КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
POWER COEFFICIENT CORRECTOR

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам коррекции коэффициента мощности в источниках переменного напряжения, и может найти широкое применение в устройствах питания электроники и в линиях энергоснабжения.
Известен преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности, включающий входной выпрямитель, датчик тока, транзистор, дроссель, отсекающий диод, конденсатор, параллельно которому подключены нагрузки и датчик выходного напряжения, схему управления с источником опорного напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, и выход схемы сравнения через корректирующее устройство и интегратор с тактирующим входом подключен к одному из входов компаратора, выход которого подключен к счетному входу триггера, вход которого соединен с выходом задающего генератора, прямой выход триггера через драйвер подключен к затвору транзистора, инверсный выход задающего генератора связан с тактирующим входом интегратора. Дополнительно введены датчик выпрямленного напряжения сети и второе корректирующее устройство, включенное между выходом первой схемы сравнения и входом компаратора. Вторая схема сравнения выполнена трехвходовой, к входам которой подключены выходы обоих датчиков напряжения и источника питающего напряжения. Выход через корректирующее устройство связан с входом интегратора и одним из входов первой схемы сравнения, а тактирующий вход интегратора соединен с выходом задающего генератора. К положительному выводу выпрямителя подключен коллектор транзистора, эмиттер которого через дроссель и датчик тока соединен с его отрицательным выводом. Параллельно дросселю подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и отсекающего диода (см. описание патента РФ на полезную модель №92261, МПК H02M 9/06, публикация 10.03.2010).
Недостатком известного преобразователя и корректора является наличие 3-х датчиков (2 напряжения и 1 тока), приводящих к усложнению схемы управления. Наличие 3-х компараторов, интегратора, корректирующих устройств приводит к снижению КПД устройства за счет рассеяния энергии на элементах управления.
Известно устройство зарядки, включающее взаимосвязанные между собой вторичный источник с входным конденсатором, узел сетевого напряжения с мостовым выпрямителем и диодным мостом, корректор коэффициента мощности, который выполнен в виде блока управления, индуктивности, диода с ключом, делителей на резисторах, блока контроля превышения напряжения и ключа замыкания - размыкания (см. описание патента РФ на полезную модель №50058, МПК H02J 7/00, публикация 10.12.2005).
Недостатком известного устройства зарядки является наличие делителей напряжения, приводящих к дополнительным потерям энергии, и не указано функциональное назначение некоторых узлов в процессе стабилизации и коррекции формы тока.
Известен корректор коэффициента мощности (фиг.1), содержащий сетевой выпрямитель (1), дроссель (2), датчик тока (3), ключ (4), схему управления ключом (5), первый трансформатор (6), второй трансформатор (9), ограничитель напряжения (12), выходной резистивный делитель (13), первый, второй, третий, четвертый и пятый выпрямительные диоды (14-18), выходной емкостный фильтр (19), выходные шины (20, 21) для подключения нагрузки (см. описание изобретения к патенту РФ №2379743, МПК G05F 1/70, публикация 20.01.2010).
Недостаток известного устройства состоит в том, что для управления работой корректора коэффициента мощности требуется три сигнала, снимаемых с выхода устройства, что потребовало ввести резистивные делитель выходного напряжения и датчик тока, два трансформатора тока (входного и выходного), стабилитрон, ухудшающие массогабаритную характеристику и КПД устройства, потери на которых составляют более двух порядков в сравнении с входной мощностью микросхемы.
Задачей заявляемого изобретения является упрощение корректора коэффициента мощности с целью повышения КПД и надежности устройства, а также уменьшения его габаритов.
Сущность изобретения выражается в том, что заявляемый корректор коэффициента мощности содержит мостовой выпрямитель, выходной конденсатор, накопительный дроссель-трансформатор, генератор тактовых импульсов, ключевой полевой транзистор, первый выпрямительный высокочастотный диод и дополнительно содержит один вспомогательный и один выходной конденсатор, второй и третий выпрямительные высокочастотные диоды.
С целью минимизации потерь энергии в корректоре мощности, управление выходным напряжением и ограничение максимального тока осуществляется только величиной напряжения питания устройства управления, которое является постоянной частью выходного напряжения корректора коэффициента мощности, запускается и стабилизируется без применения дополнительных элементов самим корректором коэффициента мощности.
Заявленное изобретение позволяет упростить структуру корректора коэффициента мощности и повысить его КПД исключением резистивных датчика тока, делителей входного и выходного напряжения и стабилизированного источника питания.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 показан прототип - корректор коэффициента мощности по патенту РФ №2379743, МПК G05F 1/70. публикация 20.01.2010, а на фиг.2 приведена схема электрическая принципиальная заявляемого корректора коэффициента мощности.
