ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ Российский патент 2002 года по МПК H02M7/48 G05F1/63 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным вторичным источникам питания в виде сетевого выпрямителя, нагруженного преимущественно на инвертор.

Однофазные вторичные источники питания такого типа широко применяются в электротехнических и электротехнологических установках: электросварочных аппаратах, источниках питания электронной аппаратуры, плазматронах, стабилизаторах повышающего типа и т. п.

Сетевой выпрямитель выполняется обычно в виде диодного или диодно-тиристорного моста с фильтровым конденсатором и нагрузкой на выходе этого моста (см. "Transpoket" - Австрия, каталоги 1994-1996 г. г. ; "ДС200-А1 - Технотрон" - Россия, "Invertec V-130-S" Lincoln - США).

Недостатком таких вторичных источников питания является низкий коэффициент мощности К_м≈(0,35-0,4), обусловленный импульсным характером потребляемого из сети тока.

С целью увеличения коэффициента мощности рядом фирм разработаны устройства активной коррекции ("Micro - Linear" - Россия, "Simens" - Германия, "Motorolla" - США и др. ).

Источник питания с активной коррекцией коэффициента мощности является наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков и принимается в качестве прототипа (см. Прянишников В. А. - "Электроника", 1998 г. , с. 383, рис. 34.4).

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании как аналогов, так и прототипа, является то, что коэффициент мощности (К_м) даже в прототипе не превышает К_м≈0,86, что ниже требуемого стандартами значения коэффициента мощности для установок мощностью выше 300 Вт: по стандартам Международной Электротехнической комиссии (МЭК) коэффициент мощности должен быть К_м≥(0,92-0,95).

Схема прототипа (фиг. 1) содержит в силовой части диодный мост с диодами 1, 2, 3, 4, подключенный диагональю переменного тока к питающей сети, плюсовым выводом через последовательно соединенные индуктивность 5 и отсекающий диод 6, включенный в проводящем направлении, подключенный к плюсовому выводу нагрузки 7, шунтированной фильтровым конденсатором 8. Между общей точкой индуктивности 5 и отсекающего диода 6 и минусовым выводом нагрузки 7 включен в проводящем направлении транзисторный ключ 9.

Система управления содержит датчик 10 выпрямленного напряжения сети, включенный параллельно выходу диодного моста с диодами 1, 2, 3, 4, датчик 11 напряжения нагрузки, включенный параллельно нагрузке 7, датчик тока 12, включенный в цепь выпрямленного сетевого тока между минусовыми выводами диодного моста с диодами 1, 2, 3, 4 и нагрузки 7, компаратор 13, прямой вход которого соединен с выходом датчика 11 напряжения нагрузки, а инверсный вход подключен к источнику эталонного напряжения U_э. Выход компаратора 13 соединен с одним из входов умножителя 14, второй вход которого связан с выходом датчика 10 выпрямленного напряжения сети, а выход подключен к блоку 15 управления транзисторным ключом 9. Второй вход блока 15 соединен с выходом датчика тока 12, а выход подключен к управляющему входу транзисторного ключа 9. Сам блок 15 управления транзисторным ключом 9 выполнен в виде сумматора.

Как упомянуто выше, достоинством прототипа по сравнению с аналогами является значительно более высокий коэффициент мощности (К_м≈0,86), однако такая величина К_м существенно ниже величины, требуемой стандартами МЭК.

