Multilevel 5 Step Cascaded Sine Wave Inverter Circuit

I denne artikel lærer vi, hvordan man laver et kaskadet inverter-kredsløb med flere niveauer (5 trin) ved hjælp af et meget simpelt koncept udviklet af mig. Lad os lære mere om detaljerne.

Kredsløbskonceptet

På dette websted har jeg hidtil udviklet, designet og introduceret mange sinusbølge inverter kredsløb ved hjælp af ligefremme koncepter og almindelige komponenter som IC 555, som tilfældigvis er mere resultatorienterede i stedet for at være komplekse og fulde af teoretiske virvar.

Jeg har forklaret, hvordan simpelthen a højeffekt lydforstærker kan konverteres til en ren sinusbølgeomformer , og jeg har også dækket udførligt vedrørende sinusbølgeinventer ved hjælp af SPWM-koncepter

Vi har også lært via dette websted om hvordan man konverterer enhver firkantet inverter til en ren sinusbølge-inverter design.

Ved at vurdere ovennævnte sinusbølgeomformer kredsløb ved hjælp af sinusækvivalente PWM'er, forstår vi, at bølgeformen for SPWM'er ikke svarer direkte til eller falder sammen med en faktisk sinusformet bølgeform, snarere disse udfører sinusbølgeeffekten eller resultaterne ved at fortolke RMS-værdien for den faktiske sinusbølge AC.

Selvom SPWM kan betragtes som en effektiv måde at replikere og implementere en rimelig ren sinusbølge på, gør det faktum, at det ikke simulerer eller falder sammen med en reel sinusbølge, konceptet lidt usofistikeret, især hvis man sammenligner med en 5-niveau kaskadet sinusbølgeomformer koncept.

Vi kan sammenligne og analysere de to typer af sinusbølgesimuleringskoncepter ved at henvise til følgende billeder:

Multilevel Cascaded Waveform Image

Vi kan tydeligt se, at det 5-trins kaskadekoncept med flere niveauer producerer en mere åbenbar og effektiv simulering af en reel sinusbølge end SPWM-konceptet, der udelukkende er afhængig af at matche RMS-værdien med den oprindelige sinusbølgevægt.

At designe en konventionel 5 niveau kaskadet sinusbølge-inverter kan være ret kompleks, men konceptet, der forklares her, gør implementeringen lettere og anvender almindelige komponenter.

Kredsløbsdiagram

BEMÆRK: Tilføj venligst en 1uF / 25 kondensator på tværs af pin nr. 15 og pin nr. 16 linjer på IC'erne, ellers starter sekventeringen ikke.
Med henvisning til billedet ovenfor kan vi se, hvordan simpelthen 5-niveau kaskadeformet inverter-koncept praktisk kan implementeres ved hjælp af bare en muti-tap-transformer, et par 4017 IC'er og 18 power BJT'er, som let kunne udskiftes med mosfeter, hvis det kræves.

Her kaskades et par 4017 IC'er, som er Johnsons 10-trins moddelerchips, for at producere en sekventielt kørende eller jagende logikhøjde på tværs af de viste pinouts af IC'erne.

Kredsløb

Disse sekventielt kørende logik bruges til at udløse de tilsluttede effekt-BJT'er i samme sekvens, som igen skifter transformatorviklingen i en rækkefølge, der får transformatoren til at producere en kaskadet slags sinusækvivalent bølgeform.

Transformeren danner hjertet i kredsløbet og anvender en specielt såret primær med 11 vandhaner. Disse vandhaner ekstraheres simpelthen ensartet fra en enkelt lang beregnet vikling.

BJT'erne, der er knyttet til en af ​​IC'erne, skifter en af ​​transformatorens halvdele gennem 5 haner, der muliggør generering af 5 niveaustrin, der udgør en halv cyklus af AC-bølgeformen, mens BJT'erne, der er knyttet til de andre IC'er, har den samme funktion for at forme op den nedre halvdel af vekselstrømscyklus i form af 5 niveau kaskadebølgeform.

IC'erne køres af kloksignaler, der anvendes til den angivne position i kredsløbet, som kunne erhverves fra ethvert standard 555 IC-astabelt kredsløb.

De første 5 sæt af BJT'er opbygger de 5 niveauer af bølgeformen, de resterende 4 BJT'er skifter det samme i omvendt rækkefølge for at fuldføre den kaskadeformede bølgeform med i alt 9 skyskrabere.