Заявляемый корректор коэффициента мощности содержит мостовой выпрямитель 1, конденсатор 2, накопительный дроссель (трансформатор) 3, генератор тактовых импульсов 4, ключевой полевой транзистор 5, первый выпрямительный высокочастотный диод 6, первый выходной конденсатор 7, второй выходной конденсатор 8, второй и третий выпрямительные высокочастотные диоды 9 и 10.
Отличие заявляемого корректора коэффициента мощности от прототипа заключается в том, что он дополнительно содержит вспомогательный конденсатор 2 и выходной кондексатор 8, второй и третий выпрямительные высокочастотные диоды 9 и 10 и в нем исключены элементы, ухудшающие массогабаритные характеристики и КПД устройства: датчик тока, оба трансформатора, ограничитель напряжения, выходной резистивный делитель и четыре выпрямительных диода,
Корректор коэффициента мощности работает следующим образом.
T
Т
T
Т
3
Если частота f тактового генератора 4 много больше частоты fс сети (f/fс≈10), то за один период тактовой частоты, Т=1/f, сетевое напряжение практически не меняется:
с
Т
с
Т
с
[U(t+T)/U(t)]≤f/f≈0
T
Среднее значение силы пилообразного тока, потребляемого из сети за один период тактовой частоты при времени τ открытого состояния ключевого транзистора (5), определяется соотношением:
ср
T
T
с
T
др
с
Т
др
I(T)=τU(t)/2TL=U(t)[k/2L],
ср
Т
где I(T) - среднее за период тактовой частоты значение силы тока,
с
U(t) - текущее значение напряжения питающей сети,
др
L - индуктивность дросселя 3,
Т
Т
Т
k=τ/T - коэффициент заполнения тактовых импульсов.
Следовательно, средняя за период тактовых импульсов сила тока пропорциональна напряжению питающей сети, т.к. индуктивность дросселя определяется только его конструкцией при отсутствии насыщения сердечника.
Форма тока, потребляемого из сети, пропорциональна мгновенному значению напряжения сети при постоянной в течение полупериода питающей сети скважности импульсов управления.
Среднее значение силы тока, потребляемого из сети гармонического напряжения, также определяется только скважностью тактовых импульсов и амплитудой сетевого напряжения:
ср
с
Т
mс
др
I(T)=kU/πL
mс
где U - амплитудное значение напряжения сети.
Т
Тmax
Максимальная сила тока в нагрузке не может выйти за пределы, определяемые максимальным значением коэффициента заполнения k=k на уровне:
mах
mс
Тmax
др
I=U(t)[k/2L]
н
Если сила тока, потребляемого из сети, не равна силе тока I нагрузки корректора коэффициента мощности (ККМ), то напряжение на накопительном конденсаторе ККМ изменяется:
вых
ср
с
н
вых
ΔU=[I(T)-I]Δt/C
вых
где ΔU - изменение напряжения на выходном конденсаторе,
Δt - время изменения напряжения,
вых
С - емкость выходного конденсатора.
Т.е. при управлении ККМ нецелесообразно включать высоковольтные резистивные делители напряжения и резистивный датчик тока, теряя на них энергию:
,
.
Достаточно лишь следить за выходным напряжением ККМ.
Это позволяет упростить ККМ (см. фиг.2).
Корректор работает следующим образом.
Входное напряжение (переменное или постоянное) подается на мостовой выпрямитель 1, с него через последовательно соединенный дроссель 3 и выпрямительный диод 6 поступает на последовательно соединенные высоковольтный 7 и низковольтный 8 конденсатор, выполняющие функции делителя выходного напряжения и накопителя энергии для питания нагрузки. Напряжение, возникающее на конденсаторе 8, используется для питания устройства 4 управления транзистором 5. Транзистор включен стоком к точке соединения дросселя 3 (вывод 2) с анодом диода 6, а истоком к минусу выпрямителя 1. После зарядки конденсатора 8 (за время <10 мс) начинает работать генератор 4 и транзистор 5. Импульсы, возникающие на стоке транзистора 5, выпрямляются диодом 6 и заряжают конденсаторы 7 и 8 до напряжения, превышающего максимальную амплитуду сетевого питающего напряжения. Импульсное напряжение, возникающее на дросселе 3 (обмотка I, выводы 1-2), с помощью вспомогательной обмотки II (выводы 3-4), конденсатора 2 и выпрямительных диодов 9-10, подзаряжает конденсатор 8. Напряжение конденсатора 8 является постоянной частью выходного напряжения, зависящей только от соотношения числа витков в обмотках дросселя и остаточного напряжения на диодах 9-10, используется для питания устройства управления 4 и для изменения скважности импульсов, формируемых генератором.
Заявленное изобретение, позволяет увеличить КПД устройства, не требует резистивных делителей напряжения и датчика тока, что значительно упрощает логику и структуру схемы, снижает потери энергии и повышает надежность устройства.