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 или светодиодных светильников, а также сварочных аппаратов или зарядных устройств.
Известны преобразователи переменного тока, в частности - электронные пускорегулирующие аппараты (балласты) для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, содержащие корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего фильтра - электролитического конденсатора, инвертор напряжения с несколькими электронными ключами, а также схему управления с выходным каналом импульсной модуляции и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям (А.Евстифеев, Особенности построения балластов для ламп высокого давления, «Силовая электроника», №3, 2008 г., с.132÷136, рис.4, 6, 10, 12).
Недостатком этих устройств (аналогов) являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за большого числа электронных ключей и наличия электролитического конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды и при расположении вблизи светильника.
Известен преобразователь переменного тока, в частности - пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, содержащий два конденсатора, две дроссельные обмотки с общим магнитопроводом, два электронных ключа и схему управления с выходным каналом импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям (Преобразователь переменного тока. Патент РФ на полезную модель №89910, Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Бюлл. №35 от 20.12.2009 г.). Этот преобразователь переменного тока (выбранный как прототип) выгодно отличается от вышеуказанных аналогов отсутствием в его составе сглаживающего электролитического конденсатора и малым числом электронных ключей. Роль сглаживающего фильтра в нем выполняют дроссельные обмотки с общим магнитопроводом. Кроме того, два электронных ключа одновременно выполняют функцию коррекции коэффициента потребляемой из сети мощности и функцию регулирования тока нагрузки.
Недостатком этого устройства (прототипа) являются низкие надежность и электробезопасность из-за гальванической связи цепей нагрузки и питающей сети, а также наличия двух электронных ключей и, соответственно, относительно сложной схемы управления.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является последний из рассмотренных выше преобразователей переменного тока (прототип).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение гальванической развязки цепей нагрузки и питающей сети, а также снижение числа электронных ключей и упрощение схемы управления преобразователя.
Техническим результатом предложения является повышение надежности и электробезопасности устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что преобразователь переменного тока, содержащий два конденсатора первую и вторую дроссельные обмотки электронный ключ и схему управления с выходным каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям, причем дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом, включены согласно, а выводы первой обмотки через соответствующие конденсаторы соединены с одноименными выводами второй обмотки, содержит третью дроссельную обмотку, выполненную с тем же общим магнитопроводом и подключенную к выходным выводам преобразователя, электронный ключ выполнен двунаправленным и включен между первыми разнополярными выводами первой и второй дроссельных обмоток, вторые разнополярные выводы которых соединены с входными выводами преобразователя, а также благодаря тому, что электронный ключ состоит из диодно-мостового выпрямителя, к выходным выводам которого подключен транзистор в проводящем направлении, и, кроме того, благодаря тому, что входные цепи обратных связей по токам и напряжениям схемы управления содержат вспомогательную дроссельную обмотку выполненную с тем же общим магнитопроводом.
Дополнительным техническим результатом предложения является обеспечение согласования напряжений питающей сети и нагрузки в широком диапазоне используемых для нагрузок напряжений (например, для газоразрядных и светодиодных светильников, сварочных аппаратов и т.п.).
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 предлагаемого преобразователя переменного тока.
Предлагаемый преобразователь переменного тока содержит два конденсатора 1, 2, первую и вторую дроссельные обмотки 3, 4, электронный ключ 5, схему управления 6, третью дроссельную обмотку 7, выходные выводы 8, 9 и входные выводы 10, 11 преобразователя, и вспомогательную дроссельную обмотку 12.
Все дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом, причем, первая 3 и вторая 4 из них включены согласно. Схема управления 6 выполнена с выходным каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям, подключенным к вспомогательной дроссельной обмотке 12. Выводы первой дроссельной обмотки 3 (начало и конец) через соответствующие конденсаторы 1, 2 соединены с одноименными выводами второй дроссельной обмотки 4. Электронный ключ 5 выполнен двунаправленным и включен между первыми разнополярными (разноименными) выводами первой 3 и второй 4 дроссельных обмоток, вторые разнополярные (разноименные) выводы которых соединены с входными выводами 10, 11 преобразователя. Выводы третьей дроссельной обмотки 7 подключены к выходным выводам 8, 9 преобразователя.