Disse skyskrabere er dannet ved at producere et stigende og faldende spændingsniveau ved at skifte den tilsvarende vikling af transformeren, som er klassificeret til de relevante spændingsniveauer

For eksempel kan vikling # 1 vurderes til 150V i forhold til midterhanen, viklingen # 2 ved 200V, vikling # 3 ved 230V, vikling # 4 ved 270V og vikling # 5 ved 330V, så når disse skiftes sekventielt af Sættet med de viste 5 BJT'er får vi de første 5 niveauer af bølgeformen, næste når disse viklinger skiftes baglæns med de følgende 4 BJT'er, det skaber de faldende 4 niveau bølgeformer, hvorved den øverste halvdel af 220V AC fuldføres.

Det samme gentages af de andre 9 BJT'er, der er forbundet med den anden 4017 IC, hvilket giver anledning til den nedre halvdel af det 5-niveau kaskadede vekselstrøm, som fuldender en komplet vekselstrømsbølgeform af den krævede 220V vekselstrømsudgang.

Transformerviklingsdetaljer:

Som det kan ses i ovenstående diagram, er transformeren en almindelig jernkernetype, der er lavet ved at vikle den primære og den sekundære med drejninger svarende til de angivne spændingshaner.

Når de er forbundet med de tilsvarende BJT'er, kan disse viklinger forventes at inducere et 5 niveau eller i alt 9 niveau af kaskadebølgeform, hvor den første 36V vikling vil svare til og inducere en 150V, ville 27V inducere en ækvivalent til 200V, mens 20V, 27V, 36V er ansvarlig for at producere 230V, 270V og 330V på tværs af sekundærviklingen i det foreslåede kaskadeformat.

Sættet af haner på den nedre side af det primære ville udføre skiftet til at fuldføre 4 stigende niveauer af bølgeformen.

En identisk procedure ville blive gentaget af de 9 BJT'er, der er associeret med den komplementære 4017 IC til opbygning af den negative halvcyklus af AC ... det negative gengives på grund af den modsatte retning af transformatorviklingen i forhold til midterhanen.

Opdatering:

Komplet kredsløbsdiagram for det diskuterede multi-level sinusbølge inverter kredsløb

BEMÆRK: Tilføj venligst en 1uF / 25 kondensator på tværs af pin nr. 15 og pin nr. 16 linjer på IC'erne, ellers starter sekventeringen ikke.
1M-potten, der er knyttet til 555-kredsløbet, skal justeres for at indstille en 50Hz eller en 60Hz frekvens for inverteren i henhold til brugerens landespecifikationer.

Liste over dele

Alle uspecificerede modstande er 10k, 1/4 watt
Alle dioder er 1N4148
Alle BJT'er er TIP142
IC'er er 4017

Bemærkninger til 5-trins kaskadet sinusbølgeomformer-kredsløb:

Test og verifikation af ovenstående design blev med succes gennemført af Mr. Sherwin Baptista, som er en af ​​de ivrige tilhængere af hjemmesiden.

1. Vi beslutter indgangsforsyningen til inverteren --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Der vil være et problem med støj genereret under hele processen med at opbygge denne inverter. At knække spørgsmålet om genereret og forstærket støj meget let

A. Vi beslutter at filtrere udgangssignalet fra IC555 i det øjeblik det produceres ved pin 3, ved at gøre dette kan der opnås en renere firkantbølge.

B. Vi beslutter at bruge FERRITE BEADS ved de respektive udgange af IC4017 for at forbedre filtreringen, før signalet sendes til forstærkertransistorer.

C. Vi beslutter at bruge to transformere og forbedre filtreringen mellem dem begge i kredsløbet.

3. Oscillator Stage Data:

Dette foreslåede trin er hovedtrinnet i inverter-kredsløbet. Det producerer de krævede impulser ved en given frekvens for transformatorens drift. Den består af IC555, IC4017 og forstærkerstransististorer.

A. IC555:

Dette er en brugervenlig timer-chip med lav effekt og har masser af forskellige projekter, der kan udføres ved hjælp af den. I dette inverterprojekt konfigurerer vi det i astabel tilstand til at generere firkantede bølger. Her indstiller vi frekvensen til 450Hz ved at justere 1 megaohm potentiometeret og bekræfte output med en frekvensmåler.

B. IC4017:

Dette er en Jhonsons 10-trins kontradelerlogikchip, som er meget berømt i sekventielle / kørende LED-blitz / chaser-kredsløb. Her er det smart konfigureret til brug i en inverter-applikation. Vi leverer denne 450Hz genereret af IC555 til input af IC4017. Denne IC gør jobbet med at bryde indgangsfrekvensen i 9 dele med hver resulterende i en 50Hz output.
Nu har outputstifterne fra begge 4017'ere et ursignal på 50Hz, der løbende kører fremad og bagud.

