Корректор коэффициента мощности с псевдонепрерывным током индуктивного накопителя Российский патент 2020 года по МПК G05F1/70 

Настоящее изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания с синусоидальной формой потребляемого тока.

Из существующего уровня техники известны корректоры коэффициента мощности (ККМ) на основе повышающего и повышающе-понижающего преобразователей, работающие в режиме псевдонепрерывных (псевдо-РНТ) токов. В псевдо-РНТ индуктивный накопитель работает в трех состояниях: накопление, передача, хранение энергии. Система управления (СУ) ККМ должна обеспечивать стабилизацию выходного напряжения ККМ и формирование с заданной точностью синусоидального входного тока, синфазного с напряжением сети.

Наиболее близким к заявляемому устройству с псевдонепрерывным током индуктивного накопителя является ККМ с выпрямительным мостом на входе и последовательно-параллельным силовым контуром, предложенный в [Zhang F., Xu J., Yang P., Chen Z. Single-phase two-switch PCCM buck-boost PFC converter with fast dynamic response for universal input voltage. 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, Jeju, 2011, pp. 205-209]. Особенностью данного решения является модуляция тока индуктивного накопителя произведением тока нагрузки и выпрямленного напряжения сети. Недостатками прототипа являются необходимость использования в СУ перемножителя и датчика выпрямленного напряжения сети, отсутствие общей точки нагрузки и глухозаземленной нейтрали сети.

Наиболее близким к заявляемому устройству с заземленной нагрузкой является однофазный безмостовой ККМ, предложенный в патенте РФ №2541910.

Техническим результатом в заявляемых ККМ с выпрямительным мостом и безмостовом ККМ, построенным на основе последовательно-параллельного преобразователя, является упрощение системы управления и возможность ее адаптации для управления ККМ с другими видами силовых контуров, работающих в режиме псевдонепрерывных токов.

Технический результат достигается за счет исключения из системы управления ККМ перемножителя и датчика напряжения сети.

Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1-10.

- Фиг. 1. ККМ на основе последовательно-параллельного преобразователя с выпрямительным мостом, обратными связями по выходному напряжению и току с модуляцией тока индуктивного накопителя током нагрузки.

- Фиг. 2 - ККМ с безмостовым силовым контуром и адаптированной СУ для работы в режиме псевдонепрерывных токов.

- Фиг. 3 - Временные диаграммы тока индуктивного накопителя ККМ в различных режимах работы.

- Фиг. 4 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале накопления.

- Фиг. 5 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале передачи.

- Фиг. 6 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале хранения.

- Фиг. 7 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале накопления при положительном полупериоде сетевого напряжения.

- Фиг. 8 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале накопления при отрицательном полупериоде сетевого напряжения.

- Фиг. 9 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале передачи.

- Фиг. 10 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале хранения.

Обозначения на чертежах:

1 - выпрямительный мост,

2, 23 - помехоподавляющие фильтры,

3, 9, 21 - ключевые элементы (полностью управляемые вентили),

4, 11, 20, 22 - диоды,

5 - датчик тока индуктивного накопителя,

6, 10 - компараторы,

7 - индуктивный накопитель,

8 - логический элемент ИЛИ,

12 - конденсатор,

13 - генератор пилообразного напряжения,

14 - звено коррекции,

15 - датчик тока нагрузки,

16 - нагрузка,

17, 18 - датчик и уставка выходного напряжения соответственно,

19 - сумматор.

Системы управления ККМ, приведенные на фиг. 1 и 2, содержат по два контура обратной связи (ОС): инерционной по напряжению и быстродействующей по току хранения. ОС по напряжению для ККМ, изображенных на фиг. 1 и 2, выполнена на элементах 10, 13, 14, 17, 18, 19. ОС по току хранения для ККМ, изображенного на фиг. 1, выполнена на элементах 5, 6, 8, 15. ОС по току хранения для ККМ на фиг. 2 выполнена на элементах 5, 6, 15. Контур стабилизации выходного напряжения управляет длительностью интервала накопления энергии в индуктивном накопителе, контур формирования тока хранения задает длительность интервала хранения. При этом на длительность интервала передачи энергии в нагрузку влияют оба контура.

