Инвертор 12/~220В 500 Вт с модифицированной синусоидой

Журнал Радиоконструктор, март 2015

Снегирев И.

Инвертор предназначен для организации резервного питания от автомобильной бортовой сети или альтернативного источника постоянного тока вроде солнечной батареи (при условии наличия промежуточного аккумулятора и зарядно-питающего устройства, обеспечивающего стабильное напряжение зарядки данного аккумулятора).

Основными отличиями данной схемы инвертора от многих вариантов, предложенных в различных радиолюбительских изданиях являются:

  1. Использование готового низкочастотного силового трансформатора с одной низковольтной обмоткой и без отводов от её середины. Что наиболее выгодно с точки зрения выбора готового трансформатора.
  2. Ступенчатое импульсное напряжение, поступающее на низковольтную обмотку трансформатора создает на высоковольтной обмотке напряжение наиболее близкое по форме к синусоиде.
Инвертор 12/~220В 500 Вт с модифицированной синусоидой
Рисунок 1.

Принципиальная схема показана на Рисунке 1. На Рисунке 2 приводится график формирования выходного напряжения. На низковольтную обмотку трансформатора поступает ступенчатое напряжение, форма которого видна на Рисунке 2. Это напряжение возбуждает обмотку трансформатора и на индуктивности его высоковольтной обмотки происходит интеграция данного ступенчатого напряжения, в напряжение по форме наиболее близкое к синусоидальному.

Инвертор 12/~220В 500 Вт с модифицированной синусоидой
Рисунок 2.

Для того чтобы в инверторе можно было использовать трансформатор с одной низковольтной обмоткой, его выходной каскад выполнен по мостовой двухтактной схеме. Это позволяет отказаться от отвода в низковольтной обмотке, но ведет к двухкратному увеличению числа выходных транзисторов.

Выходной каскад состоит из двух двухтакных выходных каскадов на разноструктурных мощных ключевых полевых транзисторах с низким сопротивлением открытого канала. Для увеличения мощности каждое плечо составлено из двух полевых транзисторах, включенных параллельно. Можно еще более увеличить мощность, используя большее число включенных параллельно полевых транзисторов.

Мощные ключевые МДП-транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала, статически, обладают бесконечным сопротивлением затвора, поскольку затвор у них изолированный, но динамически играет большую роль емкость затвора, на зарядку которой в процессе переключения транзистора может возникать существенный импульс тока, способный повредить выходы логических микросхем, при непосредственном управлении. Поэтому для управления полевыми транзисторами используются промежутоные ключи на биполярных транзисторах VT1-VT3 и VT12-VT14.

Транзистор VT1 управляет транзисторами VT4 и VT5. Это Р-канальные полевые транзисторы, поэтому для их открывания требуется подача на затвор напряжения, отрицательного относительно истока. Между затвором и истоком включен резистор R3, уменьшающий сопротивление цепи затвора и обеспечивающий разрядку емкости затвора. Транзистор VT1 при открывании подает на затвор отрицательное напряжение (относительно плюса питания). Так образом, при подаче напряжения высокого логического уровня через R2 на базу транзистора VT1 происходит открывание транзисторов VT4 и VT5.

Транзисторы VT6 и VT7 - N-канальные, поэтому для их открывания требуется подача на затвор положительного, относительно общего минуса, напряжения. При этом, открывать их надо так же, - логической единицей. По этому на транзисторах VT2 и VT3 сделан каскад, управляющий транзисторами VT6 и VT7, но не инвертирующий сигнал управления. Так образом, при подаче напряжения высокого логического уровня через R4 на базу транзистора VT2 происходит открывание транзисторов VT6 и VT7.

Аналогичным образом происходит управление и полевыми транзисторами VT8-VT11 второго плеча мостового выходного каскада. Транзистор VT12 при открывании подает на затворы VT8 и VT9 отрицательное напряжение (относительно плюса питания). Так образом, при подаче напряжения высокого логического уровня через R7 на базу транзистора VT12 происходит открывание транзисторов VT8 и VT9.

