Multilevel 5 Step Cascaded Sine Wave Inverter Circuit

I den här artikeln lär vi oss att skapa en kaskad inverterkrets med flera nivåer (5 steg) med ett mycket enkelt koncept som jag utvecklat. Låt oss lära oss mer om detaljerna.

Circuit-konceptet

På den här webbplatsen har jag hittills utvecklat, designat och introducerat många sinusvågsomformarkretsar med enkla koncept och vanliga komponenter som IC 555, som råkar vara mer resultatorienterade istället för att vara komplexa och fulla av teoretiska virvlar.

Jag har förklarat hur enkelt en högeffekts ljudförstärkare kan omvandlas till en ren sinusomvandlare , och jag har också täckt omfattande angående sinusvåginledare med SPWM-koncept

Vi har också lärt oss genom denna webbplats hur man konverterar vilken fyrkantig inverter som helst till en ren sinusinverterare design.

Bedömning av ovannämnda sinusvågsomformarkretsar med hjälp av sinusekvivalenta PWM: er förstår vi att vågformen för SPWM: er inte direkt matchar eller sammanfaller med en faktisk sinusformad vågform, utan dessa utför sinusvågseffekten eller resultaten genom att tolka RMS-värdet för den faktiska sinusvågen AC.

Även om SPWM kan betraktas som ett effektivt sätt att replikera och implementera en ganska ren sinusvåg, gör det faktum att det inte simulerar eller sammanfaller med en verklig sinusvåg lite osofistikerat, speciellt om det jämförs med en 5-nivå kaskad sinusvågsomformare begrepp.

Vi kan jämföra och analysera de två typerna av sinusvågssimuleringskoncept genom att hänvisa till följande bilder:

Flernivå kaskad vågformsbild

Vi kan tydligt se att det 5-stegs-kaskadkonceptet med flera nivåer ger en mer uppenbar och effektiv simulering av en riktig sinusvåg än SPWM-konceptet som enbart bygger på att matcha RMS-värdet med den ursprungliga sinusvågstorleken.

Att utforma en konventionell 5-nivå kaskad-sinusomvandlare kan vara ganska komplex, men konceptet som förklaras här gör implementeringen enklare och använder vanliga komponenter.

Kretsschema

OBS: Lägg till en 1uF / 25 kondensator över stift nr 15 och stift nr 16 på IC: erna, annars kommer sekvenseringen inte att initieras.
Med hänvisning till bilden ovan kan vi se hur enkelt kaskadomformarkonceptet med 5 nivåer praktiskt kan implementeras med bara en mutitapp-transformator, ett par 4017 IC och 18 effekt-BJT, som enkelt kan bytas ut mot myggar om det behövs.

Här kaskadas ett par 4017 IC: er som är Johnsons 10-stegs motdelare-chips för att producera en sekventiellt löpande eller jagande logikhöjd över IC-kretsarna.

Kretsdrift

Dessa sekventiellt löpande logik används för att utlösa de anslutna effekt-BJT: erna i samma sekvens som i sin tur byter transformatorlindningen i en ordning som får transformatorn att producera en kaskad typ av sinusekvivalent vågform.

Transformatorn bildar kretsens hjärta och använder en speciellt sårad primär med 11 kranar. Dessa kranar extraheras helt enkelt enhetligt från en enda lång beräknad lindning.

BJT: erna som är associerade med en av IC: erna byter en av transformatorhalvorna genom 5 kranar som möjliggör generering av 5 nivåsteg, som utgör en halv cykel av AC-vågformen, medan BJT: erna associerade med de andra IC: erna har samma funktion för att forma upp den nedre halva växelströmscykeln i form av kaskad vågform med 5 nivåer.

IC: erna körs av klocksignaler som appliceras till den angivna positionen i kretsen, som kan förvärvas från vilken som helst standard 555 IC-stabil krets.

De första 5 uppsättningarna av BJT: er bygger upp de 5 nivåerna av vågformen, de återstående 4 BJT: erna byter samma i omvänd ordning för att komplettera den kaskad vågformen med totalt 9 skyskrapor.

