Многоуровневая схема 5-ступенчатого каскадного синусоидального инвертора

В этой статье мы узнаем, как сделать многоуровневую (5-ступенчатую) каскадную схему инвертора, используя очень простую концепцию, разработанную мной. Давайте узнаем больше о деталях.

Концепция схемы

На этом веб-сайте я разработал, спроектировал и представил множество схем синусоидального инвертора, используя простые концепции и обычные компоненты, такие как IC 555, которые, как оказалось, больше ориентированы на результат, а не являются сложными и полны теоретических беспорядков.

Я объяснил, как просто аудиоусилитель высокой мощности может быть преобразован в инвертор синусоидальной волны , и я также подробно рассмотрел синусоидальные инверторы, использующие концепции SPWM.

Мы также узнали на этом веб-сайте о как преобразовать любой квадратный инвертор в чисто синусоидальный инвертор дизайн.

Оценивая вышеупомянутые схемы инвертора синусоидальной волны с использованием синусоидальных эквивалентов ШИМ, мы понимаем, что форма волны SPWM не совпадает напрямую или не совпадает с фактической синусоидальной формой волны, скорее они вызывают эффект синусоидальной волны или результаты, интерпретируя значение RMS фактической синусоидальной волны AC.

Хотя SPWM можно рассматривать как эффективный способ воспроизведения и реализации достаточно чистой синусоидальной волны, тот факт, что она не моделирует и не совпадает с реальной синусоидой, делает концепцию немного простой, особенно по сравнению с 5-уровневым каскадным синусоидальным инвертором. концепция.

Мы можем сравнить и проанализировать два типа концепций моделирования синусоидальной волны, обратившись к следующим изображениям:

Многоуровневое каскадное изображение сигнала

Мы ясно видим, что концепция многоуровневого 5-ступенчатого каскадирования обеспечивает более очевидное и эффективное моделирование реальной синусоидальной волны, чем концепция SPWM, которая основывается исключительно на согласовании значения RMS с исходной величиной синусоидальной волны.

Проектирование обычного 5-уровневого каскадного синусоидального инвертора может быть довольно сложным, но концепция, которая объясняется здесь, упрощает реализацию и использует обычные компоненты.

Принципиальная электрическая схема

ПРИМЕЧАНИЕ. Добавьте конденсатор 1 мкФ / 25 на линии контактов 15 и 16 микросхемы, иначе последовательность не будет инициирована.
Обращаясь к изображению выше, мы можем увидеть, как просто концепция 5-уровневого каскадного инвертора может быть практически реализована с использованием всего лишь многопозиционного трансформатора, пары 4017 IC и 18 силовых BJT, которые при необходимости могут быть легко заменены МОП-транзисторами.

Здесь пара 4017 микросхем, которые представляют собой 10-ступенчатые микросхемы делителя счетчика Джонсона, подключены каскадом для получения последовательно работающих или отслеживающих логические максимумы по показанным выводам микросхем.

Схема работы

Эта последовательно работающая логика используется для запуска подключенных силовых BJT в той же последовательности, которая, в свою очередь, переключает обмотку трансформатора в таком порядке, который заставляет трансформатор генерировать каскадный вид синусоидальной эквивалентной формы волны.

Трансформатор является сердцем схемы и использует специально раненую первичную обмотку с 11 отводами. Эти отводы просто равномерно извлекаются из одной длинной расчетной обмотки.

BJT, связанные с одной из IC, переключают одну из половин трансформатора через 5 отводов, позволяя генерировать 5 ступеней уровня, составляющих один полупериод формы сигнала переменного тока, в то время как BJT, связанные с другими IC, выполняют идентичную функцию для формирования вверх нижней половины цикла переменного тока в виде 5-уровневого каскадного сигнала.

Микросхемы управляются синхронизирующими сигналами, подаваемыми в указанное место в цепи, которые могут быть получены от любой стандартной нестабильной схемы 555 IC.

Первые 5 наборов BJT образуют 5 уровней формы волны, остальные 4 BJT переключают то же самое в обратном порядке, чтобы завершить каскадную форму волны, имеющую в общей сложности 9 небоскребов.

Эти небоскребы формируются путем создания повышающихся и понижающихся уровней напряжения путем переключения соответствующей обмотки трансформатора, рассчитанного на соответствующие уровни напряжения.

Например, обмотка № 1 может быть рассчитана на 150 В относительно центрального ответвления, обмотка № 2 на 200 В, обмотка № 3 на 230 В, обмотка № 4 на 270 В и обмотка № 5 на 330 В, поэтому, когда они переключаются последовательно Набор из показанных 5 BJT, мы получаем первые 5 уровней формы волны, затем, когда эти обмотки переключаются в обратном направлении следующими 4 BJT, он создает нисходящие 4 уровня формы волны, таким образом завершая верхний полупериод 220 В переменного тока.

