Circuit inverseur à onde sinusoïdale en cascade à 5 niveaux à plusieurs niveaux

Dans cet article, nous apprenons à créer un circuit onduleur en cascade à plusieurs niveaux (5 étapes) en utilisant un concept très simple développé par mes soins. Apprenons-en plus sur les détails.

Le concept de circuit

Jusqu'à présent, sur ce site Web, j'ai développé, conçu et présenté de nombreux circuits onduleurs à onde sinusoïdale en utilisant des concepts simples et des composants ordinaires tels que IC 555, qui se trouvent être davantage axés sur les résultats au lieu d'être complexes et pleins de fouillis théoriques.

J'ai expliqué comment simplement un L'amplificateur audio haute puissance peut être converti en un onduleur à onde sinusoïdale pure , et j'ai également couvert de manière exhaustive les inverseurs d'onde sinusoïdale en utilisant les concepts SPWM

Nous avons également appris sur ce site Internet comment convertir n'importe quel onduleur carré en un onduleur à onde sinusoïdale pure conception.

En évaluant les circuits onduleurs à onde sinusoïdale ci-dessus en utilisant des PWM équivalents sinusoïdaux, nous comprenons que la forme d'onde des SPWM ne correspond pas directement ou ne coïncide pas avec une forme d'onde sinusoïdale réelle, mais exécute plutôt l'effet d'onde sinusoïdale ou les résultats en interprétant la valeur RMS de l'onde sinusoïdale réelle. AC.

Bien que le SPWM puisse être considéré comme un moyen efficace de répliquer et de mettre en œuvre une onde sinusoïdale raisonnablement pure, le fait qu'il ne simule pas ou ne coïncide pas avec une onde sinusoïdale réelle rend le concept un peu simple, surtout si on le compare à un onduleur sinusoïdal en cascade à 5 niveaux. concept.

Nous pouvons comparer et analyser les deux types de concepts de simulation d'onde sinusoïdale en nous référant aux images suivantes:

Image de forme d'onde en cascade à plusieurs niveaux

Nous pouvons clairement voir que le concept en cascade à 5 niveaux à plusieurs niveaux produit une simulation plus évidente et efficace d'une onde sinusoïdale réelle que le concept SPWM qui repose uniquement sur la correspondance de la valeur RMS avec l'amplitude de l'onde sinusoïdale d'origine.

La conception d'un onduleur sinusoïdal en cascade classique à 5 niveaux peut être assez complexe, mais le concept qui est expliqué ici facilite la mise en œuvre et utilise des composants ordinaires.

Schéma

REMARQUE: veuillez ajouter un condensateur 1uF / 25 entre les lignes des broches 15 et 16 des circuits intégrés, sinon le séquençage ne démarrera pas.
En se référant à l'image ci-dessus, nous pouvons voir comment le concept d'onduleur en cascade à 5 niveaux peut être implémenté en pratique en utilisant simplement un transformateur multi-prises, quelques circuits intégrés 4017 et 18 BJT de puissance, qui pourraient être facilement remplacés par des mosfets si nécessaire.

Ici, quelques 4017 circuits intégrés, qui sont des puces de comptage diviseur à 10 étages de Johnson, sont montés en cascade pour produire une séquence logique exécutée ou poursuivant des sommets logiques sur les broches des circuits intégrés.

Fonctionnement du circuit

Ces logiques fonctionnant séquentiellement sont utilisées pour déclencher les BJT de puissance connectés dans la même séquence qui à leur tour commutent l'enroulement du transformateur dans un ordre qui amène le transformateur à produire un type d'onde sinusoïdale en cascade.

Le transformateur forme le cœur du circuit et utilise un primaire spécialement blessé avec 11 prises. Ces prises sont simplement extraites uniformément d'un seul long enroulement calculé.

