ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С КОРРЕКТОРОМ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Настоящая полезная модель относится к электротехнике, в частности к устройствам преобразования входной энергии переменного тока в энергию требуемого вида, обеспечивая потребление синусоидального тока из сети.
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное находит широкое применение в таких устройствах как: источники питания и сварочные аппараты инверторного типа; зарядные устройства аккумуляторных батарей; зарядные устройства емкостных накопителей энергии; источники питания озонаторов, а так же в технологических источниках питания, нагрузка которых может изменяться в широких пределах.
Обычно для защиты от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки в известных устройствах, основанных на базе повышающего преобразователя, требуется применять дополнительные довольно сложные схемотехнические решения, что приводит к снижению надежности, увеличению энергопотребления, увеличению массогабаритных показателей, а так же к увеличению себестоимости продукции.
Известно устройство зарядки (патент РФ №50058 МПК7 H02J 7/00, опубл. 10.12.2005), включающее взаимосвязанные между собой вторичный источник с входным конденсатором, узел сетевого напряжения с мостовым выпрямителем и диодным мостом, снабжено корректором коэффициента мощности, который выполнен в виде блока управления, индуктивности, диода с ключом и делителей на резисторах, при этом корректор коэффициента мощности имеет размещенный на сетевом напряжении блок контроля превышения напряжения и соединенный с ним и мостовым выпрямителем ключ замыкания-размыкания.
Известен корректор коэффициента мощности (патент РФ №80075 МПК H02J 7/12, опубл. 20.01.2009), который содержит соединенные предложенным образом сетевой выпрямитель, дроссель, датчик тока, ключ, схему управления ключом, представляющую собой интегральную микросхему (например, IR1155), первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, второй трансформатор с первичной и вторичной обмотками, ограничитель напряжения в виде стабилитрона, выходной резистивный делитель, первый, второй, третий, четвертый и пятый выпрямительные диоды, выходной емкостной фильтр, выходные шины для подключения нагрузки.
Эти устройства позволяют получить повышенное значение коэффициента мощности бестрансформаторных преобразователей с нелинейным выпрямителем, например выпрямителем с емкостным или индуктивным фильтром и постоянной или меняющейся в ограниченном диапазоне нагрузкой. Однако использование в схемах управления таких преобразователей умножителей напряжения приводит к неоправданным искажениям потребляемого тока в интервалах времени, близких к переходу напряжения сети через нулевое значение. Это связано с инструментальными искажениями сигнала ошибки при реализации операции перемножения малых величин, стремящихся к нулевому значению. Кроме того, в таких преобразователях за основу силовой цепи принята схема повышающего преобразователя, которая совершенно не защищена от перегрузок и коротких замыканий в цепи нагрузки. В такого рода аварийных режимах токи преобразователя силовым транзистором ограничить невозможно и для защиты необходимо использовать дополнительные элементы защитного характера, такие как электронные или механические прерыватели с дополнительными потерями, быстродействием, а так же - стоимостью.
Известен преобразователь (Smith, М. PWM Controller with Jne-Cycle Responce / M.Smith, K.Smedley // US Patent 6,084,450), включающий силовой транзистор, входной выпрямитель с датчиками тока, положительный вывод выпрямителя связан с последовательно соединенными дросселем, отсекающим диодом и конденсатором выходного фильтра, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения, коллектор (сток) силового транзистора подключен к общей точке дросселя и отсекающего диода, а его эмиттер (исток) связан с отрицательным выводом выпрямителя, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство подключен к входу интегратора с тактирующим входом и к одному из входов второй схемы сравнения напряжения корректирующего устройства с выходным сигналом датчика тока, выход которого вместе с выходом компаратора подключены к входам компаратора, а инверсный выход триггера связан с тактирующим входом интегратора.
Такое построение схемы управления, получившее название One Cycle Control (ОСС) позволяет увеличить значение коэффициента мощности, за счет снижения искажений тока в интервалах времени перехода его через нулевые значения. В тоже время, отсутствие в таком преобразователе задающего гармонического сигнала сопровождается появлением низкочастотных искажений, компенсировать которые невозможно. Это приводит к снижению коэффициента мощности теперь уже за счет искажения формы тока на всем полупериоде напряжения сети. Кроме того, все недостатки связанные с невозможностью ограничения тока в режимах перегрузок и коротких замыканий нагрузки сохраняются, поскольку за основу силовой цепи также принята схема повышающего преобразователя.
Основной задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности с обеспечением «естественных» свойств токоограничения, что позволяет оптимизировать ряд параметров преобразователя, таких как потери, качество регулирования и защиты.
