Circuito inverter a onda sinusoidale a cascata a 5 fasi multilivello

In questo articolo impariamo come realizzare un circuito inverter in cascata multilivello (5 fasi) utilizzando un concetto molto semplice sviluppato da me. Impariamo di più per quanto riguarda i dettagli.

Il concetto di circuito

In questo sito web finora ho sviluppato, progettato e introdotto molti circuiti inverter a onda sinusoidale utilizzando concetti semplici e componenti ordinari come IC 555, che sono più orientati ai risultati invece di essere complessi e pieni di confusione teorica.

Ho spiegato come semplicemente a L'amplificatore audio ad alta potenza può essere convertito in un inverter a onda sinusoidale pura , e ho anche trattato in modo esauriente gli inveter a onda sinusoidale utilizzando i concetti SPWM

Abbiamo anche imparato attraverso questo sito web per quanto riguarda come convertire qualsiasi inverter quadrato in un inverter a onda sinusoidale pura design.

Valutando i circuiti inverter a onda sinusoidale di cui sopra utilizzando PWM sinusoidali equivalenti, comprendiamo che la forma d'onda degli SPWM non corrisponde direttamente o coincide con una forma d'onda sinusoidale effettiva, piuttosto questi eseguono l'effetto dell'onda sinusoidale oi risultati interpretando il valore RMS dell'onda sinusoidale effettiva CORRENTE ALTERNATA.

Sebbene SPWM possa essere considerato un modo efficace per replicare e implementare un'onda sinusoidale ragionevolmente pura, il fatto che non simuli o coincida con un'onda sinusoidale reale rende il concetto un po 'poco sofisticato, soprattutto se confrontato con un inverter sinusoidale in cascata a 5 livelli concetto.

Possiamo confrontare e analizzare i due tipi di concetti di simulazione dell'onda sinusoidale facendo riferimento alle seguenti immagini:

Immagine di forma d'onda a cascata multilivello

Possiamo vedere chiaramente che il concetto a cascata a 5 fasi multilivello produce una simulazione più ovvia ed efficace di un'onda sinusoidale reale rispetto al concetto SPWM che si basa esclusivamente sulla corrispondenza del valore RMS con l'ampiezza dell'onda sinusoidale originale.

La progettazione di un inverter a onda sinusoidale in cascata a 5 livelli convenzionale può essere piuttosto complessa, ma il concetto qui spiegato ne semplifica l'implementazione e utilizza componenti ordinari.

Schema elettrico

NOTA: aggiungere un condensatore da 1uF / 25 tra le linee dei pin 15 e 16 dei circuiti integrati, altrimenti la sequenza non si avvierà.
Facendo riferimento all'immagine sopra, possiamo vedere come semplicemente il concetto di inverter in cascata a 5 livelli possa essere praticamente implementato utilizzando solo un trasformatore muti-tap, un paio di 4017 IC e 18 BJT di potenza, che potrebbero essere facilmente sostituiti con mosfet se necessario.

Qui un paio di 4017 IC che sono i chip divisori del contatore a 10 stadi di Johnson, sono collegati in cascata per produrre sequenzialmente in esecuzione o inseguendo gli alti logici attraverso i piedini dei circuiti integrati mostrati.

Funzionamento del circuito

Queste logiche sequenziali vengono utilizzate per attivare i BJT di potenza collegati nella stessa sequenza che a loro volta commutano l'avvolgimento del trasformatore in un ordine che fa sì che il trasformatore produca una forma d'onda equivalente sinusoidale in cascata.

Il trasformatore costituisce il cuore del circuito e impiega un primario ferito in modo speciale con 11 prese. Questi rubinetti vengono semplicemente estratti uniformemente da un unico lungo avvolgimento calcolato.

I BJT associati a uno dei circuiti integrati commutano una delle metà del trasformatore tramite 5 prese consentendo la generazione di 5 gradini di livello, costituenti un semiciclo della forma d'onda AC, mentre i BJT associati agli altri circuiti integrati svolgono la stessa funzione per modellare nella metà inferiore del ciclo AC sotto forma di forma d'onda in cascata a 5 livelli.

I circuiti integrati sono gestiti da segnali di clock applicati alla posizione indicata nel circuito, che potrebbero essere acquisiti da qualsiasi circuito standard 555 IC astabile.

I primi 5 set di BJT costruiscono i 5 livelli della forma d'onda, i restanti 4 BJT cambiano lo stesso in ordine inverso per completare la forma d'onda a cascata con un totale di 9 grattacieli.

