СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
CONTROL METHOD OF ALTERNATING VOLTAGE TO CONSTANT VOLTAGE CONVERTER AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области электротехники, силовой электроники и систем автоматического регулирования.
Способ управления и устройство для его осуществления могут быть использованы в преобразователях однофазного переменного напряжения в постоянное с повышенной надежностью. В предложенном варианте этот эффект достигается за счет исключения из структуры силовой цепи устройства электролитических конденсаторов большой емкости и новыми законами управления транзисторами преобразователя. Это может быть использовано тогда, когда требуется одновременно повысить срок службы и энергетическую эффективность преобразователей. Наиболее востребованными в настоящее время являются драйверы светодиодных изделий и других нагрузок, для питания которых необходимо преобразование переменного однофазного напряжения в прецизионный постоянный ток.
Известен способ управления преобразователем однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение, включающий входной выпрямитель, к выходу которого подключен корректор коэффициента мощности с выходным конденсатором, параллельно которому подключен двухключевой реверсивный преобразователь с входной индуктивностью и накопительным конденсатором на его выходе, обеспечивающий работу корректора и реверсивного преобразователя в режиме непрерывных токов [1].
Такой преобразователь и способ управления его транзисторами позволяют получить постоянный ток нагрузки, но достичь повышенной энергетической эффективности не удается, потому, что в режиме непрерывного тока неоправданно велики из-за «жесткой» коммутации силового транзистора динамические потери в транзисторе корректора коэффициента мощности, что снижают коэффициент полезного действия. Кроме того, в известном преобразователе используется косвенный способ формирования импульсной последовательности управления транзистором корректора коэффициента мощности по напряжению и току нагрузки, а также косвенный способ формирования двухтактной импульсной последовательности управления транзисторами реверсивного преобразователя.
В целом, такой способ управления характеризуется повышенным коэффициентом пульсаций напряжения и тока нагрузки. Кроме того, вследствие косвенного формирования импульсных последовательностей управления транзисторами, замкнутая система автоматического регулирования функционирует в различных режимах - с частотой следования импульсов развертывающего напряжения и множества субгармонических колебаний, в зависимости от уровня и фазы напряжения сети или фазы переменной составляющей напряжения на накопительном конденсаторе. Это сопровождается субгармоническими или хаотическими колебаниями (пульсациями) напряжения и тока нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности является способ управления преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение, согласно которому формируется импульсная последовательность управления транзистором обратноходового преобразователя, пропорциональная среднему значению тока вторичной обмотки трансформатора обратноходового преобразователя. Для управления транзисторами реверсивного преобразователя формируется двухтактная импульсная последовательность, длительность импульсов которой изменяется пропорционально переменной составляющей тока трансформатора и пульсациями напряжения на накопительном конденсаторе. Это обеспечивает работу обратноходового преобразователя в режиме прерывистых токов, но на неопределенном интервале времени, а работу реверсивного преобразователя - по закону, весьма приближенному к требуемому. Устройство для реализации такого способа управления включает входной выпрямитель, к выходу которого подключен корректор коэффициента мощности с выходным конденсатором, параллельно которому подключен двухключевой реверсивный преобразователь с входной индуктивностью и накопительным конденсатором на его выходе и соответствующую систему автоматического управления. Этот способ и устройство его реализации выбраны в качестве прототипа [2].
Такой способ управления позволяет исключить динамические потери на переключение транзистора обратноходового преобразователя и повысить коэффициент полезного действия. В тоже время, как и в [1], формирование двухтактной импульсной последовательности управления транзисторами реверсивного преобразователя по косвенным оценкам требуемого закона управления не позволяет поддерживать устойчивый режим работы замкнутой системы автоматического управления реверсивного преобразователя с частотой развертывающего напряжения. Это сопровождается значительными пульсациями тока нагрузки.
Техническо-экономический эффект, достигаемый предлагаемым способом преобразования однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение, заключается в установлении закономерностей формирования управляющих импульсных последовательностей транзисторов, как обратноходового, так и реверсивного преобразователей. Это позволяет увеличить надежность, коэффициент полезного действия и динамическую устойчивость предложенного устройства его реализации.