Техническим результатом является повышение надежности, уменьшение массогабаритных параметров и снижение себестоимости продукции.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности, включающий входной выпрямитель, датчик тока, транзистор, дроссель и отсекающий диод с конденсатором, параллельно которому подключен датчик выходного напряжения, а также схему управления с источником задающего напряжения, выход которого подключен к одному входу схемы сравнения, другой вход которой соединен с выходом датчика выходного напряжения, а выход схемы сравнения через корректирующее устройство и интегратор с тактирующим входом подключен к одному из входов компаратора, выход которого подключен к счетному входу триггера, тактирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора, прямой выход триггера через драйвер подключен к управляющему входу транзистора, а выход задающего генератора связан с тактирующим входом интегратора, введены датчик выпрямленного напряжения сети и второе корректирующее устройство, включенное между выходом первой схемы сравнения и входом компаратора, вторая схема сравнения выполнена трехвходовой, к которым подключены выходы обоих датчиков напряжения, и источника задающего напряжения, выход через корректирующее устройство связан с входом интегратора и одним из входов первой схемы сравнения, а тактирующий вход интегратора соединен с выходом задающего генератора, причем к положительному выводу выпрямителя подключен коллектор (сток) транзистора, эмиттер (исток) которого через дроссель и датчик тока соединен с его отрицательным выводом, а параллельно дросселю подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора и отсекающего диода.
На фиг.1 приведена схема преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности, на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие процесс управления силовым ключом преобразователя, на фиг.3 - временные диаграммы математической модели преобразователя, подтверждающие его работоспособность.
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности (фиг.1) содержит входной выпрямитель 1, датчик 2 тока, транзистор 3, дроссель 4 и отсекающий диод 5 с конденсатором 6 и нагрузкой 7, параллельно которым подключен датчик 8 выходного напряжения, а также схему 9 управления. Схема 9 управления содержит задающий генератор 10, первую схему 11 сравнения и вторую схему 12 сравнения, источник 13 задающего напряжения и последовательно соединенные корректирующее устройство 14, интегратор 15 с тактирующим входом, компаратор 16 и триггер 17. Выход триггера 17 через драйвер 18 подключен к управляющему входу транзистора 3, а тактовый вход триггера 17 соединен с выходом задающего генератора 10. Один из входов первой схемы 11 сравнения связан с выходом датчика 2 тока, а один из входов второй схемы 12 сравнения связан с выходом датчика 8 выходного напряжения. Преобразователь содержит датчик 19 выпрямленного напряжения сети, подключенный параллельно выходу входного выпрямителя 1, и второе корректирующее устройство 20, включенное между выходом первой схемы 11 сравнения и входом компаратора 16. Вторая схема 12 сравнения выполнена трехвходовой, к которым подключены выходы датчика 8 выходного напряжения, датчика 19 выпрямленного напряжения сети и источника 13 задающего напряжения. Выход второй схемы 12 сравнения связан с входом интегратора 15 и одним из входов первой схемы 11 сравнения через корректирующее устройство 14. Тактирующий вход интегратора 15 соединен с выходом задающего генератора 10. К положительному выводу выпрямителя 1 подключен коллектор (сток) транзистора 3, эмиттер (исток) которого через дроссель 4 и датчик тока 2 соединен с отрицательным выводом выпрямителя 1. Параллельно дросселю 4 подключена цепь из последовательно соединенных конденсатора 6 и отсекающего диода 5.
На фиг.2 и 3 приняты следующие обозначения: 21 - выходное напряжение преобразователя; 22 - напряжение ошибки, действующее на выходе корректирующего устройства 14; 23 - выходное напряжение интегратора 15; 24 - выходное напряжение первого сравнивающего устройства 11; 25 - уровень напряжения насыщения корректирующего устройства 14; 26 - напряжение на управляющем входе транзистора; 27 -напряжение питающей сети; 28 - выходное напряжение датчика 19 напряжения сети; 29 - ток, потребляемый из сети; 30 - ток дросселя 4.
На фиг.3 представлены временные диаграммы соответствующих токов и напряжений математической модели предложенного устройства, полученные в среде SwCAD при следующих параметрах:
- напряжение сети ~220 В; частота коммутации транзистора - 80 кГц; сопротивление нагрузки 30 Ом; индуктивность дросселя - 700 мкГн; выходная емкость - 1000 мкФ.
