Корректор коэффициента мощности с псевдонепрерывным током индуктивного накопителя
POWER FACTOR CORRECTOR WITH PSEUDO-DISCONTINUOUS CURRENT OF INDUCTIVE ACCUMULATOR

Настоящее изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания с синусоидальной формой потребляемого тока.
Из существующего уровня техники известны корректоры коэффициента мощности (ККМ) на основе повышающего и повышающе-понижающего преобразователей, работающие в режиме псевдонепрерывных (псевдо-РНТ) токов. В псевдо-РНТ индуктивный накопитель работает в трех состояниях: накопление, передача, хранение энергии. Система управления (СУ) ККМ должна обеспечивать стабилизацию выходного напряжения ККМ и формирование с заданной точностью синусоидального входного тока, синфазного с напряжением сети.
Наиболее близким к заявляемому устройству с псевдонепрерывным током индуктивного накопителя является ККМ с выпрямительным мостом на входе и последовательно-параллельным силовым контуром, предложенный в [Zhang F., Xu J., Yang P., Chen Z. Single-phase two-switch PCCM buck-boost PFC converter with fast dynamic response for universal input voltage. 8th International Conference on Power Electronics - ECCE Asia, Jeju, 2011, pp. 205-209]. Особенностью данного решения является модуляция тока индуктивного накопителя произведением тока нагрузки и выпрямленного напряжения сети. Недостатками прототипа являются необходимость использования в СУ перемножителя и датчика выпрямленного напряжения сети, отсутствие общей точки нагрузки и глухозаземленной нейтрали сети.
Наиболее близким к заявляемому устройству с заземленной нагрузкой является однофазный безмостовой ККМ, предложенный в патенте РФ №2541910.
Техническим результатом в заявляемых ККМ с выпрямительным мостом и безмостовом ККМ, построенным на основе последовательно-параллельного преобразователя, является упрощение системы управления и возможность ее адаптации для управления ККМ с другими видами силовых контуров, работающих в режиме псевдонепрерывных токов.
Технический результат достигается за счет исключения из системы управления ККМ перемножителя и датчика напряжения сети.
Сущность изобретения поясняется чертежами Фиг. 1-10.
- Фиг. 1. ККМ на основе последовательно-параллельного преобразователя с выпрямительным мостом, обратными связями по выходному напряжению и току с модуляцией тока индуктивного накопителя током нагрузки.
- Фиг. 2 - ККМ с безмостовым силовым контуром и адаптированной СУ для работы в режиме псевдонепрерывных токов.
- Фиг. 3 - Временные диаграммы тока индуктивного накопителя ККМ в различных режимах работы.
- Фиг. 4 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале накопления.
- Фиг. 5 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале передачи.
- Фиг. 6 - Контур протекания тока индуктивного накопителя ККМ с выпрямительным мостом на интервале хранения.
- Фиг. 7 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале накопления при положительном полупериоде сетевого напряжения.
- Фиг. 8 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале накопления при отрицательном полупериоде сетевого напряжения.
- Фиг. 9 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале передачи.
- Фиг. 10 - Контур протекания тока индуктивного накопителя безмостового ККМ на интервале хранения.
Обозначения на чертежах:
1 - выпрямительный мост,
2, 23 - помехоподавляющие фильтры,
3, 9, 21 - ключевые элементы (полностью управляемые вентили),
4, 11, 20, 22 - диоды,
5 - датчик тока индуктивного накопителя,
6, 10 - компараторы,
7 - индуктивный накопитель,
8 - логический элемент ИЛИ,
12 - конденсатор,
13 - генератор пилообразного напряжения,
14 - звено коррекции,
15 - датчик тока нагрузки,
16 - нагрузка,
17, 18 - датчик и уставка выходного напряжения соответственно,
19 - сумматор.
