Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения Российский патент 2024 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, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное напряжение с подключением нагрузки через выпрямительные диоды и сглаживающий емкостной фильтр [1].

Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение является отсутствие формирования непрерывного и синфазного тока, потребляемого от входного синусоидального напряжения, а также стабилизации постоянного выходного напряжения.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству преобразователь переменного синусоидального напряжения в постоянное выходное напряжение, содержащий первичную обмотку трансформатора, подключенную через встречно последовательные управляемые ключи к зажимам источника переменного синусоидального напряжения, вторичную обмотку трансформатора, подключенную через выпрямительные диоды к емкостному фильтру и нагрузке [1].

Недостатки этого преобразователя напряжения состоят в том, что в нем отсутствует коррекция коэффициента мощности, формирование непрерывного и синфазного тока переменному входному напряжению и стабилизация постоянного выходного напряжения.

Цель изобретения - формирование непрерывного и синфазного тока переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация.

Поставленная цель достигается тем, что в магнитносвязанном корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения к первичной обмотке трансформатора включённой последовательно с источником переменного напряжения и встречно последовательными управляемыми ключами, введена вторая магнитносвязанная обмотка противофазная первой обмотке, которая через последовательно включенный конденсатор подключена параллельно встречно последовательным управляемым ключам, а параллельно второй обмотке включен клампирующий элемент, составленный из встречно последовательных управляемых ключей и конденсатора, введены две вторичные обмотки, которые через выпрямительные диоды подключены к Г-образному LC-фильтру, последовательно с которым включен понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг. 1, 2 и 3 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения; на фиг. 2 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой трансформатора; на фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения с подключением клампирующего элемента, составленного из встречно последовательных управляемых ключей с последовательно включенным конденсатором к вспомогательной обмотке трансформатора.

В нем (фиг. 1) начало первичной обмотки 1 трансформатора 2 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первичной обмотки 1 через управляемый встречно последовательный ключ 3 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. Параллельно встречно последовательному ключу 3 включена последовательно с конденсатором 5 вторая магнитносвязанная обмотка 4 противофазная первой обмотке. Параллельно второй противофазной обмотке 4 включен встречно последовательный управляемый ключ 7 с последовательно включенным конденсатором 6. Две вторичные обмотки 8 и 9 трансформатора 2 объединены в общую точку соединения началом обмотки 8 и концом обмотки 9, конец обмотки 8 подключен к катоду диода 10, а начало обмотки 9 подключено к катоду диода 11, аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток 8,9 подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра 12, а общая точка соединения анодов 10,11 подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра 12, включен понижающий регулятор 13, выходные зажимы которого подключены к управляющему контролеру 14 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 13. Управляющие электроды встречно последовательного ключа 3 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 15, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных ключей транзисторов ключа 3. Управляющие электроды встречно последовательных транзисторов клампирующего элемента 7 объединены в общую точку соединения и подключены к контроллеру 16, второй вывод которого подключен к общей точке соединения встречно последовательных транзисторов клампирующего ключа 7. Параллельно дополнительной обмотке 17 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 18.

На фиг.2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 19.

Принцип действия предлагаемого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения рассмотрим исходя из предположения идеальности ключевых элементов, установившегося режима работы и непрерывности изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора 2. Обозначим через D относительную к периоду T длительность включенного состояния ключа 3.

Допустим, что в момент рассмотрения работы преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение от источника переменного напряжения поступает положительная полуволна синусоидального напряжения. В этом случае на этапе замкнутого состояния DT ключа 3 полевой транзистор (MOSFET) ключа 3 работает в нормальном ключевом режиме (в рассматриваемом случае верхний), а второй (нижний) в режиме синхронного выпрямителя. На этом промежутке времени происходит передача энергии в нагрузку через прямосмещенный выпрямительный диод 10 и вторичную обмотку 8.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T включается встречно последовательный управляемый ключ клампирующего элемента 7 с последовательно включенным конденсатором 6, что приводит к переполюсовке напряжений на обмотках трансформатора 2, выключению диода 10 и включению диода 11, и передачи энергии в нагрузку через обмотку 9 и диод 11. Напряжение на конденсаторе 6 изменяется по закону VD/(1-D), а энергия во вторичную цепь поступает из индуктивности намагничивания трансформатора 2.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени DT энергия во вторичную цепь передается через обмотку 9 и прямосмещенный диод 11, а на интервале (1-D)T через обмотку 8 и диод 10.

Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1,4 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток (для пульсаций тока), которая описывается для обмотки 1 выражением и для обмотки 4 выражением . В этих выражениях L_{11 =} L_μ1 + L_S1 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, а L_{22 =} L_μ2 +L_S2 - индуктивность намагничивания трансформатора 2 по обмотке 1 с учетом индуктивности рассеяния, где - коэффициент связи между обмотками 1 и 4 всегда меньше или равен единице, а - коэффициент трансформации между обмотками 1 и 4. В нашем случае важна величина L_ЭФФ1, которая при k=n равна бесконечности и тем самым исключаются пульсации тока непрерывного и синфазного с входным переменным напряжением. При равенстве числа витков обмоток 1,4 желательная величина L_ЭФФ1 достигается включением небольшой индуктивности 19 последовательно с обмоткой 1.