На фиг. 1 приведена блок-схема силовой цепи преобразователя однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение. На фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие существо способа преобразования, а на фиг. 3 приведена схема устройства, реализующего предложенный способ управления преобразователем.
На фиг. 1 обозначено: 1 - источник напряжения питающей сети; 2 - входной фильтр; 3 - двухполупериодный выпрямитель; 4 - обратноходовый преобразователь с последовательно соединенными транзистором 5 трансформатором 6, во вторичную обмотку которого включен диод однополупериодного выпрямителя 7; 8 - цепь нагрузки; 9 - реверсивный преобразователь с первым транзистором 10 и с вторым транзистором 11, входной индуктивностью 12 и накопительным конденсатором 13.
На фиг. 2 обозначено: 14 - выпрямленное напряжение питающей сети; 15 - мгновенные значения тока, потребляемого обратноходовым преобразователем; 16 - импульсы напряжения моментов перехода питающей сети через ноль; 17 - среднее значение напряжения питающей сети за полупериод, формируемое в моменты перехода напряжения сети через ноль; 18 - импульсы управления транзистором 5 обратноходового преобразователя 4 (однотактная импульсная последовательность); 19 - мгновенные значения выходного тока обратноходового преобразователя; 20 - огибающая тока вторичной обмотки трансформатора 6 обратноходового преобразователя 4; 21 - усредненное значение тока вторичной обмотки трансформатора 6; 22 -функциональная зависимость |cos(ωt)|-0.5, отражающая характер изменения относительной длительности управляющих импульсов транзисторов реверсивного преобразователя 9; 23, 24 - импульсы управления транзисторами 10, 11 соответственно реверсивного преобразователя 9 (двухтактная импульсная последовательность); 25 - ток входной индуктивности реверсивного преобразователя; 26 - напряжение на нагрузке и ток цепи нагрузки 8.
На фиг. 3 обозначено: 27 - устройство выборки и хранения; 28 - датчик перехода напряжения сети через ноль; 29 - резистивный делитель напряжения; 30 - первый узел сравнения; 31 - первый источник задающего напряжения; 32 и 39 - первый и второй компараторы напряжения соответственно; 33 - генератор развертывающего напряжения; 34 - задающий генератор; 35 - узел сдвига фазы; 36 - узел формирования модуль-функции; 37 - вычитатель; 38 - источник напряжения смещения; 40 - инвертор.
Способ управления преобразователем однофазного переменного напряжения в постоянное напряжение, включающим (фиг. 1) однофазный источник напряжения питающей сети 1, входной фильтр 2, двухполупериодный выпрямитель 3, обратноходовый преобразователь 4 с последовательно включенными транзистором 5 и трансформатором 6, во вторичную обмотку которого включен диод однополупериодного выпрямителя 7; цепь нагрузки 8; реверсивный преобразователь с первым и вторым транзисторами 10 и 11 соответственно, входной индуктивностью 12 и накопительным конденсатором 13, заключающийся (фиг. 2) в формировании одной импульсной последовательности 18, для управления транзистором 5 обратноходового преобразователя, относительная длительность импульсов которой определяется напряжением 17, зависящим от напряжения на накопительном конденсаторе 13, и остается постоянной величиной γ<0.5 на полупериоде напряжения питающей сети и формировании второй противотактной импульсной последовательности 23, 24 для управления первым и вторым транзисторами 10 и 11 реверсивного преобразователя 9, при этом характер изменения относительной длительности импульсов второй противотактной импульсной последовательности определяется по закону 22 |cos(ωt)|-0.5.
Для формирования первой импульсной последовательности 18 (фиг. 2) необходимо по напряжению питающей сети или по выпрямленному входному напряжению 14 сформировать последовательность импульсов перехода напряжения питающей сети через нулевое значение 16. Эта последовательность импульсов разрешает изменять напряжение ошибки по току один раз за полупериод напряжения питающей сети в контуре управления обратноходовым преобразователем. При этом, на полупериоде напряжения питающей сети, интервалы накопления и отдачи энергии трансформатором 6 сохраняются постоянными, что гарантирует изменение огибающей 20 импульсов 15 и 19 по закону модуль-синуса. Усредненное значение тока 21 треугольных импульсов 19 также будет изменяться по закону |sin(ωt)|. Небольшое изменение относительной длительности импульсов 18 в разные полупериоды входного напряжения обусловлено наличием нестабильности напряжения питающей сети 14 и требуется, чтобы поддерживать ток 26 постоянным. При постоянстве входного напряжения относительная длительность импульсов 18 будет неизменной все время.
