Mehrstufige kaskadierte 5-Stufen-Sinus-Wechselrichterschaltung

In diesem Artikel erfahren Sie, wie Sie mit einem von mir entwickelten, sehr einfachen Konzept eine mehrstufige (5-stufige) kaskadierte Wechselrichterschaltung herstellen. Lassen Sie uns mehr über die Details erfahren.

Das Schaltungskonzept

Bisher habe ich auf dieser Website viele Sinus-Wechselrichterschaltungen mit einfachen Konzepten und gewöhnlichen Komponenten wie dem IC 555 entwickelt, entworfen und eingeführt, die eher ergebnisorientiert sind, anstatt komplex und voller theoretischer Probleme zu sein.

Ich habe erklärt, wie einfach ein Hochleistungs-Audioverstärker können in einen reinen Sinus-Wechselrichter umgewandelt werden und ich habe mich auch umfassend mit Sinuswellen-Invasoren unter Verwendung von SPWM-Konzepten befasst

Wir haben auch über diese Website erfahren, was wie man einen quadratischen Wechselrichter in einen reinen Sinus-Wechselrichter umwandelt Design.

Wenn wir die obigen Sinus-Wechselrichterschaltungen unter Verwendung von Sinus-äquivalenten PWMs bewerten, verstehen wir, dass die Wellenform von SPWMs nicht direkt mit einer tatsächlichen Sinuswellenform übereinstimmt oder mit dieser übereinstimmt, sondern dass sie den Sinuswelleneffekt oder die Ergebnisse durch Interpretation des Effektivwerts der tatsächlichen Sinuswelle ausführen AC.

Obwohl SPWM als ein effektiver Weg zur Replikation und Implementierung einer einigermaßen reinen Sinuswelle angesehen werden kann, macht die Tatsache, dass es keine echte Sinuswelle simuliert oder mit dieser zusammenfällt, das Konzept ein wenig unkompliziert, insbesondere im Vergleich zu einem kaskadierten 5-Stufen-Sinuswellenwechselrichter Konzept.

Wir können die beiden Arten von Sinuswellen-Simulationskonzepten anhand der folgenden Bilder vergleichen und analysieren:

Mehrstufiges kaskadiertes Wellenformbild

Wir können deutlich sehen, dass das mehrstufige 5-Stufen-Kaskadenkonzept eine offensichtlichere und effektivere Simulation einer realen Sinuswelle erzeugt als das SPWM-Konzept, bei dem ausschließlich der Effektivwert mit der ursprünglichen Sinuswellengröße abgeglichen wird.

Das Entwerfen eines herkömmlichen 5-stufigen kaskadierten Sinus-Wechselrichters kann recht komplex sein, aber das hier erläuterte Konzept erleichtert die Implementierung und verwendet normale Komponenten.

Schaltplan

HINWEIS: Bitte fügen Sie einen 1uF / 25-Kondensator über Pin 15 und Pin 16 der ICs hinzu, da sonst die Sequenzierung nicht gestartet wird.
Anhand des obigen Bildes können wir sehen, wie einfach das 5-stufige kaskadierte Wechselrichterkonzept praktisch implementiert werden kann, indem nur ein Muti-Tap-Transformator, ein paar 4017-ICs und 18 Leistungs-BJTs verwendet werden, die bei Bedarf leicht durch Mosfets ersetzt werden können.

Hier werden ein paar 4017 ICs, die Johnsons 10-Stufen-Zählerteilerchips sind, kaskadiert, um eine sequentiell laufende oder jagende logische Höhe über die gezeigten Pinbelegungen der ICs zu erzeugen.

Schaltungsbetrieb

Diese sequentiell laufende Logik wird zum Auslösen der angeschlossenen Leistungs-BJTs in derselben Sequenz verwendet, die wiederum die Transformatorwicklung in einer Reihenfolge schaltet, die bewirkt, dass der Transformator eine kaskadierte Art von Sinusäquivalentwellenform erzeugt.

Der Transformator bildet das Herzstück der Schaltung und verwendet eine speziell verwundete Primärwicklung mit 11 Abgriffen. Diese Abgriffe werden einfach gleichmäßig aus einer einzelnen langen berechneten Wicklung extrahiert.

Die einem der ICs zugeordneten BJTs schalten eine der Hälften des Transformators durch 5 Abgriffe, wodurch die Erzeugung von 5 Pegelschritten ermöglicht wird, die einen Halbzyklus der Wechselstromwellenform bilden, während die den anderen ICs zugeordneten BJTs die identische Formfunktion haben in der unteren Hälfte des Wechselstromzyklus in Form einer kaskadierten Wellenform mit 5 Pegeln.

