Transformatorlose Wechselrichter: Wichtige Vorteile und wie sie Solarstrom revolutionieren

Manchmal kann Technologie riesige Sprünge für die Gemeinschaft machen. Transformatorlose Technologie ist eine dieser Entwicklungen. Sie bietet Versorgungsunternehmen, unabhängigen Stromerzeugern und Integratoren unbegrenzte Stromlieferung und reduzierte Komplexität. Das bedeutet, die zwei häufigsten Arten kommerzieller PV-Installationen können effizientere Methoden nutzen und Kosten senken.

Transformatorlose Wechselrichter sind kleiner und leichter als ihre transformatorbasierten Pendants, was wichtige Gründe für ihre Betrachtung sein können.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie transformatorlose Wechselrichter funktionieren, die besten Schaltungen dafür, Installationsüberlegungen und ihre Vorteile.

Was ist ein transformatorloser Wechselrichter?

Ein Leistungswandler wandelt niedrigspannigen Gleichstrom (DC) in höherwertigen Wechselstrom (AC) um, den Geräte nutzen.

Anstatt einen internen Transformator für die Energieumwandlung zu benötigen, kann ein transformatorloser Wechselrichter die Spannung mit einem computergestützten Mehrschrittprozess erhöhen. Die elektronischen Komponenten im Wechselrichter wandeln niederfrequenten Gleichstrom in höherfrequenten Wechselstrom um. Dann wandelt er die Energie zurück in Gleichstrom und schließlich in Standardfrequenz-Wechselspannung.

3 beste Schaltungen für transformatorlose Wechselrichter

Die drei besten Schaltungskonfigurationen für transformatorlose Wechselrichter sind der IC 4047, ein 200-Watt-Kompaktdesign und Solare-Wechselrichterschaltungen. Sie sind klein, relativ einfach und basieren auf Batterie- oder Solarstrom statt auf einem internen Transformator.

IC 4047

Abb. 4: IC 4047

Der IC 4047 ist eine der einfachsten Schaltungen, die Sie für einen transformatorlosen Wechselrichter verwenden können. Er erfordert kein Bootstrapping und keine speziellen Treiber-ICs.

Er ist jedoch zwei- bis dreimal größer als ähnliche N-Kanal-Geräte mit verringerter thermischer Toleranz und erhöhten Stromspezifikationen. Daher vermeiden Designer ihn für professionelle und kommerzielle Geräte.

Funktionsweise

Der IC 4047 ist ein niederleistungs Multivibrator, den Sie sowohl im astabilen als auch monostabilen MV-Modus verwenden können. Sie können externe Trigger-Eingänge im astabilen Modus integrieren (true gating oder complement gating). Im monostabilen Modus können Sie den IC positiv oder negativ flankentrigger.

Seine retriggerbare Funktion ermöglicht es Ihnen, die Ausgangszeit auf den benötigten Betrag zu verlängern.

Er hat auch einen eingebauten Oszillator, der variable Frequenzoptionen mit einem externen RC-Netzwerk erlaubt.

Konfiguration

• Stromversorgung: Batterien mit 190 V bei voller Ladung und 160 V bei mittlerer Ladung
• IC 555: PWM
• Opamp IC: als Komparator mit Dreieckswellen konfiguriert, um die erforderlichen SPWMs zu verarbeiten
• BJT-Pufferschalter: gemäß SPWM-Impulsen eingestellt, mit Low-Side-MOSFETs im gleichen Muster geschaltet
• MOSFETs: sollten für den Umgang mit 3 kVA transformatorlosem Wechselrichter ausgelegt sein (z. B. IRFB4137PBF-ND)
• Ferritkern: statt schwerem Eisen-Transformator

Frequenztest

Verwenden Sie die folgende Formel, mit f in Hz, Rt in Ohm und Ct in Farad:

f = 1 / (1,453 × Rt × Ct)

Sie sollten den Frequenzbereich der Ausgabe mit einem digitalen Frequenzmesser testen, bis Sie die gewünschten Ergebnisse erhalten.

Teileliste

• C1 = 0,1 µF / PPC
• R1 = 56 kΩ
• IC Pin 10/11 Widerstand = 330 Ω – 2 Stk.
• Obere P-Kanal-MOSFETs = FQP4P40 – 2 Stk.
• Untere N-Kanal-MOSFETs = IRF740 = 2 Stk.
• MOSFET-Gate-Widerstände = 100 kΩ – 2 Stk.
• Optokoppler = 4N25 – 2 Stk.
• Zener-Dioden = 12 V, 1/2 Watt – 2 Stk.