На транзисторах VT13 и VT14 сделан каскад, управляющий транзисторами VT10 и VT11, но не инвертирующий сигнал управления. Таким образом, при подаче напряжения высокого логического уровня через R9 на базу транзистора VT14 происходит открывание транзисторов VT10 и VT11.

Генератор управляющих импульсов выполнен на цифровых микросхемах D1 и D2. Элементы D1.1 и D1.2 микросхемы D1 образуют мультивибратор, генерирующий импульсы частотой 200 Гц (частота в четыре раза выше частоты выходного переменного напряжения, снимаемого с высоковольтной вторичной обмотки трансформатора Т1). Частота устанавливается с помощью конденсатора С1 и резистора R1.

Импульсы 200 Гц с выхода D1.2 поступают на счетный вход счетчика D2 на микросхеме C4017. Это десятичный счетчик, состояния выходов которого изменяются последовательно согласно числу входных импульсов. Счет счетчика ограничен соединением выводов 15 и 10. При поступлении на его вход 4-го импульса единица с вывода 10 поступает на вывод 15 и сбрасывает счетчик в нулевое положение.

И так, с приходом первого (после сброса) импульса на вход счетчика D2, на его выходе «1» (вывод 2) появляется логическая единица. Она поступает на базы транзисторов VT1 и VT14. В результате открываются транзисторы VT4-VT5 и VT10-VT11. Левый, по схеме, конец низковольтной обмотки трансформатора Т1 соединяется с плюсом питающего напряжения, а правый (по схеме) - с минусом.

Затем на вход D2 приходит второй импульс и на его выходе «2» устанавливается единица. При этом на всех остальных выходах - ноль. Соответственно все транзисторы закрыты, на обмотке трансформатора нуль напряжения.

С приходом третьего импульса появляется логическая единица на выводе 7 D2. Это приводит к открыванию транзисторов VT6-VT9. Теперь правый (по схеме) конец низковольтной обмотки трансформатора Т1 подключен к плюсу питания, а левый (по схеме) к минусу.

С четвертым импульсом счетчик возвращается в нулевое положение и все транзисторы закрыты. На обмотке трансформатора нуль напряжения.

Далее, все повторяется.

Фактическая выходная мощность, конечно же, в основном зависит от мощности используемого трансформатора. Это должен быть силовой трансформатор на 50 Гц, причем его низковольтная обмотка на 12 В (или 24 В) должна быть основной, той самой на которой и выдается вся выходная мощность трансформатора.

Фактически, при указанных на схеме транзисторах мощность может быть до 700 Вт. Полевые транзисторы должны быть на радиаторах, обеспечивающих эффективный теплоотвод.

Мощность можно существенно увеличить, пропорционально увеличив количество параллельно включенных полевых транзисторов. Здесь, практически нет ограничений, разумеется и трансформатор потребуется соответствующий.

Если мощность не планируется более 200 Вт можно выходной каскад сделать на одиночных транзисторах.

Если синусоидальность выходного напряжения не имеет существенного значения можно сделать инвертор по упрощенной схеме. На Рисунке 3 показана схема инвертора мощностью 150 Вт с выходным напряжением, по форме менее похожим на синусоиду. Тем не менее, такой инвертор можно использовать для питания многих электроприборов и даже электронных приборов с импульсными источниками питания.

Инвертор 12/~220В 500 Вт с модифицированной синусоидой
Рисунок 3.

Упрощение коснулось формирователя импульсов, - теперь это обычный мультивибратор, генерирующий противофазные импульсы частотой 50 Гц на выходах D1.3 и D1.4. На одном такте единица на выходе D1.3 и ноль на выходе D1.4. Соответственно, открываются транзисторы VT3 и VT7. На другом такте единица на выходе D1.4 и ноль на выходе D1.3. Открываются транзисторы VT5 и VT8.

Проще стал и выходной каскад, - теперь меньше биполярных транзисторов. Полевых то же меньше, но при желании повысить мощность их можно включить параллельно по два или три.