То же самое повторяется другими 9 BJT, связанными с другой ИС 4017, создавая нижнюю половину 5-уровневого каскадного переменного тока, который завершает одну полную форму волны переменного тока требуемого выхода 220 В переменного тока.

Детали обмотки трансформатора:

Как видно из приведенной выше схемы, трансформатор представляет собой обычный железный сердечник, выполненный путем намотки первичной и вторичной обмоток витками, соответствующими указанным отводам напряжения.

При подключении к соответствующим BJT эта обмотка, как можно ожидать, будет индуцировать 5 уровней или всего 9 уровней каскадной формы волны, при этом первая обмотка 36 В будет соответствовать и индуцировать 150 В, 27 В вызовет эквивалент 200 В, а 20 В 27 В, 36 В будут отвечать за выработку 230 В, 270 В и 330 В через вторичную обмотку в предлагаемом каскадном формате.

Набор ответвлений на нижней стороне первичной обмотки будет выполнять переключение для завершения 4 восходящих уровней формы волны.

Идентичная процедура будет повторяться 9 BJT, связанными с дополнительной ИС 4017 для построения отрицательного полупериода переменного тока ... отрицательный результат создается из-за противоположной ориентации обмотки трансформатора относительно центрального отвода.

Обновлять:

Полная принципиальная схема обсуждаемой схемы многоуровневого синусоидального инвертора

ПРИМЕЧАНИЕ. Добавьте конденсатор 1 мкФ / 25 на линии контактов 15 и 16 микросхемы, иначе последовательность не будет инициирована.
Поток 1M, связанный со схемой 555, необходимо отрегулировать для установки частоты 50 Гц или 60 Гц для инвертора в соответствии со спецификациями страны пользователя.

Список деталей

Все неуказанные резисторы - 10 кОм, 1/4 Вт.
Все диоды 1N4148
Все BJT - TIP142
ИС 4017

Примечания для схемы многоуровневого 5-ступенчатого каскадного синусоидального инвертора:

Тестирование и проверка вышеуказанного дизайна были успешно проведены г-ном Шервином Баптистой, который является одним из активных последователей веб-сайта.

1. Выбираем входное питание инвертора --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Будет проблема ШУМА, генерируемого во время всего процесса сборки этого инвертора. Очень легко решить проблему генерируемого и усиливаемого шума

A. Мы решаем фильтровать выходной сигнал IC555 в тот момент, когда он генерируется на выводе 3, таким образом можно получить более чистую прямоугольную волну.

B. Мы решили использовать FERRITE BEADS на соответствующих выходах IC4017, чтобы улучшить фильтрацию перед отправкой сигнала на транзисторы усилителя.

C. Мы решили использовать ДВА ТРАНСФОРМАТОРА и усилить фильтрацию между ними обоими в схеме.

3. Данные каскада осциллятора:

Предлагаемый каскад является основным в схеме инвертора. Он производит необходимые импульсы с заданной частотой для работы трансформатора. Он состоит из IC555, IC4017 и транзисторов мощности усилителя.

A. IC555:

Это простая в использовании микросхема таймера с низким энергопотреблением, с ее помощью можно выполнять множество различных проектов. В этом проекте инвертора мы настроили его в нестабильном режиме для генерации прямоугольных волн. Здесь мы устанавливаем частоту 450 Гц, регулируя потенциометр 1 МОм и подтверждая выходной сигнал частотомером.

B. IC4017:

Это 10-ступенчатая логическая микросхема делителя счетчика Jhonson, которая очень известна в схемах последовательного / работающего светодиодного флешера / чейзера. Здесь он грамотно настроен для использования в инверторном приложении. Мы подаем эти 450 Гц, генерируемые IC555, на входы IC4017. Эта ИС выполняет работу по разделению входной частоты на 9 частей, каждая из которых дает выходную частоту 50 Гц.
Теперь выходные контакты обоих 4017 имеют тактовый сигнал с частотой 50 Гц, непрерывно идущий вперед и назад.

C. Транзисторы мощности усилителя:

Это высокомощные транзисторы, которые направляют энергию батареи в обмотки трансформатора в соответствии с подаваемым в них сигналом. Поскольку выходные токи 4017 слишком малы, мы не можем напрямую подавать их в трансформатор. Поэтому нам нужен какой-то усилитель, который преобразует слаботочные сигналы от 4017 в сильноточные, которые затем могут быть переданы на трансформатор для дальнейшей работы.