Dessa skyskrapor bildas genom att producera en stigande och fallande spänningsnivå genom omkoppling av motsvarande lindning av transformatorn som är klassade vid relevanta spänningsnivåer

Till exempel kan lindning # 1 klassas vid 150V med avseende på mittkranen, lindningen # 2 vid 200V, lindning # 3 vid 230V, lindning # 4 vid 270V och lindning # 5 vid 330V, så när dessa byts sekventiellt av uppsättningen av de visade 5 BJT: erna, vi får de första 5 nivåerna av vågformen, nästa när dessa lindningar växlas i omvänd riktning med följande 4 BJT: er skapar de fallande 4 vågen vågformer, vilket slutför den övre halva cykeln av 220V AC.

Detsamma upprepas av de andra 9 BJT: erna som är associerade med den andra 4017 IC som ger upphov till den nedre halvan av den 5-nivå kaskad växelströmmen, som fullbordar en komplett växelströmsvågform av den nödvändiga 220V växelströmsutgången.

Transformatorlindande detaljer:

Som kan ses i ovanstående diagram är transformatorn en vanlig järnkärntyp, gjord genom att linda den primära och den sekundära med varv som motsvarar de angivna spänningskranarna.

När den är ansluten till motsvarande BJT kan dessa lindningar förväntas inducera en 5-nivå eller totalt 9-nivå av kaskad vågform varvid den första 36V-lindningen skulle motsvara och inducera en 150V, skulle 27V inducera en ekvivalent av 200V, medan 20V, 27V, 36V ansvarar för att producera 230V, 270V och 330V över sekundärlindningen i det föreslagna kaskadformatet.

Uppsättningen av kranar på den nedre sidan av den primära skulle utföra omkopplingen för att slutföra fyra stigande nivåer av vågformen.

Ett identiskt förfarande skulle upprepas av de 9 BJT: erna som är associerade med den kompletterande 4017 IC för att bygga den negativa halva cykeln för växelströmmen ... det negativa återges på grund av motsatt orientering av transformatorlindningen med avseende på mittkranen.

Uppdatering:

Komplett kretsschema för den diskuterade kretsen för växelriktare av sinusvåg

OBS: Lägg till en 1uF / 25 kondensator över stift nr 15 och stift nr 16 på IC: erna, annars kommer sekvenseringen inte att initieras.
1M-potten som är associerad med 555-kretsen måste justeras för att ställa in en 50Hz eller en 60Hz-frekvens för växelriktaren enligt landets specifikationer för användaren.

Dellista

Alla ospecificerade motstånd är 10k, 1/4 watt
Alla dioder är 1N4148
Alla BJT är TIP142
IC: er är 4017

Anmärkningar för flernivå 5-stegs kaskad sinusvågomformarkrets:

Testning och verifiering av ovanstående design genomfördes framgångsrikt av Sherwin Baptista, som är en av de ivriga följare av webbplatsen.

1. Vi bestämmer ingångsförsörjningen till växelriktaren --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Det kommer att finnas ett problem med NOISE som genereras under hela processen med att bygga denna inverter. Att knäcka frågan om buller som genereras och förstärks mycket enkelt

A. Vi bestämmer oss för att filtrera utsignalen från IC555 i det ögonblick den produceras vid stift 3, genom att göra en renare fyrkantvåg kan erhållas.

B. Vi bestämmer oss för att använda FERRITE BEADS vid respektive utgångar på IC4017 för att förbättra filtreringen innan signalen skickas till förstärkartransistorerna.

C. Vi bestämmer oss för att använda två transformatorer och förbättra filtreringen mellan dem båda i kretsen.

3. Oscillatorns scendata:

Detta föreslagna steg är huvudstadiet i inverterarkretsen. Den producerar de erforderliga pulserna vid en given frekvens för att transformatorn ska fungera. Den består av IC555, IC4017 och förstärkartransistorer.

A. IC555:

Det här är ett lättanvänt timerchip med låg effekt och har många olika projekt som kan göras med det. I detta inverterprojekt konfigurerar vi det i ett stabilt läge för att generera fyrkantiga vågor. Här ställer vi in ​​frekvensen på 450Hz genom att justera 1 megaohm potentiometer och bekräfta utgången med en frekvensmätare.

B. IC4017:

Detta är ett Jhonsons 10-stegs motdelare logikchip som är mycket känt i sekventiella / körande LED-blinkar / chaser-kretsar. Här är den smart konfigurerad att användas i en inverterapplikation. Vi tillhandahåller denna 450Hz genererad av IC555 till ingångarna till IC4017. Denna IC gör jobbet att bryta in ingångsfrekvensen i 9 delar, var och en resulterar i en 50Hz-utgång.
Nu har utgångsstiften på båda 4017-talet en klocksignal på 50Hz som löper kontinuerligt framåt och bakåt.

