Wielopoziomowy 5-stopniowy kaskadowy obwód falownika sinusoidalnego

W tym artykule dowiemy się, jak wykonać wielopoziomowy (5-stopniowy) kaskadowy obwód falownika przy użyciu bardzo prostej koncepcji opracowanej przeze mnie. Dowiedzmy się więcej o szczegółach.

Koncepcja obwodu

Na tej stronie internetowej do tej pory opracowałem, zaprojektowałem i wprowadziłem wiele obwodów falownika sinusoidalnego przy użyciu prostych koncepcji i zwykłych komponentów, takich jak IC 555, które są bardziej zorientowane na wyniki, a nie są złożone i pełne teoretycznych nieładów.

Wyjaśniłem, jak po prostu plik Wzmacniacz audio o dużej mocy można przekształcić w falownik sinusoidalny , a także obszernie omówiłem kwestię inwerterów sinusoidalnych z wykorzystaniem koncepcji SPWM

Dowiedzieliśmy się również z tej strony internetowej na temat jak przekształcić dowolny falownik kwadratowy w czysty falownik sinusoidalny projekt.

Oceniając powyższe obwody falownika sinusoidalnego wykorzystujące równoważne sinusoidy PWM, rozumiemy, że kształt fali SPWM nie pasuje bezpośrednio ani nie pokrywa się z rzeczywistym przebiegiem sinusoidalnym, a raczej realizuje efekt sinusoidalny lub wyniki poprzez interpretację wartości RMS rzeczywistej fali sinusoidalnej AC.

Chociaż SPWM można uznać za skuteczny sposób replikacji i implementacji w miarę czystej fali sinusoidalnej, fakt, że nie symuluje ona ani nie pokrywa się z prawdziwą falą sinusoidalną, sprawia, że ​​koncepcja jest trochę nieskomplikowana, zwłaszcza w porównaniu z 5-poziomowym kaskadowym falownikiem sinusoidalnym pojęcie.

Możemy porównać i przeanalizować dwa typy koncepcji symulacji przebiegu sinusoidalnego, odwołując się do następujących obrazów:

Wielopoziomowy kaskadowy obraz przebiegu

Widzimy wyraźnie, że wielopoziomowa 5-stopniowa koncepcja kaskadowa daje bardziej oczywistą i skuteczną symulację rzeczywistej fali sinusoidalnej niż koncepcja SPWM, która polega wyłącznie na dopasowaniu wartości RMS do pierwotnej wielkości fali sinusoidalnej.

Projektowanie konwencjonalnego 5-stopniowego kaskadowego falownika sinusoidalnego może być dość złożone, ale koncepcja, która jest tutaj wyjaśniona, ułatwia implementację i wykorzystuje zwykłe komponenty.

Schemat obwodu

UWAGA: Proszę dodać kondensator 1uF / 25 między pinami # 15 i pin # 16 linii układów scalonych, w przeciwnym razie sekwencjonowanie nie rozpocznie się.
Odnosząc się do powyższego obrazu, możemy zobaczyć, jak prosto 5-poziomową koncepcję kaskadowego falownika można praktycznie zaimplementować za pomocą tylko transformatora muti-tap, kilku układów scalonych 4017 i 18 BJT mocy, które w razie potrzeby można łatwo zastąpić mosfetami.

Tutaj kilka 4017 układów scalonych, które są 10-stopniowymi układami dzielnika licznika Johnsona, jest połączonych kaskadowo, aby wytworzyć sekwencyjnie przebiegające lub ścigające logiczne wzloty na pokazanych pinoutach układów scalonych.

Działanie obwodu

Te sekwencyjnie działające układy logiczne są używane do wyzwalania połączonych tranzystorów BJT mocy w tej samej kolejności, które z kolei przełączają uzwojenie transformatora w kolejności, która powoduje, że transformator wytwarza kaskadowy przebieg równoważny sinusowi.

Transformator stanowi serce obwodu i wykorzystuje specjalnie uzwojony obwód pierwotny z 11 odczepami. Te zaczepy są po prostu równomiernie wyciągane z jednego długiego obliczonego uzwojenia.

