БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР ВЫПРЯМЛЕННОГО ТОКА ( ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, работающих в широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).
Известен бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока (аналог), содержащий схему управления электронными ключами и последовательно-каскадно включенные однофазный мостовой выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и импульсный модулятор (А.Евстифеев. Особенности построения балластов для ламп высокого давления. Силовая электроника, №3, 2008 г., с.132-136, рис.4, 5, 6, 10, 11).
Недостатком этого устройства (аналога) являются непригодность схемы коррекции мощности для использования с трехфазной питающей сетью, а также низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энегоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С, указанных в аналоге, для уличного расположения устройства вблизи разогревающейся нагрузки).
Известен бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления, двухполупериодный выпрямитель, в частности - трехфазный, с импульсным корректором коэффициента мощности и выходным двух конденсаторным фильтром, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства. (В.Климов, А.Москалев. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания. Силовая электроника, №3, 2007 г., с.74-76, рис.1).
Недостатком этого устройства (прототипа) также являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энегоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).
По технической сущности наиболее близким (прототипом) к предлагаемому является последний из указанных известных бестрансформаторных регуляторов выпрямленного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энегоемкостью путем замены его термостойким дроссельным фильтром, совмещенным с дросселем введенного в устройство импульсного модулятора
Техническим результатом предложения является повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.
Указанный результат по первому варианту обеспечивается благодаря тому, что в бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра, соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в непроводящем направлении, подключены к среднему выходному выводу устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к первым выводам диодов, а также тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.
Указанный результат по второму варианту обеспечивается благодаря тому, что в бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра, соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в проводящем направлении, соединены с соответствующими крайними выходными выводами устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к среднему выходному выводу устройства, а также тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.
Дополнительным техническим результатом предложения является исключение генерирования мощного электромагнитного импульса при аварийном замыкании или пробое в цепи, связанной с энергоемким конденсаторным фильтром.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока.
На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока в первом варианте на базе «понижающего» импульсного модулятора с последовательным дросселем.
На фиг.2 приведена принципиальная схема предлагаемого бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока во втором варианте на базе «повышающее-понижающего» (полярно-инвертирующего) импульсного модулятора с параллельным дросселем.
Предлагаемый бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока (2 варианта) содержит двухполупериодный выпрямитель 1 с импульсным корректором коэффициента мощности (в однофазном или трехфазном исполнении) и выходным двухконденсаторным фильтром 2, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети (обозначена N) и со средним выходным выводом устройства. В устройство введен импульсный модулятор 3, содержащий три электронных ключа 4, 5, 6, двухобмоточный дроссель 7, 8 и два диода 9, 10. Схема управления 11 электронными ключами имеет входные датчики каналов обратных связей. Вход выпрямителя подключен к выходным выводам 12, 13 устройства, а выход импульсного модулятора - к выходным выводам 14, 15, 16 устройства. Первый и второй электронные ключи (4, 5) своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра (2), соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов (9, 10), а третий электронный ключ (6) своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы (14, 15) устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток (7, 8) дросселя. При этом по первому варианту вторые разноименные выводы диодов (9, 10), включенных в непроводящем направлении, подключены к среднему выходному выводу (16) устройства, а вторые выводы обмоток (7, 8) дросселя подключены к первым выводам диодов (9, 10). По второму варианту вторые разноименные выводы диодов (9, 10), включенных в проводящем направлении, соединены с соответствующими крайними выходными выводами (15, 14) устройства, а вторые выводы обмоток (7, 8) дросселя подключены к среднему выходному выводу (16) устройства.
Схема управления (11) электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым (4) и вторым (5) электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре (2), а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом (6), подключена к датчику выходного тока устройства.
В качестве первого и второго электронных ключей (4, 5), а также третьего ключа (6) в первом варианте (Фиг.1) могут использоваться либо транзисторы, либо запираемые (двухоперационные) тиристоры, а в качестве третьего ключа (6) во втором варианте (Фиг.2) - последовательная транзисторно-диодная пара, либо любой тиристор (одно- или двухоперационный), т.к. его искусственное запирание можно обеспечить кратковременным включением первого и второго ключей (4, 5).
Главные отличия предлагаемого устройства от его аналога и от прототипа заключаются в существенном (многократном) снижении энергоемкости конденсаторного фильтра (2), соответствующем увеличении энергоемкости дросселя (7, 8) и введении трех электронных ключей (4, 5, 6).
Предлагаемый бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока работает следующим образом. Входные выводы (12, 13) устройства подключают к питающей сети (однофазной или трехфазной) переменного тока, а выходные (14, 15, 16) - к однополярной емкостной (с предвключенными защитными диодами), резистивной, полупроводниковой, газоразрядной или смешанной нагрузке, например, к светодиодному столбу, аккумуляторной батарее, полумостовому или мостовому инвертору напряжения и др.
Функцией корректора коэффициента мощности являются обеспечение заданного синусоидального тока, потребляемого из каждой фазы сети (А, В, С), а также его синфазная синхронизация с напряжением соответствующей фазы.
При относительно малой электроемкости двухконденсаторного фильтра (2) входные среднеимпульсные ток и напряжение импульсного модулятора (на базе элементов 6, 7, 8, 9, 10) приближаются по форме к пульсирующей - синусоидальной (по абсолютной величине, пропорциональные значениям |sinωt|. Это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком напряжения на конденсаторном фильтре (2) и цепью импульсного (например, широтно-импульсного или двухпорогового) управления первым (4) и вторым (5) электронными ключами. Если при этом на выходе устройства требуется регулировать, например - стабилизировать ток нагрузки, то это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства и цепью управления третьим электронным ключом (6) (также, например, широтно-импульсного или двухпорогового). Для защиты от сверхотоков и перенапряжений и для коррекции цепей управления может быть использована цепь обратной связи по выходному напряжению или токам обмоток дросселя. В результате указанного управления на входе и выходе устройства, а также на входе импульсного модулятора (6, 7, 8, 9, 10) достигается баланс средних значений мощностей за период питающего (сетевого) напряжения. При этом разница в мгновенных значениях этих мощностей компенсируется за счет относительно большой энергоемкости дросселя (7, 8). Так, например, при синфазно-синхронных токе и напряжении на входе импульсного модулятора (6, 7, 8, 9, 10), пропорциональных закону:
i(t)~u(t)~|sinωt|),
мгновенная мощность, потребляемая его входом, будет изменяться по закону, пропорциональному функции:
P(t)~0,5(1-cos2ωt),
СЕТИ
где ω=2π/Т.
Если при этом нагрузкой потребляется постоянная мощность, пропорциональная величине:
H
CP
P=P~0,5,
то реактивная мощность дросселя будет пропорциональна величине:
Q(t)=ΔP(t)~0,5cos2ωt,
т.е. является гармонической знакопеременной функцией. При этом энергия дросселя пропорциональна величине:
0
0
W(t)~∫ΔP(t)dt+W=sin2ωt+W,
т.е. будет иметь форму пульсирующей величины с произвольно-заданной (желательно минимальной) постоянной составляющей. Суммарное потокосцепление (суммарный ток) дросселя будет изменяться по закону, пропорциональному:
где L - индуктивность обмотки дросселя.
Таким образом выполняется задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - исключается нетермостойкий электролитический сглаживающий конденсатор с относительно большой энергоемкостью путем переложения его функции на термостойкий дроссельный фильтр, совмещенный с дросселем импульсного модулятора.
При этом достигается технический результат предложения - повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.