КОРРЕКТОР КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОРРЕКТОРОМ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
POWER FACTOR CORRECTOR AND POWER FACTOR CORRECTOR CONTROL METHOD

Группа изобретений относится к области электрической преобразовательной техники, а именно к устройствам коррекции коэффициента мощности источников электропитания с бестрансформаторным входом, имеющим на выходе значительный по величине емкостной накопитель. Предлагаемое устройство и способ управления им могут быть использованы для обеспечения близкого к единице коэффициента мощности (PF) питающей сети для условий изменения в широком диапазоне входного и выходного напряжений, как при заряде мощных емкостных накопителей энергии, так и при работе на активную нагрузку или нагрузку с произвольным комплексным входным сопротивлением.
Наиболее близким к заявляемому корректору коэффициента мощности (ККМ) является корректор коэффициента мощности по патенту РФ 2448356. Указанный ККМ содержит сетевой фильтр, выпрямитель сетевого напряжения, датчик выпрямленного напряжения, параллельный ключ, последовательный диод, индуктор (упомянутый в описании к патенту как «дроссель»), датчик тока, выходной конденсатор, схему управления корректора коэффициента мощности, последовательный ключ, параллельный диод и ряд вспомогательных узлов.
Наиболее близким к заявляемому способу управления ККМ является способ управления корректором коэффициента мощности по патенту РФ 2448356, стр. 3, заключающийся в том, что на этапе заряда выходного конденсатора от нуля до заданной величины транзистор 3 управляется сигналами первичного компаратора 15, на входах которого сравниваются опорный сигнал и сигнал с датчика тока 9 в цепи заряда конденсатора 8. После достижения заданного уровня напряжения на конденсаторе 8 начинает работать схема управления ККМ 11, открывая и закрывая транзисторы 3 и 6 в зависимости от соотношения напряжений на выходе выпрямителя 2 и конденсатора 8, причем состояния транзисторов 3 и 6 не синхронизованы, т.е. каждый из них может быть включен или выключен вне зависимости от состояния другого.
Недостатками указанного ККМ являются:
избыточные потери мощности на постоянно открытом последовательном транзисторе 3 при работе ККМ в установившемся режиме стабилизации выходного напряжения;
избыточные потери на резистивном датчике тока 9, включенном последовательно с нагрузкой, что становится все более значимым при повышении выходной мощности ККМ и расширении рабочего диапазона входных напряжений.
Недостатками указанного способа управления ККМ являются:
низкая скорость заряда подключенного к выходу устройства емкостного накопителя, снижающаяся по мере роста напряжения на нем вследствие того, что передача энергии из сети в накопитель происходит только в моменты, когда сетевое напряжение по своему абсолютному значению превосходит напряжение на конденсаторе;
прерывистый во времени ток, отбираемый от питающей сети, заполняющий все меньшую часть периода напряжения сети по мере роста выходного напряжения вследствие того, что передача энергии из сети в накопитель происходит только в моменты, когда сетевое напряжение по своему абсолютному значению превосходит выходное напряжение на конденсаторе. Как следствие, низкий и все более уменьшающийся по мере роста выходного напряжения коэффициент мощности питающей сети (PF) в режиме заряда накопителя.
Техническим результатом, достигаемым в заявляемом ККМ, является:
повышение КПД и надежности корректоров коэффициента мощности, работающих в широком диапазоне входных напряжений на емкостные накопители большой емкости.
Техническим результатом в заявляемом способе управления является:
достижение коэффициента мощности питающей сети, практически равного единице (PF=1), иначе, получение практически совпадающих по форме и фазе напряжения и тока питающей сети в любом режиме работы как при заряде емкостного накопителя неограниченной емкости, так и в режиме стабилизации выходного напряжения при работе на активную или комплексную нагрузку;
регулируемое и устанавливаемое пользователем значение тока заряда накопителя, позволяющее менять скорость изменения выходного напряжения в режиме заряда накопителя;
полное отсутствие неконтролируемых бросков тока в питающей сети;
постоянная, заданная пользователем скорость заряда емкостного накопителя вне зависимости от уровня выходного напряжения и изменения напряжения питающей сети;
произвольное, устанавливаемое пользователем напряжение заряда емкостного накопителя, лежащее в диапазоне от нуля до многократно превышающего амплитуду напряжения питающей сети.