Электронный ключ 5 состоит из диодно-мостового выпрямителя, к выходным выводам которого подключен транзистор в проводящем направлении, а также может представлять собой запираемый симистор или пару из двух параллельно-встречно включенных транзисторов.
Предлагаемый преобразователь переменного тока работает следующим образом.
Входные выводы 10, 11 преобразователя подключают к питающей сети переменного тока, а выходные 8, 9 - к нагрузке, например, к газоразрядной лампе, к двум встречно-параллельно включенным светодиодным столбам, к сварочному межэлектродному промежутку (с заземлением одного вывода) или другим нагрузкам, требующим питание от источника регулируемого тока.
Рассмотрим работу преобразователя во временном интервале полупериода  питающего сетевого напряжения, при котором на входном выводе 10 имеется положительный потенциал относительно входного вывода 11. При этом электронный ключ 5 высокочастотно-импульсно модулируется по сигналу схемы управления 6, например, по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или по релейному двухпороговому закону.
1
При очередном включении электронного ключа 5 за время Δt одновременно происходит питание нагрузки (например, по цепи от 8 к 9) от ЭДС, трансформируемой в третьей дроссельной обмотке 7, и нарастание суммарного потокосцепления Ψ всех дроссельных обмоток на некоторую величину ΔΨ за счет питания от сети по цепи 10-3-5-4-11. При этом конденсаторы 1, 2 заряжаются по цепям 10-3-1-11 и 10-2-4-11 до напряжений, близких к половине сетевого напряжения (к данному моменту времени), причем с полярностями, показанными на фиг.
В момент Δt электронный ключ 5 запирается. При этом суммарное потокосцепление Ψ дроссельных обмоток не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации). Это приведет к тому, что одновременно с протеканием спадающего по величине тока нагрузки (по цепи от 9 к 8), определяемого ЭДС индукции обмотки 7, будут одновременно дозаряжаться конденсаторы 1, 2 (по тем же цепям), сохраняя непрерывность сетевого тока и обеспечивая тем самым снижение уровней его высших гармоник. При этом основная часть электромагнитной энергии, накопленной в дроссельных обмотках за время Δt будет передаваться в нагрузку, трансформируясь в цепь 7-9-8. За время ΔТ-Δt, где ΔТ - период ШИМ, суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до своего очередного минимума, сохраняя свою непрерывность.
В момент ΔТ вновь включается электронный ключ 5, после чего одновременно с очередным нарастанием суммарного потокосцепления дроссельных обмоток происходит передача части энергии конденсаторов 1, 2, накопленной ими на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток 3, 4 по цепям 1-5-4 и 2-3-5, а также в нагрузку, трансформируясь в цепь 7-8-9.
Далее указанные процессы периодически повторяются в пределах данного полупериода сетевого напряжения. При этом с помощью цепей обратных связей по входному току и входному напряжению, реализуемых также сигналами на выводах вспомогательной дроссельной обмотки 12 с помощью канала импульсной модуляции схемы управления 6 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока и его синхронизации с напряжением сети.
На втором полупериоде сетевого напряжения вышеописанные процессы повторяются, но с противоположными направлениями токов в дроссельных обмотках и полярностями напряжений на конденсаторах 1, 2.
Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного или прерывистого суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, в зависимости от выбранных их массо-габаритных характеристик (с учетом общего магнитопровода).
Роль конденсаторов 1, 2 сводится к защите электронного ключа от перенапряжений при его запираниях, а также к обеспечению непрерывности сетевого тока.
В отличие от прототипа заявляемая полезная модель имеет гальваническую развязку цепей нагрузки и питающей сети, а также вдвое меньшее число электронных ключей и, соответственно, более простую схему управления, что определяет основной технический результат - повышение надежности и электробезопасности устройства.
Кроме того, благодаря наличию третьей дроссельной обмотки, достигается дополнительный технический результат - обеспечение согласования напряжений питающей сети и нагрузки в широком диапазоне используемых для нагрузок напряжений (например, для газоразрядных и светодиодных светильников, сварочных аппаратов и т.п.).