Cum funcționează o sursă de alimentare bidirecțională (PSB)? A fost proiectată atât pentru a controla transmisia de putere de la rețeaua AC spre partea de curent continuu (în modul operare), cât și invers, energia de la partea de curent continuu putând fi dată înapoi la rețeaua AC (în modul reciclare, regenerare). Sursa de alimentare bidirecțională cu comutare are două aplicații de bază: permite rețelei AC să încarce o baterie sau să alimenteze un motor DC și să dea energie electrică înapoi în rețeaua de curent alternativ când bateria e încărcată sau motorul frânează, pentru a realiza reciclarea energiei. Alimentarea bidirecțională este bazată pe convertoare de nivele de tensiune.
Convertoarele DC/DC pot fi clasificate în mai multe tipuri: convertoare ridicătoare de tensiune (boost, step-up), coborâtoare (buck, step-down) și inversoare.
Convertoarele utilizate pentru a converti DC în AC sunt cunoscute sub numele de invertoare DC/AC.
Mecanismul de alimentare bidirecțională
Un convertor care poate converti DC și AC bidirecțional la orice sistem de alimentare se numește sursă de alimentare bidirecțională. Acceptă atât DC, cât și AC prin montarea unui convertor AC/DC bidirecțional și a unui convertor DC/DC bidirecțional, în interior.
Această structură face posibil schimbul de energie bidirecțional cu sursele de energie comerciale (rețeaua AC). Consumatorul de la ieșirea schemei se numește „sursă de energie regenerativă” (baterie de stocare sau motor DC).
Circuitul sursei de alimentare cu energie regenerativă conține, în principiu, 3 părți:
- Convertor bidirecțional AC/DC. Acesta poate converti energia de alimentare AC și un curent DC în ambele direcții pentru a schimba fluxul de energie.
- Convertor bidirecțional DC/DC. Conversia în curent continuu poate schimba bidirecțional energie între partea DC primară și partea DC secundară. Poate avea și izolare galvanică.
- Convertor DC/DC step-up /step-down. Conversia tensiunii DC se poate face în continuare pentru a realiza tensiune variabilă pe partea secundară, ce poate fi utilizată pentru diverse aplicații. Astfel, într-un HEV (Hybrid Electric Vehicle) cu o arhitectură dublă de 12 V/48 V, o sursă de alimentare bidirecțională conectează sistemele de 12 V și 48 V, astfel încât fiecare baterie să poată fi reîncărcată de cealaltă.
Diagrama aplicației de alimentare AC/DC bidirecțională
MEAN WELL oferă seria BIC-2200, sursă de alimentare bidirecțională cu reciclare a energiei și funcție de conectare la rețea AC. Această serie este o sursă în comutație, cu alimentare duală de 2,2 kW. A fost creată atât pentru a controla transmisia de putere de la rețeaua AC la partea de curent continuu, cât și energia reciclată de la partea de curent continuu la rețea AC. Sursa de alimentare cu comutare bidirecțională permite rețelei să încarce bateria și să alimenteze energia electrică înapoi în rețeaua de curent alternativ pentru a realiza reciclarea energiei. BIC-2200 este proiectat cu o funcție paralelă încorporată, telecomandă și funcție de comunicație digitală, oferind o gamă largă de flexibilitate de proiectare pentru echipamentele de testare a bateriei, stații de încărcare, sisteme laser și sisteme de recuperare a energiei cinetice.
Convertoarele DC/DC sunt folosite în multe aparate. Convertorul DC/DC este un dispozitiv care convertește curentul direct (DC) de la un nivel de tensiune la altul, oferind în același timp reglarea tensiunii. Este utilizat în aplicații la care sursa de alimentare disponibilă nu oferă la ieșire un nivel al tensiunii cerut de sarcină. Indiferent de topologia lor, componenta de bază este un inductor – o componentă electronică pasivă, care poate stoca energie electrică sub formă de energie magnetică.
TDK-Lambda EZA2500W-32048
Convertor bidirecțional DC-DC. Putere la ieșire 2496W (max.). Asigură compatibilitatea cu sursele de energie fotovoltaice, pe partea de înaltă tensiune (HVDC 260 – 400V) și pe partea de joasă tensiune (LVDC 36 – 65V). Model cu ventilator de mare viteză (bună funcționare estimată la 10 ani), rezistență la praf, durată lungă de viață, temperatură de funcționare: -10 … +50℃.
Aplicații principale
- Sistem de stocare a energiei (controlul încărcării/descărcării bateriei litiu-ion, acumulatorului plumb-acid, capacitorului electric cu strat dublu etc.).