Указанный технический результат в заявляемом корректоре коэффициента мощности, содержащем соединенный с питающей сетью выпрямитель сетевого напряжения, подключенный к выходу фильтра, датчик выпрямленного напряжения сети, включенный между положительным и отрицательным выводами выпрямителя, причем отрицательный вывод выпрямителя соединен с общей шиной ККМ, которая соединена с отрицательным выходом устройства, последовательный ключ, подключенный стоком к положительному выходу выпрямителя, а истоком - к аноду последовательного диода, индуктор, включенный между истоком последовательного ключа и анодом последовательного диода, при этом последовательный диод соединен анодом с индуктором и катодом - с положительным выходом устройства, драйвер последовательного ключа выходами подключен к затвору и истоку последовательного ключа, а входом - к контроллеру ККМ, параллельный диод подключен катодом к точке соединения последовательного ключа и индуктора, а анодом - к общей шине ККМ, датчик выходного напряжения подключен к выходам устройства, выходной конденсатор подключен к выходам устройства, драйвер параллельного ключа соединен с затвором параллельного ключа с одной стороны и контроллером ККМ - с другой, параллельный ключ подключен стоком к датчику тока, а истоком - к общей шине ККМ, контроллер ККМ, входы которого соединены с выходами датчиков выпрямленного напряжения сети, тока и выходного напряжения, а выходы подключены к драйверу последовательного ключа, шунтирующему контакту, драйверу параллельного ключа, достигается тем, что дополнительно содержит шунтирующий контакт, который выполнен как электромеханический замыкатель и подключен параллельно стоку и истоку последовательного ключа, датчик тока, который выполнен как трансформатор тока и включен между точкой соединения индуктора с анодом последовательного диода и стоком параллельного ключа.
Технический результат в заявляемом способе управления ККМ, описанном выше, достигается тем, что в процессе заряда емкости нагрузки, подключенной к выходу корректора, в диапазоне напряжений от нуля до равного амплитудному значению питающей сети используют два ключа - последовательный и параллельный, которые синхронно замыкают, подключая к питающей сети индуктор, при этом в индукторе накапливается энергия, а выход корректора полностью отключая от питающей сети, и синхронно размыкают, тем самым подключая индуктор к выходу корректора и полностью отключая выход корректора от питающей сети, при этом накопленная в индукторе энергия передается в нагрузку, причем схема управления корректором устанавливает длительность замкнутого и разомкнутого состояния ключей так, чтобы огибающая тока, потребляемого из сети, строго соответствовала сетевому напряжению по форме и фазе, для чего в качестве элемента обратной связи используют датчик тока в цепи стока параллельного ключа, а в случае, когда выходное напряжение становится больше амплитудного значения напряжения сети, последовательный ключ шунтируют электромеханическим контактом и замыкают только параллельный ключ, подключая индуктор к питающей сети и отключая при этом выход корректора от сети, при этом в индукторе энергия накапливается, и размыкают только параллельный ключ, подключая индуктор и питающую сеть к выходу корректора, так что энергия из индуктора и питающей сети передается в нагрузку, причем схема управления корректором устанавливает длительность замкнутого и разомкнутого состояния ключа так, чтобы огибающая тока, потребляемого из сети, строго соответствовала сетевому напряжению по форме и фазе, для чего в качестве элемента обратной связи используют датчик тока в цепи стока параллельного ключа, при этом в обоих режимах работы амплитуду, среднее значение тока, потребляемого из сети, и среднее значение тока, передаваемого в нагрузку, стабилизируют на заранее установленном уровне за счет указанной обратной связи по току.
Сущность изобретения поясняется чертежами (Фиг. 1-5).
Фиг. 1. Схема корректора коэффициента мощности.
Фиг. 2. Эквивалентная схема работы устройства в фазе 1 режима заряда. Ключи 5 и 14 замкнуты.
Фиг. 3. Эквивалентная схема работы устройства в фазе 2 режима заряда. Ключи 5 и 14 разомкнуты.
Фиг. 4. Эпюра напряжения и тока питающей сети в процессе заряда емкостного накопителя ККМ по прототипу или активного резистора в качестве ограничителя тока.
Фиг. 5. Эпюра напряжения и тока питающей сети в процессе заряда емкостного накопителя и работе на активную нагрузку при использовании заявляемого решения.
Заявляемый корректор коэффициента мощности содержит (см. Фиг. 1) шунтирующий контакт 1, сетевой фильтр 2, выпрямитель 3 сетевого напряжения, датчик 4 выпрямленного напряжения сети, последовательный ключ 5, индуктор 6, последовательный диод 7, датчик выходного напряжения 8, датчик тока 9, параллельный диод 10, выходной конденсатор 11, являющейся одновременно накопителем энергии, драйвер 12 последовательного ключа, драйвер 13 параллельного ключа, параллельный ключ 14 и схему 15 управления корректором коэффициента мощности.