Questi grattacieli sono formati producendo livelli di tensione ascendenti e discendenti mediante la commutazione dei corrispondenti avvolgimenti del trasformatore che sono tarati ai livelli di tensione rilevanti

Ad esempio, l'avvolgimento n. 1 potrebbe essere valutato a 150 V rispetto alla presa centrale, l'avvolgimento n. 2 a 200 V, l'avvolgimento n. 3 a 230 V, l'avvolgimento n. 4 a 270 V e l'avvolgimento n. 5 a 330 V, quindi quando questi vengono commutati sequenzialmente da l'insieme dei 5 BJT mostrati, si ottengono i primi 5 livelli della forma d'onda, successivamente quando questi avvolgimenti vengono commutati in senso inverso dai successivi 4 BJT si creano le forme d'onda discendenti a 4 livelli, completando così il semiciclo superiore del 220V AC.

Lo stesso viene ripetuto dagli altri 9 BJT associati agli altri 4017 IC dando origine alla metà inferiore della AC in cascata a 5 livelli, che completa una forma d'onda AC completa dell'uscita 220V AC richiesta.

Dettagli dell'avvolgimento del trasformatore:

Come si può vedere nello schema sopra, il trasformatore è di un normale nucleo in ferro, realizzato avvolgendo il primario e il secondario con spire corrispondenti alle prese di tensione indicate.

Quando sono collegati con i BJT corrispondenti, ci si può aspettare che questi avvolgimenti inducano un livello di 5 o un totale di 9 livelli di forma d'onda in cascata in cui il primo avvolgimento da 36 V corrisponderebbe e indurrebbe un 150 V, il 27 V indurrebbe un equivalente di 200 V, mentre il 20 V, 27 V, 36 V sarebbero responsabili della produzione di 230 V, 270 V e 330 V attraverso l'avvolgimento secondario nel formato a cascata proposto.

La serie di prese sul lato inferiore del primario eseguirà la commutazione per completare 4 livelli ascendenti della forma d'onda.

Una procedura identica verrebbe ripetuta dai 9 BJT associati al complementare 4017 IC per costruire il semiciclo negativo dell'AC ... il negativo è reso a causa dell'orientamento opposto dell'avvolgimento del trasformatore rispetto alla presa centrale.

Aggiornare:

Schema circuitale completo del discusso circuito dell'inverter sinusoidale multilivello

NOTA: aggiungere un condensatore da 1uF / 25 tra le linee dei pin 15 e 16 dei circuiti integrati, altrimenti la sequenza non si avvierà.
Il potenziometro da 1M associato al circuito 555 dovrà essere regolato per impostare una frequenza di 50Hz o 60Hz per l'inverter secondo le specifiche del paese dell'utente.

Elenco delle parti

Tutti i resistori non specificati sono 10k, 1/4 watt
Tutti i diodi sono 1N4148
Tutti i BJT sono TIP142
I circuiti integrati sono 4017

Note per il circuito inverter a onda sinusoidale in cascata a 5 fasi multilivello:

Il test e la verifica del progetto di cui sopra è stato condotto con successo dal Sig. Sherwin Baptista, che è uno degli appassionati seguaci del sito web.

1. Decidiamo l'alimentazione in ingresso all'inverter --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Ci sarà un problema di RUMORE generato durante l'intero processo di costruzione di questo inverter. Per risolvere il problema del rumore generato e amplificato molto facilmente

R. Decidiamo di filtrare il segnale di uscita dell'IC555 nel momento in cui viene prodotto al pin 3, così facendo si può ottenere un'onda quadra più pulita.

B. Decidiamo di utilizzare FERRITE BEADS alle rispettive uscite di IC4017 per migliorare il filtraggio prima che il segnale venga inviato ai transistor dell'amplificatore.

C. Decidiamo di utilizzare DUE TRASFORMATORI e di potenziare il filtraggio tra i due nel circuito.

3. I dati dello stadio dell'oscillatore:

Questa fase proposta è la fase principale del circuito inverter. Produce gli impulsi richiesti a una data frequenza per il funzionamento del trasformatore. Consiste di IC555, IC4017 e transistor di potenza dell'amplificatore.

A. IC555:

Questo è un chip timer a bassa potenza facile da usare e ha una grande varietà di progetti che possono essere eseguiti usandolo. In questo progetto di inverter lo configuriamo in modalità astabile per generare onde quadre. Qui impostiamo la frequenza a 450Hz regolando il potenziometro da 1 megaohm e confermando l'uscita con un frequenzimetro.

B. IC4017:

Questo è un chip logico divisore contatore a 10 stadi di Jhonson che è molto famoso nei circuiti lampeggiatori / inseguitori LED sequenziali / in esecuzione. Qui è configurato in modo intelligente per essere utilizzato in un'applicazione inverter. Forniamo questo 450Hz generato da IC555 agli ingressi di IC4017. Questo IC fa il lavoro di rompere la frequenza di ingresso in 9 parti con ciascuna risultante in un'uscita a 50 Hz.
Ora i pin di uscita di entrambi i 4017 hanno un segnale di clock di 50Hz che scorre continuamente avanti e indietro.