Системы управления ККМ, приведенные на фиг. 1 и 2, содержат по два контура обратной связи (ОС): инерционной по напряжению и быстродействующей по току хранения. ОС по напряжению для ККМ, изображенных на фиг. 1 и 2, выполнена на элементах 10, 13, 14, 17, 18, 19. ОС по току хранения для ККМ, изображенного на фиг. 1, выполнена на элементах 5, 6, 8, 15. ОС по току хранения для ККМ на фиг. 2 выполнена на элементах 5, 6, 15. Контур стабилизации выходного напряжения управляет длительностью интервала накопления энергии в индуктивном накопителе, контур формирования тока хранения задает длительность интервала хранения. При этом на длительность интервала передачи энергии в нагрузку влияют оба контура.
L
C
К
ХР
В общем случае, ККМ может работать в следующих режимах: непрерывного (РНТ), прерывистого (РПТ), псевдонепрерывного (псевдо-РНТ). Качественно форма тока индуктивного накопителя i(t) на полупериоде сети Т/2 для указанных режимов приведена на фиг. 3. Период коммутации Т состоит из трех интервалов: накопления энергии в индуктивном накопителе, передачи энергии в нагрузку, хранения энергии. В псевдо-РНТ ток индуктивного накопителя на очередном периоде коммутации начинается не с нуля, а с тока хранения I. Благодаря этому форма тока индуктивного накопителя имеет не чисто треугольную форму, как в РПТ, а треугольную с «пьедесталом». Это позволяет уменьшить пиковое значение токов индуктивного накопителя, ключей и диодов.
Модуляция тока индуктивного накопителя ККМ на основе последовательно-параллельного преобразователя с выпрямительным мостом (фиг. 1) в псевдо-РНТ осуществляется следующим образом:
LH
1. Интервал накопления энергии. По сигналу обратной связи по напряжению открываются ключевые элементы 3 и 9, начинается подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i нарастает, протекая по контуру (фиг. 4): положительный вывод помехоподавляющего фильтра 2 - ключевой элемент 3 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 9 - отрицательный вывод помехоподавляющего фильтра 2.
LП
2. Интервал передачи энергии в нагрузку. По сигналу обратной связи по напряжению закрываются ключевые элементы 3 и 9, начинается интервал передачи, на котором часть энергии индуктивного накопителя поступает в нагрузку, ток i уменьшается, протекая по контуру (фиг. 5): диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - диод 11 - датчик тока 15, соединенный последовательно с нагрузкой 16, параллельно которым включен конденсатор 12 - отрицательный вывод помехоподавляющего фильтра 2.
LП
LХР
ХР
3. Интервал хранения. Как только уменьшающийся ток i достигнет уровня уставки, сработает быстродействующая ОС по току и откроет ключевой элемент 9. Ток i зафиксируется на уровне уставки I, пропорциональной току нагрузки. Ток протекает по контуру, показанному на фиг. 6: диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 9.
Модуляция тока индуктивного накопителя безмостового ККМ (фиг. 2), осуществляется следующим образом:
1. Интервал накопления энергии.
LH
На положительном полупериоде сети по сигналу ОС по напряжению открываются ключевые элементы 3 и 21 (фиг. 7). Начинается подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i нарастает, протекая по контуру: выход помехоподавляющего фильтра 23 - ключевой элемент 3 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 21 - диод 22 - общий вывод помехоподавляющего фильтра 23.
LН
На отрицательном полупериоде сети по сигналу ОС по напряжению открывается ключевой элемент 21. Происходит подкачка энергии в индуктивный накопитель. Его ток i нарастает, протекая в прежнем направлении. Контур протекания тока (фиг. 8): общий вывод помехоподавляющего фильтра 23 - диод 4 - датчик тока 5 - индуктивный накопитель 7 - ключевой элемент 21 - диод 20 - выход помехоподавляющего фильтра 23.
LП
2. Передача энергии в нагрузку у безмостового ККМ аналогична рассмотренной выше для ККМ с выпрямительным мостом. Контур протекания тока i в безмостовом ККМ изображен на фиг. 9.
LХР
3. На интервале хранения ток i в безмостовом ККМ протекает по контуру, приведенному на фиг. 10, аналогично случаю ККМ с выпрямительным мостом. Процессы управления ключами идентичны рассмотренным выше.
Работоспособность предложенных устройств подтверждается результатами имитационного моделирования и реального макетирования.