Como funcionam os inversores? Explicação passo a passo da conversão de energia CC em CA

Introdução

Muitas pessoas costumam perguntar quando estão instalando uma unidade solar ou de backup doméstica sobre “como funcionam os inversores”. ““Como funcionam os inversores?”é um artigo que ajuda a se familiarizar com a conversão da energia armazenada ou gerada em energia elétrica. Em termos mais simples, um inversor é um dispositivo que converte corrente de baterias ou painel solar em CA. O artigo conclui com uma explicação passo a passo da conversão de energia DC para AC, peças internas, e o funcionamento de diferentes tipos de inversores, e sua comparação. Também, o artigo termina com a aplicação de um inversor, sua eficiência, o gráfico de eficiência, e por último, como selecionar o inversor certo para um sistema de energia.

O que é um inversor?

Um inversor, também chamado de Circuito inversor de energia DC para AC ou circuito inversor eletrônico, é a ponte entre a fonte de geração de energia e a energia utilizada. Sua função principal é transformar a energia CC produzida por painéis solares ou armazenada em baterias LiFePO₄ em energia CA necessária para acender as luzes ou a geladeira da casa ou para operar máquinas.. O processo permite que um sistema renovável ou de backup alimente os dispositivos que funcionam na mesma corrente alternada.

Para entender como funciona um inversor, imagine um painel solar ou bateria como uma fonte DC constante. O inversor muda a direção da corrente continuamente com a ajuda de componentes eletrônicos, geralmente transistores ou IGBTs, para criar uma forma de onda AC. Este inversor gerencia a eletricidade para ser sincronizada com a frequência da rede (50Hz ou 60Hz) na região.

Os inversores desempenham um papel importante na Sistemas de energia solar, fontes de alimentação ininterruptas (UPS), veículos elétricos (VEs), e automação industrial. A funcionalidade do inversor se estende ao gerenciamento de tensão, freqüência, e a maioria das qualidades de energia para operar o equipamento, e é muito sensível. De acordo com Wikipédia, a eficiência dos inversores modernos é mais do que 98%, e menos perdas de energia ocorrem durante a conversão.

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Teoria Fundamentalsim: DC-> Conversão CA

Compreender o funcionamento de um inversor deve começar pelo seu funcionamento interno, o que é como funciona um circuito inversor DC para AC, ou seja, transformando a tensão constante em energia alternada. Comutação eletrônica rápida para esta transformação, em vez de rotação mecânica ou transformadores. Dentro de um circuito inversor, existem dispositivos semicondutores como IGBTs (Transistores bipolares de porta isolada) ou MOSFETs, que se comportam como interruptores eletrônicos de alta velocidade. Esses dispositivos ligam e desligam a entrada CC repetidamente em altas velocidades e em sequências precisas para produzir energia de polaridade alternada., o que resulta na simulação de energia CA.

O Ponte H ou ponte completa circuito está no centro deste processo. Ele inverte a direção do fluxo CC através da carga, produzindo rápida e repetidamente uma onda quadrada básica.. Usando Modulação por largura de pulso (Pwm), refinamos ainda mais a onda quadrada em uma saída CA limpa e perfeita. Neste método, o tempo de ativação/desativação de cada pulso varia de modo a criar uma onda senoidal de proporções quase perfeitas. Circuitos de filtragem e controle suavizam a saída, depois disso, enviamos para a saída.

Pense em acender semáforos no trânsito para gerenciar o fluxo de carros em um cruzamento. Os sinais para os intervalos regulares dão aos carros a direção e velocidade “médias”. Isso torna o processo suave e contínuo. O design do inversor também é um pouco semelhante a essas linhas.