Les BJT associés à l'un des CI commutent l'une des moitiés du transformateur à travers 5 prises permettant la génération de 5 échelons de niveau, constituant un demi-cycle de la forme d'onde AC, tandis que les BJT associés aux autres CI remplissent la même fonction de mise en forme le demi-cycle CA inférieur sous la forme d'une forme d'onde en cascade à 5 niveaux.

Les circuits intégrés sont gérés par des signaux d'horloge appliqués à la position indiquée dans le circuit, qui pourraient être acquis à partir de n'importe quel circuit astable 555 IC standard.

Les 5 premiers ensembles de BJT construisent les 5 niveaux de la forme d'onde, les 4 BJT restants commutent de la même manière dans l'ordre inverse pour compléter la forme d'onde en cascade ayant un total de 9 gratte-ciel.

Ces gratte-ciel sont formés en produisant des niveaux de tension ascendants et descendants par la commutation de l'enroulement correspondant du transformateur qui sont évalués aux niveaux de tension pertinents

Par exemple, l'enroulement n ° 1 pourrait être évalué à 150 V par rapport à la prise centrale, l'enroulement n ° 2 à 200 V, l'enroulement n ° 3 à 230 V, l'enroulement n ° 4 à 270 V et l'enroulement n ° 5 à 330 V, donc lorsque ceux-ci sont commutés séquentiellement par l'ensemble des 5 BJT représentés, nous obtenons les 5 premiers niveaux de la forme d'onde, ensuite, lorsque ces enroulements sont commutés à l'envers par les 4 BJT suivants, il crée les formes d'onde à 4 niveaux descendants, complétant ainsi le demi-cycle supérieur du 220V AC.

La même chose est répétée par les 9 autres BJT associés à l'autre 4017 IC donnant naissance à la moitié inférieure du CA en cascade à 5 niveaux, qui complète une forme d'onde CA complète de la sortie 220V CA requise.

Détails de l'enroulement du transformateur:

Comme on peut le voir sur le schéma ci-dessus, le transformateur est un type à noyau de fer ordinaire, réalisé en enroulant le primaire et le secondaire avec des spires correspondant aux prises de tension indiquées.

Lorsqu'ils sont connectés aux BJT correspondants, on peut s'attendre à ce que ces enroulements induisent un niveau 5 ou un total de 9 niveaux de forme d'onde en cascade dans laquelle le premier enroulement 36V correspondrait et induirait un 150V, le 27V induirait un équivalent de 200V, tandis que le 20V, 27V, 36V seraient responsables de la production de 230V, 270V et 330V à travers l'enroulement secondaire dans le format en cascade proposé.

L'ensemble de prises sur le côté inférieur du primaire effectuerait la commutation pour compléter 4 niveaux ascendants de la forme d'onde.

Une procédure identique serait répétée par les 9 BJT associés au CI 4017 complémentaire pour construire le demi-cycle négatif du courant alternatif ... le négatif est rendu en raison de l'orientation opposée de l'enroulement du transformateur par rapport à la prise centrale.

Mettre à jour:

Schéma de circuit complet du circuit d'inverseur sinusoïdal à plusieurs niveaux discuté

REMARQUE: veuillez ajouter un condensateur 1uF / 25 entre les lignes des broches 15 et 16 des circuits intégrés, sinon le séquençage ne démarrera pas.
Le potentiomètre 1M associé au circuit 555 devra être ajusté pour configurer une fréquence de 50 Hz ou 60 Hz pour l'onduleur selon les spécifications du pays de l'utilisateur.

Liste des pièces

Toutes les résistances non spécifiées sont 10k, 1/4 watt
Toutes les diodes sont 1N4148
Tous les BJT sont TIP142
Les CI sont 4017

Remarques pour le circuit onduleur à onde sinusoïdale en cascade à 5 niveaux à plusieurs niveaux:

Le test et la vérification de la conception ci-dessus ont été menés avec succès par M. Sherwin Baptista, qui est l'un des fervents adeptes du site Web.

