand modérément chargées
• IC 555 : PWM
• Ampli-op IC : configuré comme un comparateur avec ondes triangulaires pour traiter les SPWM requis
• Commutateur tampon BJT : réglé selon les impulsions SPWM avec MOSFETs côté bas commutés au même motif
• MOSFETs : doivent être dimensionnés pour gérer un onduleur sans transformateur 3kva (tel que IRFB4137PBF-ND)
• Noyau en ferrite : au lieu d'un transformateur en fer lourd

Test de fréquence

Utilisez la formule suivante, mesurant f en Hz, Rt en Ohms, et Ct en Farads :

f = 1/1,453 x Rt x Ct

Vous voudrez tester la plage de fréquence de sortie avec un fréquencemètre numérique jusqu'à obtenir les résultats désirés.

Liste des pièces

• C1 = 0,1uF / PPC
• R1 = 56k
• Résistance broche IC 10 /11 = 330 ohms – 2pcs
• MOSFETs canal P supérieurs = FQP4P40 – 2pcs
• MOSFETs canal N inférieurs = IRF740 = 2pcs
• Résistances de grille MOSFET = 100k – 2pcs
• Optocoupleurs = 4N25 – 2 pcs
• Diodes Zener = 12V, 1/2 watt – 2 pcs

Design compact 200 Watts

La configuration 200 watts est simple et efficace, ne nécessitant pas de transformateur lourd. Les batteries qui l'alimentent ne prennent pas beaucoup d'espace et sortent 110 V AC à 200 watts.

Comment ça marche

Le circuit onduleur simple 200 Watts utilise une tension d'entrée DC haute tension depuis dix-huit batteries 12 volts. L'IC a besoin d'une tension de fonctionnement stricte de 5-15 volts, qui vient d'une des batteries 12 volts.

Configuration

• Alimentation : dix-huit batteries 12 volts en série
• Oscillateur : grille N1 (de l'IC 4093)
• IC : entrée depuis une des batteries 12 volts, appliquée aux sorties IC pertinentes
• Pour une vraie inversion d'onde sinusoïdale : utilisez un générateur d'onde sinusoïdale au lieu d'un oscillateur d'entrée

Liste des pièces

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

Circuit onduleur solaire sans transformateur

Fig 3 : Système de circuit onduleur solaire sans transformateur

Une conception de circuit onduleur solaire sans transformateur élimine un transformateur en utilisant des MOSFETs haute tension pour exploiter l'énergie solaire. Un régulateur de tension peut aider à réguler les fluctuations de puissance basées sur la perte et le gain de puissance dus aux fluctuations de lumière solaire.

Comment ça marche

Les circuits onduleurs solaires sans transformateur convertissent l'énergie solaire en électricité AC. Ils ont trois étapes principales : l'oscillateur, la sortie, et les étapes de livraison de puissance.

Configuration

• Alimentation : panneaux solaires avec une plage de tension à circuit ouvert de 17V (crépuscule) à 24V (plein soleil), alimentés en B1 et B2
• Résistance de chute et diode Zener : limitent à 15V tension Zener
• Stabilisateur de tension : pour réguler la tension de sortie solaire entre jours ensoleillés et nuageux, qui pourrait aller de 170V-260V
• Mosfets : types N et P dimensionnés à 450V et 5 ampères
• Oscillateur : IC 555
• Sortie : MOSFETs de puissance haute tension

Formules pour R₁, R₂, et C₁

T₁=0,7(R₁+R₂)C et T₂=0,7R₁C

donc

T=0,7(R₁+2R₂)C ou f=1,4/(R₁+2R₂)C

où

T₁ = période haute, T₂ = période basse, T = période totale, et f = fréquence

Liste des pièces

• B1 et B2 = depuis panneau solaire
• C1 = 0,1uF
• Diodes = sont 1N4148
• R1 = 6K8
• R2 = 140K
• R3 = 10K, 10 watts,
• R4, R5 = 100 Ohms, 1/4 watt
• Z1 = 5,1V 1 watt

Alternativement, vous pouvez installer un circuit onduleur en pont H complet. L'avantage de ceci est que vous n'aurez besoin d'installer qu'un seul arrangement de panneau solaire pour avoir une sortie 220V.

Fig 5 : Système de circuit onduleur solaire sans transformateur

Une conception de circuit onduleur solaire sans transformateur élimine un transformateur en utilisant des MOSFETs haute tension pour exploiter l'énergie solaire. Un régulateur de tension peut aider à réguler les fluctuations de puissance basées sur la perte et le gain de puissance dus aux fluctuations de lumière solaire.

