КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к радиоэлектронике, в частности, к корректорам коэффициента мощности, и может быть использована для подключения к электрической сети переменного напряжения или к другому источнику переменного напряжения для осуществления временного питания переменным напряжением нагрузки с электрической мощностью потребления выше, чем мощность указанной электрической сети переменного напряжения или другого источника переменного напряжения и для сложения мощностей нескольких источников напряжения. Кроме того, предлагаемая полезная модель может быть использована в качестве стабилизатора переменного напряжения, для защиты от электротока выше допустимого и от короткого замыкания, а также для защиты электросети при включении реактивной мощности нагрузки.
Уровень техники
Известны однофазные корректоры коэффициента мощности (см. статью «Типовые схемы корректоров коэффициента мощности», авторы Иванов В. и Понфилов Д., журнал «Новости о микросхемах», 1997 г. №9-10, стр.35-38), включающие в себя дроссели, диодные мосты и схемы управления. Недостатком указанных корректоров является то, что на нагрузку они выдают постоянное напряжение и не могут в течение периода времени питать переменным напряжением нагрузку с электрической мощностью потребления выше, чем мощность указанной электрической сети. Указанные корректоры не могут также сложить мощность нескольких источников напряжения. У указанных корректоров нет защиты от повышения тока выше допустимого и от короткого замыкания.
Сущность полезной модели
Предлагаемый в соответствии с полезной моделью корректор коэффициента мощности (далее по тексту - ККМ), включающий в себя как минимум один обладающий электрической емкостью элемент и как минимум один коммутирующий элемент, при подключении его (ККМ) к источнику переменного напряжения и к нагрузке, обладающей мощностью большей, чем мощность указанного источника переменного напряжения, посредством использования и объединения мощности указанного источника переменного напряжения и как минимум одного являющегося составной частью ККМ элемента, обладающего электрической емкостью, выдает на нагрузку в течение повторяющихся периодов времени переменное напряжение с мощностью большей, чем мощность указанного источника переменного напряжения, при этом параметры указанного источника напряжения остаются без изменений. При подключении ККМ одновременно к источнику переменного напряжения и как минимум к одному источнику любого напряжения и к нагрузке, обладающей мощностью большей, чем совокупная мощность указанных источников напряжения, ККМ посредством использования и объединения мощности указанных источников напряжения и как минимум одного являющегося составной частью ККМ элемента, обладающего электрической емкостью, выдает на нагрузку в течение повторяющихся периодов времени переменное напряжение с мощностью большей, чем суммарная мощность указанных источников напряжения, при этом параметры всех указанных источников напряжения остаются без изменений. ККМ подключается к источнику переменного напряжения и к источнику(ам) с любым напряжением и выдает на нагрузку мощность, равную сумме мощностей указанных источников, при этом параметры указанных источников остаются без изменений. ККМ работает как стабилизатор переменного напряжения, а также осуществляет защиту источников питания переменным напряжением от электротока выше допустимого и от короткого замыкания. ККМ защищает источник переменного напряжения или другой источник напряжения от реактивной мощности нагрузки. Как минимум два ККМ, соединенные между собой и подключенные каждый к своему источнику переменного напряжения, складывают мощность указанных источников переменного напряжения, не изменяя их параметров. ККМ может быть отдельным устройством или является составной частью электрического устройства.
Раскрытие полезной модели
Указанный технический результат достигается следующим образом:
1. Корректор коэффициента мощности, включающий дроссели, диодные мосты и схемы управления, отличающийся тем, что корректор коэффициента мощности (далее по тексту - ККМ), включающий в себя как минимум один обладающий электрической емкостью элемент (без ограничения по количеству указанных элементов) и как минимум один коммутирующий элемент, при подключении его (ККМ) к источнику переменного напряжения и к нагрузке, обладающей мощностью большей, чем мощность указанного источника переменного напряжения, посредством использования и объединения мощности указанного источника переменного напряжения и как минимум одного являющегося составной частью ККМ элемента, обладающего электрической емкостью, выдает на нагрузку в течение повторяющихся периодов времени переменное напряжение с мощностью большей, чем мощность указанного источника переменного напряжения, при этом параметры указанного источника напряжения остаются без изменений.