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • Да в том то и дело, что для того чтобы собрать батарею на большее напряжение необходимо иметь цепочку из одинаковых элементов, и чем напряжение выше тем элементов больше, а следовательно собрать батарею из чего попало труднее. То есть конечно, если ты собрался все покупать... Но в том то и дело что базовая сеть 12V позволяет использовать все что снято с любого трактора или автомобиля. Причем все это монтируется в параллель, а следовательно неодинаковость параметров элементов ни какого значения не имеют. Можно будет легко и просто добавлять в систему новые элементы. Да,но при этом потребуются мощные шbны в цепи 12V... да не проблема! А далее поднять напряжение. Если не пытаться сразу же делать переменку то и инверторы тоже можно ставить в параллель и делать 400V постоянку, а уже потом резать на переменку и желательно стандартные 3 фазы. Как видите для таежного села это самое то что нужно, позволяет не вкладываться стразу большими деньгами, а лепить систему постепенно, из того что под руки попадет.
  • Уважаемый [b]igor0261[/b], ну что такое Вы пишите? Расчёт нужно вести исходя из мощности потребления. А частоту преобразования можно сделать хоть 100 кГц. Получите Вы свои 400 В, а дальше что? Всё равно от аккумуляторов 12 вольтовых придётся снимать Р=5000Вт/ КПД. Далее, синхронизировать несколько параллельно работающих инверторов задача очень не простая! Даже если Вы корифей электроники и сможете решить эту задачу находясь в тайге и используя детали от списанного трактора-трелёвщика, то с аккумуляторами будет просто беда! Вы хотите их заряжать от ветряка или от солнечных батарей? Святая простота! Даже не пытайтесь это делать. Потеряете время и все деньги, а самого Вас поместят в ту самую фарш-машину. Может быть поступить, как Хаджа Насреддин? Пустить по кругу ишака, а перед носом ему повесить морковку на удочке. Пусть он вращает Вашу фарш-машину!(или динамо-машину). :) С уважением...
  • Целиком согласен с САТИР. Похоже igor0261 не совсем понимает процессы при "наращивании" мощности.
  • Хочу ответить сразу на 2 вопроса. Аборигенов Вы можете оставить себе, если взвесить ферритовый транс на 5 кВт, это не более 0,5 кг. Для сравнения ТВС 110, 90 - это уже более киловата, под 2_ку, а на 5 кВт всего 2-3 кольца 100 на 160 на 15. Другой вопрос, что подобных схем не так уж много и пишут правильно - или увеличить напругу по первичке до 48 вольт или ставить кучу в паралель, обычно так промышленники и делают. А за тайгу беспокоится не нужно, там так же дятлов хватает, использование деревьев различное, хоть для зарядки, хоть в топку.
  • Отцы Российской электроники и схемотехники...Ну что Вы трете эту тему? С одной стороны давно уже все придумано)) и применяется промышленно)) с другой стороны- "влезть на елку и зад не оцарапать" все равно не получиться- такую систему энергоснабжения "бесплатно" не построишь...Она все равно потребует денежных вложений и немало...А если собирать ее из гуамна.. то извините получите гуамно умноженное на кол-во каскадов, ступеней преобразования, АКБ и т.д. извините если что не так..
  • Не знаю что вы там рассчитывать собрались, тем более что потребление штука не постоянная. Все очень очень просто. Единая сеть на 12V, в неё заливают свою мощность все источники, ветряные, водяные, солнечные, а временами и дизель генератор... и все на кучи аккумуляторов тоже включенных параллельно. единой сверхмощной шины вовсе не надо, потому что аккумуляторы стоят либо рядом с генераторами, либо рядом с потребителями. Ни какой синхронизации не надо, там где потребление больше там напряжение падает и со всей системы начинает стекаться ток именно туда где не напряжение упало. Инверторы на 400V тоже необходимо по возможности запараллеливать, на том который окажется перегружен на просто упадет напряжение и ток потечет с других инверторов. В системе с постоянным током мощность перераспределяется