Корректор коэффициента мощности, далее по тексту ККМ, соединен с питающей сетью через сетевой фильтр 2, к выходу которого подключен выпрямитель сетевого напряжения 3. Отрицательный вывод выпрямителя соединен с общей шиной устройства, относительно которой осуществляется отсчет уровней всех напряжений. Между общей шиной и положительным выводом выпрямителя подключен датчик 4 выпрямленного напряжения сети. Кроме того, с положительным выводом выпрямителя сетевого напряжения соединен сток последовательного ключа 5, исток которого соединен с левым по схеме выводом индуктора 6 и катодом параллельного диода 10. Анод параллельного диода 10 опирается на общую шину. Правый по схеме вывод индуктора 6 связан с анодом последовательного диода 7 и верхним по схеме выводом датчика 9 тока, нижний вывод которого соединен со стоком параллельного ключа 14, опирающегося своим истоком на общую шину. Датчик 8 выходного напряжения и выходной конденсатор 11 включены между катодом последовательного диода 7 и общей шиной. Нагрузка подключается к ККМ параллельно выходному конденсатору 11. Величина выходного конденсатора, т.е. емкостного накопителя, подключаемого к выходу ККМ, не ограничивается характеристиками ККМ, а определяется требованиями потребителя и, следовательно, может принимать неограниченно большое значение. Затвор последовательного ключа 5 соединен с выходом драйвера 12 последовательного ключа, второй выход которого связан с истоком последовательного ключа 5. Затвор параллельного ключа 14 соединен с выходом драйвера 13 параллельного ключа. Схема 15 управления ККМ связана с приводом шунтирующего контакта 1, выходом датчика 4 выпрямленного напряжения сети напряжения, входом драйвера 12 последовательного ключа, выходом датчика 9 тока, входом драйвера 13 параллельного ключа и выходом датчика 8 выходного напряжения. Шунтирующий контакт 1 включен между стоком и истоком последовательного ключа 5, а цепь привода шунтирующего контакта 1 соединена со схемой 15 управления ККМ.
Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. При заряде от сети переменного тока емкостных накопителей энергии, а также при питании нагрузки, имеющей резистивно-емкостной характер, возникает проблема ограничения потребляемого тока, особенно при начале заряда. Решением может быть включение последовательно с нагрузкой резистора или активное управление током, как в рассмотренном выше прототипе, однако в любом случае коэффициент извлекаемой из сети мощности будет существенно ниже единицы PF<<1, Фиг. 4. Предлагаемый корректор позволяет полностью решить эту проблему.
ККМ работает в двух режимах: двухключевом и одноключевом.
Двухключевой режим работы корректора используется для заряда емкостного накопителя в диапазоне напряжений от нуля до значения, равного амплитуде напряжения питающей сети. Точное значение напряжения заряда в указанном диапазоне устанавливается пользователем. В данном режиме корректор заряжает накопитель, в частности от нуля, и поддерживает заданное значение выходного напряжения, определяемого опорным сигналом Vref. Уровень Vref задают внешним образом и передают в схему управления корректором. Если нагрузкой корректора является мощный емкостной накопитель, то скорость изменения напряжения на нем, т.е. скорость заряда, определяется средним током, протекающим через накопитель, величина которого определяется опорным сигналом Iref. Сигнал Iref задают внешним образом и передают в схему управления корректором. Коэффициент мощности питающей сети PF=1 при работе корректора в данном режиме не зависит от уровня напряжения на выходе корректора, Фиг. 5. Такой результат достигается благодаря синхронному замыканию и размыканию последовательного и параллельного ключей 5 и 14 (Фиг. 2, 3), управляемых контроллером ККМ. Каждый цикл работы силовых ключей в двухключевом режиме можно разделить на две фазы, соответственно фаза 1 (Фиг. 2) и фаза 2 (Фиг. 3). Эквивалентная схема устройства, соответствующая фазе 1 цикла заряда, приведена на Фиг. 2, где V1 - это источник напряжения, эквивалентный мгновенному значению напряжения питающей сети. В данной фазе цикла ключи 5 и 14 замкнуты, вследствие чего индуктор 6 подключен к источнику напряжения V1. При указанном подключении ток через индуктор протекает в направлении, условно показанном стрелкой на Фиг. 2, а его величина линейно возрастает со временем, т.е. индуктор 6 накапливает энергию. Наличие датчика 9 тока позволяет контролировать мгновенное значение тока заряда индуктора, а следовательно, амплитудное и среднее значение тока, потребляемого устройством из сети, и, следовательно, дает возможность регулирования скорости заряда накопителя 11.