1. Nous décidons de l'alimentation d'entrée de l'onduleur --- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2. Il y aura un problème de BRUIT généré pendant tout le processus de construction de cet onduleur. Pour résoudre le problème du bruit généré et amplifié très facilement

A. Nous décidons de filtrer le signal de sortie de IC555 au moment où il est produit à la broche 3, en faisant ainsi une onde carrée plus propre peut être obtenue.

B. Nous décidons d'utiliser FERRITE BEADS aux sorties respectives de IC4017 pour améliorer le filtrage avant que le signal ne soit envoyé aux transistors de l'amplificateur.

C. Nous décidons d'utiliser DEUX TRANSFORMATEURS et d'améliorer le filtrage entre les deux dans le circuit.

3. Les données de la scène de l'oscillateur:

Cet étage proposé est l'étage principal du circuit onduleur. Il produit les impulsions nécessaires à une fréquence donnée pour que le transformateur fonctionne. Il se compose de transistors de puissance IC555, IC4017 et amplificateur.

A. IC555:

Il s'agit d'une puce de minuterie à faible consommation facile à utiliser et qui propose une grande variété de projets pouvant être réalisés en l'utilisant. Dans ce projet d'onduleur, nous le configurons en mode astable pour générer des ondes carrées. Ici, nous réglons la fréquence à 450 Hz en ajustant le potentiomètre de 1 mégaohm et en confirmant la sortie avec un fréquencemètre.

B. IC4017:

Il s'agit de la puce logique de diviseur de compteur à 10 étages d'un Jhonson qui est très célèbre dans les circuits clignotants / chasseurs à LED séquentiels / en cours d'exécution. Ici, il est intelligemment configuré pour être utilisé dans une application d'onduleur. Nous fournissons ce 450Hz généré par IC555 aux entrées de IC4017. Ce circuit intégré fait le travail de diviser la fréquence d'entrée en 9 parties, chacune résultant en une sortie de 50 Hz.
Maintenant, les broches de sortie des deux 4017 ont un signal d'horloge de 50 Hz continuellement en avant et en arrière.

C.Les transistors de puissance de l'amplificateur:

Ce sont les transistors haute puissance qui tirent la puissance de la batterie dans les enroulements du transformateur en fonction du signal qui y est injecté. Les courants de sortie des 4017 étant trop faibles, nous ne pouvons pas les alimenter directement dans le transformateur. Par conséquent, nous avons besoin d'une sorte d'amplificateur qui convertira les signaux à faible courant des 4017 en signaux à courant élevé qui peuvent ensuite être transmis au transformateur pour un fonctionnement ultérieur.

Ces transistors chaufferaient pendant le fonctionnement et nécessiteraient nécessairement une dissipation thermique.
On pourrait utiliser un dissipateur thermique séparé pour chaque transistor, il faut donc s'assurer que le
les dissipateurs ne se touchent pas.

OU

On pourrait utiliser un seul long morceau de dissipateur thermique pour y installer tous les transistors. Alors on devrait
isoler thermiquement et électriquement la languette centrale de chaque transistor pour ne pas toucher le dissipateur thermique

afin d'éviter qu'ils ne soient court-circuités. Cela peut être fait en utilisant le kit d'isolation Mica.

4. Vient ensuite le transformateur de premier étage:

A. Ici, nous utilisons le primaire à prises multiples vers un transformateur secondaire à deux fils. Ensuite, nous trouvons les volts par prise pour préparer la tension primaire.

---ÉTAPE 1---

Nous prenons en compte la tension CC d'entrée qui est de 24V. Nous divisons cela par 1,4142 et trouvons son équivalent AC RMS qui est 16,97V ~
Nous arrondissons le chiffre RMS ci-dessus qui se traduit par 17V ~

---ÉTAPE 2---

Ensuite, nous divisons RMS 17V ~ par 5 (puisque nous avons besoin de cinq tensions de prise) et nous obtenons RMS 3.4V ~
Nous prenons le chiffre RMS final par 3,5 V ~ et le multipliant par 5 nous donne 17,5 V ~ comme un chiffre rond.
En final, nous avons trouvé le Volts Per Tap qui est RMS 3.5V ~

B.Nous décidons de maintenir la tension secondaire à RMS 12V ~ c.-à-d. 0-12V est parce que nous pouvons obtenir une sortie d'ampérage plus élevée à 12V ~

C.Nous avons donc la cote du transformateur comme ci-dessous:
Primaire à prises multiples: 17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- 17,5 V à 600 W / 1000VA
Secondaire: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA.
Nous avons fait enrouler ce transformateur par un revendeur local de transformateurs.