Die ICs werden von Taktsignalen betrieben, die an die angegebene Position in der Schaltung angelegt werden und von jeder Standard-IC5-IC-Astable-Schaltung erfasst werden können.

Die ersten 5 Sätze der BJTs bauen die 5 Pegel der Wellenform auf, die verbleibenden 4 BJTs schalten in umgekehrter Reihenfolge um, um die kaskadierte Wellenform mit insgesamt 9 Wolkenkratzern zu vervollständigen.

Diese Wolkenkratzer werden durch Erzeugen eines aufsteigenden und absteigenden Spannungspegels durch Schalten der entsprechenden Wicklung des Transformators gebildet, die auf die relevanten Spannungspegel ausgelegt sind

Zum Beispiel könnte die Wicklung Nr. 1 in Bezug auf den Mittelabgriff mit 150 V, die Wicklung Nr. 2 mit 200 V, die Wicklung Nr. 3 mit 230 V, die Wicklung Nr. 4 mit 270 V und die Wicklung Nr. 5 mit 330 V bewertet werden, wenn diese also nacheinander umgeschaltet werden Mit dem Satz der gezeigten 5 BJTs erhalten wir die ersten 5 Pegel der Wellenform. Wenn diese Wicklung durch die folgenden 4 BJTs umgekehrt geschaltet wird, werden die absteigenden 4-Pegel-Wellenformen erzeugt, wodurch der obere Halbzyklus des 220-V-Wechselstroms abgeschlossen wird.

Dasselbe wird von den anderen 9 BJTs wiederholt, die dem anderen 4017-IC zugeordnet sind, wodurch die untere Hälfte des kaskadierten Wechselstroms mit 5 Pegeln entsteht, die eine vollständige Wechselstromwellenform des erforderlichen 220-V-Wechselstromausgangs vervollständigt.

Details zur Transformatorwicklung:

Wie aus dem obigen Diagramm ersichtlich ist, ist der Transformator ein gewöhnlicher Eisenkerntyp, der durch Wickeln des Primär- und des Sekundärkerns mit Windungen hergestellt wird, die den angegebenen Spannungsabgriffen entsprechen.

Wenn sie mit den entsprechenden BJTs verbunden sind, kann erwartet werden, dass diese Wicklung einen 5-Pegel oder insgesamt 9 Pegel einer kaskadierten Wellenform induziert, wobei die erste 36-V-Wicklung 150 V entspricht und induziert, die 27 V ein Äquivalent von 200 V induzieren, während die 20 V 27 V, 36 V wären für die Erzeugung von 230 V, 270 V und 330 V über der Sekundärwicklung im vorgeschlagenen kaskadierten Format verantwortlich.

Der Satz von Abgriffen auf der unteren Seite der Primärwicklung würde das Umschalten durchführen, um 4 aufsteigende Pegel der Wellenform zu vervollständigen.

Ein identisches Verfahren würde von den 9 BJTs wiederholt, die dem komplementären 4017-IC zum Aufbau der negativen Halbwelle des Wechselstroms zugeordnet sind ... das Negativ wird aufgrund der entgegengesetzten Ausrichtung der Transformatorwicklung in Bezug auf den Mittelabgriff wiedergegeben.

Aktualisieren:

Vollständiger Schaltplan der besprochenen mehrstufigen Sinus-Wechselrichterschaltung

HINWEIS: Bitte fügen Sie einen 1uF / 25-Kondensator über Pin 15 und Pin 16 der ICs hinzu, da sonst die Sequenzierung nicht gestartet wird.
Der der 555-Schaltung zugeordnete 1M-Poti muss angepasst werden, um eine Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz für den Wechselrichter gemäß den Länderspezifikationen des Benutzers einzurichten.

Liste der Einzelteile

Alle nicht spezifizierten Widerstände sind 10k, 1/4 Watt
Alle Dioden sind 1N4148
Alle BJTs sind TIP142
ICs sind 4017

Hinweise für die mehrstufige 5-stufige kaskadierte Sinus-Wechselrichterschaltung:

Das Testen und Verifizieren des obigen Designs wurde erfolgreich von Herrn Sherwin Baptista durchgeführt, der einer der begeisterten Anhänger der Website ist.