BJT skojarzone z jednym z układów scalonych przełączają jedną z połówek transformatora za pomocą 5 odczepów umożliwiających generowanie 5 stopni poziomów, stanowiących połowę cyklu przebiegu prądu przemiennego, podczas gdy BJT skojarzone z innymi układami scalonymi pełnią tę samą funkcję, aby kształtować w górę dolnej połowy cyklu AC w ​​postaci 5 poziomów kaskadowego przebiegu.

Układy scalone są uruchamiane przez sygnały zegarowe stosowane do wskazanej pozycji w obwodzie, które można uzyskać z dowolnego standardowego obwodu astabilnego 555 IC.

Pierwsze 5 zestawów BJT tworzy 5 poziomów kształtu fali, pozostałe 4 BJT przełączają się tak samo w odwrotnej kolejności, aby zakończyć kaskadowy przebieg mający w sumie 9 wieżowców.

Te drapacze chmur są tworzone przez wytwarzanie rosnących i opadających poziomów napięcia przez przełączanie odpowiedniego uzwojenia transformatora, które są oceniane na odpowiednich poziomach napięcia

Na przykład uzwojenie nr 1 może mieć napięcie 150 V w odniesieniu do środkowego zaczepu, uzwojenie nr 2 przy 200 V, uzwojenie nr 3 przy 230 V, uzwojenie nr 4 przy 270 V, a uzwojenie nr 5 przy 330 V, więc gdy są one przełączane sekwencyjnie przez zestaw pokazanych 5 BJT, otrzymujemy pierwsze 5 poziomów przebiegu, następnie, gdy te uzwojenia są przełączane odwrotnie przez kolejne 4 BJT, tworzy spadające 4 przebiegi poziomów, kończąc w ten sposób górną połowę cyklu 220V AC.

To samo powtarza się przez pozostałe 9 BJT powiązane z pozostałymi 4017 układami scalonymi, dając początek dolnej połowie 5-stopniowego kaskadowego prądu przemiennego, który uzupełnia jeden kompletny przebieg prądu przemiennego o wymaganym wyjściu 220 V AC.

Szczegóły uzwojenia transformatora:

Jak widać na powyższym schemacie, transformator jest zwykłym żelaznym rdzeniem, wykonanym przez uzwojenie pierwotnego i wtórnego zwojami odpowiadającymi wskazanym odczepom.

Po połączeniu z odpowiednimi BJT można oczekiwać, że uzwojenie to indukuje 5 poziomów lub łącznie 9 poziomów kaskadowego przebiegu, przy czym pierwsze uzwojenie 36 V odpowiadałoby i indukowałoby 150 V, 27 V indukowałoby odpowiednik 200 V, podczas gdy 20 V, 27 V, 36 V byłoby odpowiedzialne za wytwarzanie 230 V, 270 V i 330 V w uzwojeniu wtórnym w proponowanym układzie kaskadowym.

Zestaw odczepów w dolnej części uzwojenia pierwotnego dokonałby przełączenia w celu zakończenia 4 rosnących poziomów przebiegu.

Identyczna procedura byłaby powtórzona przez 9 BJT powiązanych z komplementarnym układem scalonym 4017 do budowania ujemnego półcyklu prądu przemiennego ... Negatyw jest renderowany z powodu przeciwnej orientacji uzwojenia transformatora względem środkowego zaczepu.

Aktualizacja:

Kompletny schemat obwodu omawianego wielopoziomowego obwodu falownika sinusoidalnego

UWAGA: Proszę dodać kondensator 1uF / 25 między pinami # 15 i pin # 16 linii układów scalonych, w przeciwnym razie sekwencjonowanie nie rozpocznie się.
Potencjometr 1M powiązany z obwodem 555 będzie wymagał regulacji w celu ustawienia częstotliwości 50 Hz lub 60 Hz dla falownika zgodnie ze specyfikacjami krajowymi użytkownika.

Lista części

Wszystkie nieokreślone rezystory mają moc 10k, 1/4 wata
Wszystkie diody to 1N4148
Wszystkie BJT to TIP142
Układy scalone to 4017

Uwagi dotyczące wielopoziomowego 5-stopniowego kaskadowego obwodu falownika sinusoidalnego:

Testowanie i weryfikację powyższego projektu z powodzeniem przeprowadził pan Sherwin Baptista, który jest jednym z zagorzałych zwolenników serwisu.

