ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания светодиодных светильников наружного применения с широким температурным диапазоном окружающей среды.
Известен преобразователь переменного тока, в частности - электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока (натриевой лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, полумостовой инвертор напряжения на базе двух электронных ключей и конденсаторного делителя напряжения, а также схему управления. (А.Евстифеев, Особенности построения балластов для ламп высокого давления. - Силовая электроника, №3, 2008 г., с.132-136, рис.4 - нижняя часть, рис.6 и рис.10).
Недостатком этого устройства являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за использования шести электронных ключей и наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды. Если заменить указанный электролитический конденсатор пленочным, то из-за сложности обеспечения приемлемых массо-габаритных его параметров будет необходимо во много раз снизить его энергоемкость, т.е. увеличить глубину пульсаций, а, следовательно, - величину реактивной мощности, что также ведет к снижению надежности.
Известен преобразователь переменного тока, в частности - электронный пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока (металл-галогенной лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, понижающий преобразователь с электронным ключом, мостовой инвертор напряжения на базе четырех электронных ключей и схему управления (см. там же, рис.4 - верхняя часть, рис.10, рис.12).
Недостатком указанного устройства являются низкие надежность, рабочий ресурс и КПД из-за сложности тройного преобразования энергии, а также из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды, с учетом зимних и летних условий, а также близости раскаленной лампы.
Известен преобразователь переменного тока, содержащий две дроссельные обмотки, четыре электронных ключа, два электролитических фильтровых конденсатора, восемь диодов и схему управления с каналом высокочастотной модуляции (для коррекции коэффициента мощности на входе устройства) и с цепями обратных связей по токам и напряжениям (А.Васильев, В.Худяков, В.Хабузов. Анализ современных методов и технических средств коррекции коэффициента мощности у импульсных устройств. - Силовая электроника, №2, 2004, с.72-77, рис.9). Этот преобразователь переменного тока выгодно отличается от вышеуказанных аналогов наличием общего для входа и выхода вывода, соединенного с сетевой нейтралью и позволяющего применять заземление и трехфазный вариант.
Недостатком этого устройства также являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за сложности двойного преобразования и наличия электролитических конденсаторов с относительно большой энергоемкостью, требующих термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60ºC до +105ºC).
Известен преобразователь переменного тока, (выбранный в качестве прототипа), содержащий два конденсатора, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, диодно-мостовой выпрямитель и схему управления с каналом импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям: (Патент на полезную модель №89910, БИ №35 от 20.12.2009 г. Преобразователь переменного тока. Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В.).
В отличие от вышеуказанных устройств (аналогов) он не содержит энергоемкого электролитического сглаживающего конденсатора, что позволяет использовать его при широком диапазоне температур окружающей среды.
Недостатком указанного преобразователя переменного тока (прототипа) являются низкие надежность и КПД из-за наличия двух электронных ключей и соответствующего усложнения схемы управления.
Техническими предложениями является повышение надежности и КПД устройства.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователе переменного тока, содержащем конденсатор, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, подключенный первым выводом к первому выходному выводу преобразователя, диодно-мостовой выпрямитель, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек, средние точки которых подключены к выводам преобразователя, причем точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку подключена ко второму выводу электронного ключа и через конденсатор - к точке соединения анодных выводов стоек и к первому выводу второй дроссельной обмотки, а также схему управления с каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с цепями обратных связей, содержащих устройства сравнения и датчики входных и выходных токов и напряжений, точка соединения первого вывода электронного ключа и первого выходного вывода преобразователя непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки, первый вывод которой подключен также ко второму выходному выводу преобразователя, а между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором.
Дополнительным техническим результатом является упрощение преобразователя за счет снижения числа электронных ключей, конденсаторов и элементов схемы управления.
Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного преобразователя переменного тока.
На фиг. приведена принципиальная схема силовой части и упрощенная структура схемы управления предлагаемого преобразователя переменного тока.
Предлагаемый преобразователь переменного тока содержит: конденсатор 1, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки 2, 3, электронный ключ 4, первый выходной вывод преобразователя 5, диодно-мостовой выпрямитель 6, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек 7, 8 и 9, 10, первый и второй входные выводы 11, 12 и второй выходной вывод 13. Схема управления 14 содержит канал импульсной модуляции 15, устройство сравнения 16 и датчики 17, 18 входных и выходных токов и напряжений.
