Multilevel 5 Step Cascaded Sine Wave Inverter Circuit

I denne artikkelen lærer vi hvordan vi lager en kaskadert inverterkrets med flere nivåer (5 trinn) ved hjelp av et veldig enkelt konsept utviklet av meg. La oss lære mer om detaljene.

Kretskonseptet

På dette nettstedet har jeg hittil utviklet, designet og introdusert mange sinusbølgeomformerkretser ved å bruke enkle konsepter og vanlige komponenter som IC 555, som tilfeldigvis er mer resultatorienterte i stedet for å være komplekse og fulle av teoretiske virvar.

Jeg har forklart hvor enkelt a høyeffekts lydforsterker kan konverteres til en ren sinusbølgeomformer , og jeg har også dekket omfattende om sinusbølgeinventer ved bruk av SPWM-konsepter

Vi har også lært gjennom dette nettstedet angående hvordan konvertere en hvilken som helst firkantomformer til en ren sinusbølgeomformer design.

Ved å vurdere de ovennevnte sinusomformerkretsene ved bruk av sinusekvivalente PWM-er, forstår vi at bølgeformen til SPWM-er ikke samsvarer eller sammenfaller med en faktisk sinusformet bølgeform, snarere disse utfører sinusbølgeeffekten eller -resultatene ved å tolke RMS-verdien til den faktiske sinusbølgen. AC.

Selv om SPWM kan betraktes som en effektiv måte å replikere og implementere en rimelig ren sinusbølge på, gjør det faktum at den ikke simulerer eller sammenfaller med en ekte sinusbølge, konseptet litt usofistikert, spesielt hvis det sammenlignes med en 5-nivå kaskadet sinusbølgeomformer konsept.

Vi kan sammenligne og analysere de to typene av sinusbølgesimuleringskonsepter ved å referere til følgende bilder:

Multilevel Cascaded Waveform Image

Vi kan tydelig se at det 5 trinns kaskadekonseptet på flere nivåer gir en mer åpenbar og effektiv simulering av en ekte sinusbølge enn SPWM-konseptet, som utelukkende er avhengig av å matche RMS-verdien med den opprinnelige sinusbølgestørrelsen.

Å designe en konvensjonell 5-nivå kaskadet sinusomformer kan være ganske komplisert, men konseptet som er forklart her gjør implementeringen enklere og bruker vanlige komponenter.

Kretsdiagram

MERKNAD: Legg til en 1uF / 25 kondensator over pin # 15 og pin # 16 linjene på IC-ene, ellers vil ikke sekvenseringen starte.
Med henvisning til bildet ovenfor kan vi se hvor enkelt 5-trinns kaskadeformet inverterkonsept praktisk kan implementeres ved hjelp av bare en muti-tap-transformator, et par 4017 IC-er og 18 kraft-BJT-er, som lett kan erstattes med mosfeter om nødvendig.

Her kaskades et par 4017 IC-er som er Johnsons 10-trinns motdeler-chips, for å produsere en sekvensielt løpende eller jaktende logikkhøyde over de viste pinouts av IC-ene.

Kretsdrift

Disse sekvensielt kjørende logikken brukes til å utløse de tilkoblede kraft-BJT-ene i samme sekvens som igjen bytter transformatorviklingen i en rekkefølge som får transformatoren til å produsere en kaskad slags sinusekvivalent bølgeform.

Transformatoren danner hjertet i kretsen og benytter en spesielt såret primær med 11 kraner. Disse kranene trekkes ganske enkelt ut jevnt fra en enkelt lang beregnet vikling.

BJT-ene tilknyttet en av IC-ene bytter en av transformatorhalvdelene gjennom 5 kraner som muliggjør generering av 5 trinnstrinn, som utgjør en halv syklus av AC-bølgeformen, mens BJT-er tilknyttet de andre IC-ene gjør den samme funksjonen for å forme opp den nedre halvdel av vekselstrømssyklusen i form av kaskadebølgeform med 5 nivåer.

IC-ene kjøres av kloksignaler påført den angitte posisjonen i kretsen, som kan anskaffes fra hvilken som helst standard 555 IC-stabil krets.

De første 5 settene med BJT-er bygger opp de 5 nivåene av bølgeformen, de resterende 4 BJT-ene bytter det samme i omvendt rekkefølge for å fullføre den kaskadeformede bølgeformen med totalt 9 skyskrapere.

Disse skyskrapene dannes ved å produsere et stigende og synkende spenningsnivå ved å bytte den tilsvarende viklingen av transformatoren som er vurdert til de aktuelle spenningsnivåene.