Как видно на фиг.1 схема 9 управления транзистором преобразователя выполнена трехконтурной: с контуром тока, включающим датчик 2 тока, первую схему 11 сравнения, задающим сигналом которой является скорректированный выходной сигнал внешнего контура стабилизации выходного напряжения, содержащего датчик 8 выходного напряжения, источник 13 задающего напряжения и корректирующее устройство 14, и третий контур формирования модулированных по длительности импульсных сигналов, путем сравнения компаратором 16 скорректированного сигнала контура стабилизации тока и преобразованного сигнала контура стабилизации напряжения - изменяющегося по амплитуде пилообразного сигнала 23, действующего на выходе интегратора 15 с тактирующим входом.
Преобразователь однофазного переменного напряжения в постоянное с корректором коэффициента мощности работает следующим образом.
В установившемся режиме работы напряжение на выходе выпрямителя 1 нормируется датчиком 19 напряжения сети и сравнивается с выходным напряжением 28 датчика тока дросселя 2, а выходное напряжение первого сравнивающего устройства 11 представляет собой напряжение ошибки регулирования 24 по току и поступает на инвертирующий вход компаратора 16. В то же время выходное напряжение 21 преобразователя, действующее на выходе датчика напряжения 8, сравнивается схемой 12 с задающим напряжением и сигнал ошибки регулирования по напряжению 22 усиливается корректирующим устройством 14 и поступает на вход интегратора с обнулением его выходного напряжения на каждом тактовом интервале задающего генератора 10. На выходе интегратора 15 действует пилообразное напряжение 23, амплитуда которого изменяется в соответствии с изменением сигнала ошибки регулирования по напряжению 22. Напряжение 23 поступает на другой вход компаратора 16, на выходе которого формируется импульсная последовательность с модуляцией длительности, пропорциональной текущему значению напряжений 23, 24. Триггер 17 выполняет функцию ограничения количества переключений на каждом тактовом интервале задающего генератора 10, так, что на его прямом выходе формируется напряжение 26, которое через драйвер 18 поступает на управляющий вход транзистора 3. Для работы преобразователя на восходящей ветви регулировочной характеристики драйвером 18 устанавливается нерегулируемая пауза («мертвое время») такой величины, чтобы относительная длительность включенного состояния транзистора не превышало точки перегиба регулировочной характеристики. На инверсном выходе триггера 17 действует импульсная последовательность узких импульсов задающего генератора 10, которая поступает на тактовый вход интегратора, обеспечивая разряд его выходного конденсатора, то есть формирование пилообразного напряжения 23.
При поступлении импульсов 26 на управляющий вход транзистора 3, последний открывается, обеспечивая выключение отсекающего диода 5, и ток 29 дросселя 4 начинает нарастать под действием выпрямленного напряжения 27 сети до тех пор, пока напряжение 24 сигнала ошибки рассогласования по току не сравняется с пилообразным напряжением 23. При этом напряжение 26 на выходе компаратора 16, а значит и на входе транзистора 3 становится равным нулю и последний выключается, обрывая ток сети. Под действием напряжения дросселя 4 диод 5 открывается и ток 30 дросселя 4 отдает свою энергию на заряд конденсатора 6 и питание нагрузки 7. С приходом очередного импульса задающего генератора 10 напряжение 23 интегратора обнуляется, а выходное напряжение компаратора 16 становится положительным, обеспечивая очередное включение транзистора 3. Далее процессы повторяются, и в дросселе 4 формируется ток 30, обеспечивая потребление из сети тока 29, среднее значение которого имеет синусоидальную форму, синфазную с напряжением сети. При необходимости потребления из сети непрерывного тока перед выпрямителем необходимо установить сглаживающий фильтр тока, рассчитанный на подавление его высокочастотной составляющей. При возникновении режима перегрузки или короткого замыкания выходное напряжение 21 преобразователя снизится или станет равным нулю. Сигнал ошибки регулирования по напряжению 22 возрастет до напряжения 25 насыщения усилителя корректирующего устройства, на такую же величину возрастет и амплитуда пилообразного напряжения 23. Сигнал ошибки регулирования по току 24 возрастет, стабилизируя заданное напряжением датчика 19 напряжения сети требуемое значение тока нагрузки. Внешняя характеристика такого преобразователя имеет почти прямоугольную форму с ярко выраженным горизонтальным участком в режиме стабилизации напряжения и вертикальным участком в режиме стабилизации тока за счет «естественных» свойств токоограничения.
Таким образом, предлагаемый преобразователь электрической энергии инвертирующего типа обеспечивает необходимое дозирование энергии передаваемой в нагрузку, в чем проявляются его «естественные» свойства токоограничения, при обеспечении потребления синусоидального тока заданной величины из питающей сети даже в режиме короткого замыкания, что приводит к улучшению надежности, уменьшению массогабаритных параметров, снижению себестоимости продукции.