マルチレベル5ステップカスケード正弦波インバータ回路

この記事では、私が開発した非常に単純な概念を使用して、マルチレベル（5ステップ）カスケードインバータ回路を作成する方法を学習します。詳細についてもっと学びましょう。

回路コンセプト

このウェブサイトでは、これまで、単純な概念とIC 555などの通常のコンポーネントを使用して、多くの正弦波インバータ回路を開発、設計、紹介してきました。これらは、複雑で理論的な混乱に満ちているのではなく、結果指向です。

私はいかに簡単に説明しました ハイパワーオーディオアンプは、純粋な正弦波インバーターに変換できます 、およびSPWMの概念を使用した正弦波インベッターについても包括的に説明しました。

また、このウェブサイトを通じて、 方形インバーターを純粋な正弦波インバーターに変換する方法 設計。

正弦等価PWMを使用して上記の正弦波インバータ回路を評価すると、SPWMの波形は実際の正弦波形と直接一致または一致せず、実際の正弦波のRMS値を解釈することによって正弦波効果または結果を実行することがわかります。交流。

SPWMは、適度に純粋な正弦波を複製および実装する効果的な方法と見なすことができますが、実際の正弦波をシミュレートまたは一致させないという事実により、特に5レベルのカスケード正弦波インバーターと比較した場合、概念は少し洗練されていません。概念。

次の画像を参照することで、2種類の正弦波シミュレーションの概念を比較および分析できます。

マルチレベルカスケード波形画像

マルチレベルの5ステップカスケードコンセプトは、RMS値を元の正弦波の大きさと一致させることだけに依存するSPWMコンセプトよりも、実際の正弦波のより明白で効果的なシミュレーションを生成することがはっきりとわかります。

従来の5レベルカスケード正弦波インバーターの設計は非常に複雑になる可能性がありますが、ここで説明する概念により、実装が容易になり、通常のコンポーネントが使用されます。

回路図

注：ICのピン＃15とピン＃16のラインの間に1uF / 25のコンデンサを追加してください。そうしないと、シーケンスが開始されません。
上の画像を参照すると、マルチタップトランス、4017個のIC、18個の電源BJTだけを使用して、5レベルカスケードインバータの概念を実際に簡単に実装できることがわかります。これらは、必要に応じてMOSFETに簡単に置き換えることができます。

ここでは、ジョンソンの10ステージカウンターディバイダーチップである2つの4017 ICがカスケード接続され、ICの示されているピン配置全体で順次実行または追跡ロジックハイを生成します。

回路動作

これらの順次実行ロジックは、接続された電源BJTを同じシーケンスでトリガーするために使用されます。これにより、変圧器がカスケードされた種類の正弦波に相当する波形を生成する順序で変圧器の巻線が切り替わります。

トランスは回​​路の心臓部を形成し、11タップの特別に傷つけられた一次側を採用しています。これらのタップは、計算された1つの長い巻線から単純に均一に抽出されます。

ICの1つに関連付けられたBJTは、5つのタップを介してトランスの半分の1つを切り替え、AC波形の半サイクルを構成する5レベルのステップの生成を可能にします。一方、他のICに関連付けられたBJTは、同じ機能を実行して成形します。 5レベルのカスケード波形の形で下半分のACサイクルを上げます。

ICは、回路内の指定された位置に適用されるクロック信号によって実行されます。クロック信号は、標準の555IC非安定回路から取得できます。

BJTの最初の5セットは波形の5つのレベルを構築し、残りの4つのBJTは逆の順序で同じように切り替わり、合計9つの超高層ビルを持つカスケード波形を完成させます。

これらの超高層ビルは、関連する電圧レベルで定格が定められている変圧器の対応する巻線を切り替えることにより、上昇および下降電圧レベルを生成することによって形成されます。

たとえば、巻線＃1の定格はセンタータップに対して150V、巻線＃2は200V、巻線＃3は230V、巻線＃4は270V、巻線＃5は330Vであるため、これらを順番に切り替えると、示されている5つのBJTのセットでは、波形の最初の5レベルを取得し、次にこれらの巻線が次の4つのBJTによって逆に切り替えられると、下降する4レベルの波形が作成され、220VACの上半サイクルが完了します。