Между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель 19, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором 20.
Электронный ключ 4 подключен своим первым выводом к первому выходному выводу 5 преобразователя. Средние точки стоек выпрямителя 6 подключены к первому и второму входным выводам 11, 12 преобразователя, соответственно. Точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку 2 подключена ко второму выводу электронного ключа 4 и через конденсатор 1 - к первому выводу второй дроссельной обмотки 3 и к точке соединения анодных выводов стоек выпрямителя.
Точка соединения первого вывода электронного ключа 4 и первого выходного вывода преобразователя 5 непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки 3.
Датчик 17 входных тока и напряжения установлен во входной цепи выпрямителя 6, а аналогичный датчик 18 выходных тока и напряжения - в выходной цепи.
Преобразователь переменного тока работает следующим образом. Рассмотрим процессы питания от сети подключенного к выводам 5 и 13 в качестве нагрузки столба из последовательных светодиодов (светодиодного модуля). Входные выводы 11, 12 преобразователя подключены к промышленной сети переменного тока. Рассмотрим работу во временном интервале полупериода (Т/2) питающего сетевого напряжения, при котором на первом входном выводе 11 имеется положительный потенциал относительно второго входного вывода 12.
Электронный ключ 4 высокочастотно-импульсно модулируется по управлению от канала 15, например, по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или двухпороговому релейному закону. При включении ключа 4 за время Δt суммарное потокосцепление ψ дроссельных обмоток 2, 3 возрастает на некоторую величину за счет питания от сети по цепи 11-17-7-2-4-3-10-12. До этого конденсатор 1 был заряжен с полярностью, указанной на фиг. по цепи 11-17-7-2-1-10-12. Поэтому, после отпирания ключа 4, он частично разряжается на вторую дроссельную обмотку 3 через электронный ключ 4 до напряжения близкого к половине сетевого напряжения, отдавая часть своей энергии на накопление электромагнитной энергии дроссельных обмоток. В момент Δt, при пропадании сигнала в канале 15 ключ 4 запирается. Суммарное потокосцепление дроссельных обмоток 2, 3 не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации). Это приведет к тому, что конденсатор будет дозаряжаться благодаря индуктивностям рассеяния дроссельных обмоток, сохраняя непрерывность сетевого тока, а основная часть электромагнитной энергии дроссельных обмоток за время Δt будет передаваться в нагрузку, трансформируясь в цепь 3-13-5-18-3 с током, протекающим в нагрузке от вывода 13 к выводу 5. За время ΔT-Δt, где ΔT - период модуляции, суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до некоторого минимума, сохраняя свою непрерывность.
В момент ΔT вновь включается ключ 4, после чего одновременно вновь происходит нарастание суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и передача энергии конденсатора, накопленной им на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток. Далее указанные процессы периодически повторяются.
max
min
При этом с помощью цепей обратных связей с датчиками 17, 18 входных и выходных токов и напряжений и канала импульсной модуляции 15 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока выпрямителя (за счет регулирования соотношения Δψ и Δψ суммарного потокосцепления дроссельных обмоток) и его синфазной синхронизации с напряжением сети. При этом также регулируется амплитуда сетевого тока в соответствии с заданным эталонным или программно меняющимся значением.
Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, обеспечивая отсутствие низкочастотных (с частотой сети) миганий светодиодов благодаря индуктивной фильтрации огибающей выходного тока. Роль конденсатора 1 сводится к защите электронного ключа 4 от перенапряжений при его запирании (из-за индуцирования ЭДС в индуктивностях рассеяния дроссельных обмоток), а также к обеспечению непрерывности сетевого тока (для повышения коэффициента мощности). При этом энергоемкость и массогабаритные параметры конденсатора относительно малы, т.к. на него не возлагается функция низкочастотного фильтра выпрямленного напряжения (как на электролитический емкостный фильтр в аналогах).
Роль вспомогательного дросселя 19 и вспомогательного конденсатора 20 сводится к защите цепей сетевого питания от высокочастотных пульсаций тока, т.е. к функции обратного низкочастотного фильтра.
Таким образом, в отличие от прототипа заявляемый преобразователь переменного тока имеет не два, а один электронный ключ и, соответственно, более простую схему управления, а также только один конденсатор, благодаря чему достигается основной технический результат - повышение надежности и КПД устройства.