- Sistem de regenerare a energiei electrice.
- Sistem DC-UPS.
- Convertor de înaltă putere DC/DC step-up/down.
Principalele caracteristici și beneficii
- Sursă de alimentare cu control digital avansat, cu funcții de convertor DC/DC bidirecțional.
- Eficiență (tipic) 90,5%. Dimensiune compactă 1U.
TDK-Lambda EZA11K-320240FC
Convertor bidirecțional DC-DC. Putere la ieșire 11 kW max. Asigură compatibilitatea cu sursele de energie fotovoltaice, pe partea de înaltă tensiune (HVDC 240 – 400V) și pe partea de joasă tensiune (LVDC 150 – 300V). Model cu ventilator de mare viteză (bună funcționare estimată la 10 ani), rezistență la praf, durată lungă de viață, temperatură de funcționare extinsă la +50 ℃. Eficiență: 95%.
Detalii:
A model with enhanced environmental resistance has been added to the bidirectional DC-DC converter EZA11K-320240. (tdk.com)
Bidirectional DC-DC converter EZA2500W has been added to EZA2500 series with an expanded voltage input range on high voltage side and low voltage side. (tdk.com)
Principiul de funcționare al convertorului DC/DC e simplu: inductorul primește o variație neașteptată a curentului de intrare datorită unui comutator pornit. Atunci, inductorul preia energia electrică de la intrare și o stochează ca energie magnetică. Dacă întrerupătorul de intrare e închis, inductorul descarcă energia într-un circuit de ieșire care are un capacitor considerat suficient de mare ca să livreze tensiune și curent un timp mai lung decât timpul de încărcare.
Convertoarele DC/DC neizolate galvanic folosesc tranzistoare MOSFET, IGBT sau BJT pentru comutație, în aranjamente buck, boost, buck-boost și Ćuk. De obicei, în convertoarele de curent continuu, inductorul este componenta principală de stocare a energiei. În convertorul Ćuk, principala componentă de stocare a energiei este capacitorul. Există variații ale convertorului Ćuk de bază. De exemplu, bobinele au în comun un singur miez magnetic, ceea ce reduce ondulația de ieșire și adaugă eficiență. Deoarece transferul de putere circulă continuu prin capacitor, acest tip de comutator a redus la minimum radiația EMI. Convertorul Ćuk permite energiei să curgă bidirecțional folosind o diodă și un comutator.
Principalul avantaj al convertorului Ćuk este dat de curenții continui la intrarea și la ieșirea convertorului. Principalul dezavantaj este tensiunea mare aplicată pe comutator.
Convertorul DC/DC bidirecțional este un dispozitiv în care puterea (curentul) poate circula în ambele direcții. Aceasta înseamnă că se poate alimenta sarcina (consumatorul) cu energie, iar sarcina poate, de asemenea, să trimită putere înapoi la sursă. Un astfel de convertor este potrivit în mod special pentru aplicații precum acționări cu motoare electrice (tracțiunea electrică) deoarece:
- Convertește o tensiune fixă a bateriei DC într-o tensiune DC mai mare, pentru alimentarea motorului de tracțiune. Tensiunea de ieșire DC poate fi variată pentru a controla viteza motorului.
- În timpul frânării regenerative (frânare electrică ce duce la recuperarea energiei), energia cinetică a roților este folosită pentru a genera curent înapoi la o baterie. În timpul acestui proces, motorul electric acționează ca generator, transformă rotația roții în energie electrică și alimentează, pentru încărcare, o baterie prin convertor.
Notă. Convertorul DC/DC bidirecțional mai este numit și convertor în două cadrane (dacă curentul poate schimba sensul) sau convertor în patru cadrane (dacă atât tensiunea, cât și curentul pot schimba sensurile). Cadran 1: Convertorul DC/DC debitează la ieșire putere DC sarcinii (I>0).
Cadran 2: Convertorul DC/DC ia putere DC din sarcină (I<0) și o returnează la intrare.
Din motive de siguranță se prevăd limitări la ieșire: tensiune, curent și putere constantă.
Care sunt avantajele și dezavantajele unui convertor DC/DC bidirecțional?
Convertoarele DC/DC bidirecționale sunt potrivite pentru fluxul de curent continuu în ambele direcții.
Sunt utilizate mai ales în stocarea energiei în banc de baterii, sisteme de energie regenerabilă etc.