2. При подключении ККМ одновременно к источнику переменного напряжения и как минимум к одному источнику любого напряжения (без ограничения по количеству указанных источников любого напряжения) и к нагрузке, обладающей мощностью большей, чем совокупная мощность указанных источников напряжения, ККМ посредством использования и объединения мощности указанных источников напряжения и как минимум одного являющегося составной частью ККМ элемента, обладающего электрической емкостью, может выдавать на нагрузку в течение повторяющихся периодов времени переменное напряжение с мощностью большей, чем суммарная мощность указанных источников напряжения, при этом параметры всех указанных источников напряжения останутся без изменений.
3. ККМ посредством использования как минимум одного блока согласования, являющегося составной частью ККМ, может складывать мощность источника переменного напряжения и мощность как минимум одного другого источника любого напряжения без ограничения по количеству указанных источников любого напряжения и выдавать на подключенную к ККМ нагрузку мощность, равную сумме мощностей указанных источника переменного напряжения и как минимум одного другого источника любого напряжения, при этом параметры всех указанных источников останутся без изменений.
4. ККМ посредством использования включенных в него как минимум одного элемента, обладающего электрической емкостью, и регулирующих элементов, может стабилизировать напряжение источника переменного напряжения и защищать указанный источник переменного напряжения от электротока выше допустимого и от короткого замыкания.
5. ККМ посредством использования включенных в него регулирующих элементов может обеспечивать защиту подключенного к нему источника переменного напряжения от реактивной мощности нагрузки, а посредством включенного в ККМ как минимум одного элемента, обладающего электрической емкостью, ККМ может компенсировать указанную реактивную мощность.
6. ККМ посредством использования включенных в него регулирующих элементов может обеспечивать защиту подключенных к нему источника переменного напряжения и как минимум одного источника любого напряжения от реактивной мощности нагрузки, а посредством включенного в ККМ как минимум одного элемента, обладающего электрической емкостью, ККМ может компенсировать указанную реактивную мощность.
7. Как минимум два ККМ могут соединять между собой по выходу.
8. ККМ может являться составной частью любого известного из уровня техники электрического устройства.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 изображена схема корректора коэффициента мощности.
На фиг.2 изображен принцип работы корректора коэффициента мощности.
Осуществление полезной модели
На фиг.1 изображена схема ККМ. В состав схемы ККМ входят: 1) устройство включения ККМ S1, 2) оптотиристоры D4 и D6, разбивающие входное напряжение на два полупериода, 3) диоды D5 и D7, соединяющие два полупериода входного напряжения, 4) сопротивления R1, R5, R18, R6, R7, R8, R10, R11, R12, 5) конденсаторы С1, С2, С5, С6, 6) стабилитроны D1 и D3, 7) диоды D9, D10, D11, D8, D32, D33, D31, D36, образующие два сбалансированных моста, 8) оптотиристоры D2 и D16, 9) диоды D11, D12, D14, D13, D15, D18, D17, D19, применяемые для зарядки конденсаторов С3 и С4, 9) сопротивления R13 и R14, 10) диоды D22 и D40, 11) стабилитроны D20 и D21, предназначенные для управления оптотиристорами D2 и D16, 12) сопротивления R17, R15, R16, 13) диоды D24 и D26, 14) стабилитроны D24 и D25, предназначенные для управления оптотиристорами D4 и D6, 15) реле К1…К3, предназначенные для подключения и отключения нагрузки от ККМ, 16) блок согласования Б1 или блоки согласования БN (где N>1), предназначенный(е) для приведения напряжения внешних источников к величине напряжения заряда конденсаторов, 17) диоды D27-D30, предназначенные для подключения и согласования блока Б1 или блоков БN и конденсаторов С3, С4.