5. Suit maintenant le circuit LC principal:

Un circuit LC connu sous le nom de dispositif de filtrage a des applications robustes dans les circuits de conversion de puissance.
Étant utilisé dans une application d'onduleur, il est généralement nécessaire pour briser les pics pointus

de toute forme d'onde générée et permet de la convertir en une forme d'onde plus fluide.

Ici, à la section secondaire du transformateur ci-dessus étant 0 --- 12V, nous nous attendons à un multi-niveaux
forme d'onde carrée en cascade à la sortie. Nous utilisons donc un circuit LC à 5 étages pour obtenir une forme d'onde équivalente à ONDE SINUSOÏDALE.

Les données pour le circuit LC sont les suivantes:

A) Tous les inducteurs doivent être des IRON CORE EI LAMINÉS de 500 uH (microhenry) 50A.
B) Tous les condensateurs doivent être de type 1 uF 250 V NON POLAR.

Notez que nous insistons sur le circuit LC à 5 étages et pas seulement sur un ou deux étages, de sorte que nous pouvons obtenir une forme d'onde beaucoup plus nette en sortie avec une distorsion harmonique moindre.

6. Vient maintenant le deuxième et dernier transformateur d'étape:

Ce transformateur est responsable de la conversion de la sortie du réseau LC, c'est-à-dire du RMS 12V ~ en 230V ~
Ce transformateur serait évalué comme ci-dessous:
Primaire: 0 --- 12V @ 600W / 1000VA
Secondaire: 230V @ 600W / 1000VA.

Ici, AUCUN réseau LC supplémentaire ne serait nécessaire à la sortie 230V finale pour plus de filtrage puisque nous avons déjà filtré chaque étage de chaque sortie traitée au début.
La SORTIE sera désormais une ONDE SINUSOÏDALE.

Une bonne chose est qu'il n'y a absolument AUCUN BRUIT à la sortie finale de cet onduleur et
des gadgets sophistiqués peuvent être utilisés.

Mais une chose à garder à l'esprit par la personne qui fait fonctionner l'onduleur est de NE PAS SURCHARGER L'ONDULEUR et de maintenir les charges d'alimentation des gadgets sophistiqués en fonctionnement dans des limites.

Quelques corrections à apporter dans le schéma électrique sont données sous:

1. Le régulateur IC7812 doit avoir des condensateurs de dérivation connectés. Il doit être monté sur un
HEATSINK car il chaufferait pendant le fonctionnement.

2. La minuterie IC555 doit suivre une résistance série avant que son signal ne passe aux diodes.
La valeur de la résistance doit être de 100E. IC devient chaud si la résistance n'est pas connectée.

En conclusion, nous avons 3 étapes de filtrage proposées:

1. Le signal généré par IC555 à la broche 3 est filtré à la terre puis transmis à la résistance
puis aux diodes.

2. Lorsque les signaux de fonctionnement sortent des broches pertinentes de IC4017, nous avons connecté des perles de ferrite avant
passant le signal à la résistance.
3. L'étage de filtre final est utilisé entre les deux transformateurs

Comment j'ai calculé l'enroulement du transformateur

Je voudrais partager quelque chose avec vous aujourd'hui.

En ce qui concerne l'enroulement du noyau de fer, je ne savais rien des spécifications de rembobinage car j'ai découvert de nombreux paramètres et calculs.