C. Forstærkerens effekttransistorer:

Dette er højeffekttransistorer, der trækker batteristrømmen ind i transformatorviklingerne i overensstemmelse med signalet, der tilføres dem. Da udgangsstrømmene fra 4017'erne er for lave, kan vi ikke direkte føre dem ind i transformeren. Derfor har vi brug for en slags forstærker, der konverterer lavstrømssignalerne fra 4017'erne til signaler med høj strøm, som derefter kan sendes til transformeren til videre drift.

Disse transistorer bliver varme under drift og har nødvendigvis brug for kølelegeme.
Man kunne bruge separate køleplader til hver transistor, hvorfor det skal sikres, at
kølelegemer rører ikke hinanden.

ELLER

Man kunne bruge et enkelt langt kølelegeme til at passe alle transistorer på det. Så skal man
isoler hver transistors midterflig termisk og elektrisk fra at røre kølelegemet ind

for at undgå, at de bliver kortsluttet. Dette kan gøres ved hjælp af Mica Isolation Kit.

4. Dernæst kommer First Stage Transformer:

A. Her anvender vi Multi-tapped Primary til en to-leder sekundær transformer. Dernæst finder vi volt pr. Tryk for at forberede den primære spænding.

---TRIN 1---

Vi tager højde for den indgangsspænding, der er 24V. Vi deler dette med 1.4142 og finder dets AC RMS-ækvivalent, som er 16,97V ~
Vi afrunder ovenstående RMS-tal, som resulterer i 17V ~

--- TRIN 2 ---

Derefter deler vi RMS 17V ~ med 5 (da vi har brug for fem tapspændinger), og vi får RMS 3.4V ~
Vi tager den endelige RMS-figur med 3,5V ~ og multiplicerer den med 5 giver os 17,5V ~ som en rund figur.
Endelig fandt vi Volts Per Tap, som er RMS 3.5V ~

B. Vi beslutter at holde den sekundære spænding på RMS 12V ~ dvs. 0-12V skyldes, at vi kan opnå en højere 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 fik denne transformator viklet af en lokal transformatorforhandler.

5. Følger nu det vigtigste LC-kredsløb:

Et LC-kredsløb, der er kendt som en filterenhed, har robuste applikationer i effektomformerkredsløb.
Når det bruges i en inverter-applikation, er det generelt nødvendigt at nedbryde de skarpe toppe

af enhver genereret bølgeform og hjælper med at konvertere den til en glattere bølgeform.

Her ved den sekundære sektion af ovenstående transformer er 0 --- 12V, forventer vi en multilevel
firkantet kaskadebølgeform ved output. Så vi anvender et 5-trins LC-kredsløb for at få en SINEWAVE-tilsvarende bølgeform.

Dataene for LC-kredsløbet er som nedenfor:

A) Alle induktorer skal være 500UH (mikrohenry) 50A-klassificeret IRON CORE EI LAMINERET.
B) Alle kondensatorer skal være af 1uF 250V NONPOLAR type.

Bemærk, at vi lægger vægt på 5-trins LC-kredsløbet og ikke kun et eller to trin, så vi kan få en meget renere bølgeform ved udgangen med mindre harmonisk forvrængning.

6. Nu kommer den anden og sidste fase transformer:

Denne transformer er ansvarlig for at konvertere output fra LC-netværket, dvs. RMS 12V ~ til 230V ~
Denne transformer vil blive bedømt som nedenfor:
Primær: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Sekundær: 230V @ 600W / 1000VA.

Her kræves INGEN yderligere LC-netværk ved den endelige 230V-udgang for mere filtrering, da vi allerede har filtreret hvert trin i hvert behandlet output i starten.
OUTPUT vil nu være en SINEWAVE.

EN GOD ting er, at der absolut ikke er STØJ ved den endelige udgang af denne inverter og
sofistikerede gadgets kan betjenes.

Men en ting, som den person, der betjener inverteren, skal huske på er IKKE AT OVERLADE INVERTEREN og holde strømbelastningen af ​​sofistikerede gadgets, der betjenes i grænser.

Et par korrektioner, der skal foretages i kredsløbsdiagrammet, gives som under:

1. IC7812-regulatoren skal have tilsluttet bypass-kondensatorer. Den skal monteres på en
VARMESINK, da det bliver varmt under drift.

