ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, например, электронных пускорегулирующих аппаратов (балластов) для питания газоразрядных ламп, в частности, натриевых и металл-галогенных ламп высокого давления, применяемых для освещения дорог, больших площадей и в тепличном хозяйстве.
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., стр.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 г., стр.72-77, рис.9). Этот преобразователь переменного тока (выбранный как прототип) 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 (прототипа) 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 -60°С до +105°С).
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из указанных известных преобразователей переменного тока.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение числа электронных ключей и исключение нетермостойких электролитических сглаживающих конденсаторов с относительно большой энергоемкостью.
Техническим результатом предложения является повышение надежности и рабочего ресурса устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователе переменного тока, содержащем два конденсатора, две дроссельные обмотки, электронную однонаправленную двухключевую стойку, подключенную средним выводом к первому выходному выводу преобразователя, две однонаправленные двухдиодные стойки, первая из которых средним выводом подключена к первому входному выводу преобразователя, а крайними - через дроссельные обмотки - к крайним выводам двухключевой стойки, соответственно, а вторая средним выводом подключена ко вторым входному и выходному выводам преобразователя, а также схему управления с каналом импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям, дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом и включены согласно, а каждый из крайних выводов двухключевой стойки через конденсатор подключен к двум одноименным крайним выводам двухдиодных стоек, соответственно. Технический результат достигается также благодаря тому, что схема управления содержит коммутатор с двумя синхронно-противофазно управляемыми двухпозиционными переключателями, первый из которых установлен в цепи канала модуляции, а второй - в цепи канала отпирания, связанных с управляющими выводами двухключевой стойки.
Дополнительным техническим результатом являются упрощение преобразователя за счет снижения числа электронных ключей, а также повышение КПД устройства за счет снижения реактивной мощности в его выходной цепи.
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: два конденсатора 1, 2, две дроссельные обмотки 3, 4, электронную однонаправленную двухключевую стойку 5, 6, подключенную своим средним выводом к первому выходному выводу 7 устройства, а также две однонаправленные двухдиодные стойки 8, 9 и 10, 11. Первая из двухдиодных стоек своим средним выводом подключена к первому входному выводу 12 устройства, а крайними - через дроссельные обмотки - к крайним выводам двухключевой стойки, соответственно, а вторая своим средним выводом подключена ко второму входному 13 и выходному 14 выводам преобразователя. Схема управления 15 имеет канал импульсной модуляции 16 и цепи обратных связей по токам и напряжениям с соответствующими датчиками. Дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом и включены между собой согласно. Каждый из крайних выводов двухключевой стойки через соответствующий конденсатор подключен к двум одноименным крайним выводам двухдиодных стоек, соответственно. В качестве каждого электронного ключа двухключевой стойки может использоваться двухоперационный тиристор или транзистор в паре с последовательно-сонаправленным диодом.
Схема управления содержит электронный коммутатор 17 с двумя синхронно-противофазно управляемыми двухпозиционными переключателями 18, 19, первый из которых установлен в цепи канала модуляции, а второй - в цепи канала отпирания 20, связанных с управляющими выводами двухключевой стойки.
Предлагаемый преобразователь переменного тока работает следующим образом. Рассмотрим его работу на газоразрядную лампу (без учета процессов поджига лампы) во временном интервале полупериода (Т/2) питающего сетевого напряжения, при котором на входном выводе 12 имеется положительный потенциал относительно заземленного входного вывода 13. В данном полупериоде переключатели 18 и 19 находятся в верхнем положении, указанном на Фиг.1, что определяется цепью управления ими по сигналу индикатора полярности (sign) питающего напряжения. При этом электронный ключ 6 постоянно включен по каналу отпирания 20, а электронный ключ 5 высокочастотно-импульсно модулируется по управлению от канала 16, например, по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или двухпороговому.
1
1
При включении ключа 5 за время Δt суммарное потокосцепление Ψ дроссельных обмоток 3,4 возрастает на некоторую величину ΔΨ за счет питания от сети по цепи 12-8-3-5-6-4-11-13. При этом конденсаторы 1, 2 заряжаются по цепям 12-8-2-4-11-13 и 12-8-3-1-11-13 до напряжений близких к половине сетевого напряжения, причем потенциалы их обкладок будут такими, как показано на Фиг. В момент Δt, при пропадании сигнала в канале 16, ключ 5 запирается, а ключ 6 остается включенным. Суммарное потокосцепление ΔΨ дроссельных обмоток 3 и 4 не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации); это приведет к тому, что конденсаторы будут дозаряжаться через индуктивности рассеяния дроссельных обмоток, сохраняя непрерывность сетевого тока, протекающего по цепи 12-8-2-4-11-13.
При этом основная часть электромагнитной энергии, накопленной в дроссельных обмотках за время Δt будет передаваться в нагрузку, трасформируясь в цепь 4-11-14-7-6-4 с током, протекающим в нагрузке от 14 к 7. За время ΔT-Δt, где ΔT - период ШИМ, суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до минимума, сохраняя свою непрерывность.
max
min
В момент ΔТ вновь включается ключ 5, после чего одновременно происходит нарастание суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и передача энергий конденсаторов, накопленной ими на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток по цепям 1-5-6-4-1 и 2-3-5-6-2. Далее указанные процессы периодически повторяются в пределах данного «положительного» полупериода сетевого напряжения. При этом с помощью цепей обратных связей по входному току и входному напряжению и канала импульсной модуляции 16 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеиимпульсного значения входного тока выпрямителя за счет регулирования соотношения ΔΨ и ΔΨ суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и его синфазной синхронизации с напряжением сети. Если напряжение сети меньше, чем приблизительно удвоенное напряжение перезажигания лампы, то прямой ток от 7 к 14 протекать не будет на данном полупериоде сетевого напряжения, а если будет его превышать, то по лампе при отпирании ключей 5 и 6 будет кратковременно протекать прямой ток.
На втором полупериоде сетевого напряжения с отрицательным потенциалом на выводе питания 12 на первом интервале Δt периода модуляции ΔТ также включаются оба электронных ключа 5 и 6, замыкая вторые выводы дроссельных обмоток 3, 4 и подключая к этим обмоткам заряженные конденсаторы. Через промежуток времени Δt ключ 6 запирается, а ключ 5 - остается включенным. Ток лампы протекает по цепи 3-5-7-14-10-3 в направлении от 7 к 14. При этом также производится ШИМ-регулирование входного тока выпрямителя с целью повышения коэффициента мощности, потребляемой от сети.
Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного или прерывистого суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, в зависимости от массо-габаритных характеристик двухобмоточного дросселя. Роль первого и второго конденсаторов 1 и 2 сводится к защите ключей 5 и 6 от перенапряжений при их запирании, возникающих из-за индуцирования ЭДС в индуктивностях рассеяния дроссельных обмоток, а также к обеспечению непрерывности сетевого тока. При этом массо-габаритные параметры этих конденсаторов определяются, в основном, качеством намотки дроссельных обмоток - коэффициента связи (близком к 1 при намотке двойным проводом).
Таким образом, в отличие от прототипа, заявляемая полезная модель имеет меньшее число ключей, более простую схему управления, не содержит нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, благодаря чему достигается основной технический результат - повышение надежности и рабочего ресурса устройства. Кроме того, достигается дополнительный технический результат - повышение КПД устройства за счет исключения двойного преобразования энергии, а также снижения реактивной мощности в его выходной цепи без индуктивного фильтра переменного тока нагрузки.