ККМ работает следующим образом. Входное напряжение подается на клеммы КЛ1А и КЛ1Б, то есть, на вход ККМ. При включении ККМ с помощью устройства включения ККМ S1 напряжение любого источника переменного напряжения в данном случае электросети (сети) поступает на оптотиристоры D4 и D6, разбивающие входное напряжение на два полупериода, затем напряжение сети поступает на диоды D5 и D7, соединяющие два полупериода входного напряжения. Это делается для того, чтобы напряжение и мощность на выходе ККМ не влияли на напряжение сети и для того, чтобы увеличить мощность и/или напряжение на выходе ККМ. Мощность и/или напряжение на выходе ККМ увеличиваются до заданного значения путем сложения мощности и напряжения: а) положительного полупериода напряжения сети в месте соединения оптотиристора D4 и диода D5 с мощностью постоянного напряжения разряда конденсатора С4 и б) отрицательного полупериода напряжения сети в месте соединения оптотиристора D6 и диода D7 с мощностью постоянного напряжения разряда конденсатора С3. Увеличение напряжения на выходе ККМ до заданного значения происходит только при подключении нагрузки на клеммы КЛ2А и КЛ2Б ККМ. Напряжение на выходе ККМ уменьшается до заданного значения при увеличении напряжения на входе ККМ выше заданного значения путем постепенного закрытия оптотиристоров D6 и D4.
Конденсаторы С3 и С4 работают следующим образом. Когда напряжение на выходе ККМ равно заданной величине и напряжению на входе ККМ, то с помощью двуполупериодных выпрямителей на диодах D11, D12, D14, D13, D15, D18, D17, D19 и оптотиристоров D2 и D16, указанные конденсаторы С3 и С4 заряжаются. При этом, амплитуда заряда постоянного напряжения каждого из указанных конденсаторов равна половине амплитуды переменного напряжения на выходе ККМ. Это достигается тем, что когда напряжение на выходе ККМ равно заданной величине и напряжению на входе ККМ, напряжение на сопротивлении R16 делителя напряжения, образованного диодами D26 и D34, сопротивлениями R16, R15, R17, стабилитронами D24 и D26 и оптовходами оптотиристоров D4 и D6, равно напряжению открытия оптотиристоров D4 и D6, а напряжение на сопротивлении R14 делителя напряжения, образованного диодами D22 и D40, сопротивлениями R13 и R14, стабилитронами D20 и D21 и оптовходами оптотиристоров D2 и D16, равно напряжению закрытия оптотиристоров D2 и D16. Поэтому оптотиристоры D4 и D6 открыты, а оптотиристоры D2 и D16 закрыты, и амплитуда заряда постоянного напряжения каждого из указанных конденсаторов равна половине амплитуды переменного напряжения на выходе ККМ. Как только напряжение на выходе ККМ становится больше заданной величины, то стабилитроны D24 и D25 открываются и напряжение на сопротивлении R16 уменьшается, оптотиристоры D4 и D6 закрываются и напряжение на выходе ККМ становится равно заданной величине. Как только напряжение на выходе ККМ становится меньше заданной величины и к выходу ККМ подключается нагрузка, то благодаря работе сбалансированных мостов, образованных указанными выше диодами, стабилитронами, конденсаторами, сопротивлениями, то на сопротивлениях R3 и R4, появляется напряжение, которое открывает оптотиристоры D34 и D35.
Указанные сбалансированные мосты открывают оптотиристоры D34 и D35 следующим образом: когда амплитуда какого-либо полупериода напряжения сети на клеммах КЛ-1 равна амплитуде этого же полупериода на клеммах КЛ-2, то между средними выводами сопротивлений R5, R8 и R5, R12 напряжение равно нулю, значит и на сопротивлениях R3 и R4 напряжение равно нулю и оптотиристоры D34 и D35 закрыты. Как только амплитуда какого-либо полупериода напряжения сети на клеммах КЛ-1 становится больше этого же полупериода на клеммах КЛ-2, то между средними выводами сопротивлений R5, R8 и R5, R12 и на сопротивлениях R3 и R4 появится напряжение, поэтому оптотиристоры D34 и D35 открываются и напряжение заряда конденсаторов С3 и С4 складывается с напряжением, присутствующим на выходе ККМ. Причем, с помощью диодов D32 и D33 и стабилитронов D1 и D3, открывающихся при повышении напряжения на входе ККМ выше заданного, амплитуда напряжения на среднем выводе сопротивления R5 будет всегда больше, чем на среднем выводе сопротивлений R8 и R12. То есть, без нагрузки напряжение на выходе ККМ будет всегда равно напряжению на входе ККМ. Конденсаторы С3 и С4 предназначены для устойчивого открытия оптотиристоров D34 и D35. Так как напряжение заряда конденсаторов С3 и С4 на обоих полупериодах равно заданной величине, то напряжение на выходе ККМ будет равно заданной величине.