1. Decydujemy o zasilaniu falownika --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. W całym procesie budowy falownika wystąpi problem HAŁASU. Bardzo łatwo rozwiązać problem generowanego i wzmacnianego hałasu

O. Decydujemy się przefiltrować sygnał wyjściowy IC555 w momencie, gdy jest on wytwarzany na pinie 3, dzięki czemu można uzyskać czystszą falę prostokątną.

B. Decydujemy się na użycie FERRITE BEADS na odpowiednich wyjściach IC4017 w celu wzmocnienia filtrowania przed wysłaniem sygnału do tranzystorów wzmacniacza.

C. Decydujemy się użyć DWÓCH TRANSFORMATORÓW i wzmocnić filtrowanie między nimi w obwodzie.

3. Dane stopnia oscylatora:

Ten proponowany etap jest głównym etapem obwodu falownika. Wytwarza wymagane impulsy przy danej częstotliwości do działania transformatora. Składa się z układów IC555, IC4017 i tranzystorów mocy wzmacniacza.

A. IC555:

Jest to łatwy w użyciu układ czasowy o niskiej mocy i ma wiele różnych projektów, które można wykonać za jego pomocą. W tym projekcie falownika konfigurujemy go w trybie astabilnym, aby generował fale prostokątne. Tutaj ustawiamy częstotliwość na 450 Hz, regulując potencjometr 1 megaom i potwierdzając wyjście miernikiem częstotliwości.

B. IC4017:

Jest to 10-stopniowy układ logiczny dzielnika licznika Jhonsona, który jest bardzo znany w sekwencyjnych / działających obwodach LED migacza / chasera. Tutaj jest inteligentnie skonfigurowany do użytku w aplikacji falownika. Dostarczamy to 450 Hz generowane przez IC555 na wejścia IC4017. Ten układ scalony ma za zadanie rozbić częstotliwość wejściową na 9 części, z których każda daje wyjście 50 Hz.
Teraz piny wyjściowe obu 4017 mają sygnał zegarowy o częstotliwości 50 Hz nieprzerwanie poruszający się do przodu i do tyłu.

C. Tranzystory mocy wzmacniacza:

To tranzystory dużej mocy, które wciągają energię z akumulatora do uzwojeń transformatora zgodnie z podawanym do nich sygnałem. Ponieważ prądy wyjściowe 4017s są zbyt niskie, nie możemy ich bezpośrednio podawać do transformatora. Dlatego potrzebujemy jakiegoś wzmacniacza, który przekształci sygnały o niskim prądzie z 4017s na sygnały wysokoprądowe, które następnie można przekazać do transformatora w celu dalszej pracy.

Te tranzystory nagrzewałyby się podczas pracy i koniecznie wymagałyby radiatora.
Można by zastosować osobne radiatory dla każdego tranzystora, dlatego należy się upewnić, że
radiatory nie stykają się ze sobą.

LUB

Można by użyć jednego, długiego radiatora, żeby zmieścić na nim wszystkie tranzystory. Wtedy należy
izolować termicznie i elektrycznie środkową klapkę każdego tranzystora od kontaktu z radiatorem

aby uniknąć zwarcia. Można to zrobić za pomocą Mica Isolation Kit.

4. Następnie jest transformator pierwszego stopnia:

O. Tutaj stosujemy wielozłączowy transformator pierwotny do dwuprzewodowego wtórnego. Następnie znajdujemy wolty na zaczep, aby przygotować napięcie pierwotne.

---KROK 1---

Bierzemy pod uwagę wejściowe napięcie DC, które wynosi 24 V. Dzielimy to przez 1.4142 i znajdujemy jego odpowiednik AC RMS, który wynosi 16,97V ~
Zaokrąglijmy powyższą wartość RMS, która daje 17 V ~

---KROK 2---

Następnie dzielimy RMS 17V ~ przez 5 (ponieważ potrzebujemy pięciu napięć zaczepu) i otrzymujemy RMS 3,4V ~
Końcową wartość RMS bierzemy przez 3,5 V ~ i mnożąc ją przez 5, otrzymujemy 17,5 V ~ jako okrągłą wartość.
W końcu znaleźliśmy wolty na dotknięcie, które wynosi RMS 3,5 V ~

B. Decydujemy się utrzymać napięcie wtórne na poziomie RMS 12V ~ tj. 0-12V jest, ponieważ możemy uzyskać wyższe natężenie prądu wyjściowego przy 12V ~

C. Mamy więc wartość znamionową transformatora jak poniżej:
Podstawowy wielozłączowy: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V przy 600 W / 1000VA
Wtórny: 0 --- 12 V przy 600 W / 1000 VA.
Ten transformator został zraniony przez lokalnego sprzedawcę.

