ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к силовой электронике и может быть использована при создании вторичных систем электропитания от первичной сети переменного тока, например, в бортовых авиационных системах электроснабжения.
Известны импульсные источники вторичного электропитания (аналоги), содержащие двухполупериодный входной выпрямитель, электронно-одноключевой повышающий (бустерный) корректор коэффициента потребляемой мощности, электролитический конденсаторный фильтр, выходной однонаправленный вентиль, три электронных ключа, трансформатор, конденсаторы, диод и схему управления с датчиками в цепях обратных связей по току и напряжения со стороны входных выводов устройства и с выходными широтно-модулирующими формирователями импульсов, подключенными к управляющим выводам электронных ключей. (Патент №2103845 на изобретение «Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп», авторы: Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Резников С.Б., Татьянин В.И., Бюллетень №3 от 27.01.98 г. а также статья С.Петрова «Сварочный инвертор начального уровня: пример разработки, журнал «Силовая Электроника» №5, 2010 г., стр.82-88, рис.1».
К недостаткам известных импульсных источников вторичного электропитания (аналогов) относятся низкие КПД и надежность из-за многократного преобразования энергии и использования нетермостойкого энергоемкого электролитического конденсаторного фильтра.
Известен импульсный источник вторичного электропитания (прототип), содержащий последовательно-каскадно включенные фильтр переменного тока, двухполупериодный входной выпрямитель, фильтр выпрямленного напряжения, электронно-одноключевой повышающий (бустерный) корректор коэффициента потребляемой мощности, электролитический конденсаторный сглаживающий фильтр, однотактный электронно-двухключевой прямоходовой преобразователь, трансформатор со встречно-включенными обмотками, выходную двухвентильную стойку, выходной фильтр постоянного тока, конденсаторы, диоды и схему управления с входными цепями обратных связей по току и напряжения со стороны входных выводов устройства и с выходными широтно-импульсными формирователями, подключенными к управляющим выводам электронных ключей (С.Эраносян, В.Ланцов «Электронные компоненты для мощных импульсных источников питания», журнал «Силовая электроника», №2, 2006 г., с.32-38, рис.1).
Недостатком известного импульсного источника вторичного электропитания (прототипа) является его низкая надежность из-за необходимости использования нетермостойкого энергоемкого электролитического конденсаторного сглаживающего фильтра.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое предложение, является совмещение в электронном двухключевом однотактном обратноходовом преобразователе с выходным трансформатором («трансреактором») функций корректора коэффициента потребляемой мощности, ее регулятора и сглаживающего (индуктивного) фильтра.
Техническим результатом предложения является повышение надежности устройства.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в, импульсном источнике вторичного электропитания, содержащем по первому и второму вариантам последовательно-каскадно включенные фильтр переменного тока, двухполупериодный выпрямитель, фильтр выпрямленного напряжения, корректор коэффициента мощности, состоящий из первого электронного ключа, зашунтированного однонаправленной с ним диодно-конденсаторной цепочкой с первым диодом, и конденсатором, и дросселя, диодно-ключевую стойку со вторым диодом и вторым электронным ключом, трансформатор, выходную двухвентильную стойку и схему управления, входные выводы обратных связей которой подключены к датчикам тока и напряжения, установленным во входной цепи корректора коэффициента мощности, а выходные управляющие выводы которой подключены к управляющим выводам электронных ключей, первый из которых включен между первым вводом постоянного тока выпрямителя и первым выводом дросселя, а второй вместе с последовательно-согласно с ним соединенным вторым диодом шунтирует первичную обмотку трансформатора, вторичная обмотка которого через выходную двухвентильную стойку подключена к выходным выводам устройства для подключения нагрузки, а входные выводы питания устройства через фильтр переменного тока подключены к выводам переменного тока выпрямителя, причем средние выводы диодно-конденсаторной цепочки и диодно-ключевой стойки соединены между собой одноименными выводами их диодов, по первому и второму вариантам первичная обмотка трансформатора включена между вторым выводом дросселя и вторым выводом постоянного тока выпрямителя, обе обмотки трансформатора включены между собой электромагнитно-согласно относительно возможных направлений токов в них, а сердечник его магнитопровода выполнен с антинасыщающим зазором, также благодаря тому, что по первому варианту вентили выходной двухвентильной стойки выполнены управляемыми, включены между собой согласно, подключены своими управляющими выводами к дополнительным выходным управляющим выводам схемы управления, своими свободными выводами подключены к крайним выводам вторичной обмотки трансформатора, выполненной со средним выводом, а своим общим выводом вместе со средним выводом вторичной обмотки трансформатора подключены к выходным выводам устройства, соответственно, кроме того благодаря тому, что по первому варианту в него введена однонаправленная двухключевая стойка с электронными ключами, подключенная своими управляющими выводами к вспомогательным выходным управляющим выводам схемы управления, своими свободными выводами - к крайним выводам второй обмотки трансформатора, а своим общим выводом - к ее среднему выводу, а также благодаря тому, что по второму варианту вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде секции его первичной обмотки с помощью ее промежуточного и одного из ее крайних выводов, один из вентилей выходной двухвентильной стойки выполнен управляемым, своим управляющим выводом он подключен к дополнительному выходному управляющему выводу схемы управления, общий вывод этой стойки, соединяющий однополярные выводы ее вентилей подключен к первому выводу вторичной обмотки трансформатора, второй вывод которой соединен с первым выходным выводом устройства для подключения нагрузки и с первым свободным выводом управляемого вентиля двухвентильной стойки, второй свободный вывод которой подключен ко второму выходному выводу устройства.