For eksempel kan vikling # 1 bli vurdert til 150V med hensyn til midtkranen, viklingen # 2 ved 200V, vikling # 3 ved 230V, vikling # 4 ved 270V og vikling # 5 ved 330V, så når disse byttes sekvensielt av settet til de viste 5 BJT-ene, får vi de første 5 nivåene av bølgeformen, neste når disse viklingene blir slått omvendt av de følgende 4 BJT-ene, skaper den de synkende 4-nivå bølgeformene, og fullfører dermed den øvre halvsyklusen på 220V AC.

Det samme gjentas av de andre 9 BJTene som er assosiert med den andre 4017 IC, som gir opphav til den nedre halvdelen av det 5-nivå kaskadede vekselstrømmen, som fullfører en komplett vekselstrømsbølgeform av den nødvendige 220V vekselstrømutgangen.

Transformatorviklingsdetaljer:

Som det kan sees i diagrammet ovenfor, er transformatoren en vanlig jernkjernetype, laget ved å vikle den primære og den sekundære med svinger som tilsvarer de angitte spenningskranene.

Når de er koblet til de tilsvarende BJT-ene, kan disse viklingene forventes å indusere et 5-nivå eller totalt 9-nivå med kaskadebølgeform der den første 36V-viklingen vil tilsvare og indusere en 150V, vil 27V indusere et ekvivalent på 200V, mens 20V, 27V, 36V vil være ansvarlig for å produsere 230V, 270V og 330V over sekundærviklingen i det foreslåtte kaskadeformatet.

Settet med kraner på den nedre siden av primæren vil utføre byttingen for å fullføre 4 stigende nivåer av bølgeformen.

En identisk prosedyre vil bli gjentatt av de 9 BJTene som er assosiert med den komplementære 4017 IC for å bygge den negative halvsyklusen til AC ... det negative blir gjengitt på grunn av motsatt retning av transformatorviklingen i forhold til midtkranen.

Oppdater:

Komplett kretsskjema for den diskuterte multi-level sinusbølgeomformerkretsen

MERKNAD: Legg til en 1uF / 25 kondensator over pin # 15 og pin # 16 linjene på IC-ene, ellers vil ikke sekvenseringen starte.
1M potten tilknyttet 555-kretsen må justeres for å sette opp en 50Hz eller en 60Hz frekvens for omformeren i henhold til landets spesifikasjoner for brukeren.

Deleliste

Alle uspesifiserte motstander er 10k, 1/4 watt
Alle dioder er 1N4148
Alle BJT er TIP142
IC-er er 4017

Merknader for Multilevel 5 Step Cascaded Sine Wave Inverter Circuit:

Testing og verifisering av ovennevnte design ble vellykket utført av Mr. Sherwin Baptista, som er en av de ivrige tilhengerne av nettstedet.

1. Vi bestemmer inngangsforsyningen til omformeren --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Det vil være et problem med støy generert under hele prosessen med å bygge denne omformeren. Å knekke problemet med generert og forsterket støy veldig enkelt

A. Vi bestemmer oss for å filtrere utgangssignalet til IC555 i det øyeblikket det produseres ved pin 3, ved å gjøre det kan man oppnå en renere firkantbølge.

B. Vi bestemmer oss for å bruke FERRITE BEADS ved de respektive utgangene til IC4017 for å forbedre filtreringen før signalet sendes til forsterkertransistorene.

C. Vi bestemmer oss for å bruke TO TRANSFORMATORER og forbedre filtreringen mellom dem begge i kretsen.

3. Oscillator-scenedataene:

Denne foreslåtte fasen er hovedfasen av inverterkretsen. Den produserer de nødvendige pulser med en gitt frekvens for at transformatoren skal fungere. Den består av IC555, IC4017 og forsterkertransistorer.

A. IC555:

Dette er en brukervennlig timer med lite effekt og har mange forskjellige prosjekter som kan gjøres ved hjelp av den. I dette inverterprosjektet konfigurerer vi det i astabelt modus for å generere firkantbølger. Her setter vi frekvensen på 450Hz ved å justere 1 megaohm potensiometer og bekrefte utgangen med en frekvensmåler.

B. IC4017:

Dette er en Jhonsons 10-trinns motdelerlogikkbrikke som er veldig kjent i sekvensielle / kjørende LED-blinker / chaser-kretser. Her er den smart konfigurert til å brukes i en inverter-applikasjon. Vi gir denne 450Hz generert av IC555 til inngangene til IC4017. Denne IC gjør jobben med å bryte inngangsfrekvensen i 9 deler med hver og en, noe som resulterer i en 50Hz utgang.
Nå har utgangspinnene på begge 4017-tallet et klokkesignal på 50Hz som kontinuerlig går fremover og bakover.