Эти транзисторы будут нагреваться во время работы и обязательно потребуют радиатора.
Для каждого транзистора можно использовать отдельные радиаторы, поэтому необходимо убедиться, что
радиаторы не касаются друг друга.

ИЛИ ЖЕ

Можно было бы использовать один длинный радиатор, чтобы уместить на нем все транзисторы. Тогда следует
термически и электрически изолируйте центральный язычок каждого транзистора от соприкосновения с радиатором в

чтобы избежать их короткого замыкания. Это можно сделать с помощью набора для изоляции слюды.

4. Далее идет трансформатор первой ступени:

О. Здесь мы применяем многотводную первичную обмотку к двухпроводному вторичному трансформатору. Затем мы находим вольт на отвод, чтобы подготовить первичное напряжение.

---ШАГ 1---

Мы принимаем во внимание входное напряжение постоянного тока, равное 24 В. Мы делим это на 1,4142 и находим его эквивалент AC RMS, который составляет 16,97 В ~.
Мы округляем приведенное выше среднеквадратичное значение, что дает 17 В ~

---ШАГ 2---

Затем мы делим среднеквадратичное значение 17 В ~ на 5 (поскольку нам нужно пять напряжений отвода) и получаем среднеквадратичное значение 3,4 В ~.
Мы берем окончательное среднеквадратичное значение на 3,5 В ~ и умножаем его на 5, получаем 17,5 В ~ в виде круглого числа.
Наконец, мы нашли вольт на кран, который составляет 3,5 В ~ RMS.

B. Мы решили сохранить вторичное напряжение на уровне RMS 12 В ~, то есть 0-12 В, потому что мы можем получить более высокую выходную силу тока при 12 В ~.

C. Итак, у нас есть номинал трансформатора, как показано ниже:
Многоточечный первичный: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 В при 600 Вт / 1000 ВА
Вторичный: 0 --- 12 В при 600 Вт / 1000 ВА.
Мы получили этот трансформатор от местного дилера трансформаторов.

5. Теперь следует основная цепь LC:

LC-цепь, известная как фильтрующее устройство, находит надежное применение в схемах преобразователя мощности.
При использовании в инверторном приложении он обычно требуется для устранения острых пиков.

любого сгенерированного сигнала и помогает преобразовать его в более плавный сигнал.

Здесь, когда вторичная часть вышеуказанного трансформатора составляет 0 --- 12 В, мы ожидаем многоуровневого
квадратная каскадная форма волны на выходе. Таким образом, мы используем 5-ступенчатую LC-схему, чтобы получить сигнал, эквивалентный синусоидальной форме.

Данные для цепи LC приведены ниже:

A) Все катушки индуктивности должны быть рассчитаны на 500 мкГн (микрогенри) и 50 А с ламинированным железным сердечником.
Б) Все конденсаторы должны быть НЕПОЛЯРНОГО типа 1 мкФ 250 В.

Обратите внимание, что мы делаем упор на 5-ступенчатую LC-схему, а не только на одну или две ступени, чтобы мы могли получить гораздо более чистую форму сигнала на выходе с меньшими гармоническими искажениями.

6. Теперь идет второй и последний трансформатор:

Этот трансформатор отвечает за преобразование выходного сигнала сети LC, т. Е. Среднеквадратичного значения 12 В ~ в 230 В ~.
Этот трансформатор будет иметь следующие характеристики:
Первичный: 0 --- 12 В при 600 Вт / 1000 ВА
Вторичный: 230 В при 600 Вт / 1000 ВА.

Здесь НЕ потребуется дополнительная LC-сеть на конечном выходе 230 В для большей фильтрации, поскольку мы уже отфильтровали каждый этап каждого обработанного выхода в начале.
ВЫХОД теперь будет синусоидой.

ХОРОШО то, что на конечном выходе этого инвертора абсолютно НЕТ ШУМА и
сложные устройства могут работать.

Но человеку, работающему с инвертором, следует помнить одну вещь: НЕ ПЕРЕГРУЖАЙТЕ ИНВЕРТОР и не допускайте превышения допустимого предела мощности нагрузки сложных устройств.

Некоторые исправления, которые необходимо внести в принципиальную схему, приведены ниже:

1. К регулятору IC7812 необходимо подключить байпасные конденсаторы. Он должен быть установлен на
НАГРЕВАТЕЛЬ, поскольку во время работы он может нагреваться.