200 Watt Kompaktdesign

Die 200-Watt-Konfiguration ist einfach und effizient und erfordert keinen schweren Transformator. Die Batterien, die sie antreiben, nehmen nicht viel Platz ein und geben 110 V AC bei 200 Watt aus.

Funktionsweise

Der einfache 200-Watt-Wechselrichterschaltkreis verwendet hochspannigen DC-Eingang von achtzehn 12-Volt-Batterien. Der IC benötigt eine strenge Betriebsspannung von 5–15 Volt, die von einer der 12-Volt-Batterien kommt.

Konfiguration

• Stromversorgung: achtzehn 12-Volt-Batterien in Reihe
• Oszillator: Gatter N1 (vom IC 4093)
• IC: Eingang von einer der 12-Volt-Batterien, angewendet auf relevante IC-Ausgänge
• Für echte Sinuswellen-Inversion: Sinuswellengenerator statt Eingangsoszillator verwenden

Teileliste

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

Transformatorloser Solar-Wechselrichter-Schaltkreis

Abb. 3: Transformatorloser Solar-Wechselrichter-Schaltkreis-System

Ein transformatorloser Solar-Wechselrichter-Schaltkreis eliminiert einen Transformator, indem er Hochspannungs-MOSFETs nutzt, um Solarenergie zu nutzen. Ein Spannungsregler kann helfen, Leistungsfluktuationen basierend auf Leistungsverlust und -gewinn durch Sonnenlichtschwankungen zu regulieren.

Funktionsweise

Transformatorlose Solar-Wechselrichterschaltungen wandeln Solarenergie in AC-Strom um. Sie haben drei Hauptstufen: Oszillator-, Ausgabe- und Leistungsabgabestufen.

Konfiguration

• Stromversorgung: Solarpaneele mit einem Leerlaufspannungsbereich von 17 V (Dämmerung) bis 24 V (helles Sonnenlicht), eingespeist in B1 und B2
• Vorwiderstand und Zenerdiode: begrenzen auf 15 V Zener-Spannung
• Spannungsstabilisator: zur Regulierung der Solarausgangsspannung zwischen sonnigen und bewölkten Tagen, die von 170 V–260 V reichen könnte
• MOSFETs: N- und P-Typen, ausgelegt für 450 V und 5 A
• Oszillator: IC 555
• Ausgang: Hochspannungs-Leistungs-MOSFETs

Formeln für R₁, R₂ und C₁

T₁ = 0,7 (R₁ + R₂) C und T₂ = 0,7 R₁ C

also

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

wobei

T₁ = Hochphase, T₂ = Tiefphase, T = Gesamtperiode, und f = Frequenz

Teileliste

• B1 und B2 = vom Solarpanel
• C1 = 0,1 µF
• Dioden = 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

Alternativ können Sie einen vollständigen H-Brücken-Wechselrichterschaltkreis installieren. Der Vorteil dabei ist, dass Sie nur eine einzelne Solarpaneelanordnung installieren müssen, um 220 V Ausgang zu haben.

Abb. 5: Transformatorloser Solar-Wechselrichter-Schaltkreis-System

Ein transformatorloser Solar-Wechselrichter-Schaltkreis eliminiert einen Transformator, indem er Hochspannungs-MOSFETs nutzt, um Solarenergie zu nutzen. Ein Spannungsregler kann helfen, Leistungsfluktuationen basierend auf Leistungsverlust und -gewinn durch Sonnenlichtschwankungen zu regulieren.

Konfiguration

• Stromversorgung: Solarpaneele mit einem Leerlaufspannungsbereich von 17 V (Dämmerung) bis 24 V (helles Sonnenlicht), eingespeist in B1 und B2
• Vorwiderstand und Zenerdiode: begrenzen auf 15 V Zener-Spannung
• Spannungsstabilisator: zur Regulierung der Solarausgangsspannung zwischen sonnigen und bewölkten Tagen, die von 170 V–260 V reichen könnte
• MOSFETs: N- und P-Typen, ausgelegt für 450 V und 5 A
• Oszillator: IC 555
• Ausgang: Hochspannungs-Leistungs-MOSFETs

Formeln für R₁, R₂ und C₁

T₁ = 0,7 (R₁ + R₂) C und T₂ = 0,7 R₁ C

also

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

wobei

T₁ = Hochphase, T₂ = Tiefphase, T = Gesamtperiode, und f = Frequenz

Teileliste

• B1 und B2 = vom Solarpanel
• C1 = 0,1 µF
• Dioden = 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

Alternativ können Sie einen vollständigen H-Brücken-Wechselrichterschaltkreis installieren. Der Vorteil ist, dass Sie nur eine einzelne Solarpaneelanordnung installieren müssen, um 220 V Ausgang zu haben.