Дополнительным техническим результатом предложения является расширение его функциональных возможностей, а именно - обеспечение возможности питания нагрузки переменным прямоугольным током повышенной частоты, например, газоразрядных ламп высокого давления для светильников наружного (уличного) применения в широком температурном диапазоне.
Лабораторные испытания и компьютерное моделирование подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного импульсного источника вторичного электропитания.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого импульсного источника вторичного электропитания по первому варианту.
На фиг.2 показаны выходные элементы силовой части предлагаемого импульсного источника вторичного электропитания по второму варианту
Импульсный источник вторичного электропитания по первому и второму вариантам (см. фиг.1) содержит фильтр переменного тока 1, двухполупериодный выпрямитель 2, фильтр выпрямленного напряжения 3, корректор коэффициента мощности 4, состоящий из первого электронного ключа 5, зашунтированного диодно-конденсаторной цепочкой с первым диодом 6 и конденсатором 7, и дросселя 8, диодно-ключевую стойку со вторым диодом 9 и вторым электронным ключом 10, трансформатор 11, выходную двухвентильную стойку 12, схему управления 13 с датчиками тока 14 и напряжения 15, установленными во входной цепи корректора коэффициента мощности. Трансформатор имеет первичную 16 и вторичную 17 обмотки. Устройство имеет выходные выводы 18, 19 для подключения нагрузки и входные выводы 20, 21 питания устройства.
По первому варианту выходная двухвентильная стойка состоит из управляемых вентилей 22, 23 и вместе с двухключевой стойкой с электронными ключами 24, 25 своими свободными выводами шунтируют вторичную обмотку трансформатора, выполненную со средним выводом (см. фиг.1).
По второму варианту (см. фиг.2) выходная двухвентильная стойка состоит из диода 22 и управляемого вентиля 23, а вторичная обмотка трансформатора выполнена в виде секции его первичной обмотки с помощью промежуточного и одного из ее крайних выводов.
Схема управления 13 имеет формирователи широтно-модулируемых импульсов, которые через ее основные управляющие выводы подключены к управляющим выводам электронных ключей 5 и 10, через дополнительные выходные управляющие выводы подключены к управляющим выводам вентилей 22, 23 и через вспомогательные выходные управляющие выводы подключены к управляющим выводам электронных ключей 24, 25.
Первый электронный ключ 5 включен между первым выводом постоянного тока выпрямителя 2 и первьм выводом дросселя 8, а второй вместе с последовательно-согласно с ним соединенным вторым диодом шунтирует первую обмотку 16 трансформатора 11. Вторичная обмотка 17 трансформатора 11 через выходную двухвентильную стойку 12 подключена к выходным выводам 18, 19 устройства для подключения нагрузки. Входные выводы 20, 21 питания устройства через фильтр переменного тока 1 подключены к выводам переменного тока выпрямителя. Средние выводы диодно-конденсаторной цепочки 6, 7 и диодно-ключевой стойки 9, 10 соединены между собой одноименными (на фиг.1 - анодными) выводами их диодов. Первичная обмотка 16 трансформатора 11 включена между вторым выводом дросселя 8 и вторым выводом постоянного тока выпрямителя 2. Обе обмотки 16, 17 трансформатора 11 включены между собой электромагнитно-согласно относительно возможных направлений токов в них (на фиг.1 и 2 обозначено жирными точками рядом с «началами» обмоток и стрелками направлений токов в них). Сердечник магнитопровода трансформатора 11 выполнен с антинасыщающим зазором (во избежание его насыщения при однополярном токе), как это принято в дросселях и трансреакторах (многообмоточных дросселях).
В качестве входного блока схемы управления 13 можно применить широко выпускаемые микросхемы «Корректор коэффициента мощности» с усилительными драйверами, генератором импульсов и каналами широтно-импульсной модуляции с цепями обратных связей по токам и напряжениям.
В качестве электронных ключей 5, 10, 24 и 25 целесообразно применить транзисторы, а в качестве управляемых вентилей 22 и 23 - также транзисторы или тиристоры.
