Корректор коэффициента мощности Российский патент 2023 года по МПК G05F1/70 

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 корректоры коэффициента мощности [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics стр.603 Фиг.17.11].

Недостатком известных корректоров коэффициента мощности является использование двухкаскадных устройств, включающих в себя повышающий регулятор (Boost Converter), к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня выходного напряжения.

Вторым недостатком известных корректоров коэффициента мощности является сложность управлениям таким корректором коэффициента мощности.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству корректор коэффициента мощности, приведенный в книге [Robert W. Erickson Fundamentals of Power Electronics стр.603 Фиг.17.11], в котором к источнику переменного напряжения через выпрямительный мост подключен корректор коэффициента мощности, включающий в себя повышающий регулятор (Boost Converter) со своей схемой управления, к выходу которого подключен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, к которому подключена нагрузка со своей схемой управления.

Недостатками этого корректора коэффициента мощности являются использование двух каскадов преобразования электрической энергии, включающих в себя повышающий регулятор (Boost Converter) и преобразователь постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющий электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, а также необходимость использования двух устройств управления повышающим регулятором (Boost Converter) и преобразователем постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), что создает сложность управления таким корректором коэффициента мощности.

Цель изобретения - формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения с помощью одного преобразователя напряжения, объединяющего в себе функции повышающего регулятора (Boost Converter) и преобразователя постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющего электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, обеспечение непрерывности протекания тока от источника переменного напряжения и его синфазности с переменным напряжением, упрощение цепи управления преобразователем напряжения, улучшение показателей корректора коэффициента мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в повышающем регуляторе (Boost Converter) с последовательно включенной индуктивностью и регулирующим ключом, подключенных к выходным зажимам выпрямительного моста, параллельно регулирующему ключу подключается первичная обмотка трансформатора с последовательно включенным конденсатором, вторичные обмотки которого через выпрямительные диоды подключены к емкостным фильтрам и нагрузке, а управляющий электрод регулирующего ключа подключен 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 последовательно с одной из вторичных обмоток трансформатора; на фиг.3 представлена принципиальная электрическая схема корректора коэффициента мощности с введением дополнительного многозвенного фильтра.

В нем (фиг.1) начало обмотки дросселя 1 соединено с положительным полюсом выпрямительного моста, второй полюс которого через регулирующий ключ 2 подключен к отрицательному полюсу выпрямительного моста. Параллельно регулирующему ключу 2 включена последовательная цепь, состоящая из конденсатора 3 и первичной обмотки 4 силового трансформатора 5. С началом вторичной обмотки 6 силового 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 11, конец которой подключен к концу обмотки 6. Параллельно последовательно включенным конденсаторам 8 и 9 включена нагрузка 12. Управляющий электрод регулирующего ключа 2, подключены к широтно-импульсному контроллеру 13.

На фиг.2 последовательно с началом вторичной обмотки 6 включена линейная индуктивность 14.

На фиг.3 параллельно последовательно включенным конденсаторам 8 и 9 включен дополнительно введенный фильтр, составленный из последовательно соединенных Г-образного LC-фильтра 15, параллельного резонансного контура 16, число которых может быть и больше одного и конденсатора 17, параллельно которому включена нагрузка 12.

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, которая выпрямляется выпрямительным мостом. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 2 протекают одновременно два процесса, один из которых связан с накоплением энергии в индуктивности дросселя 1, включенной последовательно с ключом 2 и источником выпрямленного 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.

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 11 трансформатора 5 выводится в конденсатор 9.

Одновременно с этими процессами происходит восстановление трансформатора 5 по вторичной обмотке 11 в конденсатор 9. Восстановлением трансформатора 5 является процесс выведения электромагнитной энергии из индуктивности намагничивания трансформатора, накопленной в ней за время DT включенного состояния регулирующего ключа 2.

Разделение функций вторичных обмоток трансформатора 5, действующих на интервалах времени DT и (1-D)T, позволяет более эффективно управлять электромагнитными процессами преобразователя напряжения.

Описанные процессы показывают непрерывность потребления энергии от источника переменного напряжения.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются.

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.

Введение дополнительной линейной индуктивности 14 последовательно с вторичной обмоткой 6 трансформатора 5 (фиг.2) позволяет эффективно ограничить максимальный ток через диод 7 и обеспечить включение регулирующего ключа 2 на нулевое значение тока.

