Корректор коэффициента мощности Российский патент 2023 года по МПК H02M7/217 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования и регулирования постоянного выходного напряжения.

Известны регуляторы переменного напряжения в постоянное напряжение с непосредственным подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [патент США US 6,282,109 B1 с датой публикации сведений о выдаче патента 28.08.2001].

Недостатком известных регуляторов переменного напряжения в постоянное является отсутствие гальванической развязки между источником входного синусоидального напряжения и постоянного выходного напряжения, а также раздельное управление ключами, включенными в цепь переменного напряжения, что усложняет цепь управления.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству регулятор переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий обмотку дросселя, подключенную через встречно последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, выпрямительные диоды, подключенные анодами к выходным зажимам встречно последовательных управляемых ключей, катоды которых подключены к емкостному фильтру и нагрузке [фиг. 1 патент США US 6,282,109 B1 с датой публикации сведений о выдаче патента 28.08.2001].

Недостатки этого регулятора состоят в том, что в нем отсутствует гальваническая развязка входной и выходной цепи регулятора, а также раздельное управление ключами, что усложняет устройство управления ключами.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения, обеспечение непрерывности протекания тока от источника переменного напряжения и его синфазности с переменным напряжением, осуществление гальванической развязки между входными и выходными цепями, объединение цепи управления встречно последовательных управляемых ключей и упрощение цепи управления, улучшение показателей корректора коэффициента мощности и исключение низкочастотных пульсаций в выходном постоянном напряжении.

Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе переменного напряжения в постоянное напряжение с последовательно включенной индуктивностью и встречно последовательных ключей с источником переменного напряжения, параллельно которым подключается первичная обмотка трансформатора с последовательно включённым конденсатором, вторичная обмотка которого через выпрямительные диоды подключена к ёмкостному фильтру и нагрузке, а управляющие электроды встречно последовательных ключей объединены в общую точку и общим электродом подключены к устройству управления.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого корректора коэффициента мощности. На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительной линейной индуктивности; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительного фильтра.

В нем (фиг. 1) начало обмотки дросселя 1 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, второй полюс которого через управляемый встречно последовательный ключ 2 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно последовательному ключу 2 включена последовательная цепь, состоящая из конденсатора 3 и первичной обмотки 4 силового трансформатора 5. С началом вторичной обмотки 6 трансформатора 5 соединен анод выпрямительного диода 7, катод которого подключен к одному из выводов конденсатора 8. Второй вывод конденсатора 8 подключен к концу обмотки 6. Конец обмотки 6 подключен к одному из выводов конденсатора 9, второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода 10, катод которого подключен к началу обмотки 6. Параллельно последовательно включенным конденсаторам 8 и 9 включена нагрузка 11. Управляющие электроды встречно последовательного ключа 2 объединены в общую точку и подключены к широтно-импульсному контроллеру 12, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей 2.

На фиг. 2 параллельно вторичной обмотке 6 трансформатора 5 включена линейная индуктивность 13.

На фиг. 3 параллельно последовательно включенным конденсаторам 8 и 9 включен дополнительно введенный фильтр, составленный из последовательно соединенных параллельного резонансного контура 14 и конденсатора 15, параллельно которому включена нагрузка 11.

Принцип действия предлагаемого корректора коэффициента мощности рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 5. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 2.

Допустим, что в момент рассмотрения работы корректора коэффициента мощности от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 2 полевой транзистор (MOSFET) ключа 2 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени протекают одновременно два процесса, один из которых связан с накоплением энергии в индуктивности дросселя, включенной последовательно с ключом 2 и источником переменного напряжения, а второй процесс связан с передачей накопленной энергии в конденсаторе 3 в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 7 и вторичную обмотку 6.

Величина тока через выпрямительный диод 7 определяется балансом зарядов конденсатора 8 на интервалах времени DT и (1-D)T, т.е. на интервалах времени включенного и выключенного состояния ключа 2. На баланс зарядов можно воздействовать введением дополнительной линейной индуктивности 13, включенной параллельно вторичной обмотке 6 трансформатора 5 (Фиг. 2). Данное воздействие отражается на форме тока, протекающего через ключ 2 и, как следствие, воздействует на коэффициент мощности.

После выключения ключа 2 на интервале времени (1-D)T напряжение на обмотках трансформатора 5 изменяет знак. Вследствие этого выпрямительный диод 7 закрывается, а диод 10 открывается и накопленная энергия на интервале времени DT в индуктивности дросселя 1, включенной последовательно с источником переменного напряжения, передается через конденсатор 3, подзаряжая его, и первичную обмотку 4, и вторичную обмотку 6 трансформатора 5 выводится в конденсатор 9. Одновременно с этими процессами происходит восстановление трансформатора 5 по вторичной обмотке 6 в конденсатор 9. Описанные процессы показывают непрерывность потребления энергии от источника переменного напряжения.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что нижний полевой транзистор (MOSFET) ключа 2 работает в нормальном ключевом режиме, а верхний в режиме синхронного выпрямителя. При изменившейся полярности источника входного напряжения прямая передача энергии в выходную цепь конденсатор 3 идет через выпрямительный диод 10 и вторичную обмотку 6 трансформатора 5 в течение интервала времени DT, а выведение энергии из дросселя 1 и трансформатора 5 в течение интервала времени (1-D)T идет через диод 7 обмотку 6 в конденсатор 8.

