Konvertera en fyrkantig vågomvandlare till en Sine Wave-inverterare

Inlägget förklarar några få kretskoncept som kan användas för att konvertera eller modifiera en vanlig fyrkantvågsinverterare till en sofistikerad sinusvågsriktare.

Innan vi studerar de olika konstruktionerna som förklaras i den här artikeln skulle det vara intressant att känna till de faktorer som vanligtvis gör en sinusomvandlare mer önskvärd än en fyrkantig vågkonstruktion.

Hur frekvens fungerar i växelriktare

Omvandlare involverar i grunden frekvens eller svängningar för att genomföra boost- och inversionsåtgärderna. Frekvensen är som vi vet genererar pulser vid något enhetligt och beräknat mönster, till exempel kan en typisk frekvensomformare klassas till 50Hz eller 50 positiva pulser per sekund.

Den grundläggande frekvensvågformen hos en växelriktare har formen av fyrkantvågspulser.

Som vi alla vet är en fyrkantig våg aldrig lämplig för drift av sofistikerad elektronisk utrustning som TV, musikspelare, datorer etc.

AC-nätet (växelström) som vi får vid vårt inhemska nätuttag består också av pulserande strömfrekvens, men dessa är i form av sinusformade vågor eller sinusvågor.

Det är normalt vid 50Hz eller 60Hz beroende på de specifika landspecifikationerna.

Ovan nämnda sinuskurva för vår hem AC-vågform hänvisar till de exponentiellt stigande spänningstopparna som utgör de 50 cyklerna för frekvensen.

Eftersom vår inhemska växelström genereras genom magnetiska turbiner är vågformen i sig en sinusvåg, så det behöver inte bearbetas ytterligare och blir direkt användbar i hemmet för alla typer av apparater.

Omvänt hos växelriktare är den grundläggande vågformen i form av fyrkantiga vågor som behöver grundlig bearbetning för att göra enheten kompatibel med alla typer av utrustning.

Skillnad mellan Square Wave och Sine Wave

Som visas i figuren kan en fyrkantvåg och sinusvåg ha identiska toppspänningsnivåer men RMS-värdet eller rotens medelkvadratvärde kanske inte är identiska. Denna aspekt är vad som gör en fyrkantig våg särskilt annorlunda än en sinusvåg även om toppvärdet kan vara detsamma.

Därför skulle en fyrkantvågsomformare som arbetar med 12V DC generera en utgång motsvarande säga 330V precis som en sinusvågsomvandlare som arbetar med samma batteri men om du mäter utgången RMS för båda växelriktarna skulle det skilja sig väsentligt (330V och 220V).

Bilden visar felaktigt 220V som toppen, faktiskt borde den vara 330V

I ovanstående diagram är den gröna vågformen sinusvågformen, medan den orange visar den fyrkantiga vågformen. Den skuggade delen är det överskott av RMS som måste nivelleras för att göra båda RMS-värdena så nära som möjligt.

Omvandling av en fyrkantvågsomvandlare till en sinusvågekvivalent betyder således i princip att kvadratvågsinverteraren kan producera det erforderliga toppvärdet på säg 330V men ändå ha en RMS som är ungefär lika med sin sinusmotsvarighet.

Hur man konverterar / ändrar en kvadratisk vågform till sinusvågformen

Detta kan göras antingen genom att skära ett fyrkantigt vågprov i en sinusvågform, eller helt enkelt genom att hugga en samplings fyrkantig vågform i väl beräknade mindre bitar så att dess RMS blir mycket nära ett standard AC RMS-värde.

För att skära en fyrkantig våg till en perfekt sinusvåg kan vi använda en wienbro-oscillator eller mer exakt en 'bubba-oscillator' och mata den till ett sinusvågsprocessorstadium. Denna metod skulle vara för komplicerad och är därför inte en rekommenderad idé för att implementera en befintlig fyrkantvågsinverterare till en sinusvågsomformare.

Den mer genomförbara idén skulle vara att hugga tillhörande fyrkantvåg vid basen på utgångsenheterna till önskad RMS-grad.