C. Forsterkerens krafttransistorer:

Dette er høyeffekttransistorer som trekker batteristrømmen inn i transformatorviklingene i samsvar med signalet som mates inn i dem. Siden utgangsstrømmene til 4017-årene er for lave, kan vi ikke mate dem direkte inn i transformatoren. Derfor trenger vi en slags forsterker som vil konvertere lavstrømssignalene fra 4017-tallet til høyspenningssignaler som deretter kan sendes til transformatoren for videre drift.

Disse transistorene ville bli varme under drift og ville nødvendigvis trenge varmeavlading.
Man kan bruke en egen varmeavleder for hver transistor, derfor bør det sikres at
heatsinks ikke berører hverandre.

ELLER

Man kan bruke et enkelt langt varmeavleder for å passe alle transistorer på den. Da burde man
isoler hver transistor sentraltapp termisk og elektrisk fra å berøre kjøleribben

for å unngå at de blir kortsluttet. Dette kan gjøres ved å bruke Mica Isolation Kit.

4. Neste kommer den første scenetransformatoren:

A. Her bruker vi multitappet primær til en towire sekundær transformator. Deretter finner vi voltene per trykk for å forberede primærspenningen.

---TRINN 1---

Vi tar hensyn til inngangs DC-spenningen som er 24V. Vi deler dette med 1.4142 og finner AC RMS-ekvivalenten, som er 16,97V ~
Vi runder ovennevnte RMS-figur som resulterer i 17V ~

---STEG 2---

Deretter deler vi RMS 17V ~ med 5 (siden vi trenger fem tappespenninger) og vi får RMS 3.4V ~
Vi tar den endelige RMS-figuren med 3.5V ~ og multipliserer den med 5 gir oss 17.5V ~ som en rund figur.
Til slutt fant vi Volts Per Tap, som er RMS 3.5V ~

B. Vi bestemmer oss for å holde sekundærspenningen til RMS 12V ~ dvs. 0-12V er fordi vi kan oppnå en høyere strømstyrke ved 12V ~

C. Så vi har transformatorvurderingen som nedenfor:
Multi-tappet primær: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Sekundær: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Vi fikk denne transformatoren såret av en lokal transformatorforhandler.

5. Følger nå LC-kretsen:

En LC-krets som er kjent som en filterenhet, har robuste applikasjoner i strømomformerkretser.
Når det brukes i en inverter-applikasjon, er det vanligvis nødvendig for å bryte ned de skarpe toppene

av en hvilken som helst generert bølgeform og hjelper til med å konvertere den til en jevnere bølgeform.

Her på den sekundære delen av transformatoren ovenfor er 0 --- 12V, forventer vi en flernivå
kvadratisk kaskadebølgeform ved utgangen. Så vi bruker en 5-trinns LC-krets for å få en SINEWAVE-ekvivalent bølgeform.

Dataene for LC-kretsen er som nedenfor:

A) Alle induktorer skal være 500UH (mikrohenry) 50A klassifisert IRON CORE EI LAMINERT.
B) Alle kondensatorer bør være av 1uF 250V NONPOLAR-type.

Legg merke til at vi legger vekt på 5-trinns LC-kretsen og ikke bare ett eller to trinn slik at vi kan få en mye renere bølgeform ved utgangen med mindre harmonisk forvrengning.

6. Nå kommer den andre og siste scenetransformatoren:

Denne transformatoren er ansvarlig for å konvertere utgangen fra LC-nettverket, dvs. RMS 12V ~ til 230V ~
Denne transformatoren vil bli vurdert som nedenfor:
Primær: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Sekundær: 230V @ 600W / 1000VA.

Her ville INGEN ekstra LC-nettverk være nødvendig ved den endelige 230V-utgangen for mer filtrering, siden vi allerede filtrerte hvert trinn av hvert behandlede utgangssignal i begynnelsen.
UTGANGEN vil nå være en SINEWAVE.

EN GOD ting er at det er absolutt INGEN STØY ved den endelige utgangen av denne omformeren og
sofistikerte dingser kan brukes.

Men en ting som personen som bruker omformeren må huske på, er å IKKE OVERLADE INVERTEREN og holde kraften til sofistikerte dingser som brukes i grenser.

Noen få korreksjoner som skal gjøres i kretsskjemaet er gitt som under:

1. IC7812-regulatoren skal ha bypasskondensatorer tilkoblet. Den skal monteres på en
VARMESINK siden det ville bli varmt under drift.