Există două tipuri:
- Convertor DC/DC izolat galvanic
- Convertor DC/DC neizolat
Convertor DC/DC izolat
Avantaje:
1. Convertoarele DC/DC izolate galvanic au transformator de separație intrare/ieșire, cu izolație la înaltă tensiune (sute, mii de V), pentru încadrare într-un standard de siguranță.
2. Ieșirea poate fi configurată să fie pozitivă sau negativă sau comun flotant (GND) pentru diferite echipamente.
3. Au o capabilitate de blocare puternică a zgomotului electric și interferențelor, oferind sarcinii o sursă de curent continuu mai curată, care este necesară la multe sarcini sensibile (aplicații medicale).
Dezavantaje:
- Dimensiune mare.
- Problema de saturație a miezului magnetic.
- Pierderi de comutare în componentele electronice.
- Eficiență mai mică în comparație cu convertorul DC/DC bidirecțional neizolat.
- Transformatorul folosit pentru a crește tensiunea, are pierderi în bobina inductanței.
Notă. Curenții sau semnalele de frecvențe mari pot genera zgomot electric prin variații tranzitorii de energie ce pot afecta părți de circuit sensibile care lucrează cu semnale mici. Dacă sunt și cerințe de siguranță legate de curenții de pierderi și se impune un nivel GND flotant, atunci se utilizează convertoare DC/DC izolate galvanic.
Convertor DC/DC neizolat
Un convertor DC/DC neizolat are o cale de curent continuu între intrare și ieșire, fiindcă intrarea și ieșirea unui convertor neizolat se raportează la un GND comun. Creșterea tensiunii se face fără transformator.
Avantaje:
- Circuitul este simplu.
- Reducerea pierderilor de comutare și a numărului de dispozitive de comutare.
- Circuitul ajută la reducerea ondulației (riplu).
- Tensiunea și curentul vârf la vârf (peak to peak) sunt scăzute.
DC/DC neizolat poate crește sau poate scădea tensiunea de la intrare la sarcină, fără transformator.
Modul Boost (Step-up): convertorul poate crește tensiunea (în timp ce scade curentul) de la intrare (alimentare) la ieșire (sarcină). Este o clasă de surse de alimentare în comutație. Datorită unui singur element comutator, are o eficiență foarte ridicată (până la 99%). Curentul de intrare este continuu.
Cu toate acestea, tensiunea de ieșire este foarte sensibilă la modificările ciclului de lucru (duty cycle).
Curentul mediu de ieșire este mai mic decât curentul mediu al inductorului, iar un curent mediu (rms) mult mai mare ar curge prin condensatorul filtrului la ieșire, rezultând necesitatea unui capacitor de filtru mai mare decât cel al convertorului buck.
Modul Buck (Step-down): convertor reduce tensiunea (în timp ce crește curentul) de la intrare (alimentare) la ieșire (sarcină). Este o clasă de surse de alimentare în comutație. Convertorul buck necesită, de asemenea, un singur comutator și are o eficiență ridicată, dar curentul de intrare este discontinuu și, în mod normal, este necesar un filtru de intrare pentru netezire. Reducerea riplului la tensiunea de ieșire necesită un filtru.
Concluzie: Convertorul DC/DC neizolat bidirecțional este avantajos și mai puțin sofisticat în comparație cu convertorul DC/DC izolat bidirecțional.
Convertorul DC/DC neizolat bidirecțional prevăzut cu filtre Pi poate produce o tensiune DC cu ondulații foarte mici. Deși, filtrul Pi este eficient în eliminarea ondulațiilor, include un capacitor suplimentar pe zona de intrare a circuitului, ce poate crește gabaritul.
Mai puțin spațiu, mai puțină greutate, pierderi reduse de comutare, pierderi reduse de conducție în bobine… toate acestea reprezintă avantaje. Absența transformatorului reduce armonicile din circuit. Funcționează cu o eficiență de peste 90%, iar frecvența de comutație este în jur de 100 KHz.
Notă. Bateria de stocare
Tipuri de surse de alimentare bidirecțională sunt în curs de dezvoltare. Au crescut ca putere și fiabilitate extremă. Dar, pentru o aplicație reală, trebuie ales corect tipul de baterie de stocare și făcute teste la schimbarea tensiunii bateriei, pentru a preveni efectele adverse.
Bateria de stocare are câteva proprietăți importante:
– Tensiunea bateriei scade pe măsură ce curentul de ieșire crește
– Caracteristicile electrice diferă dacă bateria e încărcată complet sau e descărcată. Bateria reîncărcabilă are rezistența internă ce se modifică odată cu starea de încărcare (SOC) și starea de descărcare (SOD).
