Learning the basics of Grid Tie Inverter and Operation [EP1]

บทความนี้เป็นการเรียนรู้และทดลองเบื้องต้น เพื่อให้เข้าใจการทำงานของวงจรกริดไทร์อินเวอร์เตอร์ (Grid Tie Inverter : GTI) สำหรับการเชื่อมต่อและส่งผ่านกำลังไฟฟ้าเข้าด้วยกัน ซึ่งการทดลองจะแบ่งออกเป็น 2 ส่วนคือ การทดลองด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง (DC Current Source) และแบบแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับ (AC Current Source) โดยใช้แหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้าที่แรงดันต่ำๆ เพื่อสังเกตการทำงานและผลที่เกิดขึ้นจากการทดลองนั้นๆ

รูปที่ 1 และรูปที่ 2 แสดงการทดลองแบบใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง เพื่อให้เข้าใจการทำงานของกริดไทร์อินเวอร์เตอร์ได้ง่ายขึ้น โดยลักษณะการต่อวงจรสำหรับทดลองแสดงในรูปที่ 2 จะสังเกตเห็นว่าที่ตำแหน่งเอาต์พุตของตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงทั้ง 2 ต่อขนานกัน เพื่อจ่ายกระแสให้กับโหลดอีกครั้งและสังเกตการทำงานที่เงื่อนไขแรงดันอินพุต

รูปที่ 3 ถึงรูปที่ 6 แสดงแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงสำหรับทดลอง โดยจะใช้แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงปรับค่าได้ 0V-22V และเปรียบเสมือนแหล่งจ่ายไฟเสริมต่างๆ เช่น จากระบบโซล่าเซลล์หรือกังหันลม เป็นต้น และแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงค่าคงที่ขนาด 20V จะเปรียบเสมือนแหล่งจ่ายไฟฟ้าหลักทั่วไป 220V นั้นเอง

ในรูปที่ 3 ถึงรูปที่ 8 เป็นเครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ สำหรับทดลอง โดยเราจะใช้ในการวัดค่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงทั้ง 2 รวมทั้งการวัดกระแสที่จ่ายออกมา เพื่อสังเกตการทำงานเมื่อเชื่อมต่อแหล่งจ่ายไฟทั้ง 2 ส่วนเข้าด้วยกันสำหรับจ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดโดยในรูปที่ 7 และรูปที่ 8 กระแสเป็น 0A เนื่องจากยังไม่ต่อโหลดให้กับวงจรแต่อย่างใด

สำหรับในรูปที่ 9 ถึงรูปที่ 11 เป็นการทดลองที่ 1 ด้วยการต่อโหลดตัวต้านทานขนาด 20 โอห์ม 20 วัตต์ที่เอาต์พุตจะสังเกตเห็นว่าในกรณีที่แรงดันของแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงปรับค่ามีแรงดันน้อยกว่าแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงคงที่แล้ว จะเป็นผลให้กระแสจ่ายแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงคงที่จะจ่ายกระแสไปยังโหลดแทน

ในรูปที่ 12 ถึงรูปที่ 15 เป็นการทดลองที่ 2 โดยการปรับค่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงปรับค่าให้สูงกว่า (20.9V) แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงค่าคงที่ (18.87V) และสังเกตผลที่ได้จะตรงข้ามกับการทดลองที่ 1 คือกระแสจากแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงปรับค่าเพิ่มขึ้น (1.11A) และแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงค่าคงที่ลดลงใกล้เคียง 0A ซึ่งการทดลองนี้ช่วยให้ทราบว่าแหล่งจ่ายไฟเลี้ยงกระแสตรงที่นำมาต่อขนานกันจะเป็นผลให้ตัวที่มีค่าแรงดันสูงสุดจะทำหน้าที่เป็นตัวจ่ายกระแสแทน ทั้งนี้จะไม่มีผลในเรื่องของความถี่ (Frequency) และเฟส (Phase) ที่เกิดขึ้น

รูปที่ 16 และรูปที่ 17 เป็นการต่อวงจรสำหรับทดลองโดยใช้ไฟฟ้ากระแสสลับ ด้วยการใช้หม้อแปลงแรงดันต่ำนำมาต่อขนานกัน 2 ตัว โดยพิจารณาเฟส (Phase) ของกำลังไฟฟ้าให้ตรงกัน ความถี่ (Frequency) จะต้องเท่ากัน โดยใช้แหล่งจ่ายไฟเลี้ยง 220VAC/50Hz จากแหล่งเดียวกัน และปรับค่าแรงดันไฟฟ้า (Voltage) ทั้ง 2 ส่วนให้ใกล้เคียงกันมากที่สุดในการเริ่มต้นทดลอง