Tipos de inversores & Seu funcionamento

Os inversores são amplamente categorizados em três tipos com base em seu funcionamento e design. A forma como os inversores funcionam varia e reside na forma como eles refinam e convertem a energia na forma necessária. Os usuários precisam estudar esses padrões para escolher o tipo certo de sistema inversor para sua aplicação específica. Quer saber como funciona um inversor em cada um desses tipos e como eles se comparam? Leia a tabela abaixo para entender melhor:

A precisão da onda, o preço, e a confiabilidade dos inversores difere em diferentes tipos. Entre todos os inversores, onda senoidal pura e inversores híbridos estão sendo mais populares no novo mercado de energia, pois possuem a onda mais precisa com a maior eficiência de uso da energia. De acordo com o 2024 eficiência relatório de inversores da IEA, os inversores da geração moderna produzem 2-3% potência mais eficaz, melhorando o algoritmo de comutação e o transistor SiC em relação aos inversores da geração antiga. Então, esses inversores são muito mais confiáveis ​​para armazenamento de energia residencial e industrial, onde uma fonte de alimentação contínua e pura é muito necessária.

Passo a passo: Como funciona um inversor em um sistema real

Em uma instância real para compreender como funcionam os inversores, considere uma configuração típica de armazenamento residencial solar plus que compreende um inversor, painéis solares, Bateria de vida, e grade. Uma lógica foi seguida na conversão para ter um sistema suave e eficaz.

Geralmente, painéis solares são usados ​​​​que produzem (CC) como uma tensão. O CD formado deve ser regulado e transformado conforme a necessidade, e o sistema elétrico ou aparelhos aos quais está conectado. A CC solar é primeiro regulada por um Controlador MPPT que fixa a tensão ideal para que a potência máxima possa ser obtida.

O DC otimizado então entra no ponte de comutação do inversor. Os transistores, uma parte do inversor, trabalhar para alterar a polaridade em alta frequência para que um pulso (tensão) forma de onda é obtida. Esta onda na saída é limpa, sua magnitude e frequência são sincronizadas com a rede para atingir uma tensão e também uma corrente alternada adequada para o sistema de refrigeração ou carga doméstica. Próximo, a eletricidade é devolvida à rede.

Por exemplo, para um 5Sistema Solar Kw em Portugal tendo um Inversor híbrido HBOWA com LiFePO4 de 10 kWh, e se os painéis solares do sistema produzirem cerca de 5,3Kw DC, e assumindo que as perdas de conversão sejam em torno de 3~4% ±, o inversor solar fornece efetivamente cerca de 5.1 kW CA para o circuitos domésticos ou exportação de rede. Isto se refere a uma qualidade igualmente alta de um equivalente inferior a 1% da saída geral do sistema. Isso resulta em uma eficiência média de cerca de 96% que você normalmente pode esperar de acordo com o 2024 dados por AIE.

Eficiência, Perdas & Curvas de desempenho

Os inversores nunca são 100% eficiente. Eles perdem um pouco de energia para aquecer, ao ruído de comutação, ou simplesmente porque consomem energia mesmo quando nenhuma carga está conectada a eles. A eficiência de conversão é definida como, η = Pₐc / PDC. Isso fornece a relação entre a saída de energia CA e a entrada CC. Inversores líderes, quando no laboratório ou em condições ideais, pode atingir uma eficiência máxima de 96–98,5%, minimizando assim as perdas no processo de conversão. A eficiência média em operações reais em um determinado nível de potência de saída depende da carga, temperatura, e o design específico do inversor.

Ainda, a eficiência de um inversor também muda com a carga. Para refletir a operação diária típica nos níveis de carga normalmente encontrados, os fabricantes geralmente especificam a eficiência do inversor em termos de um valor ponderado ou Eficiência européia. Isso nos dá uma eficiência média quando o inversor funciona bem ou mal em diferentes níveis de carga.. Quando a carga é muito baixa, menor que 15%, a eficiência do inversor cai drasticamente. Enquanto, o inversor tem a garantia de ser colocado na faixa principal da mais alta eficiência entre 30–80%. Além da potência nominal, a energia CA de saída total é limitada porque o inversor não pode produzir mais do que sua potência máxima ou potência nominal.