Технический результат - повышение коэффициента мощности вторичного источника питания.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем в силовой части диодный мост, подключенный диагональю переменного тока к сети, плюсовым выводом через индуктивность и отсекающий диод, включенный в проводящем направлении, к плюсовому выводу нагрузки, шунтированной фильтровым конденсатором, а минусовым выводом через датчик тока, подключенный к минусовому выводу нагрузки, транзисторный ключ, включенный в проводящем направлении между общей точкой упомянутых индуктивности и отсекающего диода и общей точкой минусового вывода нагрузки и датчика тока, а также содержащем систему управления в составе датчика выпрямленного напряжения сети, подключенного к выводам диагонали постоянного тока диодного моста, датчика напряжения нагрузки, включенного параллельно нагрузке, датчика тока, компаратора, прямой вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, а инверсный вход подключен к источнику эталонного напряжения, выход компаратора объединен с одним из двух входов умножителя, второй вход которого связан с выходом датчика выпрямленного напряжения сети, а выходы умножителя и датчика тока подключены к соответствующим входам блока управления транзисторным ключом, упомянутый блок управления транзисторным ключом выполнен в виде логической схемы в составе двух полупроводниковых реле и логического элемента И, причем прямой вход первого полупроводникового реле связан с выходом умножителя непосредственно, прямой вход второго полупроводникового реле подключен к выходу умножителя через делитель напряжения, инверсные входы обоих полупроводниковых реле объединены с выходом упомянутого датчика тока, а выходы этих реле подключены к входам логического элемента И, соединенного выходом с управляющим входом упомянутого транзисторного ключа и по петле обратной связи с выходом второго полупроводникового реле.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:
- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;
- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;
- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее);
- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;
- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;
- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи, либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фиг. 2, на которой представлена схема вторичного источника питания, и фиг. 3, на которой изображены диаграммы сигналов на прямых и инверсных входах полупроводниковых реле. Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство (фиг. 2) содержит в силовой части диодный мост с диодами 1, 2, 3, 4, диагональ переменного тока которого подключена к сети, а плюсовый вывод диагонали постоянного тока подключен через последовательно соединенные индуктивность 5 и отсекающий диод 6, включенный в проводящем направлении к плюсовому выводу нагрузки 7, шунтированной фильтровым конденсатором 8. Между общей точкой индуктивности 5 и отсекающего диода 6 и минусовым выводом нагрузки 7 включен в проводящем направлении транзисторный ключ 9.

Система управления содержит датчик 10 выпрямленного напряжения сети, подключенный к диагонали постоянного тока диодного моста с диодами 1, 2, 3, 4, датчик 11 напряжения нагрузки, включенный параллельно нагрузке 7, датчик тока 12, включенный в цепь выпрямленного сетевого тока между минусовыми выводами диодного моста с диодами 1, 2, 3, 4 и нагрузки 7.

Система управления содержит также компаратор 13, прямой вход которого соединен с выходом датчика 11 напряжения нагрузки, а инверсный вход подключен к источнику эталонного напряжения U_э. Выход компаратора 13 соединен с одним из входов умножителя 14, второй вход которого связан с выходом датчика 10 выпрямленного напряжения сети, а выход подключен к прямому входу первого полупроводникового реле 15 и через делитель напряжения 16 к прямому входу второго полупроводникового реле 17. Инверсные входы обоих полупроводниковых реле 15 и 17 соединены с выходом датчика тока 12, а их выходы подключены к входам логического элемента И. Полупроводниковые реле 15 и 17 в совокупности с логическим элементом И 18 образуют блок управления транзисторным ключом 9. Выход логического элемента И 18 связан с управляющим входом транзисторного ключа 9 и по петле обратной связи с выходом второго полупроводникового реле 17.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении устройства в сеть, когда напряжение на нагрузке еще равно нулю и сигнал ошибки на выходе компаратора 13, соответственно, максимален, сигнал напряжения с датчика 10 выпрямленного напряжения сети, умноженный на сигнал рассогласования с выхода компаратора 13, проходит на прямой вход первого полупроводникового реле 15 и через делитель напряжения 16 на прямой вход второго полупроводникового реле 17. Сигнал тока, вычитающийся из сигналов напряжения, в нулевой момент времени равен нулю, поэтому оба полупроводниковых реле 15 и 17 включаются и на обоих входах логического элемента И 18 появляются логические единицы. Соответственно, появляется логическая единица на выходе элемента И 18. Включается транзисторный ключ 9. Одновременно по петле обратной связи самоблокируется логический элемент И 18, а ток через транзисторный ключ 9 начинает линейно нарастать. Когда сигнал с датчика тока 12 сравняется по величине с сигналом с выхода умножителя 14, их алгебраическая сумма станет равной нулю, логическая единица с выхода первого полупроводникового реле 15 исчезнет и, соответственно, исчезнет сигнал на управляющем входе транзисторного ключа 9. Транзисторный ключ 9 запрется и ток из сети будет поступать в фильтровой конденсатор 8 и нагрузку 7. При этом запасенная в индуктивности 5 электромагнитная энергия разряжается в нагрузку 7 и фильтровой конденсатор 8, а ток практически линейно убывает.

Снова восстанавливается логическая единица на выходе первого полупроводникового реле 15, но логический элемент И 18 остается выключенным до тех пор, пока сигнал с датчика тока 12 станет меньше сигнала с делителя напряжения 16. После этого вновь включается второе полупроводниковое реле 17 и появляется вторая логическая единица на входе логического элемента И 18.

