РЕГУЛЯТОР ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, работающих в широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).
Известен регулятор выпрямленного тока (аналог), содержащий схему управления электронными ключами с выходными датчиками каналов обратных связей и последовательно-каскадно включенные между входными и выходными выводами устройства выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и импульсный модулятор, имеющий дроссель, электронные ключи и диоды (А.Евстифеев. Особенности построения балластов для ламп высокого давления. Силовая электроника, №3, 2008 г., с.132-136, рис.4, 5, 6, 10, 11).
Недостатком этого устройства (аналога) являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С, указанных в аналоге, для уличного расположения устройства вблизи разогревающейся нагрузки).
Известен регулятор выпрямительного тока, содержащий схему управления электронными ключами с выходными датчиками каналов обратных связей и последовательно-каскадно включенные между входными и выходными выводами устройства выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и Т-образный импульсный модулятор, состоящий из дросселя, электронного ключа и диода (А.Васильев, В.Худяков, В.Хабузов. Анализ современных методов и технических средств коррекции коэффициента мощности у импульсных устройств. Силовая электроника, №2, 2004 г., с.72-77, рис.9).
Недостатком этого устройства (прототипа) также являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).
По технической сущности наиболее близким (прототипом) к предлагаемому является последний из указанных известных регуляторов выпрямленного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью путем замены его термостойким дроссельным фильтром, совмещенным с дросселем импульсного модулятора.
Техническим результатом предложения является повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.
Указанный результат по первому варианту обеспечивается благодаря тому, что в регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей и каскадно включенные между входными и выходными выводами устройства выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и Т-образный импульсный модулятор, состоящий из дросселя, первого электронного ключа, включенного в проводящем направлении относительно полярности конденсаторного фильтра, и первого диода, включенного в непроводящем направлении относительно полярности выходных выводов устройства, введен второй однонаправленный электронный ключ, подключенный параллельно дросселю модулятора последовательно-встречно с первым электронным ключом, а также благодаря тому, что схема управления электронными ключами содержит канал обратной связи между датчиком напряжения на конденсаторном фильтре и цепью управления первым электронным ключом, а также канал обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства и цепью управления вторым электронным ключом.
Указанный результат по второму варианту обеспечивается благодаря тому, что в регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей и каскадно включенные между входными и выходными выводами устройства выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и Т-образный импульсный модулятор, состоящий из дросселя, первого электронного ключа, включенного в проводящем направлении относительно полярности конденсаторного фильтра, и первого диода, включенного в непроводящем направлении относительно полярности выходных выводов устройства, введен второй однонаправленный электронный ключ, подключенный параллельно выходным выводам импульсного модулятора, связанным с дросселем и первым диодом, а также дополненный вторым диодом, который своим первым выводом соединен с ним последовательно-встречно, а вторым - с одним из выходных выводов устройства, а также благодаря тому, что схема управления электронными ключами содержит канал обратной связи между датчиком напряжения на конденсаторном фильтре и цепью управления первым электронным ключом, а также канал обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства и цепью управления вторым электронным ключом.
Дополнительным техническим результатом предложения является исключение генерирования мощного электромагнитного импульса при аварийном замыкании или пробое в цепи, связанной с энергоемким конденсаторным фильтром.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного регулятора выпрямленного тока.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого регулятора выпрямленного тока в первом варианте на базе «понижающего» импульсного модулятора.
На фиг.2 приведена та же схема, но с «повышающим» импульсным модулятором (для первого варианта).
На фиг.3 приведена та же схема, но с «повышающе-понижающим» (полярно-инвертирующим) импульсным модулятором (для первого варианта).
На фиг.4 приведена принципиальная схема предлагаемого регулятора выпрямленного тока во втором варианте на базе «понижающего» импульсного модулятора.
Предлагаемый регулятор выпрямленного тока (2 варианта) содержит по обоим вариантам (Фиг.1, 2, 3, 4): схему управления 1 электронными ключами и каскадно включенные между входными 2, 3 и выходными 4, 5 выводами устройства выпрямитель 6 с корректором коэффициента мощности 7 и с выходным конденсаторным фильтром 8, Т-образный импульсный модулятор 9, состоящий из дросселя 10, первого электронного ключа 11 и первого диода 12, а также второй однонаправленный электронный ключ 13. Входные выводы канала обратной связи схемы управления электронными ключами соединены с датчиком выпряленного напряжения 14, датчиком напряжения на конденсаторном фильтре 15, датчиком выходного напряжения 16, с датчиком выпрямленного тока 17 и датчиком среднеимпульсного значения выходного тока 18. Во втором варианте добавлен второй диод 19 (Фиг.4).