C. I transistor di potenza dell'amplificatore:

Questi sono i transistor ad alta potenza che alimentano la potenza della batteria negli avvolgimenti del trasformatore in base al segnale in essi immesso. Poiché le correnti di uscita dei 4017 sono troppo basse, non possiamo immetterle direttamente nel trasformatore. Pertanto abbiamo bisogno di un qualche tipo di amplificatore che convertirà i segnali a bassa corrente dai 4017 in segnali ad alta corrente che possono quindi essere passati al trasformatore per ulteriori operazioni.

Questi transistor si surriscaldano durante il funzionamento e necessitano necessariamente di un dissipatore di calore.
Si potrebbe usare un dissipatore di calore separato per ogni transistor, quindi dovrebbe essere garantito che il
i dissipatori di calore non si toccano.

O

Si potrebbe usare un unico lungo pezzo di dissipatore di calore per adattarsi a tutti i transistor su di esso. Allora uno dovrebbe
isolare termicamente ed elettricamente la linguetta centrale di ogni transistor dal contatto con il dissipatore di calore

per evitare che vengano cortocircuitati. Questo può essere fatto usando Mica Isolation Kit.

4. Segue il trasformatore del primo stadio:

R. Qui utilizziamo il trasformatore da primario a presa multipla a un secondario a due fili. Successivamente troviamo i volt per rubinetto per preparare la tensione primaria.

---PASSO 1---

Prendiamo in considerazione la tensione CC in ingresso che è 24V. Dividiamo questo valore per 1,4142 e troviamo il suo equivalente AC RMS che è 16,97 V ~
Arrotondiamo la cifra RMS sopra che si traduce in 17V ~

---PASSO 2---

Successivamente dividiamo RMS 17V ~ per 5 (poiché abbiamo bisogno di cinque tensioni di presa) e otteniamo RMS 3.4V ~
Prendiamo la cifra RMS finale per 3,5 V ~ e moltiplicandola per 5 otteniamo 17,5 V ~ come cifra tonda.
Alla fine abbiamo trovato il Volts Per Tap che è RMS 3.5V ~

B. Decidiamo di mantenere la tensione secondaria a RMS 12V ~ cioè 0-12V è perché possiamo ottenere un'uscita di amperaggio maggiore a 12V ~

C. Quindi abbiamo il valore del trasformatore come di seguito:
Primario multi-tappato: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V a 600 W / 1000VA
Secondario: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Abbiamo ottenuto questo trasformatore ferito da un rivenditore di trasformatori locale.

5. Ora segue il circuito LC principale:

Un circuito LC noto come dispositivo di filtro ha robuste applicazioni nei circuiti di convertitori di potenza.
Essendo utilizzato in un'applicazione inverter, è generalmente necessario per abbattere i picchi acuti

di qualsiasi forma d'onda generata e aiuta a convertirla in una forma d'onda più uniforme.

Qui alla sezione secondaria del trasformatore di cui sopra essendo 0 --- 12V, ci aspettiamo un multilivello
forma d'onda quadrata a cascata in uscita. Quindi utilizziamo un circuito LC a 5 stadi per ottenere una forma d'onda equivalente a SINEWAVE.

I dati per il circuito LC sono i seguenti:

A) Tutti gli induttori devono essere un IRON CORE EI LAMINATO da 500uH (microhenry) da 50A.
B) Tutti i condensatori devono essere di tipo NON POLARE 1uF 250V.

Si noti che sottolineiamo il circuito LC a 5 stadi e non solo uno o due stadi in modo tale da poter ottenere una forma d'onda molto più pulita in uscita con una distorsione armonica minore.

6. Ora arriva il trasformatore della seconda e ultima fase:

Questo trasformatore è responsabile della conversione dell'uscita dalla rete LC, cioè da RMS 12V ~ a 230V ~
Questo trasformatore sarebbe classificato come di seguito:
Primario: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secondario: 230 V @ 600 W / 1000 VA.

Qui, NESSUNA rete LC aggiuntiva sarebbe necessaria all'uscita finale a 230 V per un ulteriore filtraggio poiché abbiamo già filtrato ogni fase di ciascuna uscita elaborata all'inizio.
L'OUTPUT sarà ora un SINEWAVE.

Una cosa BUONA è che non c'è assolutamente NESSUN RUMORE all'uscita finale di questo inverter e
possono essere utilizzati gadget sofisticati.

Ma una cosa che deve essere tenuta a mente dalla persona che aziona l'inverter è NON SOVRACCARICARE L'INVERTER e mantenere i carichi di potenza di dispositivi sofisticati in funzione nei limiti.

Alcune correzioni da apportare allo schema elettrico sono riportate di seguito:

1. Il regolatore IC7812 dovrebbe avere condensatori di bypass collegati. Dovrebbe essere montato su un file
HEATSINK poiché si riscalda durante il funzionamento.