Сумма напряжений на конденсаторах 8 и 9 является выходным напряжением на нагрузке 11.

Синфазность протекающего тока через источник входного переменного напряжения достигается выбором величин индуктивности дросселя 1 и конденсатора 3, включенного последовательно с первичной обмоткой 4 силового трансформатора 5.

Низкочастотный источник переменного входного напряжения вносит дополнительные низкочастотные пульсации в выходное постоянное напряжение, что устраняется введением дополнительного фильтра (Фиг. 3), составленного из последовательно соединенных параллельного резонансного контура 14 и конденсатора фильтра 15, параллельно которому подключена нагрузка 11.

Таким образом, предлагаемый корректор коэффициента мощности позволяет, по сравнению с известным устройством, осуществить электрическую развязку выходного постоянного напряжения от переменного входного напряжения, обеспечить непрерывность потребления энергии и синфазность тока и переменного входного напряжения, исключить низкочастотные пульсации в выходном постоянном напряжении, а также упростить управление встречно последовательным регулирующим ключом 2 путем объединения управляющих электродов в общую точку.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное напряжение, и может быть использовано в системах вторичного электропитания для коррекции коэффициента мощности, преобразования и регулирования постоянного выходного напряжения. Техническим результатом заявленного изобретения является формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения, обеспечение непрерывности протекания тока от источника переменного напряжения и его синфазности с переменным напряжением, осуществление гальванической развязки между входными и выходными цепями, объединение цепи управления встречно последовательных управляемых ключей и упрощение цепи управления, улучшение показателей корректора коэффициента мощности и исключение низкочастотных пульсаций в выходном постоянном напряжении. Устройство содержит дроссель (1), подключенный через регулирующий ключ (2), реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенные к цепи управления (12), к источнику переменного напряжения. Параллельно регулирующему ключу (2) включена цепь, состоящая из последовательно включенных конденсатора (3) и первичной обмотки (4) силового трансформатора (5), вторичная обмотка (6) которого через выпрямительные диоды (7, 10) подключена к последовательно включенным конденсаторам фильтра (8, 9), параллельно которым включена нагрузка (11). В предлагаемом корректоре коэффициента мощности начало обмотки дросселя (1) соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, второй полюс которого через управляемый встречно последовательный ключ (2) подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно последовательному ключу (2) включена последовательная цепь, состоящая из конденсатора (3) и первичной обмотки (4) силового трансформатора (5). С началом вторичной обмотки (6) трансформатора (5) соединен анод выпрямительного диода (7), катод которого подключен к одному из выводов конденсатора (8). Второй вывод конденсатора 8 подключен к концу обмотки (6). Конец обмотки (6) подключен к одному из выводов конденсатора (9), второй вывод которого подключен к аноду выпрямительного диода (10), катод которого подключен к началу обмотки (6). Параллельно последовательно включенным конденсаторам (8) и (9) включена нагрузка (11). Управляющие электроды встречно последовательного ключа (2) объединены в общую точку и подключены к широтно-импульсному контроллеру (12), второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей (2). 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Корректор коэффициента мощности, содержащий дроссель, подключенный через управляемый встречно последовательный ключ к входным выводам источника переменного напряжения, выпрямительные диоды, соединенные с зажимами конденсатора фильтра, отличающийся тем, что управляемый встречно последовательный ключ выполнен на MOSFET транзисторах, параллельно управляемому встречно последовательному ключу включена цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого через последовательно включенный диод подключена к зажимам первого конденсатора фильтра, а через второй последовательно включенный диод подключена к зажимам второго конденсатора фильтра, включенного последовательно с первым, параллельно которым включена нагрузка, а управляющие электроды встречно последовательного ключа объединены в общую точку соединения, к которой подключен управляющий контроллер, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательного ключа.

2. Корректор коэффициента мощности по п.1, отличающийся тем, что обеспечение синфазности тока с переменным напряжением достигается выбором величины индуктивности дросселя и конденсатора, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

3. Корректор коэффициента мощности по п.1, отличающийся тем, что дополнительно введен фильтр, подключенный параллельно последовательно включенным конденсаторам фильтра и составленный из последовательно соединенных параллельного резонансного контура и конденсатора, параллельно которому включена нагрузка.

4. Корректор коэффициента мощности по п.1, отличающийся тем, что параллельно одной из обмоток трансформатора включена линейная индуктивность.