Первый электронный ключ 11 включен в проводящем направлении относительно полярности конденсаторного фильтра 8. Первый диод 12 включен в непроводящем направлении относительно полярности выходных выводов 4, 5 устройства. Второй электронный ключ 13 по первому варианту подключен параллельно дросселю 10 модулятора 9 и последовательно-встречно с первым электронным ключом 11, а по второму варианту подключен параллельно выходным выводам импульсного модулятора 9, связанным с дросселем 10 и первым диодом 12, а также дополнен вторым диодом 19, который своим первым выводом соединен с первым электронным ключом 11 последовательно-встречно, а вторым - с одним из выходным выводов 4, 5 устройства.
Пунктиром и нумерацией в скобках на всех фиг. показаны альтернативные места расположения элементов, не изменяющие принципа действия устройства и учтенные при обобщенной записи формулы полезной модели.
В качестве первого электронного ключа 11 могут использоваться либо транзистор, либо запираемый (двухоперационный) тиристор, а в качестве второго 13 - последовательная транзисторно-диодная пара, либо любой тиристор (одно- или двухоперационный), т.к. его искусственное запирание можно обеспечить кратковременным включением первого ключа 11.
Схема управления 1 электронными ключами содержит канал обратной связи между датчиками выпрямленного напряжения 14 и напряжения на конденсаторном фильтре 15 и цепью управления первым электронным ключом 11, а также обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства 18 и цепью управления вторым электронным ключом 13. Этот же канал может быть также снабжен цепью обратной связи с датчиком выходного напряжения 16 с целью защиты и коррекции.
Главные отличия предлагаемого устройства от его аналога и от прототипа заключаются в существенном снижении энергоемкости конденсаторного фильтра 8, увеличении энергоемкости дросселя 10 и введении второго электронного ключа 13.
Предлагаемый регулятор выпрямленного тока работает следующим образом. Входные выводы 2, 3 устройства подключают к питающей сети переменного тока, а выходные 4, 5 - к однополярной емкостной, резистивной, полупроводниковой, газоразрядной или смешанной нагрузке, например, к светодиодному столбу, аккумуляторной батарее, полумостовому или мостовому инвертору напряжения и др.
Функцией корректора коэффициента мощности являются обеспечение заданного синусоидального тока, потребляемого из сети, а также его синфазная синхронизация с напряжением сети.
При относительно малой электроемкости конденсаторного фильтра 8 входные среднеимпульсные ток и напряжение импульсного модулятора 9 приближаются по форме к пульсирующей - синусоидальной (по абсолютной величине, пропорциональные значениям |sinωt|). Это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком напряжения на конденсаторном фильтре 8 и цепью импульсного (например, широтно-импульсного или двухпорогового) управления первым электронным ключом. Если при этом на выходе устройства требуется регулировать, например - стабилизировать ток нагрузки, то это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства и цепью управления вторым электронным ключом 13 (также, например, широтно-импульсного или двухпорогового). Для защиты от сверхтоков и перенапряжений и для коррекции цепей управления может быть использована цепь обратной связи по выходному напряжению или току дросселя. В результате указанного управления на входе и выходе устройства, а также на входе импульсного модулятора 9 достигается баланс средних значений мощностей за полупериод питающего (сетевого) напряжения. При этом разница в мгновенных значениях этих мощностей компенсируется за счет относительно большой энергоемкости дросселя.
СЕТИ
H
CP
0
0
Так, например, при синхронных токе и напряжении на входе импульсного модулятора, пропорциональных закону i(t) и u(t)~|sinωt|), мгновенная мощность, потребляемая его входом, будет изменяться по закону, пропорциональному функции p(t)~0,5(1-cos2ωt), где ω=2π/T. Если при этом нагрузкой потребляется постоянная мощность, пропорциональная величине Р=P~0,5, то реактивная мощность дросселя будет пропорциональна величине Q(t)=ΔP(t)~0,5cos2ωt, т.е. является гармонической знакопеременной функцией. При этом энергия дросселя пропорциональна величине W(t)~∫ΔP(t)dt+W=sin2ωt+W, т.е. будет иметь форму пульсирующей величины с произвольно заданной (желательно минимальной) постоянной составляющей.
Ток дросселя будет изменяться по закону, пропорциональному  где L - индуктивность дросселя.
Таким образом, выполняется задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - исключается нетермостойкий электролитический сглаживающий конденсатор с относительно большой энергоемкостью путем переложения его функции на термостойкий дроссельный фильтр, совмещенный с дросселем импульсного модулятора.
При этом достигается технический результат предложения - повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.