同じことが他の4017ICに関連付けられた他の9つのBJTによって繰り返され、5レベルのカスケードACの下半分が発生し、必要な220VAC出力の1つの完全なAC波形が完成します。

トランス巻線の詳細：

上の図に見られるように、トランスは通常の鉄心タイプであり、示された電圧タップに対応するターンで一次および二次を巻くことによって作られています。

対応するBJTに接続すると、これらの巻線は5レベルまたは合計9レベルのカスケード波形を誘導し、最初の36V巻線が対応して150Vを誘導し、27Vは200Vに相当し、20Vは27V、36Vは、提案されたカスケード形式で2次巻線の両端に230V、270V、および330Vを生成する役割を果たします。

プライマリの下側にあるタップのセットは、波形の4つの昇順レベルを完了するために切り替えを実行します。

ACの負の半サイクルを構築するための相補型4017ICに関連付けられた9つのBJTによって、同じ手順が繰り返されます...センタータップに対するトランス巻線の向きが反対であるため、負の値がレンダリングされます。

更新：

議論されたマルチレベル正弦波インバータ回路の完全な回路図

注：ICのピン＃15とピン＃16のラインの間に1uF / 25のコンデンサを追加してください。そうしないと、シーケンスが開始されません。
555回路に関連付けられている1Mポットは、ユーザーの国の仕様に従って、インバーターの50Hzまたは60Hzの周波数を設定するように調整する必要があります。

パーツリスト

指定されていない抵抗はすべて10k、1/4ワットです
すべてのダイオードは1N4148です
すべてのBJTはTIP142です
ICは4017です

マルチレベル5ステップカスケード正弦波インバータ回路に関する注記：

上記のデザインのテストと検証は、ウェブサイトの熱心なフォロワーの1人であるSherwinBaptista氏によって成功裏に実施されました。

1.インバータへの入力電源を決定します--- 24V @ 18Ah @ 432Wh

2.このインバータの製造プロセス全体で発生するノイズの問題が発生します。非常に簡単に生成および増幅されるノイズの問題を解決する

A. IC555の出力信号は、ピン3で生成された瞬間にフィルタリングすることで、よりクリーンな方形波を得ることができます。

B.信号が増幅器トランジスタに送信される前にフィルタリングを強化するために、IC4017のそれぞれの出力でフェライトビーズを使用することにしました。

C. 2つのトランスフォーマーを使用し、回路内の両方の間のフィルタリングを強化することにしました。

3.オシレーターステージデータ：

この提案されたステージは、インバータ回路のメインステージです。トランスが動作するために必要なパルスを所定の周波数で生成します。 IC555、IC4017、アンプパワートランジスタで構成されています。

A. IC555：

これは使いやすい低電力タイマーチップであり、それを使用して実行できるさまざまなプロジェクトがあります。このインバータープロジェクトでは、方形波を生成するために非安定モードで構成します。ここでは、1メガオームのポテンショメータを調整し、周波数計で出力を確認することにより、周波数を450Hzに設定します。

B. IC4017：

これは、シーケンシャル/ランニングLEDフラッシャー/チェイサー回路で非常に有名なジョンソンの10ステージカウンターディバイダーロジックチップです。ここでは、インバーターアプリケーションで使用するようにスマートに構成されています。 IC555によって生成されたこの450HzをIC4017の入力に提供します。このICは、入力周波数を9つの部分に分割し、それぞれが50Hzの出力を生成する役割を果たします。
現在、両方の4017の出力ピンには、50Hzのクロック信号が連続して前後に実行されています。

C.アンプパワートランジスタ：

これらは、入力された信号に従ってバッテリー電力を変圧器の巻線に引き込む高出力トランジスターです。 4017の出力電流が低すぎるため、トランスに直接供給することはできません。したがって、4017からの低電流信号を高電流信号に変換し、それをトランスに渡してさらに動作させることができる、ある種の増幅器が必要です。