Для получения на нагрузке постоянного тока 26 в входной индуктивности 12 формируем ток 25, характер изменения которого определяется модулем синусоидальной функции со смещением |sin(ωt)|-0.5. Для этого напряжение, прикладываемое к входной индуктивности 12, должно изменяться в соответствии с функциональной зависимостью 22. Таким образом, по закону |cos(ωt)|-0.5 формируется противотактная импульсная последовательность 23, 24 для управления транзисторами 10, 11 реверсивного преобразователя 9. При этом реверсивный преобразователь 9 работает в режиме повышающего либо понижающего преобразователя, накапливая энергию в накопительном конденсаторе 13 либо отдавая ее в нагрузку 8 соответственно.
Устройство на фиг. 3, реализующее способ управления преобразователем переменного напряжения в постоянное напряжение, работает следующим образом. Используется двухконтурная система управления, причем первый контур осуществляет управление обратноходовым преобразователем 4, а второй - управление реверсивным преобразователем 9. В частности, для управления обратноходовым преобразователем 4 используется устройство выборки и хранения 27, на тактирующий вход которого подается сигнал 16 с выхода датчика перехода напряжения сети через ноль 28, а на другой вход устройства выборки и хранения 27 поступает напряжение с резистивного делителя 29. Напряжение на выходе устройства выборки и хранения 27 устанавливается равным напряжению, которое было на его входе в момент подачи импульса на его тактовый вход и остается неизменным до подачи следующего тактового импульса. Это напряжение поступает на один из входов первого узла сравнения 30, к второму входу которого приложено напряжения с первого источника задающего напряжения 31. Результат поступает на первый вход первого компаратора напряжения 32, к второму входу которого приложено пилообразное напряжение с генератора развертывающего напряжения 33. К входу генератора развертывающего напряжения подключен задающий генератор 34, формирующий импульсы, задающие частоту работы преобразователя. На выходе первого компаратора напряжения 32 формируются импульсы напряжения для управления транзистором 5 обратноходового преобразователя 4.
Второй контур управления транзисторами 10 и 11 реверсивного преобразователя 9 (фиг. 3) содержит узел сдвига фазы 35, на выходе которого формируется напряжение, изменяющееся по закону косинуса. Выход узла сдвига фазы 35 подключен к узлу формирования модуль-функции 36, выход которого соединен с одним из входов вычитателя 37, к другому входу которого приложено напряжение с источника напряжения смещения 38, а выход вычитателя 37 подключен к второму входу второго компаратора напряжения 39. На выходе вычитателя 37 формируется модулирующая функция, изменяющая по закону |cos(ωt)| и смещенная относительно нулевого значения на величину сигнала на выходе источника напряжения смещения 38. На первый вход второго компаратора напряжения 39 поступает сигнал с выхода генератора развертывающего напряжения 33. На выходе второго компаратора напряжения 39 формируются импульсы напряжения, поступающие на управляющий вход транзистора 10 и через инвертор 40 на управляющий вход транзистора 11.
Такой способ управления преобразователем переменного напряжения в постоянное позволит повысить динамическую устойчивость предложенного устройства для его реализации, получить меньший коэффициент пульсаций тока нагрузки, увеличить коэффициент полезного действия и, как следствие, повысить надежность устройства, а представленное устройство для осуществления способа управления позволяет реализовать на практике преобразователь, сочетающий в себе вышеуказанные преимущества.
Список литературы
1. Liang, T.-J. Electrolytic Capacitor-Less AC/DC Converter and Controlling Method thereof / T.-J. Liang, K.-W. Lee, Y.-H. Hsieh, J.-F. Chen, Yi-C. Shen // US Patent 9,300,217 B2
2. Shu W. A Flicker-Free Electrolytic Capacitor-Less AC-DC LED Driver/ W. Shu, X. Ruan, K. Yao // Journal IEEE Transaction on Power Electronics. - 2011. - V. 27, No 11. - P. 4540-4548.