В общем случае, ККМ может работать в следующих режимах: непрерывного (РНТ), прерывистого (РПТ), псевдонепрерывного (псевдо-РНТ). Качественно форма тока индуктивного накопителя i_L(t) на полупериоде сети Т_C/2 для указанных режимов приведена на фиг. 3. Период коммутации Т_К состоит из трех интервалов: накопления энергии в индуктивном накопителе, передачи энергии в нагрузку, хранения энергии. В псевдо-РНТ ток индуктивного накопителя на очередном периоде коммутации начинается не с нуля, а с тока хранения I_ХР. Благодаря этому форма тока индуктивного накопителя имеет не чисто треугольную форму, как в РПТ, а треугольную с «пьедесталом». Это позволяет уменьшить пиковое значение токов индуктивного накопителя, ключей и диодов.

Модуляция тока индуктивного накопителя ККМ на основе последовательно-параллельного преобразователя с выпрямительным мостом (фиг. 1) в псевдо-РНТ осуществляется следующим образом:

1. Интервал накопления энергии. По сигналу обратной связи по напряжению открываются ключевые элементы 3 и 9, начинается подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i_LH нарастает, протекая по контуру (фиг. 4): положительный вывод помехоподавляющего фильтра 2 - ключевой элемент 3 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 9 - отрицательный вывод помехоподавляющего фильтра 2.

2. Интервал передачи энергии в нагрузку. По сигналу обратной связи по напряжению закрываются ключевые элементы 3 и 9, начинается интервал передачи, на котором часть энергии индуктивного накопителя поступает в нагрузку, ток i_LП уменьшается, протекая по контуру (фиг. 5): диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - диод 11 - датчик тока 15, соединенный последовательно с нагрузкой 16, параллельно которым включен конденсатор 12 - отрицательный вывод помехоподавляющего фильтра 2.

3. Интервал хранения. Как только уменьшающийся ток i_LП достигнет уровня уставки, сработает быстродействующая ОС по току и откроет ключевой элемент 9. Ток i_LХР зафиксируется на уровне уставки I_ХР, пропорциональной току нагрузки. Ток протекает по контуру, показанному на фиг. 6: диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 9.

Модуляция тока индуктивного накопителя безмостового ККМ (фиг. 2), осуществляется следующим образом:

1. Интервал накопления энергии.

На положительном полупериоде сети по сигналу ОС по напряжению открываются ключевые элементы 3 и 21 (фиг. 7). Начинается подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i_LH нарастает, протекая по контуру: выход помехоподавляющего фильтра 23 - ключевой элемент 3 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 21 - диод 22 - общий вывод помехоподавляющего фильтра 23.

На отрицательном полупериоде сети по сигналу ОС по напряжению открывается ключевой элемент 21. Происходит подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i_LН нарастает, протекая в прежнем направлении. Контур протекания тока (фиг. 8): общий вывод помехоподавляющего фильтра 23 - диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 21 - диод 20 - выход помехоподавляющего фильтра 23.

2. Передача энергии в нагрузку у безмостового ККМ аналогична рассмотренной выше для ККМ с выпрямительным мостом. Контур протекания тока i_LП в безмостовом ККМ изображен на фиг. 9.

3. На интервале хранения ток i_LХР в безмостовом ККМ протекает по контуру, приведенному на фиг. 10, аналогично случаю ККМ с выпрямительным мостом. Процессы управления ключами идентичны рассмотренным выше.

Работоспособность предложенных устройств подтверждается результатами имитационного моделирования и реального макетирования.

Изобретение относится к корректорам коэффициента мощности (ККМ), построенным на основе последовательно-параллельного преобразователя, работающего в режиме псевдонепрерывных (псевдо-РНТ) токов. В псевдо-РНТ индуктивный накопитель работает в трех состояниях: накопления, передачи и хранения накопленной энергии. На интервале хранения накопитель закорочен, а его ток (ток хранения) остается на заданном уровне. Предлагаемые ККМ с выпрямительным мостом и безмостовой ККМ могут использоваться во вторичных источниках питания с синусоидальным потребляемым током. Система управления предлагаемых корректоров содержит по два контура обратной связи: инерционной по напряжению и быстродействующей по току хранения. Контур стабилизации выходного напряжения управляет длительностью интервала накопления, контур формирования тока задает длительность интервала хранения. На длительность интервала передачи энергии в нагрузку влияют оба контура. Особенностью предлагаемых ККМ является модуляция тока индуктивного накопителя током нагрузки. Технический результат заключается в упрощении системы управления и возможности ее адаптации для управления ККМ с другими видами силовых контуров, работающих в псевдо-РНТ. Технический результат достигается за счет исключения из системы управления ККМ перемножителя и датчика напряжения сети. 2 н.п. ф-лы, 10 ил.