1. Wir entscheiden über die Eingangsversorgung des Wechselrichters --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Während des gesamten Bauvorgangs dieses Wechselrichters tritt ein Rauschproblem auf. Das Problem des erzeugten und verstärkten Rauschens sehr leicht zu lösen

A. Wir beschließen, das Ausgangssignal des IC555 in dem Moment zu filtern, in dem es an Pin 3 erzeugt wird. Auf diese Weise kann eine sauberere Rechteckwelle erhalten werden.

B. Wir beschließen, FERRITE BEADS an den jeweiligen Ausgängen des IC4017 zu verwenden, um die Filterung zu verbessern, bevor das Signal an die Verstärkertransistoren gesendet wird.

C. Wir entscheiden uns für die Verwendung von ZWEI TRANSFORMATOREN und verbessern die Filterung zwischen beiden in der Schaltung.

3. Die Oszillatorstufendaten:

Diese vorgeschlagene Stufe ist die Hauptstufe der Wechselrichterschaltung. Es erzeugt die erforderlichen Impulse bei einer bestimmten Frequenz, damit der Transformator arbeitet. Es besteht aus IC555-, IC4017- und Verstärkerleistungstransistoren.

A. IC555:

Dies ist ein einfach zu verwendender Timer-Chip mit geringem Stromverbrauch und bietet eine Vielzahl von Projekten, die mit ihm durchgeführt werden können. In diesem Wechselrichterprojekt konfigurieren wir es im Astable-Modus, um Rechteckwellen zu erzeugen. Hier stellen wir die Frequenz auf 450 Hz ein, indem wir das 1-Megaohm-Potentiometer einstellen und die Ausgabe mit einem Frequenzmesser bestätigen.

B. IC4017:

Dies ist ein 10-stufiger Zählerteiler-Logikchip von Jhonson, der in sequentiellen / laufenden LED-Blinker- / Chaser-Schaltungen sehr bekannt ist. Hier ist es intelligent konfiguriert, um in einer Wechselrichteranwendung verwendet zu werden. Wir stellen diese vom IC555 erzeugten 450 Hz für die Eingänge des IC4017 bereit. Dieser IC teilt die Eingangsfrequenz in 9 Teile auf, die jeweils zu einem 50-Hz-Ausgang führen.
Jetzt haben die Ausgangspins beider 4017 ein Taktsignal von 50 Hz, das kontinuierlich vorwärts und rückwärts läuft.

C. Die Verstärkerleistungstransistoren:

Dies sind die Hochleistungstransistoren, die die Batterieleistung entsprechend dem in sie eingespeisten Signal in die Transformatorwicklungen ziehen. Da die Ausgangsströme der 4017 zu niedrig sind, können wir sie nicht direkt in den Transformator einspeisen. Daher benötigen wir eine Art Verstärker, der die Niedrigstromsignale der 4017 in Hochstromsignale umwandelt, die dann für den weiteren Betrieb an den Transformator weitergeleitet werden können.

Diese Transistoren würden während des Betriebs heiß werden und müssten unbedingt gekühlt werden.
Man könnte für jeden Transistor einen separaten Kühlkörper verwenden, daher sollte sichergestellt sein, dass der
Kühlkörper berühren sich nicht.

ODER

Man könnte ein einzelnes langes Stück Kühlkörper verwenden, um alle Transistoren darauf zu montieren. Dann sollte man
Trennen Sie die mittlere Lasche jedes Transistors thermisch und elektrisch vom Berühren des Kühlkörpers

um zu verhindern, dass sie kurzgeschlossen werden. Dies kann mit dem Mica Isolation Kit erfolgen.

4. Als nächstes kommt der First Stage Transformer:

A. Hier verwenden wir den Mehrfachabgriff-Primärtransformator für einen Zweidraht-Sekundärtransformator. Als nächstes finden wir die Volt pro Abgriff, um die Primärspannung vorzubereiten.

---SCHRITT 1---

Wir berücksichtigen die Eingangsgleichspannung von 24V. Wir teilen dies mit 1,4142 und finden das AC RMS-Äquivalent, das 16,97 V ~ beträgt
Wir runden die obige RMS-Zahl ab, was zu 17 V ~ führt

---SCHRITT 2---

Als nächstes teilen wir RMS 17V ~ durch 5 (da wir fünf Abgriffspannungen benötigen) und erhalten RMS 3.4V ~
Wir nehmen die endgültige RMS-Zahl mit 3,5 V ~ und multiplizieren sie mit 5, um 17,5 V ~ als runde Zahl zu erhalten.
Im Finale haben wir die Volt pro Abgriff gefunden, die RMS 3.5V ~ beträgt

B. Wir beschließen, die Sekundärspannung auf RMS 12 V ~ zu halten, d. H. 0-12 V, weil wir eine höhere Stromstärke bei 12 V ~ erhalten können

C. Wir haben also die folgende Transformatorleistung:
Primär mit mehreren Abgriffen: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V bei 600 W / 1000 VA
Sekundär: 0 - 12 V bei 600 W / 1000 VA.
Wir haben diesen Transformator von einem örtlichen Transformatorhändler gewickelt.