На фиг.2 изображен принцип работы ККМ и форма выходного сигнала ККМ. Каждый из обоих полупериодов выходного сигнала разбит на три части. В частях А и В на обоих полупериодах конденсаторы заряжаются, а в заштрихованной части Б разряжаются. При этом, форма выходного сигнала не сильно отличается от синусоидальной, а для некоторых мощных нагрузок является оптимальной. Постоянная по времени стабилизация напряжения на выходе ККМ при понижении напряжения на выходе ККМ осуществляется при мощности на выходе ККМ до 60% от мощности сети. При мощности на выходе ККМ выше 60% от мощности сети стабилизация напряжения на выходе ККМ осуществляется то периода времени, которое необходимо для разряда конденсаторов С3 и С4. Если к ККМ подключены с помощью блокав согласования источники любого напряжения то стабилизация будет осуществляться при присутствии на выходе ККМ от 60% до 100% от мощности сети. Если напряжение заряда любого из указанных конденсаторов становится меньше заданного уровня, то срабатывает реле К1 и реле К3 или реле К1 и реле К3, которые отключают нагрузку от выхода ККМ. Таким образом, осуществляется защита нагрузки ККМ от напряжения недопустимо низкого уровня. Так как напряжение заряда любого из конденсаторов может достигать полной амплитуды входного напряжения, то при разряде указанных конденсаторов на обоих полупериодах выходного сигнала напряжение на выходе ККМ может быть в два раза больше, чем на входе ККМ. При появлении мощности на выходе ККМ выше мощности сети, конденсаторы С1 и С3 разряжаются, а ККМ при разряде указанных конденсаторов будет работать как было указано выше, складывая мощность разряда указанных конденсаторов с мощностью напряжения на входе ККМ, но не стабилизируя напряжение. Как только указанные конденсаторы разрядятся, то срабатывает реле К1 и реле К3 или реле К1 и реле К3 и реле К3, которые отключают нагрузку от выхода ККМ. Как только конденсаторы зарядятся, то срабатывают реле K1, К2, К3 и нагрузка подключается к выходу ККМ. Далее, указанный цикл работы ККМ повторяется. Таким образом, с помощью ККМ можно в течение повторяющихся периодов времени питать различные нагрузки, подключенные к выходу ККМ с мощностью потребления выше, чем мощность напряжения на входе ККМ. Конечно, не все виды нагрузок можно питать подобным образом, но такие виды нагрузок как, например, электроинструмент, нагреватели, подающие устройства и другие, вполне могут работать по предложенной схеме с использованием ККМ.