Низкочастотный источник переменного входного напряжения вносит дополнительные низкочастотные пульсации в выходное постоянное напряжение, что нежелательно для ряда нагрузок, например, светодиодных осветительных приборов, что устраняется введением дополнительного многозвенного фильтра (фиг.3), составленного из Г-образного LC-фильтра 15, одного или нескольких звеньев параллельных резонансных фильтров 16 и емкостного фильтра 17.

Таким образом, предлагаемый корректор коэффициента мощности позволяет по сравнению с известным устройством осуществить в одном силовом блоке электрическую развязку выходного постоянного напряжения от переменного входного напряжения, обеспечить непрерывность потребления энергии и синфазность тока и переменного входного напряжения, обеспечить включение регулирующего ключа на нулевой ток, ослабить или исключить низкочастотные пульсации в выходном постоянном напряжении и упростить управление корректором коэффициента мощности.

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. Технический результат - формирование постоянного выходного напряжения из переменного входного напряжения с помощью одного преобразователя напряжения, объединяющего в себе функции повышающего регулятора (Boost Converter) и преобразователя постоянного напряжения в постоянное (DC-DC Converter), осуществляющего электрическую развязку и получение требуемого уровня постоянного выходного напряжения, обеспечение непрерывности протекания тока от источника переменного напряжения и его синфазности с переменным напряжением, упрощение цепи управления преобразователем напряжения, улучшение показателей корректора коэффициента мощности. Устройство содержит дроссель 1, подключенный через регулирующий ключ 2, реализованный в виде (MOSFET), управляющий электрод которого подключен к широтно-импульсному контроллеру 13. Параллельно регулирующему ключу 2 включена цепь, состоящая из последовательно включенных конденсатора 3 и первичной обмотки 4 силового трансформатора 5, вторичные обмотки 6, 11 которого через выпрямительные диоды 7, 10 подключены к последовательно включенным конденсаторам фильтра 8, 9, параллельно которым включена нагрузка 12. В предлагаемом корректоре коэффициента мощности начало обмотки дросселя 1 соединено с положительным полюсом выпрямительного моста, второй полюс которого через регулирующий ключ 2 подключен к отрицательному полюсу выпрямительного моста. Параллельно регулирующему ключу 2 включена последовательная цепь, состоящая из конденсатора 3 и первичной обмотки 4 силового трансформатора 5. С началом вторичной обмотки 6 силового 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 11, конец которой подключен к концу обмотки 6. Параллельно последовательно включенным конденсаторам 8 и 9 включена нагрузка 12. Управляющий электрод регулирующего ключа 2 подключен к широтно-импульсному контроллеру 13. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Корректор коэффициента мощности, содержащий дроссель, обмотка которого через регулирующий ключ подключена к выходным выводам выпрямительного моста, вход которого подключен к источнику входного переменного напряжения, параллельно регулирующему ключу включена цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора и первичной обмотки трансформатора, отличающийся тем, что введены два диода и два последовательно соединенных конденсатора фильтра, трансформатор содержит две встречно последовательно соединенные вторичные обмотки, первая из которых через первый диод подключена к первому конденсатору фильтра, а вторая вторичная обмотка трансформатора через второй диод подключена к второму конденсатору фильтра, крайние выводы цепи из последовательно соединенных конденсаторов фильтра соединены с разноименными полюсами соответствующих диодов и являются выводами для подключения нагрузки, а к управляющему электроду регулирующего ключа подключен управляющий широтно-импульсный контроллер.

2. Корректор коэффициента мощности по п.1, отличающийся тем, что введена дополнительная линейная индуктивность, включенная последовательно с вторичной обмоткой трансформатора, работающей на интервале времени включенного состояния регулирующего ключа.

3. Корректор коэффициента мощности по п.1, отличающийся тем, что между крайними выводами цепи из последовательно соединенных конденсаторов фильтра и выводами для подключения нагрузки введен дополнительный многозвенный фильтр, выполненный из последовательно соединенных Г-образного LC-фильтра, параллельного резонансного контура, состоящего из одного или нескольких звеньев, и дополнительного конденсатора, параллельно которому включена нагрузка.