Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока ( варианты)

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, работающих в широком диапазоне температур окружающей среды. Техническим результатом предложения является повышение надежности и рабочего ресурса устройства путем исключения энергоемкого электролитического конденсаторного фильтра. Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в устройство, содержащее двухполупериодный выпрямитель 1 с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр 2 с средним выводом, связанным с сетевой нейтралью и со средним выходным выводом, введены три электронных ключа 4, 5, 6, двухобмоточный дроссель 7, 8 и два диода 9, 10; при этом по первому варианту первые выводы диодов подключены к среднему выходному выводу устройства, а вторые - к выводам обмоток дросселя, а по второму варианту диоды и обмотки дросселей поменены местами. В формуле 4 п., илл - 2.

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, работающих в широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).

Известен бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока (аналог), содержащий схему управления электронными ключами и последовательно-каскадно включенные однофазный мостовой выпрямитель с корректором коэффициента мощности и с выходным конденсаторным фильтром и импульсный модулятор (А.Евстифеев. Особенности построения балластов для ламп высокого давления. Силовая электроника, 3, 2008 г., с.132-136, рис.4, 5, 6, 10, 11).

Недостатком этого устройства (аналога) являются непригодность схемы коррекции мощности для использования с трехфазной питающей сетью, а также низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энегоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С, указанных в аналоге, для уличного расположения устройства вблизи разогревающейся нагрузки).

Известен бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления, двухполупериодный выпрямитель, в частности - трехфазный, с импульсным корректором коэффициента мощности и выходным двух конденсаторным фильтром, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства. (В.Климов, А.Москалев. Коэффициент мощности и нагрузочная характеристика ШИМ-инвертора в системах бесперебойного питания. Силовая электроника, 3, 2007 г., с.74-76, рис.1).

Недостатком этого устройства (прототипа) также являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за наличия электролитического конденсаторного фильтра с относительно большой энегоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды (например, от -60°С до +105°С).

По технической сущности наиболее близким (прототипом) к предлагаемому является последний из указанных известных бестрансформаторных регуляторов выпрямленного тока.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение нетермостойкого электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой энегоемкостью путем замены его термостойким дроссельным фильтром, совмещенным с дросселем введенного в устройство импульсного модулятора

Техническим результатом предложения является повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.

Указанный результат по первому варианту обеспечивается благодаря тому, что в бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра, соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в непроводящем направлении, подключены к среднему выходному выводу устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к первым выводам диодов, а также тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.

Указанный результат по второму варианту обеспечивается благодаря тому, что в бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра, соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в проводящем направлении, соединены с соответствующими крайними выходными выводами устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к среднему выходному выводу устройства, а также тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.

Дополнительным техническим результатом предложения является исключение генерирования мощного электромагнитного импульса при аварийном замыкании или пробое в цепи, связанной с энергоемким конденсаторным фильтром.

Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока.

На фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока в первом варианте на базе «понижающего» импульсного модулятора с последовательным дросселем.

На фиг.2 приведена принципиальная схема предлагаемого бестрансформаторного регулятора выпрямленного тока во втором варианте на базе «повышающее-понижающего» (полярно-инвертирующего) импульсного модулятора с параллельным дросселем.

Предлагаемый бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока (2 варианта) содержит двухполупериодный выпрямитель 1 с импульсным корректором коэффициента мощности (в однофазном или трехфазном исполнении) и выходным двухконденсаторным фильтром 2, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети (обозначена N) и со средним выходным выводом устройства. В устройство введен импульсный модулятор 3, содержащий три электронных ключа 4, 5, 6, двухобмоточный дроссель 7, 8 и два диода 9, 10. Схема управления 11 электронными ключами имеет входные датчики каналов обратных связей. Вход выпрямителя подключен к выходным выводам 12, 13 устройства, а выход импульсного модулятора - к выходным выводам 14, 15, 16 устройства. Первый и второй электронные ключи (4, 5) своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра (2), соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов (9, 10), а третий электронный ключ (6) своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы (14, 15) устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток (7, 8) дросселя. При этом по первому варианту вторые разноименные выводы диодов (9, 10), включенных в непроводящем направлении, подключены к среднему выходному выводу (16) устройства, а вторые выводы обмоток (7, 8) дросселя подключены к первым выводам диодов (9, 10). По второму варианту вторые разноименные выводы диодов (9, 10), включенных в проводящем направлении, соединены с соответствующими крайними выходными выводами (15, 14) устройства, а вторые выводы обмоток (7, 8) дросселя подключены к среднему выходному выводу (16) устройства.

Схема управления (11) электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым (4) и вторым (5) электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре (2), а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом (6), подключена к датчику выходного тока устройства.

В качестве первого и второго электронных ключей (4, 5), а также третьего ключа (6) в первом варианте (Фиг.1) могут использоваться либо транзисторы, либо запираемые (двухоперационные) тиристоры, а в качестве третьего ключа (6) во втором варианте (Фиг.2) - последовательная транзисторно-диодная пара, либо любой тиристор (одно- или двухоперационный), т.к. его искусственное запирание можно обеспечить кратковременным включением первого и второго ключей (4, 5).