2. Таймер IC555 должен следовать последовательному сопротивлению, прежде чем его сигнал перейдет на диоды.
Значение сопротивления должно быть 100E. IC нагревается, если резистор не подключен.

В заключение мы предлагаем 3 этапа фильтрации:

1. Сигнал, генерируемый микросхемой IC555 на выводе 3, фильтруется на землю и затем передается на резистор.
а потом к диодам.

2. Поскольку рабочие сигналы выходят из соответствующих контактов IC4017, мы подключили ферритовые бусины перед
прохождение сигнала к резистору.
3. Последний этап фильтра используется между обоими трансформаторами.

Как я рассчитал обмотку трансформатора

Я хотел бы поделиться с вами кое-чем сегодня.

Когда дело дошло до намотки стального сердечника, я ничего не знал о спецификациях перемотки, так как выяснил, что в них входит множество параметров и расчетов.

Итак, для вышеупомянутой статьи я дал основные характеристики специалисту по намотке трафарета, и он просто спросил меня:

a) Отвод входного и выходного напряжения при необходимости,
б) входной и выходной ток,
в) Общая мощность,
г) Вам нужно внешнее зажимное приспособление, прикрученное к трафарету?
д) Вы хотите, чтобы предохранитель был подключен внутри трансформатора 220В?
е) Вы хотите, чтобы провода были подключены к трафо ИЛИ просто оставьте эмалированный провод снаружи с добавленным материалом радиатора?
ж) Вы хотите, чтобы жила была заземлена с подключенным внешним проводом?
з) Вы хотите, чтобы ЖЕЛЕЗНОЕ ЯДРО было покрыто лаком и окрашено в черный цвет?

В конце концов, он заверил меня в том, что после завершения полной проверки безопасности трансформатора, изготавливаемого на заказ, потребуется 5 дней, пока не будет произведена частичная оплата.
Частичная оплата составляла (примерно) одну четвертую от общей предложенной стоимости, продиктованную заводчиком.

Мои ответы на поставленные выше вопросы:

ПРИМЕЧАНИЕ: Чтобы избежать путаницы с проводкой, я предполагаю, что трафарет предназначен для одной цели: СТАНДАРТНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР, где первичная сторона - это сторона высокого напряжения, а вторичная - сторона низкого напряжения.

а) первичный вход 0-220 В, 2-х проводный.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- Вторичный многоотводный выход 17,5 В, 11- провода.

б) Входной ток первичной обмотки: 4,55 А при 220 В Выходной ток: 28,6 А на многоотводной вторичной обмотке при сквозном напряжении 35 В… .. в отношении расчета.

Я сказал ему, что мне нужно 5 ампер при 220 В (230. Макс.), То есть первичный вход, и 32 ампера при 35 В, то есть многоотводный вторичный выход.

c) Сначала я сказал ему 1000 ВА, но, исходя из расчета умножения напряжения на ампер и округления десятичных чисел, мощность упала до 1120 ВА +/- 10%. Он предоставил мне значение допуска безопасности для стороны 220 В.

г) Да. Мне нужно для легкого крепления на металлический шкаф.

д) Нет. Я сказал ему, что помещу один снаружи, чтобы облегчить доступ к нему, когда он случайно оторвется.

е) Я сказал ему оставить эмалированный провод снаружи, так как вторичная сторона с несколькими ответвлениями должна быть надлежащим образом охвачена радиатором в целях безопасности, а на первичной стороне я попросил подключить провода.

ж) Да. Мне нужно заземлить жилу по соображениям безопасности. Поэтому прикрепите внешний провод.

з) Да. Я попросил его обеспечить необходимую защиту для штамповки сердечника.

Это было взаимодействие между мной и ним по поводу предлагаемого трансформатора, изготовленного на заказ.

ОБНОВИТЬ:

В вышеупомянутой 5-ступенчатой ​​каскадной схеме мы реализовали 5-ступенчатое прерывание на стороне постоянного тока трансформатора, что кажется немного неэффективным. Это связано с тем, что переключение может привести к значительным потерям мощности из-за обратной ЭДС от трансформатора, и для этого потребуется, чтобы трансформатор был очень большого размера.

Лучшей идеей может быть генерация стороны постоянного тока с помощью полномостового инвертора 50 Гц или 60 Гц и переключение вторичной стороны переменного тока с помощью наших 9-ступенчатых последовательных выходов IC 4017 с использованием симисторов, как показано ниже. Эта идея уменьшит выбросы и переходные процессы и позволит инвертору более плавно и эффективно обрабатывать 5-ступенчатую синусоиду. Симисторы будут менее уязвимы для переключения по сравнению с транзисторами на стороне постоянного тока.