2. Il timer IC555 dovrebbe seguire una resistenza in serie prima che il suo segnale passi in avanti ai diodi.
Il valore della resistenza dovrebbe essere 100E. Il circuito integrato si surriscalda se la resistenza non è collegata.

In conclusione, abbiamo 3 fasi di filtro proposte:

1. Il segnale generato da IC555 al pin 3 viene filtrato a massa e quindi passato al resistore
e poi ai diodi.

2. Quando i segnali in esecuzione escono dai pin rilevanti di IC4017, abbiamo collegato prima le sfere di ferrite
passaggio del segnale al resistore.
3. Lo stadio finale del filtro viene impiegato tra i due trasformatori

Come ho calcolato l'avvolgimento del trasformatore

Oggi vorrei condividere qualcosa con te.

Quando si trattava di avvolgere il nucleo di ferro, non sapevo nulla delle specifiche di riavvolgimento poiché ho scoperto che molti parametri e calcoli entrano in esse.

Quindi per l'articolo sopra ho fornito le specifiche di base alla persona che si occupa di trafo winder e lui mi ha chiesto:

a) La tensione di ingresso e di uscita che intercetta se necessario,
b) La corrente di ingresso e di uscita,
c) La potenza totale,
d) Serve un dispositivo di serraggio esterno imbullonato al trafo?
e) Vuoi un fusibile collegato internamente al trasformatore lato 220V?
f) Vuoi che i fili siano collegati al trafo O semplicemente tieni il filo smaltato all'esterno con l'aggiunta di materiale per il dissipatore?
g) Vuoi che il nucleo sia messo a terra con un filo esterno collegato?
h) Vuoi che IRON CORE sia protetto verniciato e verniciato con ossido nero?

Alla fine mi ha assicurato un test di sicurezza completo per il trasformatore essendo un tipo su ordinazione una volta pronto e ci vorranno un arco di 5 giorni per essere completato fino a quando non viene fornito un pagamento parziale.
Il pagamento parziale era (su circa) un quarto del costo totale proposto dettato dalla persona avvolgitrice.

Le mie risposte alle domande di cui sopra sono:

NOTA: Per evitare confusioni di cablaggio, presumo che il trafo sia fatto per uno scopo: TRASFORMATORE PASSO GIÙ dove il primario è il lato alta tensione e il secondario è il lato bassa tensione.

a) Ingresso primario 0-220V, 2 fili.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V uscita secondaria multi-presa, 11- fili.

b) La corrente di ingresso primaria: 4,55 A a 220 V La corrente di uscita: 28,6 A sul secondario a prese multiple @ tensione da estremità a estremità 35 V… .. dove è interessato il calcolo.

Gli ho detto che avevo bisogno di 5 ampere a 220V (230. Max) cioè ingresso primario e 32 ampere a 35V cioè uscita secondaria multi-presa.

c) Inizialmente gli ho detto 1000VA, ma in base al calcolo volt moltiplicatore e arrotondando le cifre decimali, la potenza è andata a 1120VA +/- 10%. Mi ha fornito un valore di tolleranza di sicurezza per il lato 220V.

d) Sì. Ho bisogno di un facile fissaggio su armadietto di metallo.

e) No. Gli ho detto che ne posizionerò uno esternamente per un facile accesso quando si spegnerà accidentalmente.

f) Gli ho detto di mantenere il filo smaltato all'esterno per il lato secondario multi-prese essendo opportunamente dissipato per sicurezza e sul lato primario ho chiesto che i fili fossero collegati.

g) Sì. Ho bisogno che il nucleo sia messo a terra per motivi di sicurezza. Pertanto si prega di collegare un cavo esterno.

h) Sì. Gli ho chiesto di fornire la protezione necessaria per i timbri del nucleo.

Queste erano l'interazione tra me e lui per il trasformatore di tipo su ordinazione proposto.

AGGIORNARE:

Nel progetto a cascata a 5 fasi sopra abbiamo implementato il taglio a 5 fasi sul lato CC del trasformatore, che sembra essere un po 'inefficiente. È perché la commutazione potrebbe comportare una significativa perdita di potenza attraverso il back EMF dal trasformatore, e questo richiederà che il trasformatore sia enormemente grande.

Un'idea migliore potrebbe essere quella di far oscillare il lato CC con un inverter full bridge da 50 Hz o 60 Hz e commutare il lato CA secondario con le nostre uscite IC 4017 sequenziali a 9 fasi utilizzando i triac, come mostrato di seguito. Questa idea ridurrebbe picchi e transitori e consentirebbe all'inverter di avere un'esecuzione più fluida ed efficiente della forma d'onda sinusoidale a 5 fasi. I triac saranno meno vulnerabili alla commutazione, rispetto ai transistor sul lato DC.