Главные отличия предлагаемого устройства от его аналога и от прототипа заключаются в существенном (многократном) снижении энергоемкости конденсаторного фильтра (2), соответствующем увеличении энергоемкости дросселя (7, 8) и введении трех электронных ключей (4, 5, 6).

Предлагаемый бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока работает следующим образом. Входные выводы (12, 13) устройства подключают к питающей сети (однофазной или трехфазной) переменного тока, а выходные (14, 15, 16) - к однополярной емкостной (с предвключенными защитными диодами), резистивной, полупроводниковой, газоразрядной или смешанной нагрузке, например, к светодиодному столбу, аккумуляторной батарее, полумостовому или мостовому инвертору напряжения и др.

Функцией корректора коэффициента мощности являются обеспечение заданного синусоидального тока, потребляемого из каждой фазы сети (А, В, С), а также его синфазная синхронизация с напряжением соответствующей фазы.

При относительно малой электроемкости двухконденсаторного фильтра (2) входные среднеимпульсные ток и напряжение импульсного модулятора (на базе элементов 6, 7, 8, 9, 10) приближаются по форме к пульсирующей - синусоидальной (по абсолютной величине, пропорциональные значениям |sint|. Это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком напряжения на конденсаторном фильтре (2) и цепью импульсного (например, широтно-импульсного или двухпорогового) управления первым (4) и вторым (5) электронными ключами. Если при этом на выходе устройства требуется регулировать, например - стабилизировать ток нагрузки, то это обеспечивается каналом обратной связи между датчиком среднеимпульсного значения выходного тока устройства и цепью управления третьим электронным ключом (6) (также, например, широтно-импульсного или двухпорогового). Для защиты от сверхотоков и перенапряжений и для коррекции цепей управления может быть использована цепь обратной связи по выходному напряжению или токам обмоток дросселя. В результате указанного управления на входе и выходе устройства, а также на входе импульсного модулятора (6, 7, 8, 9, 10) достигается баланс средних значений мощностей за период питающего (сетевого) напряжения. При этом разница в мгновенных значениях этих мощностей компенсируется за счет относительно большой энергоемкости дросселя (7, 8). Так, например, при синфазно-синхронных токе и напряжении на входе импульсного модулятора (6, 7, 8, 9, 10), пропорциональных закону:

i(t)~u(t)~|sint|),

мгновенная мощность, потребляемая его входом, будет изменяться по закону, пропорциональному функции:

P(t)~0,5(1-cos2t),

где =2/Т_СЕТИ.

Если при этом нагрузкой потребляется постоянная мощность, пропорциональная величине:

P_H=P_CP~0,5,

то реактивная мощность дросселя будет пропорциональна величине:

Q(t)=P(t)~0,5cos2t,

т.е. является гармонической знакопеременной функцией. При этом энергия дросселя пропорциональна величине:

W(t)~P(t)dt+W₀=sin2t+W₀,

т.е. будет иметь форму пульсирующей величины с произвольно-заданной (желательно минимальной) постоянной составляющей. Суммарное потокосцепление (суммарный ток) дросселя будет изменяться по закону, пропорциональному:

где L - индуктивность обмотки дросселя.

Таким образом выполняется задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель - исключается нетермостойкий электролитический сглаживающий конденсатор с относительно большой энергоемкостью путем переложения его функции на термостойкий дроссельный фильтр, совмещенный с дросселем импульсного модулятора.

При этом достигается технический результат предложения - повышение надежности и рабочего ресурса устройства, предназначенного для работы в широком диапазоне температур окружающей среды.

1. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, отличающийся тем, что в него введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в непроводящем направлении, подключены к среднему выходному выводу устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к первым выводам диодов.

2. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты по п.1, отличающийся тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.

3. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты, содержащий схему управления электронными ключами с входными датчиками каналов обратных связей, двухполупериодный выпрямитель с импульсным корректором коэффициента мощности и выходной двухконденсаторный фильтр, средний вывод которого соединен с входным выводом выпрямителя для подключения к нейтрали питающей сети и со средним выходным выводом устройства, отличающийся тем, что в него введены двухобмоточный дроссель, два диода и три электронных ключа, первый и второй из которых своими первыми силовыми выводами подключены в проводящем направлении к крайним выводам конденсаторного фильтра соответственно, а вторыми силовыми выводами - к первым выводам соответствующих диодов, а третий электронный ключ своими силовыми выводами шунтирует в проводящем направлении крайние выходные выводы устройства и первые выводы двух соответствующих обмоток дросселя, при этом вторые разноименные выводы диодов, включенных в проводящем направлении, соединены с соответствующими крайними выходными выводами устройства, а вторые выводы обмоток дросселя подключены к среднему выходному выводу устройства.

4. Бестрансформаторный регулятор выпрямленного тока и его варианты по п.3, отличающийся тем, что схема управления электронными ключами своими выводами каналов обратных связей по напряжению, связанных с цепью управления первым и вторым электронными ключами, подключена к выводам датчика напряжения на конденсаторном фильтре, а выводом канала обратной связи по току, связанного с цепью управления третьим электронным ключом, подключена к датчику выходного тока устройства.