Na ausência de danos aos componentes relacionados ao desgaste, a eficiência de um inversor diminui após um certo período de tempo. Dados de campo publicados em um MDPI (2024) trabalhos de pesquisa sugerem que o desempenho de um inversor pode diminuir em cerca de 0.7% após três anos de operação. O estresse térmico e o envelhecimento dos componentes criam a maioria desses problemas. Um trabalho de pesquisa mais amplo do Laboratório Nacional de Energia Renovável (Nrel) sugere perda total de desempenho do sistema em 0.5-0.75% por ano em média, incluindo painéis, inversores, e outros componentes elétricos.

Problemas comuns de inversão & Solução:

Existem alguns problemas e suas soluções abaixo:

Como escolher e dimensionar um inversor

A escolha do inversor perfeito depende do equilíbrio da capacidade do sistema, a faixa de tensão, e a eficiência, ou seja, quanta energia o inversor produzirá dada a energia CC dos painéis solares.

A relação CC/CA (Taxa de carga do inversor do sistema on-grid (ILR)) é um parâmetro de projeto importante para um inversor de sistema On-Grid porque leva em consideração quanta energia cada conjunto de painéis solares com energia CC produz. Idealmente, deveria estar por perto 1.1 – 1.3. Isso ajuda a garantir que os painéis solares produzam energia suficiente, mas sem forçar regularmente o inversor a produzir mais energia além de sua saída nominal CA. Assim, nenhuma energia é perdida no corte de energia antes de chegar ao inversor. No nível do sistema, tendo uma relação DC/AC de 1 seria ótimo. Como os movimentos dos elétrons geram calor e os painéis solares podem esquentar, há uma ampla faixa prática para a relação DC/AC entre 1 e 1.3 que se pode usar em seu sistema de painel solar. O superdimensionamento reduz a eficiência, enquanto o subdimensionamento pode causar cortes de energia durante os horários de pico de luz solar.

A compatibilidade entre a tensão de entrada DC (Voc, ISC) e a janela MPPT do inversor também é um fator importante. O inversor deve ser capaz de operar em temperaturas variáveis ​​para acomodar o aumento de calor, o que reduz o desempenho de conversão. Para um sistema de cultivo expansível, você precisará escolher inversores modulares com uma entrada para a bateria e uma entrada para o painel solar em determinadas capacidades, sem ter que substituir completamente o seu inversor.

Por exemplo, Ofertas HBOWA Modelos de inversores Growatt, como Sagacidade 29.9 ~ 50k-xhu (50 inversor híbrido trifásico kW), Sagacidade 50-100k-hu (inversor híbrido de alta tensão na classe de 50–100 kW), MÁXIMO 100KTL3-X (inversor trifásico na rede a ~100 kW), os seguintes procedimentos de dimensionamento e redução de capacidade para manter mais 98% desempenho eficiente de conversão DC para AC em uma variedade de condições.

O que fazer & O que não fazer:
• Fazer dimensione o inversor de modo que a operação média fique entre 40–80% da sua carga nominal.
• Não operar o inversor abaixo 10% carga por longos períodos.
• Fazer verificar a tensão da rede, freqüência, e tolerância a surtos antes da instalação.

Conclusão

Entendimento como funcionam os inversores é um tópico muito importante para qualquer pessoa envolvida no projeto ou manutenção de sistemas de energia., painéis solares, e sistemas de energia de backup. Os três pontos principais que você deve abordar no básico são como os inversores convertem CC para CA poder, quais são os principais princípios do circuito, o que é comum tipos de inversores são, e que efeito o desempenho e o dimensionamento têm na operação de um inversor. Isso o ajudará a tomar decisões informadas para poder operar seu sistema de energia solar ou de reserva de maneira estável., confiável, e a maneira mais eficiente de usar e proteger seu equipamento a longo prazo.

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