Симметричный магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным компенсирующим клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения Российский патент 2025 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, регулирования и стабилизации постоянного выходного напряжения.

Известен магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения [1].

Недостатком известного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения является отсутствие симметрии источника переменного напряжения относительно общей точки соединения транзисторов регулирующего ключа, что затрудняет создание эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера и наличие значительных низкочастотных пульсаций напряжения на вторичной стороне корректора коэффициента мощности.

Наиболее близок по технической сущности к предлагаемому устройству магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения, в котором 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 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 [1].

Недостаток этого магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения состоит в том, что в нем отсутствие симметрия источника переменного напряжения относительно общей точки соединения транзисторов регулирующего ключа, что затрудняет создание эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера управления ключами переменного тока и наличие значительных низкочастотных пульсаций напряжения на вторичной стороне корректора коэффициента мощности.

Цель изобретения - создание условий реализации эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера широтно-импульсного типа регулирующим ключом переменного тока, компенсации низкочастотный колебаний сети переменного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в симметричном магнитносвязанном корректоре коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения первичная обмотка трансформатора включенная последовательно с источником переменного напряжения и встречно последовательными управляемыми ключами, реализована в виде двух полуобмоток с равным числом витков, каждая из которых согласно включена в сток двух транзисторов силового регулирующего ключа, диагональ введенного выпрямительного моста подключена к источнику переменного напряжения через два резистора, каждый из которых подключен к противоположным фазам источника переменного напряжения, выходные зажимы выпрямительного моста подключены к C фильтру таким образом, что один полюс C фильтра подключен к положительному зажиму выпрямительного моста, другой полюс к отрицательному зажиму выпрямительного моста, на котором формируется положительное постоянное напряжение и к общей точке соединения истоков регулирующего ключа, а к положительному постоянному напряжению подключен контроллер широтно-импульсного типа, выходной зажим которого подключен к общим затворам регулирующего ключа, а вторичная сторона реализована в виде полумоста, одна ветвь которого составлена из двух последовательно включенных выпрямительных диодов, вторая из двух последовательно включенных конденсаторов, в диагональ которого включена вторичная обмотка трансформатора, началом подключенная к общей точке соединения выпрямительных диодов, а концом к общей точке соединения конденсаторов, выходные зажимы которых подключены к входным зажимам регулятора с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку.

На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема выполнения предлагаемого симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с пассивным компенсирующим клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения.

В нем (фиг. 1) первая первичная обмотка трансформатора 2 реализована в виде двух полуобмоток 1 и 3 так, что начало первой полуобмотки 1 через линейную индуктивность 14 соединено с первым полюсом входного источника переменного напряжения, а конец первой полуобмотки 1 через управляемый ключ 4, реализованный в виде встречно последовательного включения полевых транзисторов (MOSFET), подключен к началу второй полуобмотки 3 и через линейную индуктивность 15 подключен ко второму полюсу входного источника переменного напряжения. При этом параллельно встречно последовательному силовому регулирующему ключу 4 включена вторая первичная магнитносвязанная с полуобмотками 1, 3 обмотка 5, равная сумме числа витков полуобмоток 1 и 3, и противофазная им, с последовательно включенным конденсатором 6. Начало вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединено с анодом диода 8, катод которого подключен к первому полюсу первого конденсатора 9, второй полюс которого подключен к первому полюсу второго конденсатора 10, второй полюс которого, подключен к аноду диода 11, катод которого подключен к началу обмотки 7, конец которой подключен к общей точке соединения конденсаторов 9 и 10. Общая точка соединения катода диода 8 и конденсатора 9 подключена к первому полюсу понижающего регулятора 12, а общая точка соединения анода диода 11 и конденсатора 10 подключена к второму полюсу понижающего регулятора 12. К выходным зажимам регулятора 12 подключен управляющий контроллер 13 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 12. Диагональ введенного выпрямительного моста 16 через резисторы 17, 18 подключена к источнику переменного напряжения, а выходные зажимы выпрямительного моста 16 подключены к C фильтру 19, который одним полюсом подключен к катодной группе моста, а другим полюсом подключен к анодной группе моста и к общей точке соединения истоков регулирующего ключа 4. Параллельно емкости фильтра 19 включен контроллер 20 широтно-импульсного типа, выходной зажим которого подключен к общей точке соединения затворов регулирующего ключа 4.

Принцип действия предлагаемого симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с компенсирующим 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 4.

Допустим, что в момент рассмотрения работы симметричного магнитносвязанного корректора коэффициента мощности с компенсирующим 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 4 полевой транзистор (MOSFET) ключа 4 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, 3, 5.

После выключения ключа 4 на интервале времени (1-D)T происходит переполюсовка напряжений на обмотках трансформатора, включается диод 11 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 10.

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 8 и накопленная энергия в индуктивности намагничивания через вторичную обмотку 7 трансформатора 2 выводится в последовательно включенный конденсатор 9.

