Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и 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 магнитно-связанном 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 магнитно-связанная обмотка противофазная первой обмотке, которая через последовательно включенный конденсатор подключена параллельно встречно последовательным управляемым ключам, а две включенные противофазно вторичные обмотки, соединены последовательно через конденсатор, через подключенные к ним диоды подключены к входным зажимам регулятора напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку, управление которым осуществляется цепью обратной связи реализованной в виде широтно-импульсного контроллера.

На фиг.1 и 2 показаны принципиальные электрические схемы вариантов выполнения предлагаемого магнитно-связанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения. На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема магнитно-связанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения; на фиг.2 представлена принципиальная электрическая схема магнитно-связанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения с введением дополнительной линейной индуктивности последовательно с первичной обмоткой 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 магнитно-связанная обмотка 4 противофазная первой обмотке. Две вторичные обмотки 6 и 7 трансформатора 2, включенные противофазно, соединены последовательно через конденсатор 8 так, что начало обмотки 6 соединено с катодом диода 9, анод которого подключен к концу обмотки 7, а начало обмотки 7 соединено с анодом диода 10, катод которого подключен к концу обмотки 6. Общая точка соединения начала обмотки 6 и катода 9 подключена к первому полюсу понижающего регулятора 11, а общая точка соединения начала обмотки 7 и анода диода 10 подключена к второму полюсу понижающего регулятора 11. К выходным зажимам понижающего регулятора 11 подключен управляющий контроллер 12 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 11. 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. Параллельно дополнительной обмотке 13 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 14.

На фиг.2 последовательно первичной обмотке 1 трансформатора 2 включена линейная индуктивность 16.

Принцип действия предлагаемого магнитно-связанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и 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 магнитно-связанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения 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 накопление энергии в индуктивности намагничивания трансформатора 2 обусловленное первичными обмотками 1,4.

После выключения ключа 3 на интервале времени (1-D)T происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора, включается диод 9 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 6 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 8.

При изменении полярности источника входного напряжения все описанные выше процессы повторяются с той лишь разницей, что теперь на интервале времени (1-D)T включается диод 10 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 8.

Цепь на вторичной стороне трансформатора 2, составленная из противофазно включённых вторичных обмоток 6,7 включенных последовательно через конденсатор 8 и диодов 9,10 образует пассивный клампирующий элемент, обеспечивающий фиксацию напряжений на обмотках трансформатора 2 на интервале времени (1-D)T выключенного состояния регулирующего ключа 3.

Использование магнитно-связанной 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 16 последовательно с обмоткой 1.

Ведение дополнительной обмотки 13 трансформатора 2 с параллельно включенной линейной индуктивностью 14 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 магнитно-связанного 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 11 [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 12, воздействует на регулирующий транзистор регулятора напряжения 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью.

Таким образом, предлагаемый магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и 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.

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 силовой регулирующий ключ (3) подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно силовому регулирующему ключу (3) включена магнитно-связанная с обмоткой (1) обмотка (4), противофазная обмотке (1), с последовательно включенным конденсатором (5). Две вторичные обмотки (6 и 7) трансформатора (2), включенные противофазно, соединены последовательно через конденсатор (8). Начало обмотки (6) соединено с катодом диода (9), анод которого подключен к концу обмотки (7). Начало обмотки (7) соединено с анодом диода (10), катод которого подключен к концу обмотки (6). Общая точка соединения начала обмотки (6) и катода (9) подключена к первому полюсу понижающего регулятора (11), а общая точка соединения начала обмотки (7) и анода диода (10) подключена к второму полюсу понижающего регулятора (11). К выходным зажимам регулятора (11) подключен управляющий контроллер (12) широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора (11). Параллельно дополнительной обмотке (13) трансформатора (2) включена линейная индуктивность (14). 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и 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 трансформатора, противофазная первой первичной обмотке трансформатора, и с последовательно включенным конденсатором включена параллельно встречно-последовательному ключу, выполненному на полевых транзисторах типа MOSFET, а пассивный клампирующий элемент выполнен в виде двух вторичных обмоток трансформатора, включенных противофазно и последовательно через второй конденсатор, в котором начало первой вторичной обмотки трансформатора соединено с катодом диода, анод которого подключен к концу второй вторичной обмотки трансформатора, а начало второй вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом другого диода, катод которого подключен к концу первой вторичной обмотки трансформатора, при этом введен понижающий регулятор, входные выводы которого подключены к началам вторичных обмоток трансформатора, а выходные выводы подключены к зажимам конденсаторов фильтра.

2. Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что последовательно с первой первичной обмоткой трансформатора включена линейная индуктивность.

3. Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что понижающий регулятор выполнен с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку и охвачен обратной связью контроллером с широтно-импульсным регулированием.

4. Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что встречно-последовательные ключи управляются контроллером постоянной длительности.

5. Магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения по п.1, отличающийся тем, что введена дополнительная обмотка трансформатора, параллельно которой включена линейная индуктивность.