– Caracteristicile electrice diferă între produsele noi și cele degradate prin cicluri de lucru.
În aplicații generale, de casă, este necesar să se testeze diverse modele de baterii, dar să se știe ce regim de lucru (continuu sau ocazional cu descărcare profundă) va avea bateria folosită în schema de alimentare.
Dacă perioadele de descărcare sunt scurte, în comparație cu perioadele de încărcare, există modul de operare buffer. În acest mod, bateria este reîncărcată în mod constant.
Dacă sunt perioade lungi de încărcare-descărcare-încărcare, atunci există modul de operare ciclic. Este rar utilizat în practică, uzual doar pentru controlul de cicluri de încărcare-descărcare ale bateriei și determinarea capacității disponibile a bateriei.
Important! Nu se folosesc baterii de tip auto – numite și baterii de pornire (deși sunt mai ieftine) – ca baterii de stocare a energiei în sisteme cu recuperare de energie. Bateriile de pornire auto nu sunt bune pentru a furniza energie pentru perioade lungi. Bateriile auto NU sunt proiectate pentru descărcare profundă. Nu vor rezista mult într-o aplicație electrică solară deoarece au fost proiectate doar pentru a furniza mult curent pentru intervale scurte (pentru a porni mașina) urmate de o încărcare rapidă de la alternator. Descărcarea semnificativă a bateriei (sub 90%) va strica rapid bateria.
Bateriile reale au o deteriorare permanentă care nu poate fi recuperată deoarece bateria în sine suportă un număr limitat de încărcări complete – descărcări profunde, dar și o deteriorare temporară, care degradează performanța la temperaturi scăzute. Bateriile sunt produse scumpe, iar starea de încărcare (SOC) a bateriei va afecta starea ei de sănătate (SOH), implicit durata de utilizare sigură.
Aplicație
Convertorul DC/DC bidirecțional crește sau scade tensiunea DC de pe fiecare parte a convertorului pe cealaltă, condus de un controler inclus și un generator de semnal pentru o poartă de comutare.
O aplicație în extindere este sistemul de stocare în baterii a energiei livrate de panoul fotovoltaic (PV ARRAY). Panoul fotovoltaic funcționează conform cu iluminarea disponibilă de la Soare. Când iluminarea ariei fotovoltaice produce un curent suficient, atunci se va încărca bateria printr-un convertor DC/DC bidirecțional și, simultan furnizează energie pentru consumator. Când iluminarea scade, nu poate produce un curent suficient, iar încărcarea bateriei încetează. Atunci bateria va alimenta sarcina (LOAD) prin același convertor bidirecțional DC/DC și din acest moment bateria se descarcă prin sarcină.
Un convertor convențional Buck sau Boost nu are capacitatea de flux de putere bidirecțional; prin urmare, se poate obține un convertor de debit de putere DC/DC bidirecțional prin conectarea convertorului Buck și Boost în anti-paralel unul cu celălalt.
MeanWell Seria BIC-2200. Sursă de alimentare bidirecțională de 2,2 kW cu funcție de reciclare a energiei.
Caracteristici:
- Design complet digital cu o eficiență de conversie de 93% atât pentru conversie AC/DC, cât și pentru conversie DC/AC.
- Timp de comutare ultrarapid între AC/DC și DC/AC, de 1 ms.
- Certificat CB/UL/TUV CB/TUV/UL 62368-1, iar designul se referă la regulamentul IEC 62477.
- Partajarea curentului activ de până la 11000 W (4+1).
- THDi <3% în ambele moduri de conversie.
- Modul de încărcare și descărcare forțată cu comandă CANBus (opțional)
- Protecții complete: detecție la pierderea de putere a rețelei în fracțiuni de secundă și oprire automată, protecție AC defect, DC OVP, OLP, OCP, OTP. 5 ani garanție
TDK este un furnizor global și lider recunoscut al produselor de conversie a puterii potrivite pentru multe aplicații, industriale și energetice, medicale și asistență medicală, testare și măsurare, semifabricate și TIC/difuzare.
Constantin Savu
Director General – Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor al produselor TDK
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Detalii:
How to Bidirectional Power Supply | Tech | Matsusada Precision
Mean Well BIC-2200 Power Supply (meanwell-web.com)
Power Topologies Handbook (ti.com)
D.C. To D.C. Converter – an overview | ScienceDirect Topics
A Smart Power System Made Possible by the Coordination Between Bidirectional DC-DC Converters and Energy Storage Systems｜Tech Journal｜TDK Product Center | Application Note | Tech Library | TDK Product Center