Цепь на вторичной стороне трансформатора 2, составленная из вторичной обмотки 7, двух последовательно включенных выпрямительных диодов 8, 11 и двух последовательно включенных конденсаторов 9, 10, образует пассивный элемент клампирующего типа, обеспечивающий фиксацию напряжений на обмотках трансформатора 2 на интервале времени (1-D)T выключенного состояния регулирующего ключа 4, поскольку на конденсаторах 9, 10 образуются противофазные колебания с частотой сети переменного напряжения, сумма которых образует практически постоянное напряжение действующее на входе регулятора напряжения с непрерывным потреблением и передачей энергии в нагрузку.

Использование магнитносвязанной цепи, обусловленной обмотками 1, 3, 5 позволяет существенно увеличить дифференциальную индуктивность обмоток 1, 3 для пульсаций тока, путем добавления небольших линейных индуктивностей 14, 15 и тем самым обеспечить гладкое потребление тока синфазно с переменным напряжением.

Величины временных интервалов DT и (1-D)T устанавливаются контроллером 20 широтно-импульсного типа в процессе работы магнитносвязанного корректора коэффициента мощности со стабилизацией постоянного выходного напряжения.

Поддержание постоянного выходного напряжения в нагрузке осуществляется с помощью понижающего регулятора 12 [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 13, воздействует на регулирующий транзистор регулятора напряжения 11, обеспечивая поддержание постоянного выходного напряжения с заданной точностью, а также с помощью контроллера 20.

Таким образом, предлагаемый симметричный магнитносвязанный корректор коэффициента мощности с пассивным компенсирующим клампирующим элементом и стабилизацией постоянного выходного напряжения позволяет по сравнению с известным устройством осуществить эффективное формирование постоянного напряжения для электропитания контроллера управления регулирующим ключом переменного тока от источника переменного напряжения и тем самым осуществить регулирование и стабилизацию выходного постоянного напряжения как по цепи переменного напряжения, так и по цепи постоянного напряжения и осуществить компенсацию низкочастотной составляющей цепи переменного напряжения на вторичной стороне корректора коэффициента мощности.

1. Патент на изобретение РФ №2817329 с приоритетом от 18.09.2023

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. Цель изобретения - создание условий реализации эффективного источника постоянного напряжения для электропитания контроллера широтно-импульсного типа регулирующим ключом переменного тока, компенсации низкочастотных колебаний сети переменного тока. Устройство содержит силовой регулирующий ключ 4, силовой трансформатор 2, первая первичная обмотка которого реализована в виде двух полуобмоток 1 и 3, каждая из которых согласно включена в сток двух транзисторов силового регулирующего ключа 4 и через силовой регулирующий ключ 4 с последовательно включенными линейными индуктивностями 14, 15 подключена к источнику переменного напряжения. Параллельно ключу 4 включена вторая первичная обмотка 5 с последовательно включенным конденсатором 6. Начало вторичной обмотки 7 трансформатора 2 соединено с анодом диода 8, катод которого подключен к первому полюсу первого конденсатора 9, второй полюс которого подключен к первому полюсу второго конденсатора 10, второй полюс которого подключен к аноду диода 11, катод которого подключен к началу обмотки 7, конец которой подключен к общей точке соединения конденсаторов 9 и 10. Общая точка соединения катода диода 8 и конденсатора 9 подключена к первому полюсу понижающего регулятора 12, а общая точка соединения анода диода 11 и конденсатора 10 подключена к второму полюсу понижающего регулятора 12. К выходным зажимам регулятора 12 подключен управляющий контроллер 13 широтно-импульсного типа, который управляет регулирующим транзистором понижающего регулятора 12. Диагональ выпрямительного моста 16 подключена к источнику переменного напряжения, а выходные зажимы выпрямительного моста 16 подключены к C фильтру 19, который подключен к общей точке соединения истоков регулирующего ключа 4. Параллельно емкости фильтра 19 включен контроллер 20 широтно-импульсного типа, выходной зажим которого подключен к общей точке соединения затворов регулирующего ключа 4. 1 ил.

Симметричный магнитно-связанный корректор коэффициента мощности с пассивным компенсирующим 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, его первичная обмотка выполнена из двух первичных полуобмоток, последовательно с которыми включены линейные индуктивности, каждая из которых включена в стоки транзисторов, реализующих встречно-последовательный регулирующий ключ, кроме того, введена вторая первичная обмотка трансформатора, противофазная первым первичным полуобмоткам трансформатора, с числом витков, равным сумме чисел витков двух первичных полуобмоток, которая с последовательно включенным конденсатором включена параллельно встречно-последовательному регулирующему ключу, выполненному на полевых транзисторах типа MOSFET, пассивный клампирующий элемент выполнен в виде вторичной обмотки трансформатора, включенной в диагональ полумоста, составленного из двух ветвей, одна из которых включает два последовательно включенных выпрямительных диода, другая два последовательно включенных конденсатора, при этом вторичная обмотка трансформатора началом подключена к общей точке соединения выпрямительных диодов, концом к общей точке соединения конденсаторов, а выходные полюсы полумоста подключены к входным зажимам понижающего регулятора напряжения.