самым естественным образом, за счет внутреннего сопротивления элементов сети. И наконец там где необходимо включить асинхронный двигатель ставить преобразователь который нарежет 400V постоянки на переменку с нужной фазностью и частотой... без гальванической развязки, без трансформаторов, просто ШИМ. Я полагаю что далеко не везде понадобится поднимать напряжение, потому что уже есть куча всякой бытовой техники которая может работать от 12V. Я конечно понимаю что используя напряжение в разы больше 12V вы сможете серьезно экономить на проводах, но при этом не сможете использовать кучу того железа которое уже есть, оно разработано для автомобилей. Но самое главное что такой стандарт сети позволяет без проблем наращивать мощность по мере возможности просто подключая новые элементы в параллель к уже работающим.
  • Уважаемый [b]igor0261[/b], здравствуйте. Согласен с Вами, действительно, зачем что-то считать. На форуме уже есть один крупный спец, который предлагает "меньше думать, а больше соображать". Может Вам к нему? Выйдет отличный тандем! За сим, позвольте поблагодарить Вас за общение. Надеюсь, в скором времени смогу прочесть о Ваших достижениях в газете или увидеть на телевидении. Желаю Вам успехов!
  • batkan, хорошо, что Вы Отец Российской электроники и схемотехники. Похвально. А для igor0261 - Вы ещё раз посчитайте ток при 12в и 1000 Вт хотя бы - это ж 83А ! Падение напряжения на проводах катастрофическое. Нужно неизбежно поднимать напряжение. Сам с таким столкнулся. А нагрузку разбивать на кластеры - один преобразователь для холодильника (учтите старт компрессора), другой для морозильной камеры и т. д. Освещение конечно же светодиоды. Солнечными панелями вполне реально заряжать аккумуляторы.
  • Спасибо за обстоятельный ответ в ветку, а то меня лично бесит, когда через ответ дятлы по елкам летают. На данную тему есть ряд патентов для обычных 220В 50 Гц, в механике так же, заключаются в мощности используемого трансформатора, ряд которых стоит в системе энергоснабжения, при превышении потребления по мощности, включаются в работу дополнительно 1, 2 и т.д. При параллельном включении инвертеров можно использовать тот же принцип. Что касается токов, думаю правда человек недопонимает, да блоки питания будут с более высоким КПД при питании 12В, а не 220В, не будет таких потерь, но это мизер по отношению к мощности подключенных приборов в 5 кВт. Какая может быть экономия в проводке? 5 кВт 12В или 220В, ток какой? Если упереться в выбор эл. приборов - еще 1 гемор с поиском, исклюзивами и стоимостью на них, проще перекинуть опять на 220В. Выше был ответ - делать 1 инвертором, на сколько перечитывал статьи на эту тему и просматривал форумы - попытки у ребят были плачевными при изготовлении 1 инвертора с мощностью выше 2 кВт - КПД резко падало и из за больших токов применяли 24 или 48В обмотки. Для "сбора" эл. энергии думаю нет необходимости в инверторе совершенно, для конкретного случая необходимо рассматривать свою систему автоматики. В данном случае, я наоборот предложил бы автору ветки рассмотреть вопрос не изменяя дома ничего с проводки, вернуть все к 220В. Экономии практически ни какой нет если использовать те же эл. приборы 12 или 220В, я могу понять, если использовать при выезде на авто, как аварийное освещение или просто на даче, на велосипеде, мотороллере, где можно вернуть генерацию в аккумулятор съезжая с горки и т.д. Что бы далее не расписывать кучу бреда Вы бы расписали необходимую задачу, думаю, тогда бы получили несколько ответов, с которых можно было бы выбрать более удачный для Вас.
  • Вот на счёт 220В для освещения - не соглашусь. У меня 24В там, где драйвера токовые для светодиодов и 12В отдельно -так получилось- заодно питаются модем, радиотелефон и WI-FI точка. Но это лирика. Топикстартеру я советую искать аккумуляторы хоть чуть-чуть похожие по ёмкости и соединять последовательно - потом меньше проблем. Кислотные можно пробовать. На Вашу мощность не менее 24 а то и 48В. А вот про параллельное включение инверторов я бы почитал! Ткните, если можно в ссылочку!