5. Nun folgt der Haupt-LC-Schaltkreis:

Eine LC-Schaltung, die als Filtervorrichtung bekannt ist, hat robuste Anwendungen in Stromrichterschaltungen.
Bei der Verwendung in einer Wechselrichteranwendung ist es im Allgemeinen erforderlich, um die scharfen Spitzen abzubauen

von jeder erzeugten Wellenform und hilft, sie in eine glattere Wellenform umzuwandeln.

Hier im Sekundärteil des obigen Transformators von 0 bis 12 V erwarten wir einen Mehrebenenwert
quadratische kaskadierte Wellenform am Ausgang. Daher verwenden wir eine 5-stufige LC-Schaltung, um eine SINEWAVE-äquivalente Wellenform zu erhalten.

Die Daten für die LC-Schaltung sind wie folgt:

A) Alle Induktivitäten sollten mit 500 uH (Mikrohenry) und 50 A (IRA CORE EI LAMINATED) ausgestattet sein.
B) Alle Kondensatoren sollten vom Typ 1uF 250V NONPOLAR sein.

Beachten Sie, dass wir die 5-stufige LC-Schaltung und nicht nur eine oder zwei Stufen so belasten, dass wir am Ausgang eine viel sauberere Wellenform mit geringerer harmonischer Verzerrung erhalten.

6. Jetzt kommt der Transformator der zweiten und letzten Stufe:

Dieser Transformator ist für die Umwandlung des Ausgangs aus dem LC-Netzwerk verantwortlich, d. H. RMS 12 V ~ in 230 V ~
Dieser Transformator würde wie folgt bewertet:
Primär: 0 - 12 V bei 600 W / 1000 VA
Sekundär: 230 V bei 600 W / 1000 VA.

Hier wäre KEIN zusätzliches LC-Netzwerk am endgültigen 230-V-Ausgang für mehr Filterung erforderlich, da wir bereits zu Beginn jede Stufe jedes verarbeiteten Ausgangs gefiltert haben.
Der OUTPUT wird nun eine SINEWAVE sein.

Eine gute Sache ist, dass es am Endausgang dieses Wechselrichters und absolut keinen Lärm gibt
Anspruchsvolle Geräte können bedient werden.

Eine Sache, die von der Person, die den Wechselrichter bedient, beachtet werden muss, ist, den Wechselrichter NICHT ZU ÜBERLASTEN und die Leistungsbelastung hochentwickelter Geräte, die betrieben werden, in Grenzen zu halten.

Einige Korrekturen, die im Schaltplan vorgenommen werden müssen, sind wie folgt angegeben:

1. Am IC7812-Regler sollten Bypass-Kondensatoren angeschlossen sein. Es sollte auf einem montiert werden
HEATSINK, da es während des Betriebs warm werden würde.

2. Der IC555-Timer sollte einem Serienwiderstand folgen, bevor sein Signal an Dioden weitergeleitet wird.
Der Widerstandswert sollte 100E betragen. Der IC wird heiß, wenn der Widerstand nicht angeschlossen ist.

Zusammenfassend haben wir 3 vorgeschlagene Filterstufen:

1. Das vom IC555 an Pin 3 erzeugte Signal wird nach Masse gefiltert und dann an den Widerstand weitergeleitet
und dann zu den Dioden.

2. Da die Laufsignale die relevanten Pins des IC4017 verlassen, haben wir zuvor Ferritperlen angeschlossen
Signal an Widerstand weiterleiten.
3. Die letzte Filterstufe wird zwischen beiden Transformatoren eingesetzt

Wie ich die Transformatorwicklung berechnet habe

Ich möchte heute etwas mit Ihnen teilen.

Wenn es um das Aufwickeln von Eisenkernen ging, wusste ich nichts über das Zurückspulen von Spezifikationen, da ich herausfand, dass viele Parameter und Berechnungen in diese einfließen.