Donc, pour l'article ci-dessus, j'ai donné les spécifications de base au bobineur de trafo et il m'a juste demandé:

a) La prise de tension d'entrée et de sortie si nécessaire,
b) Le courant d'entrée et de sortie,
c) La puissance totale,
d) Avez-vous besoin d'un dispositif de serrage externe boulonné au trafo?
e) Voulez-vous un fusible connecté en interne côté transformateur 220V?
f) Voulez-vous des fils connectés au trafo OU simplement garder le fil émaillé à l'extérieur avec un matériau de dissipateur thermique supplémentaire?
g) Voulez-vous que le noyau soit mis à la terre avec un fil externe connecté?
h) Voulez-vous que l'IRON CORE soit protégé, verni et peint à l'oxyde noir?

Enfin, il m'a assuré d'un test de sécurité complet pour le transformateur étant un type fait sur commande une fois prêt et il faudra une période de 5 jours pour être terminé jusqu'à ce qu'un paiement partiel soit effectué.
Le paiement partiel était (sur un environ) un quart du coût total proposé dicté par le bobineur.

Mes réponses aux questions ci-dessus sont:

REMARQUE: Pour éviter les confusions de câblage, je suppose que le trafo est conçu dans un seul but: LE TRANSFORMATEUR DESCENDRE où le primaire est côté haute tension et le secondaire est côté basse tension.

a) Entrée primaire 0-220V, 2 fils.
17,5 --- 14 --- 10,5 --- 7 --- 3,5 --- 0 --- 3,5 --- 7 --- 10,5 --- 14 --- Sortie multi-prises secondaire 17,5 V, 11- fils.

b) Le courant d'entrée primaire: 4,55A à 220V Le courant de sortie: 28,6 Ampères sur le secondaire à prises multiples @ tension de bout en bout 35V… .. là où le calcul est concerné.

Je lui ai dit que j'avais besoin de 5 ampères à 220V (230. Max), c'est-à-dire une entrée primaire et 32 ​​ampères à 35V, c'est-à-dire une sortie secondaire multi-prises.

c) Je lui ai d'abord dit 1000VA mais sur la base du calcul du volt multiplié par l'ampli et en arrondissant les chiffres décimaux, la puissance est passée à 1120VA +/- 10%. Il m'a fourni une valeur de tolérance de sécurité pour le côté 220V.

d) Oui. J'ai besoin d'un montage facile sur une armoire métallique.

e) Non. Je lui ai dit que j'en placerais un à l'extérieur pour un accès facile quand il explosera accidentellement.

f) Je lui ai dit de garder le fil émaillé à l'extérieur pour que le côté secondaire à prises multiples soit correctement dissipé thermiquement pour des raisons de sécurité et du côté primaire, j'ai demandé que les fils soient connectés.

g) Oui. J'ai besoin que le noyau soit mis à la terre pour des raisons de sécurité. Veuillez donc attacher un fil externe.

h) Oui. Je lui ai demandé de fournir la protection nécessaire pour les estampages de base.

C'était l'interaction entre moi et lui pour le transformateur de type sur mesure proposé.

METTRE À JOUR:

Dans la conception en cascade en 5 étapes ci-dessus, nous avons mis en œuvre le découpage en 5 étapes sur le côté CC du transformateur, ce qui semble être un peu inefficace. C'est parce que la commutation pourrait entraîner une perte importante de puissance par le biais de l'EMF arrière du transformateur, et cela nécessitera que le transformateur soit extrêmement gros.

Une meilleure idée pourrait être de faire osciller le côté CC avec un onduleur à pont complet de 50 Hz ou 60 Hz, et de commuter le côté CA secondaire avec nos sorties IC 4017 séquentielles à 9 étapes à l'aide de triacs, comme indiqué ci-dessous. Cette idée réduirait les pics et les transitoires et permettrait à l'onduleur d'avoir une exécution plus fluide et plus efficace de la forme d'onde sinusoïdale en 5 étapes. Les triacs seront moins vulnérables à la commutation, par rapport aux transistors du côté DC.