  • Про паралельноге включение инвертеров ссылок не держу, но искал по ссылкам инвертор на 2,5 кВт, их всего в нете примерно 4 проекта и 2-3 ролика с живыми платами. На счет освещения спорить не собираюсь, некоторые от безделия на работе сами светододки собирают в люминисцентных корпусах, учитывая свою потребность в освещении........
  • Я чего то не понимаю, какие такие проблемы с параллельным подключением инверторов если они на выходе дают постоянный ток и имеют гальваническую развязку? Делаем на каждом ограничение по току и напряжению, и лепи хоть сотню в параллель. Таким образом отпадает необходимость делать один мощный инвертор, вместо этого просто увеличиваем количество тех которые есть. И устанавливаются эти преобразователи там где есть генерация мощности соответственно тому сколько вы намерены отдавать в сеть 400V. Локальные сети на 12V, в них используется все то многообразие автомобильного и тракторного оборудования которое уже есть на любом металлоломе, аккумуляторы в параллель все какие есть (А они практически все именно на 12V) 12V маломощная сеть для освещения и всякой мелкой бытовухи. Но требуется и мощная сеть, и она делается на 400V в которую все инверторы качают энергию из всех локалей 12V, А переменка по необходимости из 400V на ШИМ преобразователях без гальванической развязки, без трансформаторов, просто ключи с ШИМ управлением нарезают переменку с теми параметрами которые нужны конкретному мощному электродвигателю. Кстати: большинство электроинструментов вообще снабжены коллекторными моторами, то есть им переменка вовсе и не нужна. Естественно что должны быть и обратные преобразователи 400V -->12V для подпитки локалей не имеющих своих генерирующих мощностей. и наконец где то один на всех может быть мощный дизельгенератор на 400V который работает эпизодически, а энергия от него запасается в локальных сетях с аккумуляторами на 12V. Как видите речь идет о энергоснабжении поселка, где изначально у каждого своя локальная энергосистема, но потом они объединяются через 12V по соседски, через огород, или общая мощная линия на 400V, при этом отказ от переменки делает синхронизацию ненужной, а подключение простым и естественным.
  • Если постоянка, то да, Вы правы. И если это для посёлка, то 12 тоже оно! Замучаешься переделывать всех под 24В, а про 36-48 я молчу. А почему 400В ? 3 фазы ? А как для болгарки? Ей нужно 300В...
  • =igor0261;204301]Я чего то не понимаю, какие такие проблемы с параллельным подключением инверторов если они на выходе дают постоянный ток и имеют гальваническую развязку? Делаем на каждом ограничение по току и напряжению, и лепи хоть сотню в параллель. (стер остальное для места) Проблем при параллельном подключением инверторов нет, но есть другая проблема - входной ток с аккумулятора и при такой мощности - сколько же он протянет, отдавая 5 кВт в сеть без подзарядки, хотя и это не особая проблема, при желании все делается и работает в автоматическом режиме без вмешательств. Другая проблема - сколько будет стоять транзисторов на выходе и как менять сразу ведро транзисторов, спросиш у электронщиков, которые станки ЧПУ обслуживали или сейчас обслуживают. Что касается 12В "по селу" это бред и довольно большой. хочется запитать постоянкой?, да кто не дает, на обычный 3_х фазный транс ставь 6 диодов и запитуй от постоянки и сразу увеличивай сечения проводов везде из расчета постоянки. Вы сударь чет путаете постоянку с импульсным напряжением -это разные вещи и сечения проводов у них разные.
  • Да потому что на ШИМ стабилизаторах можно нарезать какое хочешь напряжение, но только ниже чем на исходной шине. Поэтому за стандарт следует взять 400V, из них можно нарезать и 380Х3Х50, и 220Х2Х50, и под ворованные в армии электроинструменты на 400Гц. В сторону понижения напряжения ни каких проблем. И для болгарки тоже можно сделать релейный ШИМ стабилизатор с КПД 98%, компактный и мощный, потому что трансформатора в нем нет. Стандарт локали 12V диктуется опять таки тем железом которого полным полно, чтобы как можно меньше делать самим, и как можно больше взять из металлолома.