C. Förstärkarens effekttransistorer:

Dessa är högeffekttransistorerna som drar batteriet in i transformatorlindningarna i enlighet med signalen som matas in i dem. Eftersom 4017-talets utströmmar är för låga kan vi inte direkt mata dem in i transformatorn. Därför behöver vi någon form av förstärkare som omvandlar lågströmssignalerna från 4017-talet till högströmsignaler som sedan kan skickas till transformatorn för vidare drift.

Dessa transistorer blir heta under drift och behöver nödvändigtvis kylfläns.
Man kan använda en separat kylfläns för varje transistor, därför bör det säkerställas att
kylflänsar rör inte varandra.

ELLER

Man kan använda en enda lång kylfläns för att passa alla transistorerna på den. Då borde man
isolera termistiskt och elektriskt varje transistors mittflik från att vidröra kylflänsen

för att undvika att de kortsluts. Detta kan göras med hjälp av Mica Isolation Kit.

4. Därefter kommer First Stage Transformer:

A. Här använder vi Multi-tapped Primary till en tvåtrådig sekundärtransformator. Därefter hittar vi volt per kran för att förbereda primärspänningen.

---STEG 1---

Vi tar hänsyn till den ingångsspänning som är 24V. Vi delar detta med 1.4142 och hittar dess AC RMS-ekvivalent som är 16,97V ~
Vi rundar ovanstående RMS-siffra som resulterar i 17V ~

---STEG 2---

Därefter delar vi RMS 17V ~ med 5 (eftersom vi behöver fem spänningar) och vi får RMS 3.4V ~
Vi tar den slutliga RMS-siffran med 3,5V ~ och multiplicerar den med 5 ger oss 17,5V ~ som en rund siffra.
I slutändan hittade vi Volts Per Tap som är RMS 3.5V ~

B. Vi bestämmer oss för att hålla sekundärspänningen till RMS 12V ~ dvs 0-12V beror på att vi kan få en högre strömstyrka vid 12V ~

C. Så vi har transformatorbetyget enligt nedan:
Flertappad primär: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V @ 600W / 1000VA
Sekundär: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Vi fick den här transformatorn sårad av en lokal transformatorhandlare.

5. Nu följer LC-huvudkretsen:

En LC-krets som kallas en filteranordning har robusta applikationer i effektomvandlarkretsar.
Eftersom den används i en inverterapplikation krävs det i allmänhet för att bryta ner de skarpa topparna

av vilken genererad vågform som helst och hjälper till att konvertera den till en mjukare vågform.

Här vid den sekundära delen av transformatorn ovan är 0 --- 12V, förväntar vi oss en flernivå
kvadratisk kaskad vågform vid utgången. Så vi använder en 5-stegs LC-krets för att få en SINEWAVE-ekvivalent vågform.

Uppgifterna för LC-kretsen är som nedan:

A) Alla induktorer ska vara 500uH (mikrohenry) 50A-klassificerad IRON CORE EI LAMINERAD.
B) Alla kondensatorer bör vara av 1UF 250V NONPOLAR-typ.

Observera att vi betonar 5-stegs LC-kretsen och inte bara ett eller två steg så att vi kan få en mycket renare vågform vid utgången med mindre harmonisk distorsion.

6. Nu kommer den andra och sista scentransformatorn:

Denna transformator ansvarar för att konvertera utgången från LC-nätverket, dvs. RMS 12V ~ till 230V ~
Denna transformator skulle klassificeras enligt nedan:
Primär: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Sekundär: 230V @ 600W / 1000VA.

Här behövs INTE ytterligare LC-nätverk vid den slutliga 230V-utgången för mer filtrering eftersom vi redan har filtrerat varje steg i varje bearbetad utgång i början.
OUTPUT kommer nu att vara en SINEWAVE.

EN BRA sak är att det INGEN NOISE är buller vid den slutliga utgången av denna växelriktare och
sofistikerade prylar kan manövreras.

Men en sak som den som använder växelriktaren måste komma ihåg är att INTE ÖVERLÄSA OMVÄNDAREN och hålla kraften för sofistikerade prylar som används i gränser.

Några korrigeringar som ska göras i kretsschemat ges enligt:

1. IC7812-regulatorn ska ha anslutna förbikopplingskondensatorer. Den ska monteras på en
HEATSINK eftersom det skulle bli varmt under drift.

