Преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока

Изобретение относится к области электротехники, а именно электрооборудования, включая силовую преобразовательную технику, и предназначено для питания нагрузок постоянного тока от источников высоковольтного напряжения (например, 3000 В) однофазного тока с использованием функции коррекции входного тока. Технический результат заключается в обеспечении снижения потерь мощности. Технический результат достигается тем, что заявленный преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока, содержит входные клеммы (1) и (2), соединенные с входом однофазного выпрямителя (3), положительный выход которого соединен с положительным входом датчика входного напряжения (4), а отрицательный выход соединен с отрицательными входами датчика входного напряжения (4) и датчика входного тока (5), входной дроссель (6), транзистор (7), положительный вывод (сток или коллектор) которого соединен с анодом диода (8) и с выводом входного дросселя (6), выходной конденсатор (9), соединенный с выходными клеммами (10) и (11), а также блок управления (12), к входам (13) и (14) которого подсоединены сигнальные выходы датчика входного напряжения (4) и датчика входного тока (5), при этом введены транзисторы (16-18), диоды (19-21), промежуточные конденсаторы (22-25), инверторы напряжения (26-29), промежуточный трансформатор (30) и выходной выпрямитель (31), причем положительный вывод транзистора (16) соединен с отрицательным выводом транзистора (7) и выводом промежуточного конденсатора (22), другой вывод которого соединен с катодом диода (8), положительный вывод транзистора (17) соединен с отрицательным выводом транзистора (16), анодом диода (20) и выводом промежуточного конденсатора (23), другой вывод которого соединен с катодом диода (19), положительный вывод транзистора (18) соединен с отрицательным выводом транзистора (17), анодом диода (21) и выводом промежуточного конденсатора (24), другой вывод которого соединен с катодом диода (20), отрицательный вывод транзистора (18) соединен с входом датчика входного тока (5) и выводом промежуточного конденсатора (25), другой вывод которого соединен с катодом диода (21), каждый вход инверторов напряжения (26-29) соединен с соответствующими промежуточными конденсаторами (22-25), к выходам инверторов напряжения (26-29) подсоединены первичные обмотки промежуточного трансформатора (30), вторичные обмотки которого соединены с выходным выпрямителем (31), выход которого соединен с выходными клеммами (10, 11), при этом управляющие входы транзисторов (7, 16-18) соединены через драйвер (32) с выходом блока (15) блока управления (12), при этом блок управления (12) представляет собой плату с микропроцессором и компонентами согласования, которая позволяет обрабатывать два аналоговых сигналов с датчиков напряжения (4) и тока (5), преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы по заданному алгоритму для управления транзисторами (7, 16-18). 1 ил.

 

Изобретение относится к области электрооборудования, включая силовую преобразовательную технику, и предназначено для питания нагрузок постоянного тока от источников высоковольтного напряжения (например, 3000 В) однофазного тока с использованием функции коррекции входного тока.

Известен преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока (Корректор коэффициента мощности. Патент RU 2560103 C1. Опубликован 20.04.2012), содержащий входной однофазный мостовой выпрямитель, входной дроссель, транзистор и диод, причем положительный вывод (сток или коллектор) транзистора соединен с анодом диода и с выводом входного дросселя, а также выходной конденсатор.

К недостаткам известного устройства следует отнести:

- наличие высоковольтного напряжения на разомкнутом транзисторе, равного выходному напряжению (U_вых) устройства, что обуславливает использование относительно дорогих транзисторов, имеющих относительно высокие коммутационные потери энергии;

- наличие высоковольтного обратного напряжения на диоде, которое равно U_вых, что определяет применение относительно дорогих диодов, имеющих сравнительно высокие коммутационные потери энергии;

- отсутствие гальванической развязки между входным напряжением переменного тока и выходным напряжением постоянного тока устройства, что не обеспечивает требование техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения;

- наличие двух входных дросселей, что обуславливает сравнительно высокую суммарную стоимость намоточных изделий и изделия в целом.

В общем виде данные факторы определяют сравнительно высокие потери мощности и высокую стоимость входной цепи рассматриваемого устройства при отсутствии выполнения требований техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения.

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому устройству является преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока (Корректор коэффициента мощности. Патент RU 2448356 C1. Опубликован 17.01.2011), содержащий входные клеммы, соединенные с входом однофазного выпрямителя, положительный выход которого соединен с положительным входом датчика напряжения, а отрицательный выход соединен с отрицательными входами датчика входного напряжения и датчика входного тока, входной дроссель, транзистор, положительный вывод (сток или коллектор) которого соединен с анодом диода и с выводом входного дросселя, выходной конденсатор, соединенный с выходными клеммами, и блок управления, к входам которому подсоединены сигнальные выходы датчиков входного напряжения и входного тока.