これらのトランジスタは動作中に高温になり、必然的にヒートシンクが必要になります。
トランジスタごとに個別のヒートシンクを使用できるため、次のことを確認する必要があります。
ヒートシンクは互いに接触しません。

または

1つの長いヒートシンクを使用して、すべてのトランジスタを取り付けることができます。次に、
各トランジスタのセンタータブがヒートシンクに触れないように熱的および電気的に絶縁します。

それらが短絡するのを避けるために。これは、Mica IsolationKitを使用して実行できます。

4.次はFirstStageTransformerです。

A.ここでは、マルチタッププライマリから2線式セカンダリトランスを採用しています。次に、一次電圧を準備するためにタップあたりのボルトを見つけます。

- -ステップ1 - -

24Vの入力DC電圧を考慮します。これを1.4142で割ると、16.97V〜であるACRMS相当が見つかります。
上記のRMS値を四捨五入すると、17V〜になります。

- -ステップ2 - -

次に、RMS 17V〜を5で除算すると（5つのタップ電圧が必要なため）、RMS 3.4V〜が得られます。
最終的なRMS値に3.5V〜を掛け、それに5を掛けると、丸い数字として17.5V〜が得られます。
最終的に、RMS 3.5V〜であるタップあたりのボルトを見つけました

B.二次電圧をRMS12V〜に維持することにしました。つまり、0〜12Vは、12V〜でより高いアンペア数の出力を得ることができるためです。

C.したがって、変圧器の定格は次のようになります。
マルチタッププライマリ：17.5 --- 14 --- 10.5 --- 7 --- 3.5 --- 0 --- 3.5 --- 7 --- 10.5 --- 14 --- 17.5V @ 600W / 1000VA
二次：0 --- 12V @ 600W / 1000VA。
この変圧器は地元の変圧器販売店に巻かれました。

5.メインLC回路に従います。

フィルタデバイスとして知られているLC回路は、電力変換回路で堅牢なアプリケーションを持っています。
インバーターアプリケーションで使用される場合、一般的に鋭いピークを分解するために必要です

生成された波形を分析し、より滑らかな波形に変換するのに役立ちます。

ここで、上記のトランスの2次セクションが0〜12Vである場合、マルチレベルが期待されます。
出力での正方形のカスケード波形。したがって、5ステージLC回路を使用して、SINEWAVEと同等の波形を取得します。

LC回路のデータは次のとおりです。

A）すべてのインダクタは、500uH（マイクロヘンリー）50A定格のIRON CORE EILAMINATEDである必要があります。
B）すべてのコンデンサは1uF 250VNONPOLARタイプである必要があります。

1段または2段だけでなく5段のLC回路に重点を置いているため、高調波歪みが少なく、出力でよりクリーンな波形を得ることができます。

6.次に、2番目と最後のステージのトランスフォーマーが登場します。

このトランスは、LCネットワークからの出力、つまりRMS 12V〜を230V〜に変換する役割を果たします。
この変圧器の定格は次のとおりです。
プライマリ：0 --- 12V @ 600W / 1000VA
二次：230V @ 600W / 1000VA。

ここでは、最初に各処理済み出力のすべてのステージをすでにフィルタリングしているため、追加のフィルタリングのために最終的な230V出力で追加のLCネットワークは必要ありません。
これで、出力はSINEWAVEになります。

良いことは、このインバーターの最終出力にノイズがまったくないことです。
洗練されたガジェットを操作できます。

しかし、インバーターを操作する人が心に留めておくべきことの1つは、インバーターに過負荷をかけないことと、操作する洗練されたガジェットの電力負荷を制限することです。

