Способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H02M7/04 

Основным недостатком такого способа преобразования и устройств для его осуществления является низкий коэффициент мощности. Снижение коэффициента мощности сетевых однофазных выпрямителей является следствием импульсного потребления тока из питающей сети в нагрузку при малом уровне пульсаций выходного напряжения (см. фиг.1 и 2). Кроме того, из-за больших импульсов тока снижается надежность работы разъемов и выключателей, а также возрастает уровень электромагнитных помех генерируемых устройством в питающую сеть. Коэффициент мощности большинства источников питания с бестрансформаторным входом;например в ЭВМ, радиоэлектронной аппаратуре, бытовой электронной аппаратуре (телевизорах, магнитофонах, радиоприемниках и т.п.), находится на уровне 0,6-0,65.

Наиболее близким техническим ре-4 шением к заявляемому является импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности, описанный в 2J. В известном решении осуществляется следующий способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное. Напряжение сети . подают на вход мостового выпрямителя (см.фиг.3). С выхода мостового выпрямителя N через зарядный индуктивно-ключевой преобразователь заряжают емкость С. Заряд емкости С за счет высокой частоты преобразования (примерно 75 кГц) и закона управления преобразователем осуществляется синусоидальным током, потребляемым от сети переменного тока,

В дальнейшем постоянное напряжение с заряженной емкости подают на вход г. преобразователя частоты, где его преобразуют в высокочастотное, трансформируют до нужного уровня и передают в нагрузку.

Недостатками известного решения является то, что в схему источника вводится дополнительно зарядный преобразователь, что усложняет устройство, удорожает его и снижает КПД. Кроме того, при таком способе емкость можно зарядить только до напряжения выше, чем сетевое (например на 15%), и нельзя согласовать напряжение сети с выпрямленным напряжением нагрузки в тех случаях, когда не обходимо выпрямленное напряжение на

5

0

5

0

5

0

5

0

5

нагрузке ниже напряжения сети. Для такого согласования требуется дополнительно высокочастотный преобразователь. Это снижает эффективность способа преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, э также усложняет устройство, осуществляющее данный способ, снижает его КПД и снижает функциональные возможности,

Целью изобретения является повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что:

1)в известном способе преобразования переменного напряжения в постоянное выпрямляют напряжение питающей сети и осуществляют фильтрацию высших гармоник, выпрямленное напряжение сети дополнительно преобразуют в высокочастотное, полученное напряжение преобразуют в постоянное путем сглаживания его через фильтр тока и вновь преобразуют его в высокочастотное;

2)вышеуказанный способ может быть реализован в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащем сетевой выпрямитель, вход которого соединен с входными выводами для подключения питающей сети, высокочастотный преобразователь с выходным трансформатором, соединенным с выходными выводами для подключения нагрузки, и конденсатор фильтра, выход сетевого выпрямителя соединен непосредственно с входом высокочастотного преобразователя, в выходной трансформатор которого введена дополнительная обмотка, соединенная с входом дополнительно введенного выпрямителя с дросселем фильтра на его выходе, причем указанный конденсатор фильтра одним из выводов через дополнительно введенный разделительный диод соединен

с соответствующим выводом входа высокочастотного преобразователя и включен параллельно выходу дополнительного выпрямителя.

Новым в заявляемом способе является то, что выпрямленное сетевое . напряжение преобразуют в высокочас- - тотьое. (например, 25 кГц) и этим напряжением через индуктивность (фильтр тока) заряжают фильтровый конденсатор, а напряжение с фильтрового конденсатора повторно преобразуют в высокочастотное, В устройстве для пре517

образования выход сетевого выпрямителя подключен непосредственно к входу высокочастотного преобразователя, в.выходной трансформатор которого введена дополнительная обмотка которая через выпрямитель и фильтровый дроссель (или без него) подключена к фильтровому конденсатору, который в свою очередь через отсекаю- щий диод подключен к входу высокочастотного преобразователя.

На фиг.1 приведены эпюры выпрямленного напряжения U

6ЫПр

на фильтро

вом конденсаторе Cm и тока сети I0, снятых осцяллографированием на реальном преобразователе (см.фиг.2), без улучшения коэффициента мощности; на фиг.2 приведена типовая структурная схема источника вторичного элект- ропитания с бестрансформаторным входом, где V - сетевой выпрямитель, Сш - фильтрующий конденсатор; на фиг.З приведена структурная схема прототипа, где V - сетевой выпрями- тель, С ср - фильтрующий конденсатор; на фиг.4 приведена электрическая схема заявляемого устройства, где 1 - сетевой выпрямитель; 2 - высокочастотный преобразователь , 3 выход- ной трансформатору 4 - дополнительные полуобмотки; 5 - полумостовой выпрямитель1, 6 - фильтровый конденсатор 7 - фильтрующий дроссель; 8 - нагрузочный выпрямитель1, 9 - фильтрующие конденсаторы нагрузки для устранения высокочастотных пульсаций, 10 - нагрузочные обмотки высокочастотного преобразователя; 11 - отсекающий диод.