2. IC555-timern ska följa ett seriemotstånd innan dess signal går vidare till dioder.
Motståndets värde bör vara 100E. IC blir varmt om motståndet inte är anslutet.

Sammanfattningsvis har vi tre föreslagna filtersteg:

1. Signalen som genereras av IC555 vid stift 3 filtreras till jord och skickas sedan vidare till motstånd
och sedan till dioderna.

2. När körsignalerna lämnar relevanta stift i IC4017, kopplade vi ferritpärlor tidigare
överför signal till motstånd.
3. Det slutliga filtersteget används mellan båda transformatorerna

Hur jag beräknade transformatorlindningen

Jag skulle vilja dela något med dig idag.

När det gällde lindning av järnkärna visste jag ingenting om att spola tillbaka specifikationer eftersom jag fick reda på att många parametrar och beräkningar går in i dem.

Så för ovanstående artikel gav jag de grundläggande specifikationerna till trafo-rullaren och han frågade mig bara:

a) Ingångs- och utgångsspänningsuttag vid behov,
b) Ingångs- och utgångsströmmen,
c) Den totala effekten,
d) Behöver du extern klämfäste bultad till trafo?
e) Vill du ha en säkring ansluten internt på transformatorns 220V-sida?
f) Vill du ha ledningar anslutna till trafo ELLER helt enkelt behålla den emaljerade ledningen på utsidan med extra kylflänsmaterial?
g) Vill du att kärnan ska jordas med en extern ledning ansluten?
h) Vill du att IRON CORE ska skyddas lackerad och målas med svart oxid?

Slutligen försäkrade han mig om ett fullständigt säkerhetstest för att transformatorn är en beställningstyp när den är klar och det tar 5 dagar att slutföra tills en delbetalning tillhandahålls.
Delbetalningen var (på ungefär) en fjärdedel av den totala föreslagna kostnaden som dikterats av den upprullade personen.

Mina svar på ovanstående frågor är:

OBS: För att undvika kabelförvirring antar jag att trafo är gjord för ett syfte: STEG NED TRANSFORMATOR där primär är högspänningssida och sekundär är lågspänningssida.

a) 0-220V primäringång, 2-ledare.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5V sekundär multitappad utgång, 11- ledningar.

b) Den primära ingångsströmmen: 4,55A vid 220V Utgångsströmmen: 28,6 ampere på fleruttryckt sekundär @ slut-till-slut-spänning 35V ... .. där beräkning gäller.

Jag sa till honom att jag behöver 5 ampere vid 220V (230. max), dvs primäringång och 32 ampere vid 35V, dvs. multi-tappad sekundär utgång.

c) Jag sa till en början 1000VA men baserat på beräkning av volt gånger förstärkare och avrundning av decimaltal gick effekten till 1120VA +/- 10%. Han gav mig ett säkerhetstoleransvärde för 220V-sidan.

d) Ja. Jag behöver en enkel fastsättning på metallskåpet.

e) Nej. Jag sa till honom att jag kommer att placera en externt för enkel åtkomst till den när den av misstag blåser av.

f) Jag sa till honom att behålla den emaljerade ledningen på utsidan för att den multitappade sekundärsidan ska vara korrekt kylflänsad för säkerhet och på den primära sidan begärde jag att ledningar skulle anslutas.

g) Ja. Jag behöver jorda av säkerhetsskäl. Fäst därför en extern kabel.

h) Ja. Jag bad honom ge det nödvändiga skyddet för kärnstämplingarna.

Detta var interaktionen mellan mig och honom för den föreslagna transformatorn på beställningstyp.

UPPDATERING:

I ovanstående 5-stegs kaskaddesign implementerade vi 5-stegshuggningen över DC-sidan av transformatorn, vilket verkar vara lite ineffektivt. Det beror på att omkopplingen kan leda till att en betydande mängd ström går förlorad genom tillbaka EMF från transformatorn, och detta kommer att behöva transformatorn vara enormt stor.

En bättre idé kan vara att svänga DC-sidan med en 50 Hz eller 60 Hz fullbryggare, och växla den sekundära växelströmssidan med våra 9-stegs sekventiella IC 4017-utgångar med hjälp av triacs, som visas nedan. Denna idé skulle minska spikar och transienter och göra det möjligt för växelriktaren att få en mjukare och effektivare utförande av sin 5-stegs sinusvågform. Triacerna kommer att vara mindre sårbara för omkopplingen jämfört med transistorerna på DC-sidan.