ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, используемых, например, в системах электроснабжения летательных аппартов, а так же для систем питания газоразрядных ламп.
Известны преобразователи переменного тока, в частности - электронные пускорегулирующие аппараты для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, содержащие корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего емкостного фильтра на базе электролитического конденсатора, инвертора напряжения с электронными ключами и схему управления с каналами импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям (А.Евтифеев Особенность построения балластов для ламп высокого давления. ж. Силовая электроника, №3, 2008 г., стр.132-136).
Недостатками этих устройств (аналогов) являются низкие надежность, рабочий ресурс и КПД из-за использования нескольких последовательных преобразовательных каскадов, большого количества электронных ключей, а главное - из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды.
Известен преобразователь переменного тока (выбранный в качестве прототипа), содержащий два конденсатора, две дроссельные обмотки с общим магнитопроводом, электронную однонаправленную двухключевую стойку, две двухдиодные стойки, входные и выходные выводы и схему управления с цепями обратных связей по токам и напряжениям, а также с каналом импульсной модуляции и каналом отпирания, связанными с управляющими выводами двухключевой стойки (Патент на полезную модель №89910, Б.И. №35 от 20.12.2009 г. Авторы Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В.) К его достоинствам относятся высокие надежность, рабочий ресурс и КПД благодаря непосредственному (однокаскадному) преобразованию на базе двух электронных ключей, а главное - исключению нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора.
Недостатком известного преобразователя переменного тока (прототипа) являются узкие функциональные возможности, а именно - невозможность подключения нагрузок с произвольным питающим напряжением и гальванически не связанных с питающей сетью. Это сужает универсальность устройства по отношению к различным нагрузкам (потребителям), а также снижает его надежность и электробезопасность.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из указанных преобразователей переменного тока (прототип).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение возможности подключения нагрузок с индуктивным токоограничением, с произвольным питающим напряжением и гальванически не связанных с питающей сетью.
Техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей и электробезопасности устройства.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователь переменного тока, содержащий два конденсатора, первую и вторую дроссельные обмотки, выполненные с общим магнитопроводом, электронную однонаправленную двухключевую стойку, подключенную средним выводом к первому выходному выводу, две однонаправленные двухдиодные стойки, первая из которых средним выводом подключена к первому входному выводу, а крайними - через первую и вторую дроссельные обмотки - к крайним выводам двухключевой стойки, соответственно, а вторая средним выводом - ко вторым входному и выходному выводам устройства, а также схему управления с каналами импульсной модуляции и отпирания и с цепями обратных связей по токам и напряжениям, причем дроссельные обмотки включены согласно, а каждый из крайних выводов двухключевой стойки через соответствующий конденсатор подключен к двум одноименным крайним выводам двухдиодных стоек, соответственно, введены третий и четвертый выходные выводы и третья дроссельная обмотка, подключенная к этим выводам и выполненная с тем же общим магнитопроводом, а двухвентильные стойки выполнены управляемыми и подключены своими управляющими выводами к дополнительным выходным выводам схемы управления.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования компьютерной модели подтверждают возможность широкого его промышленного и бытового использования.
Преобразователь переменного тока, содержит два конденсатора 1, 2, первую 3 и вторую 4 дроссельные обмотки, выполненные с общим магнитопроводом, электронную однонаправленную двухключевую стойку 5, 6, подключенную средним выводом к первому выходному выводу 7, две однонаправленные управляемые двухвентильные стойки 8, 9 и 10, 11, первая из которых средним выводом подключена к первому входному выводу 12, а крайними - через первую и вторую дроссельные обмотки - к крайним выводам двухключевой стойки, соответственно, а вторая средним выводом - ко вторым входному 13 и выходному 14 выводам устройства, а также схему управления 15 с каналами импульсной модуляции и отпирания и с цепями обратных связей по токам и напряжениям. Дроссельные обмотки включены согласно. Каждый из крайних выводов двухключевой стойки через соответствующий конденсатор подключен к двум одноименным крайним выводам двухдиодных стоек, соответственно. Имеются также третий 16 и четвертый 17 выходные выводы и третья дроссельная обмотка 18, подключенная к этим выводам и выполненная с тем же общим магнитопроводом. Схема управления имеет в своем составе канал импульсной модуляции 19 и канал отпирания с индикатором полярности 20 сетевого напряжения, а также выходные выводы, подключенные к управляющим выводам двухключевой стойки 5, 6, и дополнительные выходные выводы, подключенные к управляющим выводам двухвентильных стоек 8, 9 и 10, 11.
В качестве электронных ключей двухключевой стойки и управляемых вентилей двухвентильных стоек могут использоваться тиристоры (например, двухоперационные) или транзисторы. В качестве схемы управления можно использовать широко выпускаемые микросхемы «Корректор коэффициента мощности».
Предлагаемый преобразователь переменного тока работает следующим образом.
Пусть, например, в качестве его нагрузки (потребителя) используется комбинированный электросветильник, состоящий из газоразрядной лампы высокого давления (например, натриевой или металл-галогенной) и двух встречно-параллельных светодиодных столбов. В этом случае лампа подключена к выходным выводам 7, 14, а светодиодные столбы - к выходным выводам 16, 17.