回路図で行われるいくつかの修正は、以下のように与えられます。

1. IC7812レギュレータには、バイパスコンデンサが接続されている必要があります。それはにマウントする必要があります
動作中に暖かくなるため、ヒートシンク。

2. IC555タイマーは、信号がダイオードに転送される前に、直列抵抗に従う必要があります。
抵抗の値は100Eである必要があります。抵抗が接続されていないとICが高温になります。

結論として、3つのフィルターステージが提案されています。

1.ピン3でIC555によって生成された信号は、グランドにフィルタリングされてから、抵抗に渡されます。
そしてダイオードに。

2.実行信号がIC4017の関連するピンを出るときに、前にフェライトビーズを接続しました
信号を抵抗器に渡します。
3.最終フィルターステージは両方の変圧器の間に採用されています

トランス巻線の計算方法

今日はあなたと何かを共有したいと思います。

鉄心の巻き方については、パラメータや計算がたくさん入っているので、巻き戻しの仕様については何も知りませんでした。

それで、上記の記事のために、私はtrafoワインダーの人に基本的な仕様を与えました、そして彼はちょうど私に尋ねました：

a）必要に応じて、入力および出力電圧タッピング、
b）入力および出力電流、
c）総電力、
d）変圧器にボルトで固定する外部クランプ固定具が必要ですか？
e）変圧器220V側の内部にヒューズを接続しますか？
f）ワイヤーを変圧器に接続しますか、それとも単にヒートシンク材料を追加してエナメル線を外側に保ちますか？
g）外部ワイヤを接続してコアを接地しますか？
h）IRON COREをニスで保護し、黒色酸化物で塗装しますか？

最後に、彼は、変圧器が準備ができたらオーダーメイドタイプであるための完全な安全性テストを私に保証しました。部品の支払いが提供されるまで完了するまでに5日かかります。
部分的な支払いは、ワインダーの人によって指示された総提案コストの（約）4分の1でした。

上記の質問に対する私の答えは次のとおりです。

注：配線の混乱を避けるために、trafoは1つの目的のために作られていると思います：一次側が高電圧側で二次側が低電圧側であるステップダウントランスフォーマー。

a）0-220V一次入力、2線式。
17.5 --- 14 --- 10.5 --- 7 --- 3.5 --- 0 --- 3.5 --- 7 --- 10.5 --- 14 --- 17.5Vセカンダリマルチタップ出力、11-ワイヤー。

b）一次入力電流：220Vで4.55A出力電流：マルチタップ二次@エンドツーエンド電圧35Vで28.6アンペア…..計算が関係する場合。

私は彼に、220V（最大230）で5アンペア、つまり一次入力と35Vで32アンペア、つまりマルチタップの二次出力が必要だと言いました。

c）最初に彼に1000VAと言いましたが、ボルト倍のアンペア計算と小数の四捨五入に基づいて、電力は1120VA +/- 10％になりました。彼は私に220V側の安全許容値を提供してくれました。

d）はい。金属製のキャビネットに簡単に固定する必要があります。

e）いいえ。誤って吹き飛ばされた場合に簡単にアクセスできるように、外部に配置することを彼に伝えました。

f）マルチタップの二次側が安全のために適切にヒートシンクされているように、エナメル線を外側に保つように彼に言い、一次側で配線を接続するように要求しました。

g）はい。安全上の理由から、コアをアースする必要があります。そのため、外線を取り付けてください。

h）はい。私は彼にコアスタンピングに必要な保護を提供するように依頼しました。

これらは、提案されたオーダーメイドタイプの変圧器に対する私と彼の間の相互作用でした。

更新：

上記の5ステップのカスケード設計では、トランスのDC側で5ステップのチョッピングを実装しましたが、これは少し非効率的です。これは、スイッチングによってトランスからの逆起電力によって大量の電力が失われる可能性があるためです。これには、トランスを非常に大きくする必要があります。

以下に示すように、DC側を50Hzまたは60Hzのフルブリッジインバーターで発振し、トライアックを使用して9ステップのシーケンシャルIC4017出力でセカンダリAC側を切り替えることをお勧めします。このアイデアにより、スパイクとトランジェントが減少し、インバータで5ステップの正弦波形をよりスムーズかつ効率的に実行できるようになります。トライアックは、DC側のトランジスタと比較して、スイッチングに対する脆弱性が低くなります。