Für den obigen Artikel gab ich der Person des Verkehrswicklers die grundlegenden Spezifikationen und er fragte mich nur:

a) Das Abhören der Eingangs- und Ausgangsspannung, falls erforderlich,
b) Der Eingangs- und Ausgangsstrom,
c) Die Gesamtleistung,
d) Benötigen Sie eine externe Klemmvorrichtung, die mit dem Verkehr verschraubt ist?
e) Möchten Sie eine Sicherung, die intern an der 220-V-Seite des Transformators angeschlossen ist?
f) Möchten Sie Drähte an den Verkehr anschließen ODER lassen Sie den emaillierten Draht einfach mit zusätzlichem Kühlkörpermaterial außen?
g) Möchten Sie, dass der Kern mit einem angeschlossenen externen Kabel geerdet wird?
h) Möchten Sie, dass der IRON CORE geschützt, lackiert und mit schwarzem Oxid lackiert wird?

Schließlich versicherte er mir, dass ein vollständiger Sicherheitstest für den Transformator nach Maß durchgeführt wird, sobald er fertig ist. Es wird 5 Tage dauern, bis er abgeschlossen ist, bis eine Teilzahlung erfolgt.
Die Teilzahlung betrug (ungefähr) ein Viertel der von der Wicklerperson diktierten Gesamtkosten.

Meine Antworten auf die obigen Fragen sind:

HINWEIS: Um Verwechslungen bei der Verkabelung zu vermeiden, gehe ich davon aus, dass der Verkehr für einen Zweck ausgeführt wird: STEP-DOWN-TRANSFORMATOR, bei dem die Primärseite die Hochspannungsseite und die Sekundärseite die Niederspannungsseite ist.

a) 0-220 V Primäreingang, 2-adrig.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V sekundärer Mehrfachabgriff, 11- Leitungen.

b) Der primäre Eingangsstrom: 4,55 A bei 220 V Der Ausgangsstrom: 28,6 Ampere bei einer mehrfach abgegriffenen sekundären @ End-to-End-Spannung von 35 V… ..wenn die Berechnung betroffen ist.

Ich sagte ihm, ich brauche 5 Ampere bei 220 V (max. 230), d. H. Primären Eingang und 32 Ampere bei 35 V, d. H. Mehrfach abgegriffenen sekundären Ausgang.

c) Ich sagte ihm anfangs 1000 VA, aber basierend auf der Berechnung der Volt-Zeiten-Ampere und der Abrundung der Dezimalzahlen ging die Leistung auf 1120 VA +/- 10%. Er gab mir einen Sicherheitstoleranzwert für die 220-V-Seite.

d) Ja. Ich brauche eine einfache Befestigung am Metallgehäuse.

e) Nein. Ich habe ihm gesagt, dass ich eine extern platzieren werde, damit sie leicht zugänglich ist, wenn sie versehentlich abbläst.

f) Ich sagte ihm, er solle den emaillierten Draht außen lassen, damit die Sekundärseite mit mehreren Abgriffen aus Sicherheitsgründen angemessen gekühlt wird, und auf der Primärseite bat ich um den Anschluss der Drähte.

g) Ja. Ich muss den Kern aus Sicherheitsgründen geerdet haben. Bringen Sie daher bitte ein externes Kabel an.

h) Ja. Ich bat ihn, den notwendigen Schutz für die Kernprägungen bereitzustellen.

Dies war die Interaktion zwischen mir und ihm für den vorgeschlagenen auf Bestellung gefertigten Transformator.

AKTUALISIEREN:

In dem obigen kaskadierten 5-Stufen-Design haben wir das 5-Stufen-Zerhacken über die Gleichstromseite des Transformators implementiert, was etwas ineffizient zu sein scheint. Dies liegt daran, dass das Schalten zu einem erheblichen Leistungsverlust durch Gegen-EMK des Transformators führen kann und der Transformator daher enorm groß sein muss.

Eine bessere Idee könnte sein, die Gleichstromseite mit einem 50-Hz- oder 60-Hz-Vollbrückenwechselrichter zu oszillieren und die sekundäre Wechselstromseite mit unseren 9-stufigen sequentiellen IC 4017-Ausgängen unter Verwendung von Triacs zu schalten, wie unten gezeigt. Diese Idee würde Spitzen und Transienten reduzieren und dem Wechselrichter eine reibungslosere und effizientere Ausführung der 5-Stufen-Sinuswellenform ermöglichen. Die Triacs sind im Vergleich zu den Transistoren auf der DC-Seite weniger anfällig für das Schalten.