Рассмотрим сначала его работу на указанный электросветильник без индуктивного токоограничения и без учета процессов поджига лампы во временном интервале полупериода (Т/2) питающего сетевого напряжения, при котором на входном выводе 12 имеется положительный потенциал относительно заземленного входного вывода 13. В данном полупериоде благодаря сигналу индикатора полярности 20 (sign) питающего напряжения нижний электронный ключ 6 постоянно включен, а верхний высокочастотно модулируется по управлению от канала импульсной модуляции 19, например, по широтно-импульсному закону (или двухпороговому).
1
При включении верхнего ключа 5 и диагональных вентилей 8, 11 за время импульса Δt суммарное потокосцепление Ψ дроссельных обмоток возрастает на некоторую величину ΔΨ за счет питания от сети по цепи 12-8-3-5-6--4-11-13.
1
При этом конденсаторы 1, 2 заряжаются по цепям 12-8-2-4-11-13 и 12-8-3-1-11-13 до напряжений, близких к половине сетевого напряжения, причем потенциалы на их обкладках будут такими, как показаны на фиг. В момент Δt при пропадании сигнала в канале 19 верхний ключ 5 запирается, а нижний 6 остается включенным. Суммарное потокосцепление ΔΨ дроссельных обмоток 3, 1 и 18 не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации), это приведет к тому, что конденсаторы будут дозаряжаться через индуктивности рассеяния дроссельных обмоток 3, 4, сохраняя непрерывность сетевого тока, протекающего по цепи 12-8-2-4-11-13. При этом основная часть электромагнитной энергии, накопленной в дроссельных обмотках за время Δt, будет передаваться в комбинированную нагрузку, трансформируясь в цепи 4-11-14-7-6-4 и 18-16-17-18 с токами, протекающими в лампе снизу вверх (от 14 к 7), а в светодиодных столбах сверху вниз (от 16 к 17). За время ΔT-Δt, где ΔT - период широтно-импульсной модуляции (ШИМ), суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до минимума, сохраняя свою непрерывность.
max
min
В момент ΔT вновь включается ключ 5, после чего одновременно происходит нарастание суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и передача энергий конденсаторов, накопленных ими на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток по цепям 1-5-6-4-1 и 2-3-5-6-2. Далее указанные процессы периодически повторяются в пределах данного «положительного» полупериода сетевого напряжения. При этом с помощью цепей обратных связей по входному току и входному напряжению и канала импульсной (ШИМ) модуляции 19 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока за счет регулирования соотношения ΔΨ и ΔΨ суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и его синхронизация с напряжением сети. Если напряжение сети меньше, чем приблизительно удвоенное напряжение перезажигания лампы, то прямой ток (вниз от 7 к 14) протекать не будет на данном полупериоде сетевого напряжения, а если будет его превышать, то по лампе при отпирании 5 и 6 будет кратковременно протекать прямой ток. Аналогичное условие относится к протеканию прямого тока (от 17 к 16 вверх на фиг.) через светодиодные столбы, но с учетом коэффициента трансформации между дроссельными обмотками 18 и 3, 4 и замены понятия «напряжение перезажигания лампы» на понятие «прямое падение напряжения светодиодного столба».
На втором полупериоде сетевого напряжения с отрицательным потенциалом на входном выводе 12 на первом интервале Δ t периода ΔT модуляции также включаются оба электронных ключа, замыкая вторые выводы дроссельных обмоток 3, 4 и подключая к ним заряженные конденсаторы. Через промежуток времени Δt ключ 6 запирается, а ключ 5 - остается включенным и включается вентиль 10. Ток лампы протекает по цепи 3-5-7-14-10-3 в «прямом» направлении (от 7 к 14), а ток светодиодного столба от 16 к 17. При этом также производится ШИМ-регулирование входного тока с целью повышения коэффициента мощности, потребляемой от сети.
Если нагрузка содержит нескомпенсированное индуктивное токоограничение, например, балластные дроссели или вторичную обмотку трансформатора поджига, то необходимо обеспечить цепи для протекания рекуперативного тока с возвратом электромагнитной энергии индуктивного балласта в питающую сеть. С этой целью управляемые двухвентильные стойки 8, 9 и 10, 11, включенные по схеме мостового выпрямителя, с помощью схемы управления переводятся из режима выпрямления в режим инвертора тока, ведомого (запираемого) сетевым напряжением, а роль входного звена постоянного тока для образуемого при этом инвертора выполняют дроссельные обмотки 3 и 4.
Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного или прерывистого суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, зависимости от его массо-габаритных характеристик. Роль первого и второго конденсаторов 1 и 2 сводится к защите транзисторов от перенапряжений при их запирании, возникающих из-за индуцирования ЭДС в индуктивностях рассеяния дроссельных обмоток, а также к обеспечению непрерывности сетевого тока. При этом массо-габаритные параметры этих конденсаторов определяются, в основном, качеством намотки обмоток дросселей - коэффициентом связи (близким к 1 при намотки двойным проводом). При этом светодиодные столбы гальванически не связаны с питающей сетью, могут быть заземлены и являться электробезопасными.
Таким образом, в отличие от прототипа, заявляемая полезная модель обеспечивает возможность подключения нагрузок с произвольным питающим напряжением и гальванически не связанных с питающей сетью.
Техническим результатом этого является расширение функциональных возможностей и электробезопасности устройства.