ในรูปที่ 18 ถึงรูปที่ 20 คล้ายกับการทดลองด้วยแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรงที่ผ่านมา แต่จะใช้หม้อแปลงขนาดเล็กเปรียนเสมือนแหล่งจ่ายกำลังไฟฟ้ากระแสสลับแทนและใกล้เคียงลักษณะการใช้งานจริงเพิ่มขึ้น โดยในส่วนของหม้อแปลงจ่ายไฟฟ้ากระแสค่าคงที่จะมีแรงดันที่ประมาณ 12VAC (CH1 ในรูปที่ 20) และหม้อแปลงจ่ายไฟฟ้ากระแสแบบปรับค่าได้จะมีแรงดันที่ประมาณ 15VAC (CH2 ในรูปที่ 20) และในการปรับค่าแรงดันจะใช้วาริแอกปรับแรงดันอินพุต 220VAC

ในรูปที่ 18 ถึงรูปที่ 22 การทดลองที่ 1 เมื่อปรับแรงดันเอาต์พุตของหม้อแปลงทั้ง 2 ตัวให้เท่ากันหรือใกล้เคียงกันมากที่สุด (แสดงในรูปที่ 20) เป็นผลให้ไม่มีกระแสไหลระหว่างกันของหม้อแปลงทั้ง 2 ตัว ดังแสดงในรูปที่ 21 และรูปที่ 22 ซึ่งหมายถึง เฟส (Phase) และความถี่ (Frequency) รวมถึงแรงดัน (Voltage) ของแหล่งจ่ายทั้ง 2 ส่วนเท่ากันหรือใกล้เคียงกันที่สุด

สำหรับรูปที่ 24 ถึงรูปที่ 26 เป็นการทดลองที่ 2 นำโหลดขนาด 20 โอห์ม 20 วัตต์มาต่อที่เอาต์พุตและปรับค่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับปรับค่า (12.6VAC) ให้มีค่าน้อยกว่าแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับค่าคงที่ (13.6VAC) จะสังเกตเห็นว่าตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับค่าคงที่ จะทำหน้าที่จ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังโหลดแทนที่กระแสเท่ากับ 0.45A

สำหรับรูปที่ 27 ถึงรูปที่ 29 เป็นการทดลองที่ 3 ยังคงต่อโหลดที่เอาต์พุต จากนั้นปรับค่าแรงดันของแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับปรับค่า (14.0VAC) ให้มีค่ามากกว่าแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับค่าคงที่ (13.6VAC) จะสังเกตเห็นว่าตัวแหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสสลับปรับค่าได้ จะทำหน้าที่จ่ายกำลังไฟฟ้าไปยังโหลดแทนที่กระแสเท่ากับ 0.47A ซึ่งผลที่ได้จะตรงกันข้ามกับการทดลองที่ 2 นั้นเอง

สำหรับบทความนี้เป็นการศึกษาและเรียนรู้เกี่ยวกับกริดไทร์อินเวอร์เตอร์ Grid Tie Inverter หรือบางครั้งเรียก Grid Connected Inverter ในเบื้องต้นนี้ ซึ่งเป็นอีก 1 เรื่องที่แอดมินลองหาข้อมูลในเว็บไซต์ต่างๆ ทั่วไป (เว็บไซต์อ้างอิงข้างล่าง) และสรุปเนื้อหาตามที่ได้อ่าน และทดลองวงจรเพิ่มเติมบางส่วนเพื่อทำความเข้าใจ ซึ่งคิดว่าการเรียนรู้และทดลองครั้งนี้คงจะเป็นประโยชน์และเป็นแนวความคิดเบื้องต้นให้กับผู้อ่านเกี่ยวกับกริดไทอินเวอร์เตอร์อีกส่วนหนึ่งครับ.

Reference

1. https://www.inverter.com/solar-on-grid-inverter-circuit-design
2. https://www.researchgate.net/publication/281841873_Design_and_analysis_of_a_transformer-less_single-phase_grid-tie_photovoltaic_inverter_using_boost_converter_with_Immittance_conversion_topology
3. https://solar.smps.us/grid-tie-inverter-schematic.html
4. https://www.elektormagazine.com/labs/solar-grid-tie-inverter-re-engineered
5. https://www.homemade-circuits.com/simplest-grid-tie-inverter-gti-circuit/
6. https://www.mdpi.com/2079-9292/12/4/860
7. https://romanblack.com/micro_gt.htm
8. https://www.semanticscholar.org/paper/Design-and-implementation-a-specific-grid-tie-for-Abdar-Chakraverty/3c5babe3c6d1a601cfd4c5987541fb26ae1f9ad3
9. https://www.ti.com/lit/an/sprabt0/sprabt0.pdf
10. https://www.ti.com/lit/ug/tiduay6e/tiduay6e.pdf
11. https://www.electro-tech-online.com/threads/i-need-your-suggestions-on-my-grid-tie-inverter-design.140892/
12. https://www.instructables.com/Grid-Tie-Inverter-V3/
13. https://www.instructables.com/Grid-Tie-Inverter-V2/
14. https://www.ti.com/lit/ug/tidub21d/tidub21d.pdf