Импульсный источник вторичного электропитания работает следующим образом.
Выводы 20, 21 питания устройства подключают к первичной питающей сети переменного тока, а его выходные выводы 18, 19 - к нагрузке с однополярным пульсирующим или переменным прямоугольным питающим током повышенной частоты, например, к светодиодному или газоразрядному светильнику, к электродам сварочного аппарата, к заряжаемой аккумуляторной батарее, емкостному накопителю энергии мощного импульсного газоразрядного светильника или лазера и др.
В исходном состоянии все электронные ключи и управляемые вентили выключены, а конденсаторы 3 и 7 заряжаются по цепям 1-2-3 и 1-2-7-6-8-16 до напряжений, равных амплитудному значению сетевого напряжения.
С выходных управляющих выводов схемы управления 13 начинают поступать прямоугольные широтно-модулируемые импульсы на управляющие выводы электронных ключей 5, 10, 24, 25 и управляемых вентилей 22 и 23 с заданным периодом модуляции.
При отпирании ключей 5 и 10 сначала происходит частичная разрядка конденсатора 7 по цепи 7-5-8-16-10-7 до напряжения равного выпрямленному мгновенному напряжению выпрямителя 2, а затем происходит дальнейшее нарастание тока в дросселе 8 и в первой обмотке 15 трансформатора 11 по цепи 1-2-14-5-8-16-2-1. При этом ток в нагрузку не поступает (в отличие от прототипа), т.к. выходная двухвентильная стойка 12 заперта с помощью ЭДС, индуцируемой во вторичной обмотке 17 трансформатора 11 с запирающей полярностью (плюсовой со стороны жирных точек).
После запирания электронных ключей 5, 10 и одновременного отпирания электронного ключа 24 (на фиг.1) или управляемого вентиля 23 (на фиг.2) благодаря накопленной трансформатором 11 электромагнитной энергии и согласно электротехническому закону о непрерывности суммарного потокосцепления магнитносвязанных индуктивных цепей ток в первичной обмотке 16 трансформатора 11 и в дросселе 8 плавно спадает по цепи 8-16-2-1-сеть-1-2-7-(6-8 или 9)-16 вновь заряжая конденсатор 7 и обеспечивая непрерывность сетевого тока, благодаря ЭДС самоиндукции индуктивностей дросселя 8 и рассеяния первичной обмотки 16. При этом основная часть накопленной дозы электромагнитной энергии первичной обмотки 16 трансформатора 11 передается сначала в цепь вторичной обмотки 17 трансформатора 11, закороченной ключом 24 или вентилем 23, а затем, после запирания последнего, поступает в нагрузку по цепи 17-22-19-нагрузка-18-17 (на фиг.1) или 17-18-19-22-17 (на фиг.2). Если ключи 24, 25 и вентиль 23 не включать, то указанная доза накопленной энергии непосредственно поступает в нагрузку, но с существенно сниженным КПД (см. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов / Д.А.Бут, Б.Л.Алиевский, С.Р.Мизюрин, П.В.Васюкевич: Под ред. Д.А.Бута, - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 400 с., стр.102-105).
Далее указанные процессы периодически повторяются с заданным периодом широтно-импульсной модуляции. При этом коэффициент заполнения импульсов (их относительная длительность) автоматически регулируется цепями обратных связей по току и напряжению схемой управления 13, обеспечивая, во-первых заданную среднюю мощность, передаваемую из сети в нагрузку, во-вторых минимальный уровень электромагнитной энергии трансформатора, достаточный для поддержания минимального заданного тока нагрузки во время перехода сетевого напряжения и тока через ноль и, в-третьих, синусоидальную форму сетевого тока, синхронизированную с сетевым напряжением (для приближения к единице коэффициента потребляемой мощности).
Таким образом, благодаря вышеуказанным в формуле полезной модели ограничительным и отличительным признакам решается задача совмещения в электронном двухключевом однотактном обратноходовом преобразователе с выходным трансформатором («трансреактором») функции корректора коэффициента потребляемой мощности, ее регулятора и сглаживающего фильтра (без многократного преобразования энергии и без нетермостойкого, энергоемкого, электролитического конденсаторного сглаживающего фильтра).
Тем самым обеспечивается заявленный технический результат предложения: повышение надежности устройства.
Помимо этого в первом варианте предложенного устройства благодаря возможности поочередного включения управляемых вентилей выходной двухвентильной стойки 12 и предварительного включения соответствующего закорачивающего электронного ключа 24 или 25, обеспечивается дополнительный технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение возможности питания нагрузки переменным прямоугольным током повышенной частоты, например, газоразрядных ламп высокого давления для светильников наружного (уличного) применения в широком температурном диапазоне.