Installationsüberlegungen für transformatorlose Wechselrichter

Abb. 4: Arbeiter, die transformatorlose Wechselrichter installieren und testen

Die Verwendung herkömmlicher Wechselrichter bedeutet, dass jeder mit einem einzelnen oder maßgeschneiderten Isoliertransformator gekoppelt werden muss. Die Leistung verringert sich sofort, da isolierte Transformatoren maximal 99 % effizient sind. Zudem kommen die sperrige Größe und Reichweitenbegrenzung sofort in Ihre Quere. Transformatorlose Wechselrichter werden direkt an das Gebäude oder den Unterverteiler angeschlossen, falls dieser ausreichend dimensioniert ist.

Ohne den schweren Transformator ist das Design leicht und manövrierbar, was die Installationsoptionen erhöht. Es würden auch die massiven Mengen an DC-Verkabelung und die Länge und Kosten der AC-Verkabelung entfallen. Sie können mehrere parallele Wechselrichter ohne Transformatoren anschließen, die die direkte Leistung für eine stabilste Leistung nutzen.

Unterschiede zwischen transformatorbasierten und transformatorlosen Wechselrichtern

Der Hauptunterschied zwischen transformatorlosen Wechselrichtern und herkömmlichen Wechselrichtern ist der Transformator selbst. Das Fehlen eines Transformators schafft Platz für ein saubereres, leichteres und direkteres Design. Es macht es auch effizienter. Der computergestützte Prozess und die aufgerüsteten elektronischen Komponenten ersetzen den Transformator.

Diese unterbrechungsfreien Stromversorgungen sind jetzt in Rechenzentrumsumgebungen mit kleineren Installationen üblich. Sie sind in einem Leistungsbereich von unter 10 kVA bis ca. 300 kVA erhältlich.

Vorteile der Verwendung eines transformatorlosen Wechselrichters

Abb. 5: Leichter und kompakter transformatorloser Wechselrichter

Transformatorlose Wechselrichter sind effizienter als herkömmliche und vermeiden interne Energieverluste. Sie eliminieren auch zusätzliche Komponentenkosten durch das Fehlen eines Transformators, der sperrig und groß ist. Die transformatorlosen Versionen sind leicht und kompakt und nutzen elektronisches Schalten statt mechanischem.

Transformatorlose Wechselrichter haben auch weniger mechanisches Geräusch und weniger Wärme von mechanischen Komponenten. Insgesamt machen diese Eigenschaften den Bau günstiger, da keine Kühlventilatoren, Transformatoren und andere sperrige Komponenten benötigt werden.

Hersteller, die herkömmliche Wechselrichter einsetzen, arbeiten über einen einzigen Leistungspunkt. Das bedeutet, dass die Leistung einer Komponente, die niedrig ist, die gesamte DC-Ausgabe senkt. Mit transformatorlosen Wechselrichtern können Sie diese in zwei verschiedene Richtungen installieren, während Sie DC-Ausgabe erzeugen.

Fazit

Insgesamt sind transformatorlose Wechselrichter kosteneffizient aufgrund der weniger und effizienteren elektrischen Komponenten. Sie haben verschiedene Optionen zur Auswahl bei Schaltungen, aber der Gesamtvorteil transformatorloser Modelle ist Vielseitigkeit. Die Verwendung kleinerer, kompakterer Geräte und Elektronik macht die Produktion und die Kosten für den Verbraucher günstiger.

Die Schaltungsoptionen hängen davon ab, welche Art von DC-Ausgabe erforderlich ist. Alternativ geben die transformatorlosen Komponenten den Vorteil von Geschwindigkeit und Effizienz. Diese Technologie hat sich seit Jahrzehnten entwickelt und verbessert und wird den elektronischen Verbrauch in der Zukunft revolutionieren.