ККМ предназначен также для складывания мощностей источников с различными видами напряжений. Складывание мощностей источников с различными видами напряжений происходит с помощью блока Б1 или блоков БN, диодов D27-D30 или диодов DN. На входные клеммы КЛ-3 и КЛ-3N подается любое напряжение, затем с помощью указанных блоков указанное напряжение по любой схеме преобразовывается в напряжение заряда конденсаторов и с помощью диодов D27-D30 или диодов DN подается на конденсаторы С3 и С4. Далее ККМ работает как было указано выше, с той лишь разницей, что на нагрузку подается мощность, равная сумме мощностей напряжений, присутствующих на входах ККМ, а именно на входных клеммах указанных блоков без интервалов времени. Если мощность нагрузки выше суммы мощностей напряжений, присутствующих на входах ККМ, то указанная нагрузка подключается к выходу ККМ с интервалами времени. Несколько ККМ могут быть также использованы для складывания мощностей источников переменного напряжения с идентичным и сфазированным переменным напряжением. Складывание мощностей указанных источников переменного напряжения с идентичным и сфазированным переменным напряжением происходит путем соединения между собой выходных клемм нескольких одинаковых ККМ. Это нужно для того, чтобы, например, сложить мощность нескольких выходов электросети, не изменяя параметры указанной электросети, поскольку изменять параметры электросети категорически запрещено. Диоды D5 и D7 и оптотиристоры D4 и D6 предохраняют электросеть путем закрытия указанных оптотиристоров от реактивной мощности при подключении к выходу ККМ реактивной нагрузки, что позволяет подключать к выходу ККМ определенные виды нагрузок. Кроме того, диоды D11, D12, D14, D13, D15, D17, D18, D19, D38, D41, стабилитроны D37 и D38, сопротивления R15, R16 и R17, оптотиристоры D2 и D16 компенсируют реактивную мощность при подключении реактивной нагрузки. Указанная компенсация происходит следующим образом: при обычном режиме работы ККМ до появления реактивной мощности на выходе ККМ при любом полупериоде на входе ККМ с помощью диода D5 и оптотиристора D4 или диода D7 и оптотиристора D6 аналогичный полупериод появляется на выходе. При этом, аналогичный полупериод с помощью диодов D34 и D26, стабилитронов D24 и D25, сопротивления R16 открывает соответствующий оптотиристор. Как только при подключении реактивной нагрузки к выходу ККМ на выходе ККМ появляется реактивная мощность, то фаза напряжения и полупериод на входе ККМ на клемме КЛ-1А становятся противоположны фазе напряжения и полупериоду на выходе ККМ на клемме КЛ-1Б. Как только полупериод на входе ККМ на клемме КЛ-1А становится противоположен полупериоду на выходе ККМ на клемме КЛ-1Б, то открываются соответствующие диоды и стабилитроны, составляющие цепочку из диодов и стабилитронов D37, D41, D38, D39, поэтому полупериод напряжения открытия соответствующего оптотиристора меняется на противоположный и указанный оптотиристор закрывается. При этом, напряжение открытия подается на оптотиристор, проводящий противоположный полупериод напряжения, который не может открыться из-за нарушения полярности напряжения открытия. Поэтому реактивная мощность на выходе ККМ не может попасть на вход ККМ и следовательно в электросеть. При этом, указанная реактивная мощность заряжает конденсаторы С3 и С4, в результате происходит компенсация указанной реактивной мощности. Цепочка, состоящая из диодов и стабилитронов D37, D41, D38 и D39, сопротивлений R16 и R17, предназначена также для отключения напряжения на выходе ККМ при сверхмаксимальной нагрузке путем закрытия оптотиристоров D4 и D6. В указанной цепочке при нагрузке выше максимально допустимой из-за перепада напряжения между клеммами КЛ-1А и КЛ-1Б и недопустимо низкого напряжения на клемме КЛ-1Б открываются диоды и стабилитроны D37, D41, D38, D39, поэтому напряжение открытия оптотиристоров D4 и D6 становится ниже уровня открытия указанных оптотиристоров. Указанная цепочка и сопротивление R2 предназначены также для восстановления напряжения при срабатывании реле К-3.
Промышленная применимость полезной модели
Корректор коэффициента мощности может применяться для работы устройств или группы устройств, потребляющих большую нагрузку и допускающих перерывы в работе. Это может быть инструмент, нагреватели, различные приспособления. Корректор коэффициента мощности может применяться для сложения мощностей нескольких источников переменного напряжения например электросети и бензинового электрогенератора. Так же корректор коэффициента мощности может применяться для компенсации пускового момента для некоторых видов нагрузок. Также корректор коэффициента мощности может применяться для защиты сети от реактивной мощности нагрузки.