На фиг.5 приведены эпюры:

а)напряжения на входе высокочастотного преобразователя;

б)тока сети;

в)напряжения на нагрузке преоб- разователя.

Сущность предлагаемого способа преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное заключается в следующем.

Известно, что в традиционном преобразователе переменного напряжения в выпрямленное постоянное однофаз-г ный выпрямитель нагружен на массивную емкость, величина пульсаций пес- тоянного напряжения определяется величиной фильтрующей емкости и нагрузки. Чем больше фильтрующая емкость, тем меньше величина пульсаций. Одна-

5

s 0 5 0 0

5

С

ко, с другой стороны, чем меньше ве- : личина пульсаций (см.фиг.1 и 2), тем уже импульса тока, потребляемый из сети, и больше его амплитуда. Такой режим потребления тока из питающей сети ведет к существенному снижению коэффициента мощности. С точки зрения повышения коэффициента мощности целесообразно иметь фильтрующую емкость как можно меньше. Однако снижение фильтрующей емкости приводит к увеличению пульсаций, а это в свою очередь не желательно, т.к. большинство электролитических конденсаторов, выпускаемых промышленностью, допускает величину пульсаций, не превышающую 20%. С учетом этих факторов реальный коэффициент мощности однофазных выпрямителей с фильтрующей емкостью на выходе составляет величину 0,62-0,67. Кроме того, узкие и большой амплитуды импульсы тока, потребляемые из сети, отрицательно влияют на надежность работы разъемов, выключателей, а также генерируют в питающую сеть высокий уровень электрома - нигных радиопомех.

В решении, структурная схема которого приведена на фиг.З (прототип), за счет введения в схему специального зарядного преобразователя, заряд фильтрового конденсатора Cm производится синусоидальным током, потребляемым из питающей сети. Поэтому коэффициент мощности такого устройства близок к единице. Однако для того, чтобы получить напряжение на нагрузке согласованной (нужной) величины необходим второй преобразователь, что естественно усложняет схему и несколько снижает его КПД за счет включения дополнительного последовательного звена.

В заявляемом решении удается совместить функции заряда фильтрующего конденсатора и согласования выходного напряжения с напряжением нагрузки в одном преобразователе, что естественно позволяет упростить схему преобразователя и повысить его КПД. Процесс преобразования происходит следующим образом. Напряжение с выхода сетевого выпрямителя подают на вход высокочастотного преобразоватег ля, преобразуют в высокочастотное (например 25 кГц). С выходного транс, форматора преобразователя через отдельную обмотку, выпрямитель и фильтрующий дроссель (который может отсутствовать, если достаточно индуктивности рассеивания трансформатора) заряжают фильтрующий конденсатор . Напряжение с фильтрового конденсатора через отсекающий диод подают на вход высокочастотного преобразователя. С выходных обмоток трансформатора через выходной выпрямитель и высокочастотный фильтр напряжение подают в нагрузку. Высокочастотное напряжение и дроссель в цепи заряда фильтрового конденсатора позволяют вести заряд конденсатора фильтра током сети близким к синусоидальному, а обратная связь преобразователя поддерживает на заданном уровне постоянное стабильное напряжение на нагрузке. Коэффициент мощности устройства при таком способе преобразования лежит в пределах 0,9-0,95 (см.фиг.5).

Предлагаемый способ осуществляется посредством следующих операций. Напряжение сети выпрямляют и преобразовывают в высокочастотное (например, 25 кГц), а затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через фильтр тока (например, дроссель). Высокочастотное напряжение и дроссель позволяют плавно заряжать фильтровую емкость, приближая форму зарядного тока сети к синусоиде. Полученное напряжение повторно преобразуют в высокочастотное. Это позволяет повысить эффективность преобразования за счет двойного использования высокочастотного преобразования напряжения.

Устройство для преобразования переменного сетевого напряжения в пос тоянное (см.фиг.4) содержит сетевой выпрямитель 1, вход которого подключен к питающей сети, а выход - к входу высокочастотного преобразования 2, в состав которого входит выходной трансформатор 3. Дополнительная обмотка k выходного трансформатора 3 через выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 подключена к фильтровому конденсатору 6, который в свою очередь через отсекающий диод 11 подключен к входу высокочастотного преобразователя 2. Выходные обмотки 10 трансформатора 3 через выпрямители 8 подключены к нагрузке к высокочастотным фильтрующим конденсаторам 9.

Устройство работает следующим образом.

