Адаптивный 24В DC/220В AC инвертор чистой синусоиды

Инверторы используются в случаях когда невозможно получить напряжение переменного тока (AC) из сети. Инверторы предназначены для преобразования напряжения постоянного тока (DC) в напряжение переменного тока (AC) и разделяются на два типа: чистые синусоидальные инверторы (Pure Sine Wave Inverters) и модифицированные прямоугольные инверторы (Modified Square Wave Inverters). Чистые синусоидальные инверторы достаточно дорого стоят, а модифицированные прямоугольные инверторы стоят существенно дешевле.

В этой статье мы рассмотрим создание чистого синусоидального инвертора (pure sine wave inverter) на основе платы Arduino.

Если вы решили повторить создание рассмотренной в данной статье схемы, то учтите, что она не имеет ни защиты от превышения тока, ни защиты от короткого замыкания, ни защиты от перегрева. Схема данного проекта представлена в образовательных целях и не рекомендуется для промышленного использования. Тем не менее, вы по своему желанию можете добавить в этот проект названные схемы защиты – подробной информации о них достаточно много в сети.

Предупреждение: при работе с представленной в этом проекте схемой будьте предельно внимательны, поскольку в ней используются высокие напряжения и импульсы напряжения, формируемые за счет переключения сигнала на входе схемы.

Что такое синусоидальная ШИМ (SPWM)

SPWM расшифровывается как Sinusoidal Pulse Width Modulation и переводится как синусоидальная ШИМ (широтно-импульсная модуляция). Ранее мы ее уже рассматривали в генераторе синусоидальных и прямоугольных импульсов на Arduino.

Как мы знаем, в ШИМ мы можем изменять ее скважность (коэффициент занятости, duty cycle), то есть соотношение периодов активности (on-time) и неактивности (off-time). Таким образом, изменяя скважность ШИМ, мы изменяем среднее напряжение импульса. Это наглядно показано на следующей картинке.

Как видно из представленной картинки, при скважности (коэффициенте заполнения) 100% мы получаем среднее выходное напряжение 5V, при скважности 50% получаем среднее выходное напряжение 2.5V, а при скважности 25% — еще в 2 раза меньше.

Синусоидальное напряжение представляет собой аналоговое напряжение, которое изменяет свою амплитуду с течением времени, поэтому мы можем воспроизвести «поведение» синусоидальной волны при помощи непрерывного изменения скважности ШИМ волны (сигнала), что показано на следующем рисунке.

Если вы посмотрите на схемы, представленные ниже в данной статье, вы увидите, что на выход трансформатора подключается конденсатор – он как раз и ответственен за сглаживание подобного сигнала переменного тока.

Используемый входной сигнал будет заряжать и разряжать конденсатор в соответствии с входным сигналом и нагрузкой. Мы будем использовать SPWM сигнал (синусоидальный ШИМ сигнал) высокой частоты, он будет иметь сначала очень маленькую скважность 1%, этот 1% будет заряжать конденсатор совсем чуть-чуть, сигнал со скважностью 5% будет заряжать конденсатор немного больше, скважность 10% будет заряжать конденсатор еще больше и постепенно мы достигнем скважности 100%, а после этого мы будем уменьшать скважность до 1%. С помощью этого процесса будет сформирована очень гладкая кривая, очень похожая на синусоидальную волну. Таким образом, обеспечивая правильные значения скважности на входе, мы получим хорошую синусоидальную волну на выходе.

Где купить

Инвертор — это прибор, который не относится к товарам повседневного спроса, поэтому его нельзя приобрести в простом магазине или супермаркете. Реализацией подобных изделий занимаются специализированные организации и торговые сети, ориентированные на альтернативные виды энергии, используемые для автономного электроснабжения объектов различных типов.

Если у потребителя уже установлена солнечная электростанция или ветровой генератор, то лучше всего приобрести модель того производителя, оборудование которого уже используется. Для этого необходимо найти дилера этой компании и заключить с ним договор поставки.

Если создается новая система автономного электроснабжения и пользователь самостоятельно выполняет ее комплектацию, то можно пойти несколькими путями, это:

1. Опять же найти дилера компании, производящей подобные устройства и приобрести товар у него.
2. Обратиться в торговую компанию, реализующую приборы из этой группы товаров.
3. Поискать необходимое устройство в сети интернет, где представлен достаточно широкий ассортимент подобных устройств.

Как работает инвертор на основе SPWM сигнала

Схема подобного инвертора показана на следующем рисунке.

Как вы видите, мы использовали в схеме два MOSFET транзистора N-типа и полумост для управления трансформатором. Для уменьшения нежелательных шумов и защиты MOSFET транзисторов мы использовали два диода 1N5819, включенных параллельно MOSFET транзисторам. Для уменьшения возможных нежелательных импульсов, формируемых в секции управления, мы использовали резисторы сопротивлением 4.7 Ом, включенных параллельно диодам 1N4148. И, наконец, транзисторы BD139 и BD 140 включены по двухтактной схеме для управления затворами MOSFET транзисторов потому что MOSFET транзисторы имеют очень большое емкостное сопротивление затвора и требуют как минимум напряжения 10V на своем затворе чтобы работать корректно.