Ett klassiskt exempel visas nedan:

Det första diagrammet visar en växelriktarkrets för fyrkantvåg. Genom att lägga till en enkel AMV-hackare kan vi bryta ner pulserna vid basen av de relevanta myggarna i önskad grad.

Modifierad inverterversion av kvadratvåg till sinusvåg av ovanstående krets.

Här genererar den lägre AMV pulser vid hög frekvens vars mark / utrymme-förhållande kan ändras på lämpligt sätt med hjälp av förinställd VR1. Denna PWM-styrda utgång appliceras på mosfetsportarna för att skräddarsy deras ledning till det angivna RMS-värdet.

Förväntat typiskt vågformsmönster från ovanstående modifiering:

Vågform vid Mosfet-portarna:

Vågform vid transformatorns utgång:

Vågform efter korrekt filtrering med induktorer och kondensatorer vid transformatorns utgång:

Dellista

R1, R2, = 27K,
R3, R4, R5, R6, R7, R8, R9, R10 = 1K ohm,
C1, C2 = 0,47uF / 100V metalliserad
C3, C4 = 0,1 uF
T1, T2, T5, T6 = BC547,
T3, T4 = valfri 30V, 10amp mosfet, N-kanal.
D1, D2 = 1N4148
VR1 = 47K förinställd
Transformator = 9-0-9V, 8 amp ( specifikationer måste väljas enligt uteffekten för korrekt drivoptimering )
Batteri = 12V, 10AH

Få bättre effektivitetsgrad

Ovanstående konvertering eller modifiering ger cirka 70% effektivitet med den uppnådda RMS-matchningen. Om du är intresserad av att få en bättre och exakt matchning krävs förmodligen en IC 556 PWM-vågformsprocessor.

Du vill hänvisa till den här artikeln som visar principen bakom modifiera en fyrkantig vågform till en sinusvågform använder ett par IC555.

Utsignalen från den ovannämnda kretsen kan på samma sätt matas till grinden eller basen för de relevanta kraftanordningarna som finns i den befintliga fyrkantiga växelriktarenheten.

En mer omfattande strategi kan bevittnas i denna artikel där en IC 556 används för att extrahera exakt PWM-baserad modifierad sinusvåg ekvivalenter från en provkälla med fyrkantvåg.

Denna vågform är integrerad med befintliga utdataenheter för att implementera de avsedda modifieringarna.

Ovanstående exempel lär oss de enklare metoderna genom vilka alla befintliga vanliga fyrkantvågsinverterare kan modifieras till sinusvågsinverterare.

Konverterar till en SPWM

I artikeln ovan lärde vi oss hur vågformen hos en fyrkantvågsomvandlare kunde optimeras för att få en sinusform av vågform genom att hugga fyrkantvågen i mindre sektioner.

En djupare analys visar dock att om inte den hackade vågformen inte är dimensionerad i form av SPWM, kan det hända att det inte är möjligt att uppnå en riktig sinusvågekvivalent.

För att uppfylla detta villkor blir en SPWM-omvandlingskrets nödvändig för att skära ut den mest ideala sinusformen från växelriktaren.

Följande diagram visar hur detta effektivt kan implementeras med de konstruktioner som diskuterats ovan.

Genom en av mina tidigare artiklar förstod vi hur en opamp kan användas för att skapa SPWM , kan samma teori ses tillämpas i ovanstående koncept. Två triangelvåggeneratorer används här, den ena accepterar den snabba fyrkantvågen från den nedre astabila, medan den andra accepterar långsamma fyrkantvågor från den övre astabla och bearbetar dem till motsvarande snabba och långsamma triangelvågutgångar.

Dessa bearbetade triangelvåg matas över de två ingångarna till en opamp, som slutligen omvandlar dem till SPWM eller sinusvågspulsbredder.

Dessa SPWM används för att hugga av signalerna vid mosfetsporten som slutligen byter vågformen över den anslutna transformatorlindningen för att skapa en exakt kopia av en ren sinusvågform på transformatorns sekundära sida genom magnetisk induktion.