При включении напряжения питающей сети на выходе сетевого выпрямителя 1 появляется выпрямленное напряжение, которое изменяется по полуволнам синусоиды, которое в преобразователе 2 преобразует в высокочас- тотное (нап ример 25 кГц). Полученное высокочастотное напряжение через дополнительную обмотку k трансформатора ; 3, выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 подается на заряд фильтрового 5 конденсатора 6, напряжение с которого подается через отсекающий диод 11 на вход преобразователя 2. С другой стороны, через выходные обмотки 10, выходные выпрямители 8 напряжение г 0 прикладываются к загрузке и высокочастотным фильтровым емкостям 9.

После выхода преобразователя на установившийся режим (см.фиг.5), когда напряжение сети иех Пр ниже, 5 Чем напряженке Uccp на конденсаторе 6, энергия в нагрузку поступает от конденсатора 6. В точке, где напряжение UBX пр становится выше, чем напряжение U Сф . Энергия в нагрузку 0 поступает от питающей сети и одновременно идет заряд конденсатора 6. Поскольку в заявляемом решении фильтрующая емкость отдает в нагрузку энергию значительно меньше время, чем в 35 схемах фиг.2 и 3, то и величина

фильтрующей емкости будет иметь пропорционально меньшее значение. Поскольку заряд фильтрового конденсатора 6 производится высокочастотным нап- 40 ряжением, через дроссель 7, то форма зарядного тока сети (см.фиг.56) имеет форму, приближенную к синусоидальной. При этом коэффициент мощности . устройства имеет значение в прелелах 45 0,9-0,95. Пульсации в выходном напряжении (см.фиг.5в) убираются с помощью обратной связи преобразовате-- ля и фильтрующих емкостей 3.

Предлагаемый способ обладает выс- 50 шей эффективностью по сравнению с прототипом за счет двойного использования высокочастотного преобразования напряжения, что позволяет повысить КПД преобразования. 55 Предлагаемое решение позволяет на снизить массогабаритные характеристики и стоимость преобразователя по сравнению с прототипом за счет исключения из схемы специально917

го зарядного преобразователя. Кроме того, оно может быть легко адаптировано в уже существующие и хорошо отработанные решения, как источни- ки вторичного питания радиоэлектронной аппаратуры промышленного и бытового применения. При этом изменяется только выходной трансформатор и конфигурация соединений. Формула изобретения 1. Способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, заключающийся в том, что выпрямляют напряжение питающей сети и осу- ществляют фильтрацию высших гармоник, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, выпрямленное напряжение сети дополнительно преобразуют , в высокочастотное, полу- ченное напряжение преобразуют в постоянное путем сглаживания его через фильтр тока и вновь преобразуют его в высокочастотное.

5Ю

2. Устройство для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащее сетевой выпрямитель, вход которого соединен с выходными выводами для подключения нагрузки и конденсатор фильтра, о т- личающееся тем, что, с целью повышения КПД, выход сетевого выпрямителя соединен непосредственно с входом высокочастотного преобразователя, в выходной трансформатор которого введена дополнительная обмотка, соединенная с входом дополнительно введенного выпрямителя с дросселем фильтра на его выходе, причем указанный конденсатор фильтра одним из выводов через дополнительно введенный разделительный диод соединен с соответствующим выводом входа высокочастотного преобразователя и включен параллельно выходу дополнительного выпрямителя.

Использование: изобретение может быть использовано в качестве источника питания с улучшенным коэффициентом мощности для различных электроприемников. Сущность изобретения: выпрямленное напряжение сети преобразуют в высокочастотное, затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного тока в постоянный с улучшенным коэффициентом мощности с целью питания различных электроприемников, например электронной аппаратуры и т.п. фильтр ток (например дроссель), что позволяет растянуть зарядный ток фильтровой емкости и снизить его амплитуду, затем полученное постоянное напряжение через разделительный элемент, например диод, подают повторно на вход высокочастотного преобразователя и преобразуют в высокочастотное. Способ реализуется в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащем сетевой выпрямитель 1, подключенный к питающей сети, вы-, сокочастотный преобразователь 2 с выходным трансформатором 3 и фильтровую емкость 6. Выход сетевого выпрямителя 1 подключен непосредственно к входу высокочастотного преобразователя 2, в выходной трансформатор 3 которого введена дополнительная обмотка }, которая через выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 (или без него) подключена к фильтровому конденсатору 6, который в свою очередь через отсекающий диод 11 подключен к входу высокочастотного преобразователя 2. 1 з.п.ф-лы, 5 ил. В настоящее время для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используются преимущественно однофазные мостовые выпрямители. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя включается массивный электролитический конденсатор fj. XI XI Х| ю ел

UfolflpФиг. 1.

, К нагрузке

т

сеть

ОН гЙ-г-Ч Ь

-Wи 1 М-1 И

3 и рядный првбБразоВотель

- -в

Высокочастотный преоброзо&опль

$«V

го

В

8шкочвстотный преоБразойаяль

-j -.J -j

м

LC

Нагрузка

Чгъ

Н&рузха

.

%./7Д

фиг. 5