5. Teraz następuje główny obwód LC:

Obwód LC znany jako urządzenie filtrujące ma solidne zastosowania w obwodach przekształtników mocy.
Używany w aplikacji z falownikiem jest zwykle wymagany do rozbicia ostrych pików

dowolnego wygenerowanego przebiegu i pomaga przekształcić go w płynniejszy przebieg.

Tutaj, w części wtórnej powyższego transformatora o wartości 0 --- 12 V, spodziewamy się wielopoziomowego
kwadratowy przebieg kaskadowy na wyjściu. Dlatego stosujemy 5-stopniowy obwód LC, aby uzyskać równoważny przebieg SINEWAVE.

Dane dla obwodu LC są następujące:

A) Wszystkie cewki indukcyjne powinny mieć 500 uH (mikrohenry) 50 A, RDZENIE ŻELAZNE LAMINOWANE.
B) Wszystkie kondensatory powinny być typu 1uF 250V NONPOLAR.

Zauważ, że kładziemy nacisk na 5-stopniowy obwód LC, a nie tylko na jeden lub dwa stopnie, dzięki czemu możemy uzyskać znacznie czystszy przebieg na wyjściu z mniejszymi zniekształceniami harmonicznymi.

6. Teraz nadchodzi drugi i ostatni etap transformatora:

Transformator ten odpowiada za zamianę wyjścia z sieci LC tj. RMS 12V ~ na 230V ~
Ten transformator byłby oceniany jak poniżej:
Podstawowy: 0 --- 12 V przy 600 W / 1000 VA
Wtórny: 230 V przy 600 W / 1000 VA.

W tym przypadku ŻADNA dodatkowa sieć LC nie byłaby wymagana na końcowym wyjściu 230 V, aby uzyskać więcej filtrowania, ponieważ na początku filtrowaliśmy już każdy etap każdego przetworzonego wyjścia.
WYJŚCIE będzie teraz SINEWAVE.

DOBRĄ rzeczą jest to, że na końcowym wyjściu tego falownika nie ma absolutnie ŻADNEGO HAŁASU
można obsługiwać wyrafinowane gadżety.

Ale jedna rzecz, o której powinna pamiętać osoba obsługująca falownik, to NIE PRZECIĄŻAĆ INWERTERA i utrzymywać w ograniczonym zakresie moc wyrafinowanych gadżetów.

Kilka poprawek, które należy wprowadzić w schemacie obwodu, podano poniżej:

1. Regulator IC7812 powinien mieć podłączone kondensatory obejściowe. Powinien być zamontowany na
HEATSINK, ponieważ nagrzewa się podczas pracy.

2. Zegar IC555 powinien podążać za rezystancją szeregową, zanim jego sygnał przejdzie do diod.
Wartość rezystancji powinna wynosić 100E. Układ scalony nagrzewa się, jeśli rezystor nie jest podłączony.

Podsumowując, mamy 3 proponowane etapy filtrowania:

1. Sygnał generowany przez IC555 na pinie 3 jest filtrowany do masy, a następnie przekazywany do rezystora
a potem do diod.

2. Gdy sygnały pracy wychodzą z odpowiednich pinów IC4017, wcześniej podłączyliśmy koraliki ferrytowe
przekazanie sygnału do rezystora.
3. Ostatni stopień filtracji jest zastosowany pomiędzy obydwoma transformatorami

Jak obliczyłem uzwojenie transformatora

Chciałbym się dziś z wami czymś podzielić.

Jeśli chodzi o nawijanie żelaznego rdzenia, nic nie wiedziałem o przewijaniu specyfikacji, ponieważ znalazłem wiele parametrów i obliczeń.