При наличии логических единиц на обоих входах логический элемент И 18 включает транзисторный ключ 9 и самоблокируется по петле обратной связи. Далее процесс повторяется, в результате чего ток имеет пилообразную форму, а максимумы и минимумы его "зубцов" оказываются заключенными между двумя синусоидами: "верхней" U₁ (см. диаграммы на фиг. 3) и "нижней" U₂, амплитуда которой уменьшена делителем 16 (фиг. 2).

Частота коммутаций транзисторного ключа 9 и, соответственно, частота "зубцов" тока на 2-4 порядка выше частоты сети, что позволяет определить с пренебрежимо малой погрешностью действующее значение тока и коэффициент мощности интегрированием тока на интервале одного "зубца":

где 0≤К<2 - угловой коэффициент тока сети i на интервале нарастания (или спада); 1>b≥0 - минимальное значение тока i в моменты "замыкания" транзисторного ключа 9.

На фиг. 3 для иллюстрации принято b= 0,5. При этом относительное амплитудное значение тока (по отношению к его усредненной величине) I_max= 2-b. При b= 0 I*= 1,16, что при коэффициенте сдвига cosϕ₁ = 1 (угол ϕ₁ как в прототипе, так и в предложенном устройстве практически равен нулю) дает коэффициент мощности К_м= 0,86, т. е. схема по энергетическим характеристикам становится эквивалентной прототипу. При делении, например, на 2, т. е. при b= 0,5 коэффициент мощности К_м= 0,96, что с запасом удовлетворяет требованиям стандартов. При b-->1 К_м-->1, однако увеличение b ограничено чувствительностью системы управления и предельной частотой коммутаций. Реальные значения b= (0,5-0,6), что соответствует коэффициенту деления (2-1,6) делителя напряжения 16, с запасом обеспечивают выполнение поставленной задачи.

Имеющийся в предложенном устройстве узел стабилизации напряжения на нагрузке основан на сравнении на входе компаратора 13 (фиг. 2) заданного, т. е. эталонного напряжения U_э с фактическим напряжением нагрузки, выполнен по принципу отрицательной обратной связи, является типовым, идентичен схеме прототипа и не требует пояснений.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение относится к электротехнике, а именно к вторичным источникам питания, применяемым в различных электротехнических и электротехнологических установках. Технический результат - повышение коэффициента мощности однофазного вторичного источника питания. Вторичный источник питания содержит в силовой части диодный мост, подключенный диагональю переменного тока к сети. К одному выводу моста через последовательно соединенные индуктивность и отсекающий диод подключен один вывод нагрузки, шунтированной фильтровым конденсатором. Другой вывод нагрузки через датчик тока подключен к второму выводу моста. Между общей точкой индуктивности и отсекающего диода и общей точкой нагрузки и датчика тока включен в проводящем направлении транзисторный ключ, снабженный соответствующим входом блока управления транзисторным ключом. Этот блок выполнен в виде логической схемы в составе двух полупроводниковых реле и логического элемента И. 3 ил.

Вторичный источник питания, содержащий в силовой части диодный мост, подключенный диагональю переменного тока к сети, плюсовым выводом через индуктивность и отсекающий диод, включенный в проводящем направлении, к плюсовому выводу нагрузки, шунтированной фильтровым конденсатором, а минусовым выводом через датчик тока подключенный к минусовому выводу нагрузки, транзисторный ключ, включенный в проводящем направлении между общей точкой индуктивности и отсекающего диода и общей точкой минусового вывода нагрузки и датчика тока, а также содержащий систему управления в составе датчика выпрямленного напряжения сети, подключенного к выводам диагонали постоянного тока диодного моста, датчика напряжения нагрузки, включенного параллельно нагрузке, датчика тока, компаратора, прямой вход которого соединен с выходом датчика напряжения нагрузки, а инверсный вход подключен к источнику эталонного напряжения, выход компаратора объединен с одним из двух входов умножителя, второй вход которого связан с выходом датчика выпрямленного напряжения сети, а выходы умножителя и датчика тока подключены к соответствующим входам блока управления транзисторным ключом, отличающийся тем, что блок управления транзисторным ключом выполнен в виде логической схемы в составе двух полупроводниковых реле и логического элемента И, причем прямой вход первого полупроводникового реле связан с выходом умножителя непосредственно, прямой вход второго полупроводникового реле подключен к выходу умножителя через делитель напряжения, инверсные входы обоих полупроводниковых реле объединены с выходом упомянутого датчика тока, а выходы этих реле подключены к входам логического элемента И, соединенного выходом с управляющим входом упомянутого транзисторного ключа и, по петле обратной связи, - с выходом второго полупроводникового реле.