Ведение дополнительной обмотки 17 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 18 позволяет ослабить жесткую связь величины индуктивности намагничивания трансформатора 2 с числом витков первичной обмотки 1, геометрическим размером магнитопровода и зазором трансформатора, что расширяет диапазон изменений входного напряжения.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются фиксированными, и в процессе работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения не изменяются, тем самым фиксируя максимальную передаваемую мощность в нагрузку.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 13 [2], отличительной особенностью которого является непрерывное потребление и передача энергии в нагрузку, и этим свойством он является аналогом резистивной нагрузки. Обратная связь, реализованная в виде широтно-импульсного контроллера 14, воздействует на регулирующий транзистор регулятора 13, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Клампирующий элемент, составленный из встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET) ключа 7 и последовательно включенного конденсатора 6 может быть включен параллельно любой обмотке трансформатора, в том числе дополнительно введенной обмотки трансформатора 2, например, обмотки 17. При этом могут быть использованы низковольтные транзисторы ключи 7, а их управление может осуществляться относительно общей шины, входной или выходной цепи.

Таким образом, предлагаемый магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить формирование непрерывного, практически гладкого тока синфазного переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизацию.

Список литературы:

1. Патент на изобретение РФ № 2802914 с приоритетом от 02.02.2023.

2. Авторское свидетельство СССР №1598073 “Импульсный регулятор постоянного напряжения” А.Г. Поликарпов, Е.Ф. Сергиенко с приоритетом от 05.12.1988.

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, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения. Технический результат - формирование непрерывного и синфазного тока переменному входному напряжению, формирование постоянного выходного напряжения и его стабилизация. Устройство содержит силовой регулирующий ключ (3), реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления (15). Силовой трансформатор (2), первичная обмотка (1) которого через регулирующий ключ (3) подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно регулирующему ключу (3) включена магнитносвязанная с обмоткой (1) обмотка, (4) противофазная обмотке (1) с последовательно включенным конденсатором (5). Параллельно обмотке (4) трансформатора (2) включен клампирующий элемент, составленный из последовательного включения конденсатора (6) и встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET) ключа (7), управляющие электроды которых объединены в общую точку, подключенную к цепи управления (16). Две вторичные обмотки (8, 9) трансформатора (2) объединены в общую точку началом обмотки (8) и концом обмотки (9), конец обмотки (8) подключен к катоду диода (10), а начало обмотки (9) подключено к катоду диода (11), аноды которых объединены в общую точку соединения. Общая точка соединения обмоток (8, 9) подключена к первому полюсу Г-образного LC-фильтра (12), а общая точка соединения анодов (10, 11) подключена к второму полюсу Г-образного LC-фильтра. Параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра (12) включен понижающий регулятор (13), к выходным зажимам которого подключен управляющий контроллер (14) широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора (13). Параллельно дополнительной обмотке (17) трансформатора (2) включена линейная индуктивность (18). 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения, содержащий электромагнитный элемент, имеющий первичную обмотку, подключенную через встречно последовательный ключ, выполненный на полевых транзисторах типа MOSFET, к выходным выводам источника переменного напряжения, первый и второй выпрямительные диоды, соединенные с выходными зажимами конденсаторов фильтра, и управляющий контроллер, отличающийся тем, что электромагнитный элемент выполнен в виде трансформатора, в котором введена вторая первичная обмотка, противофазная первой первичной обмотке, и с последовательно включенным конденсатором включена параллельно встречно последовательному ключу, выполненному на полевых транзисторах типа MOSFET, две вторичные обмотки трансформатора с противофазным включением объединены в общую точку соединения, противоположные выводы которых последовательно подключены к диодам, аноды которых соединены во вторую общую точку соединения, и общие точки соединения подключены к входным зажимам Г-образного LC-фильтра, при этом введен клампирующий элемент, подключенный параллельно одной из обмоток трансформатора и составленный из последовательно соединенных второго конденсатора и второго встречно последовательного ключа, выполненного на полевых транзисторах типа MOSFET.

2. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первой первичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.

3. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что параллельно выходным зажимам Г-образного LC-фильтра включен понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку.

4. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.3, отличающийся тем, что понижающий регулятор напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку охвачен обратной связью контроллером с широтно-импульсным регулированием.

5. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что встречно последовательные ключи клампирующего элемента и силового регулирующего ключа управляются контроллером постоянной длительности.

6. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что параллельно дополнительной обмотке трансформатора включена линейная индуктивность.

7. Магнитносвязанный корректор коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.6, отличающийся тем, что клампирующий элемент, составленный из последовательного соединенных конденсатора и встречно последовательного ключа, выполненного на полевых транзисторах типа MOSFET, подключен к дополнительной обмотке трансформатора, а управление ключами осуществляется относительно общей шины входной или выходной цепи.