1. Однофазный корректор коэффициента мощности, содержащий нагрузку, выпрямительный мост, помехоподавляющий фильтр, два ключевых элемента, два диода, индуктивный накопитель, конденсатор, два датчика тока, два компаратора, двухвходовый элемент ИЛИ, генератор пилообразного напряжения, звено коррекции, двухвходовый сумматор, датчик и уставку выходного напряжения, у которого входы переменного тока моста 1 подключены к сети, а выходы постоянного - к входам фильтра 2, положительный выход последнего соединен с анодом ключевого элемента 3, катод которого подключен к катоду диода 4 и положительному выводу датчика тока 5, отрицательным выводом соединенного с первым выводом индуктивного накопителя 7, второй вывод которого подключен к анодам ключевого элемента 9 и диода 11, катодом подключенного к положительным выводам конденсатора 12 и датчика тока 15, отрицательный вывод которого подключен к положительным выводам датчика выходного напряжения 17 и нагрузки 16, отрицательный вывод последней подсоединен к катоду ключевого элемента 9, аноду диода 4, отрицательным выводам конденсатора 12, фильтра 2 и датчика выходного напряжения 17, выходом подключенного к инвертирующему входу сумматора 19, неинвертирующий вход которого соединен с уставкой выходного напряжения 18, а выход - с входом звена коррекции 14, выходом подключенного к неинвертирующему входу компаратора 10, инвертирующий вход которого соединен с генератором пилообразного напряжения 13, а выход - с управляющим электродом ключевого элемента 3 и входом элемента ИЛИ 8, выход последнего подключен к управляющему электроду ключевого элемента 9, а другой вход - к выходу компаратора 6, инвертирующий вход которого соединен с выходом датчика тока 5, отличающийся тем, что выход датчика тока 15 подключен к неинвертирующему входу компаратора 6.

2. Безмостовой корректор коэффициента мощности, содержащий заземленную нагрузку, помехоподавляющий фильтр, три ключевых элемента, четыре диода, индуктивный накопитель, конденсатор, два датчика тока, два компаратора, генератор пилообразного напряжения, звено коррекции, двухвходовый сумматор, датчик и уставку выходного напряжения, у которого вход фильтра 23 подключен к фазе сети, а выход - к катоду диода 20 и аноду ключевого элемента 3, катод которого подключен к катоду диода 4 и положительному выводу датчика тока 5, отрицательным выводом соединенного с первым выводом индуктивного накопителя 7, второй вывод которого подключен к анодам ключевых элементов 21 и 9, и диода 11, катодом подключенного к положительным выводам конденсатора 12 и датчика тока 15, отрицательный вывод которого соединен с положительными выводами датчика выходного напряжения 17 и нагрузки 16, отрицательный вывод последней подключен к общей точке, катодам ключевого элемента 9 и диода 22, аноду диода 4, общей точке фильтра, нейтрали сети, отрицательным выводам конденсатора 12 и датчика выходного напряжения 17, выходом подключенного к инвертирующему входу сумматора 19, неинвертирующий вход которого соединен с уставкой выходного напряжения 18, а выход - с входом звена коррекции 14, выходом подключенного к неинвертирующему входу компаратора 10, инвертирующий вход которого соединен с генератором пилообразного напряжения 13, а выход - с управляющими электродами ключевых элементов 3 и 21, катод последнего подключен к анодам диодов 20 и 22, инвертирующий вход компаратора 6 соединен с выходом датчика тока 5, неинвертирующий - с выходом датчика тока 15, отличающийся тем, что выход компаратора 6 соединен с управляющим электродом ключевого элемента 9.