2. IC555-timeren skal følge en seriemotstand før signalet sendes videre til dioder.
Verdien av motstand skal være 100E. IC blir varm hvis motstanden ikke er koblet til.

Som konklusjon har vi tre foreslåtte filtertrinn:

1. Signalet generert av IC555 ved pinne 3 blir filtrert til jord og deretter videre til motstand
og deretter til diodene.

2. Når løpesignalene går ut av de aktuelle pinnene til IC4017, koblet vi ferritperler før
passerer signal til motstand.
3. Det siste filtertrinnet brukes mellom begge transformatorene

Hvordan jeg beregnet transformatorviklingen

Jeg vil dele noe med deg i dag.

Når det gjaldt svingete jernkjerner, visste jeg ingenting om spoling av spesifikasjoner siden jeg fant ut at mange parametere og beregninger gikk inn i dem.

Så for den ovennevnte artikkelen ga jeg de grunnleggende spesifikasjonene til trafo winder-personen, og han spurte meg bare:

a) inngangs- og utgangsspenning, hvis nødvendig,
b) Inngangs- og utgangsstrømmen,
c) Total effekt,
d) Trenger du utvendig klemme festet til trafo?
e) Vil du ha en sikring koblet internt på transformatorens 220V-side?
f) Vil du ha ledninger koblet til trafo ELLER bare holde den emaljerte ledningen på utsiden med tilsatt kjøleribsmateriale?
g) Vil du at kjernen skal jordes med en ekstern ledning koblet til?
h) Vil du at IRON CORE skal beskyttes lakkert og malt med svart oksid?

Til slutt forsikret han meg om en fullstendig sikkerhetstest for transformatoren som en spesialtilpasset type når den er klar, og det vil ta et spenn på 5 dager å bli fullført til en delbetaling er gitt.
Delbetalingen utgjorde (på ca.) en fjerdedel av de totale foreslåtte kostnadene diktert av viklingspersonen.

Svarene mine på spørsmålene ovenfor er:

MERKNAD: For å unngå ledningsforvirring antar jeg at trafo er laget for ett formål: TRINN NED TRANSFORMER der primær er høyspenningsside og sekundær er lavspenningsside.

a) 0-220V primærinngang, 2-ledninger.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V sekundær multitappet utgang, 11- ledninger.

b) Den primære inngangsstrømmen: 4,55A ved 220V Utgangsstrømmen: 28,6 ampere på multitappet sekundær @ ende til slutt spenning 35V ... .. hvor beregning gjelder.

Jeg fortalte ham at jeg trenger 5 ampere ved 220V (230. maks), dvs. primærinngang og 32 ampere ved 35V, dvs. multitappet sekundærutgang.

c) Jeg fortalte ham opprinnelig 1000VA, men basert på beregning av volt ganger forsterkere og avrunding av desimaltall, gikk effekten til 1120VA +/- 10%. Han ga meg en sikkerhetstoleranse for 220V-siden.

d) Ja. Jeg trenger enkel festing på metallskap.

e) Nei. Jeg sa til ham at jeg vil plassere en eksternt for enkel tilgang til den når den ved et uhell blåser av.

f) Jeg ba ham om å holde den emaljerte ledningen på utsiden for at den multitappede sekundærsiden skulle være passende varmeavleder for sikkerhet, og på den primære siden ba jeg om at ledninger skulle kobles til.

g) Ja. Jeg trenger kjernen til å bli jordet av sikkerhetsmessige årsaker. Vennligst fest en ekstern ledning.

h) Ja. Jeg ba ham om å gi den nødvendige beskyttelsen for kjernestemplingene.

Dette var samspillet mellom meg og ham for den foreslåtte transformatoren som ble laget på bestilling.

OPPDATER:

I ovennevnte 5-trinns kaskadedesign implementerte vi 5-trinns hakking over DC-siden av transformatoren, noe som ser ut til å være litt ineffektiv. Det er fordi byttingen kan resultere i en betydelig mengde strøm som går tapt gjennom tilbake EMF fra transformatoren, og dette vil trenge transformatoren å være enormt stor.

En bedre idé kan være å svinge DC-siden med en 50 Hz eller 60 Hz fullbroinverter, og bytte sekundær AC-side med våre 9 trinns sekvensielle IC 4017-utganger ved hjelp av triacs, som vist nedenfor. Denne ideen vil redusere pigger og transienter og gjøre det mulig for omformeren å få en jevnere og effektiv utføring av 5-trinns sinusbølgeformen. Triacene vil være mindre sårbare for bytte, sammenlignet med transistorer på DC-siden.