Эквивалентная схема фазы 2 цикла работы в двухключевом режиме представлена на Фиг. 3. Во второй фазе цикла силовые ключи 5 и 14 разомкнуты, диоды 7, 10 смещены в прямом направлении и проводят ток в направлении, указанном стрелкой. Как следствие, индуктор 6 передает энергию в конденсатор 11, а абсолютное значение протекающего тока линейно уменьшается со временем. Благодаря тому, что индуктор 6 в процессе передачи накопленной энергии не связан с питающей сетью, а фактически подключен параллельно к выходу, величина выходного напряжения корректора может принимать любое произвольное значение - как выше, так и ниже амплитуды напряжения питающей сети. Максимальное значение напряжения заряда ограничивается только характеристиками коммутирующих ключей и диодов, т.е. может многократно превышать напряжение сети. Поскольку частота коммутации силовых ключей 5 и 14 достаточно высока (100~250 кГц) по сравнению с частотой питающей сети (50~60 Гц), то огибающая тока, извлекаемого корректором из сети, сглаженная входным фильтром 2, не содержит высокочастотных составляющих и строго воспроизводит форму напряжения сети, как показано на Фиг. 4. Сигнал обратной связи с датчика 8 выходного напряжения поступает в схему 15 управления для обеспечения контроля и управления выходным напряжением корректора.
Когда выходное напряжение корректора превышает амплитудное значение сетевого напряжения, необходимость в использовании последовательного ключа отпадает. В этом случае управление последовательным ключом 5 прекращается и замыкается включенный параллельно ему контакт 1 и далее в работе участвует только параллельный ключ 14, т.е. корректор переходит в одноключевой режим работы. В этом режиме корректор представляет собой традиционный повышающий преобразователь, являющийся основой для большинства современных активных корректоров мощности. Коэффициент мощности питающей сети PF=1 в данном режиме работы также не зависит от уровня выходного напряжения корректора.
В одноключевом режиме при замыкании параллельного ключа 14 энергия в индукторе 6 накапливается и передается в нагрузку через диод 7, когда ключ 14 размыкается. Здесь, как и в двухключевом режиме, ток через индуктор, а следовательно, амплитудное и среднее значение тока, потребляемого ККМ из сети, контролируются через датчик 9 тока, что дает возможность регулирования выходного тока. Схема 15 управления ККМ воздействует на параллельный ключ 14 так, что огибающая сетевого тока строго следует за сетевым напряжением как по форме, так и по фазе, что делает коэффициент мощности питающей сети практически равным единице. В данном режиме работы ККМ обладает наивысшим КПД, однако условием его реализуемости является то, что выходное напряжение корректора должно быть выше амплитуды сетевого напряжения.
Таким образом, благодаря наличию последовательного ключа 5, шунтирующего контакта 1 и параллельного диода 10 достигается указанный выше технический результат.
Схема управления ККМ, соответствующего структуре, приведенной на Фиг. 1, может быть выполнена с использованием аналоговых контроллеров UCC28060, UCC28070 или, например, цифрового контроллера UCD3138. В качестве драйверов верхнего и нижнего ключей могут применяться FAN73711 и FAN3224 соответственно. Для ККМ с установленной мощностью нагрузки до 4.0 кВт в качестве силовых ключей 5, 14 можно использовать полевые транзисторы STW42N65M5.
Преимущества заявляемого ККМ заключаются в том, что:
заявляемый ККМ обеспечивает заряд емкостных накопителей произвольной емкости или иной комплексной нагрузки до произвольного, устанавливаемого пользователем напряжения как выше, так и ниже амплитуды напряжения сети. При этом полностью исключаются неконтролируемые броски тока в сети, как это имеет место в случае подключения к сети большой емкостной нагрузки;
заявляемый ККМ обеспечивает коэффициент мощности, практически равный единице, как в режиме заряда емкостного накопителя, так и в режиме стабилизации выходного напряжения при работе на резистивную или комплексную нагрузку;
заявляемый ККМ позволяет работать в широком диапазоне напряжений питающей сети без потери потребительских качеств. При очень низких значениях сетевого напряжения скорость в режиме заряда может снижаться, однако установленное значение напряжения накопителя будет достигаться всегда. В режиме стабилизации выходного напряжения при пониженных напряжениях питания устройство автоматически ограничивает выходную мощность и, соответственно, мощность, потребляемую из сети;
заявляемый ККМ обеспечивает наивысший по сравнению с аналогами КПД в режиме заряда емкостного накопителя и, как следствие, радикальное снижение тепловых потерь.
В заявляемом способе управления достигнут коэффициент мощности питающей сети, практически равный единице (PF=1), иначе, получение практически совпадающих по форме и фазе напряжения и тока питающей сети в любом режиме работы как при заряде емкостного накопителя неограниченной емкости, так и в режиме стабилизации выходного напряжения при работе на активную или комплексную нагрузку; регулируемое и устанавливаемое пользователем значение тока заряда накопителя, позволяющее менять скорость изменения выходного напряжения в режиме заряда накопителя; полное отсутствие неконтролируемых бросков тока в питающей сети; постоянная, заданная пользователем скорость заряда емкостного накопителя вне зависимости от уровня выходного напряжения и изменения напряжения питающей сети; произвольное, устанавливаемое пользователем напряжение заряда емкостного накопителя, лежащее в диапазоне от нуля до многократно превышающего амплитуду напряжения питающей сети.