Для лучшего понимания принципов работы представленной схемы на следующем рисунке мы привели ее половину. Рассмотрим случай когда MOSFET транзистор в ней открыт – в этой ситуации ток протекает сначала через трансформатор и затем через MOSFET транзистор замыкается на землю, таким образом, магнитный поток возникает в том же самом направлении, в котором течет ток, поэтому сердечник трансформатора передает этот магнитный поток на вторую обмотку и, таким образом, на выходе мы получаем положительную половину цикла синусоидального сигнала.

В следующем цикле ток течет уже в обратном направлении и, следовательно, магнитный поток возникает в этом же самом направлении, поэтому направление магнитного потока в сердечнике трансформатора также изменяется (по сравнению с предыдущим рассмотренным случаем).

То есть теперь мы знаем, что направление магнитного потока в трансформаторе изменяется. Таким образом, включая и выключая оба MOSFET транзистора (они инвертированы по отношению друг к другу) и осуществляя эти переключения 50 раз в секунду, мы будем формировать изменяющееся магнитное поле в сердечнике трансформатора, следовательно, будет изменяться направление тока во вторичной обмотке трансформатора в соответствии с законом Фараде. В этом и заключается основной принцип работы инвертора.

Теперь на следующем рисунке рассмотрим полную схему чистого синусоидального инвертора на основе платы Arduino.

Как вы видите из представленной схемы, переключение циклов работы выше представленной схемы инвертора будет осуществляться с помощью двух цифровых контактов платы Arduino.

Конструкция проекта

В демонстрационных целях мы собрали схему нашего инвертора на стрипборде (Veroboard). На выходе трансформатора схемы будет протекать огромный ток, поэтому в этом месте коннекторы (соединители) необходимо использовать как можно толще.

Преобразователи и их типы

Есть три типа преобразователей 12-220 В. Первый — из 12 В получают 220 В. Такие инверторы популярный у автомобилистов: через них можно подключать стандартные устройства — телевизоры, пылесосы и т.д. Обратное преобразование — из 220 В в 12 — требуется нечасто, обычно в помещениях с тяжелыми условиями эксплуатации (повышенная влажность) для обеспечения электробезопасности. Например, в парилках, бассейнах или ванных. Чтобы не рисковать, стандартное напряжение в 220 В понижают до 12, используя соответствующее оборудование.

Преобразователи напряжения есть в достаточном количестве в магазинах

Третий вариант — это, скорее, стабилизатор на базе двух преобразователей. Сначала стандартные 220 В преобразуются в 12 В, затем обратно в 220 В. Такое двойное преобразование позволяет иметь на выходе идеальную синусоиду. Такие устройства необходимы для нормальной работы большинства бытовой техники с электронным управлением. Во всяком случае, при установке газового котла настоятельно советуют запитать его именно через такой преобразователь — его электроника очень чувствительная к качеству питания, а замена платы управления стоит примерно как половина котла.

Необходимые компоненты

Полный список компонентов, необходимых для сборки нашего инвертора, представлен в следующей таблице.

Внешний вид этих компонентов показан на следующем рисунке.

Тестирование работы инвертора

Для тестирования работы инвертора мы использовали:

1. Свинцово-кислотная батарея с напряжением 12V.
2. Трансформатор с отводами 6-0-6 и 12-0-12.
3. Электрическую лампу на 40 Вт в качестве нагрузки.
4. Мультиметр Meco 108B+TRMS.
5. Мультиметр Meco 450B+TRMS.

Выходной сигнал с платы Arduino

После загрузки кода в плату Arduino мы измерили SPWM сигнал на двух ее контактах и получили следующую картину:

Если мы увеличим это изображение, то мы увидим каждый изменяющийся полуцикл ШИМ волны.

На следующем рисунке показан сигнал на выходе трансформатора.

Инвертор в идеальном состоянии

Как вы видите на рисунке, в идеальном состоянии схема инвертора потребляет примерно 13 Вт электроэнергии.

Выходное напряжение без нагрузки

Как вы видите, без подсоединённой нагрузки напряжение на выходе инвертора составляет примерно 245 В.

Потребление энергии на входе инвертора

На представленном рисунке вы можете увидеть входную потребляемую мощность при подключенной нагрузке 40 Вт.

Потребление энергии на выходе инвертора

На представленном рисунке вы можете увидеть выходную потребляемую мощность при подключенной нагрузке 40 Вт.

Более подробно все эти процессы вы можете посмотреть на видео, приведенном в конце статьи.