Tak więc w powyższym artykule przekazałem podstawowe specyfikacje osobie zajmującej się zwijarką trafo, a on właśnie zapytał mnie:

a) W razie potrzeby odczepy napięcia wejściowego i wyjściowego,
b) prąd wejściowy i wyjściowy,
c) Całkowita moc,
d) Czy do trafo potrzebny jest zewnętrzny uchwyt mocujący?
e) Czy chcesz, aby bezpiecznik był wewnętrznie podłączony po stronie transformatora 220V?
f) Czy chcesz podłączyć przewody do trafo CZY po prostu zostawić emaliowany przewód na zewnątrz z dodatkiem materiału na radiator?
g) Czy chcesz, aby rdzeń był uziemiony z podłączonym przewodem zewnętrznym?
h) Czy chcesz, aby IRON CORE był zabezpieczony lakierem i pomalowany czarnym tlenkiem?

W końcu zapewnił mnie o przeprowadzeniu pełnego testu bezpieczeństwa dla transformatora, który jest wykonany na zamówienie, gdy jest gotowy, a jego ukończenie zajmie 5 dni, aż do częściowej płatności.
Część płatności stanowiła (w przybliżeniu) jedną czwartą całkowitego proponowanego kosztu podyktowanego przez osobę przewijającą.

Moje odpowiedzi na powyższe pytania to:

UWAGA: Aby uniknąć nieporozumień w okablowaniu, zakładam, że trafo jest stworzone do jednego celu: STEP DOWN TRANSFORMER, gdzie pierwotne jest po stronie wysokiego napięcia, a wtórne po stronie niskiego napięcia.

a) wejście pierwotne 0-220V, 2-przewodowe.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V wtórne wyjście wielozłączowe, 11- przewody.

b) Pierwotny prąd wejściowy: 4,55 A przy 220 V Prąd wyjściowy: 28,6 A przy wielozłączowym napięciu wtórnym przy napięciu od końca do końca 35 V… .. jeśli chodzi o obliczenia.

Powiedziałem mu, że potrzebuję 5 amperów przy 220 V (230. maks.), Tj. Podstawowego wejścia i 32 amperów przy 35 V, tj. Wieloczęściowego wyjścia wtórnego.

c) Na początku powiedziałem mu, że 1000 VA, ale na podstawie obliczeń wolt razy amp i zaokrąglając cyfry dziesiętne, moc spadła do 1120 VA +/- 10%. Podał mi wartość tolerancji bezpieczeństwa dla strony 220V.

d) Tak. Potrzebuję łatwego mocowania do metalowej szafki.

e) Nie. Powiedziałem mu, że umieszczę jeden na zewnątrz, aby mieć do niego łatwy dostęp, gdy przypadkowo wybuchnie.

f) Powiedziałem mu, aby zachować emaliowany przewód na zewnątrz, aby strona wtórna z wieloma zaczepami była odpowiednio radiowana dla bezpieczeństwa, a po stronie pierwotnej poprosiłem o podłączenie przewodów.

g) Tak. Ze względów bezpieczeństwa potrzebuję uziemienia rdzenia. Dlatego prosimy o podłączenie zewnętrznego przewodu.

h) Tak. Poprosiłem go o zapewnienie niezbędnej ochrony stempli rdzeniowych.

To była interakcja między mną a nim w przypadku proponowanego transformatora na zamówienie.

AKTUALIZACJA:

W powyższym 5-stopniowym układzie kaskadowym zaimplementowaliśmy 5-stopniowe przerywanie po stronie DC transformatora, co wydaje się być nieco nieefektywne. Dzieje się tak, ponieważ przełączanie może spowodować utratę znacznej ilości mocy przez wsteczne pole elektromagnetyczne z transformatora, a to będzie wymagało, aby transformator był niezwykle duży.

Lepszym pomysłem mogłoby być oscylowanie strony prądu stałego za pomocą falownika z pełnym mostkiem 50 Hz lub 60 Hz i przełączanie strony wtórnej prądu przemiennego za pomocą naszych 9-stopniowych sekwencyjnych wyjść IC 4017 za pomocą triaków, jak pokazano poniżej. Pomysł ten zmniejszyłby skoki i stany nieustalone oraz umożliwiłby inwerterowi płynniejsze i wydajniejsze wykonywanie 5-stopniowego przebiegu sinusoidalnego. Triaki będą mniej podatne na przełączanie w porównaniu z tranzystorami po stronie DC.