  • Сделать можно все. Вопрос - у Вас какая то религиозная община, что все согласятся на эти условия? Есть магазин - в котором все делается преимущественно на 220 В, на автомобильные устройства - цена как минимум в 2 раза выше, проводка дороже + переделка - зачем данный огород городить? Да 12 В при желании и с 220 В при таком подходе, как у Вас - как 2 пальца об асфальт - ставиш латр и 99% 12В без проблем. Нарезка - и интернет - нарезка шима. 400 гц - преобразователь, как и на обычную сеть 50 Гц, железо? и куда б его "засунуть в постоянке", только 1 место вертится на языке. Если коротко, делайте, как раз в Ваш дом все финтихлюхи поместятся, жить и в сарае можно. Здесь этого ничего нет и то на столе 2 компа, колонки, принтер, батарея, удлиннитель, модем, рядом телевизор, спутниковая приставка, настольная лампа, не считая радиодеталей и паутины проводов, с большими трудностями ноги под стол проходят при такой когмпановке............
  • ....мне даже неудобно подключатся к обсуждению етой бредовой статьи, но мучает каверзний вопросик :. А какого мнение автора?.. кажется снегирев и.?... могбь поделится мнением, позицией, техн разработкой?
  • В тайге, раз уж так сильно хочется из 12 поиметь 220, ещё можно сделать по такой бредовой идее: В любой бензо-дизель-генератор вместо ДВС вставить двигатель на 12-24В, например стартер (втулки заменить на подшипники). На 24В самый раз, они есть по 3000Вт. Обороты подобрать через редуктор. Примудрить стартеру водяное охлаждение. На выход генератора поставить 3-х фазный преобразователь от частотных приводов для асинхронных электродвигателей - проще достать б/у, чем городить самодельный инвертор. В них, кажется, и стабилизация напряжения на выходе есть. А сварку проще от 2-х 12В акб последовательно! Приварить петли на воротах гаража вполне хватит... Ну или стартером крутить асинхронник стыренный...в режиме генарации (ХРпанков в помощь!) Каждый вечер забирайте (за бутылку самогона) заряженные АКБ у тех, у кого есть техника, и отдавайте разряженные. За день как раз они их и зарядят, если заведутся...А блин....в тайге и на севере технику не глушат вообще! Так что, дерзайте!
  • изначально было получено (изобретено? электричество в виде постоянного тока, но когда начали увеличивать мощности потребления (от дома к улице, от улицы к поселку) сечение проводников начало увеличиваться. поэтому пришли к идее увеличивать напряжение и уменьшать ток. и появилась идее в трансформации тока (при этом изобрели трансформатор) в некоторых случаях для замены трансформатора применяли умфомеры. на блок схемах это преобразователь напряжения. сейчас уже забыли как страшный сон, что это такое. и опять же возвращение к вечному двигателю - запасаем 12 в в АКБ - преобразуем в 400 в - режем на 3 фазы в 220- питаем потребителя - а излишки опять на 12 вольт в АКБ (плевать что на каждом этапе кпд меньше 1) соединять в паралель преобразователи - теоретически можно. на практике та гальваническая развязка о которой говорилось выше не отработает. необходима развязка выходных цепей каждого преобразователя друг от друга, а не выходных цепей и входных. ну и по мощности. 5 квт это хорошо, но что это такое? 5 квт по нагрузке в выходной цепи? 5 квт по нагрузке на АКБ? 5 квт по предельной нагрузке по току (сиречь по сечению проводника)? на 12 в, на 220в на 400 в?теория это хорошо, а на практике 2 китайских преобразователя по 300вт в паралель и нагрузку на 500 ватт. одновременно включить секундомер ну и результаты замеров в студию...
  • ...может Автор прокоментирует и ето... [url]http://www.rlocman.ru/shem/schematics.html?di=72800[/url]
Полный вариант обсуждения »