2. IC555-timeren skal følge en seriemodstand, inden signalet sendes videre til dioder.
Værdien af ​​modstand skal være 100E. IC bliver varm, hvis modstanden ikke er tilsluttet.

Som konklusion har vi 3 foreslåede filtertrin:

1. Signalet, der genereres af IC555 ved pin 3, filtreres til jorden og sendes derefter videre til modstanden
og derefter til dioderne.

2. Da kørselssignalerne forlader de relevante stifter i IC4017, forbandt vi ferritperler før
sender signal til modstand.
3. Det sidste filtertrin anvendes mellem begge transformatorer

Hvordan jeg beregnede transformatorviklingen

Jeg vil gerne dele noget med dig i dag.

Når det drejede sig om vikling af jernkerne, vidste jeg intet om tilbagespolingsspecifikationer, da jeg fandt ud af, at mange parametre og beregninger var i dem.

Så for ovenstående artikel gav jeg de grundlæggende specifikationer til trafo-viklingspersonen, og han spurgte mig bare:

a) Indgangs- og udgangsspænding, hvis det er nødvendigt,
b) Indgangs- og udgangsstrømmen,
c) Den samlede effekt,
d) Har du brug for ekstern fastspænding fastgjort til trafo?
e) Vil du have en sikring tilsluttet internt i transformerens 220V-side?
f) Vil du have ledninger tilsluttet trafo ELLER bare holde den emaljerede ledning udvendigt med tilføjet kølelegememateriale?
g) Vil du have kernen jordforbundet med en ekstern ledning tilsluttet?
h) Vil du have IRON CORE beskyttet lakeret og malet med sort oxid?

Endelig forsikrede han mig om, at en komplet sikkerhedstest for transformatoren var en fabriksbestilt type, når den var klar, og det vil tage et tidsrum på 5 dage at blive afsluttet, indtil en delbetaling er leveret.
Delbetalingen udgjorde (på ca.) en fjerdedel af de samlede foreslåede omkostninger dikteret af vinderen.

Mine svar på ovenstående spørgsmål er:

BEMÆRK: For at undgå ledningsforvirring antager jeg, at trafo er lavet til et formål: TRIN NED TRANSFORMER, hvor primær er højspændingsside og sekundær er lavspændingsside.

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

b) Den primære indgangsstrøm: 4,55A ved 220V Udgangsstrømmen: 28,6 Ampere på multi-tappet sekundær @ ende-til-slut-spænding 35V… ..hvor beregning er relevant.

Jeg fortalte ham, at jeg har brug for 5 ampere ved 220V (230. maks.) Dvs. primærindgang og 32 ampere ved 35V, dvs. multitapet sekundær output.

c) Jeg fortalte ham oprindeligt 1000VA, men baseret på beregning af volt gange forstærker og afrunding af decimaltal, gik effekten til 1120VA +/- 10%. Han gav mig en sikkerhedstoleranceværdi for 220V-siden.

d) Ja. Jeg har brug for nem fastgørelse på metalkabinet.

e) Nej. Jeg fortalte ham, at jeg vil placere en eksternt for nem adgang til den, når den ved et uheld blæser af.

f) Jeg bad ham om at holde den emaljerede ledning på ydersiden for at den multitapede sekundære side skulle være passende kølelegeme af sikkerhedshensyn, og på den primære side anmodede jeg om, at ledninger skulle forbindes.

g) Ja. Jeg har brug for kernen til at blive jordforbundet af sikkerhedsmæssige årsager. Tilslut derfor en ekstern ledning.

h) Ja. Jeg bad ham om at yde den nødvendige beskyttelse til kernestemplingerne.

Dette var interaktionen mellem mig og ham med den foreslåede type-til-ordre-transformer.

OPDATERING:

I det ovennævnte 5-trins kaskadede design implementerede vi 5-trinshakningen på tværs af DC-siden af ​​transformeren, hvilket ser ud til at være lidt ineffektiv. Det skyldes, at skiftet kan resultere i en betydelig mængde strøm, der går tabt gennem back EMF fra transformeren, og dette skal transformeren være enormt stor.

En bedre ide kan være at svinge DC-siden med en 50 Hz eller 60 Hz fuldbroinverter og skifte den sekundære AC-side med vores sekventielle IC 4017-udgange med 9 trin ved hjælp af triacs, som vist nedenfor. Denne idé ville reducere pigge og transienter og gøre det muligt for inverteren at have en jævnere og effektiv udførelse af 5-trins sinusbølgeformen. Triacerne vil være mindre sårbare over for skiftet sammenlignet med transistorer på DC-siden.