Configuration

• Alimentation : panneaux solaires avec une plage de tension à circuit ouvert de 17V (crépuscule) à 24V (plein soleil), alimentés en B1 et B2
• Résistance de chute et diode Zener : limitent à 15V tension Zener
• Stabilisateur de tension : pour réguler la tension de sortie solaire entre jours ensoleillés et nuageux qui pourrait aller de 170V-260V
• Mosfets : types N et P dimensionnés à 450V et 5 ampères
• Oscillateur : IC 555
• Sortie : MOSFETs de puissance haute tension

Formules pour R₁, R₂, et C₁

T₁=0,7(R₁+R₂)C et T₂=0,7R₁C

donc

T=0,7(R₁+2R₂)C ou f=1,4/(R₁+2R₂)C

où

T₁ = période haute, T₂ = période basse, T = période totale, et f = fréquence

Liste des pièces

• B1 et B2 = depuis panneau solaire
• C1 = 0,1uF
• Diodes = sont 1N4148
• R1 = 6K8
• R2 = 140K
• R3 = 10K, 10 watts,
• R4, R5 = 100 Ohms, 1/4 watt
• Z1 = 5,1V 1 watt

Alternativement, vous pouvez installer un circuit onduleur en pont H complet. L'avantage est que vous n'aurez besoin d'installer qu'un seul arrangement de panneau solaire pour avoir une sortie 220V.

Considérations d'installation des onduleurs sans transformateur

Fig 4 : Ouvriers qui installent et testent les onduleurs sans transformateur

L'utilisation d'onduleurs traditionnels signifie que chacun doit s'associer avec un transformateur isolant unique ou personnalisé. La puissance réduit immédiatement puisque les transformateurs isolés sont au maximum 99% efficaces. De plus, la taille encombrante et la limite de gamme gênent immédiatement. Les onduleurs sans transformateur sont reliés directement au bâtiment ou au sous-tableau s'il est de taille suffisante.

Sans le transformateur lourd, le design est léger et manœuvrable, augmentant les options d'installation. J'éliminerais aussi les quantités massives de câblage DC et la longueur et le coût du câblage AC. Vous pouvez connecter plusieurs onduleurs parallèles sans transformateurs en utilisant l'alimentation directe pour une performance plus stable.

Différences entre onduleurs à transformateur et sans transformateur

La différence majeure entre les onduleurs sans transformateur et les onduleurs traditionnels est le transformateur lui-même. L'absence de transformateur libère l'espace pour un design plus propre, plus léger et plus direct. Cela le rend aussi plus efficace. Le processus informatisé et les composants électriques améliorés substituent un transformateur.

Ces alimentations sans interruption sont maintenant courantes dans les environnements de centres de données avec des installations plus petites. Elles sont disponibles dans une gamme de puissances nominales de moins de 10 kVA à environ 300 kVA.

Avantages de l'utilisation d'un onduleur sans transformateur

Fig 5 : Onduleur sans transformateur léger et compact

Les onduleurs sans transformateur sont plus efficaces que les conventionnels et capables d'éviter les pertes d'énergie internes. Cela élimine aussi les coûts de composants supplémentaires dus à l'absence de transformateur, qui est encombrant et grand. Les versions sans transformateur sont légères et compactes et utilisent la commutation électronique plutôt que mécanique.

Les onduleurs sans transformateur ont aussi moins de bruit mécanique et moins de chaleur des composants mécaniques. Dans l'ensemble, ces propriétés rendent la construction moins chère en n'ayant pas besoin de ventilateurs de refroidissement, transformateurs, et autres composants encombrants.

Les onduleurs conventionnels fonctionnent via un seul Point de Puissance. Signifiant, la performance pour un composant qui est bas abaissera la sortie DC globale. Avec les onduleurs sans transformateur, vous pouvez les installer dans deux directions différentes tout en générant une sortie DC.

Conclusion

Dans l'ensemble, les onduleurs sans transformateur sont rentables en raison des composants électriques moins nombreux et plus efficaces. Vous avez différentes options à choisir avec les circuits, mais l'avantage global des modèles sans transformateur est la polyvalence. L'utilisation d'appareils et d'électroniques plus petits et plus compacts permet une production moins chère et un coût pour le consommateur.

Les options de circuit dépendent du type de sortie DC requis. Alternativement, les composants sans transformateur donnent l'avantage de la vitesse et de l'efficacité. Cette technologie s'est développée et améliorée pendant des décennies et révolutionnera la consommation électronique à l'avenir.