К недостаткам указанного прототипа следует отнести:

- наличие высоковольтного напряжения на разомкнутом транзисторе, равного выходному напряжению U_вых, что обуславливает использование относительно дорогих транзисторов, имеющих относительно высокие коммутационные потери энергии;

- наличие высоковольтного обратного напряжения на диоде, равного U_вых, что определяет применение относительно дорогих диодов, имеющих сравнительно высокие коммутационные потери энергии;

- отсутствие гальванической развязки между входным напряжением переменного тока и выходным напряжением постоянного тока устройства, что не обеспечивает требование техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения;

- наличие дополнительного последовательно соединенного транзистора, что обуславливает дополнительные потери мощности и стоимость.

В целом приведенные факторы определяют сравнительно высокие потери мощности и высокую стоимость входной цепи представленного устройства при отсутствии выполнения требований техники безопасности в случае входного высоковольтного напряжения.

Техническим результатом изобретения является снижение потерь мощности и стоимости транзисторов и диодов входной цепи за счет нового схемотехнического решения, которое позволяет применять транзисторы и диоды с меньшими паспортными значениями допустимого напряжения при наличии гальванической развязки между входным однофазным током и выходным постоянным током.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока (фиг. 1), содержащий входные клеммы (1) и (2), соединенные с входом однофазного выпрямителя (3), положительный выход которого соединен с положительным входом датчика входного напряжения (4), а отрицательный выход соединен с отрицательными входами датчика входного напряжения (4) и датчика входного тока (5), входной дроссель (6), транзистор (7), положительный вывод (сток или коллектор) которого соединен с анодом диода (8) и с выводом входного дросселя (6), выходной конденсатор (9), соединенный с выходными клеммами (10) и (11), а также блок управления (12), к входам (13) и (14) которого подсоединены сигнальные выходы датчика входного напряжения 4 и датчика входного тока (5), введены транзисторы (16…18), диоды (19…21), промежуточные конденсаторы (22…25), инверторы напряжения (26…29), промежуточный трансформатор (30) и выходной выпрямитель (31), причем положительный вывод (сток или коллектор) транзистора (16) соединен с отрицательным выводом (исток или эмиттер) транзистора (7) и выводом промежуточного конденсатора (22), другой вывод которого соединен с катодом диода (8), положительный вывод (сток или коллектор) транзистора (17) соединен с отрицательным выводом (исток или эмиттер) транзистора (16), анодом диода (20) и выводом промежуточного конденсатора (23), другой вывод которого соединен с катодом диода (19), положительный вывод (сток или коллектор) транзистора (18) соединен с отрицательным выводом (исток или эмиттер) транзистора (17), анодом диода (21) и выводом промежуточного конденсатора (24), другой вывод которого соединен с катодом диода (20), отрицательный вывод (исток или эмиттер) транзистора (18) соединен с входом датчика входного тока (5) и выводом промежуточного конденсатора (25), другой вывод которого соединен с катодом диода (21), каждый вход инверторов напряжения (26…29) соединен с соответствующими промежуточными конденсаторами (22…25), к выходам инверторов напряжения (26…29) подсоединены первичные обмотки промежуточного трансформатора (30), вторичные обмотки которого соединены с выходным выпрямителем (31), выход которого соединен с выходными клеммами (10) и (11), при этом управляющие входы транзисторов (7), (16…18) соединены через драйвер (32) с выходом блока (15) блока управления (12).

При этом блок управления (12) представляет собой плату с микропроцессором и компонентами согласования, которая позволяет обрабатывать два аналоговых сигналов с датчиков напряжения (4) и тока (5), преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы по заданному алгоритму для управления транзисторами (7), (16…18).

Следует отметить, что блок (12) может реализовывать три способа управления:

- релейный (гистерезисный) способ управления, при котором задают максимальную и минимальную границу для управляемой переменной (в рассматриваемом случае входной ток);

- широтно-импульсный способ управления, при котором управляемую переменную (входной ток) изменяют с переменной шириной при постоянной частоте;

- частотно-импульсный способ управления, при котором управляемую переменную (входной ток) изменяют по ширине импульса или паузы при непостоянной частоте.

Остальные типы управления вытекают из этих способов и носят частный вид. Указанные способы управления имеют универсальный характер и применяют во всех возможных преобразователях, например, в инверторах, конверторах, преобразователях частоты, управляемых выпрямителях и т.п.

Следует отметить, что коррекция входного тока рассматриваемого устройства достигается посредством приближения формы кривой входного тока к форме кривой входного напряжения, что обеспечивает повышения коэффициента мощности преобразователя.

Предлагаемый преобразователь собственных нужд при релейном (гистерезисном) способе управления работает следующим образом.

На интервале времени от 0 до Т/2 через входные клеммы 1 и 2 на однофазный выпрямитель 3 поступает входное положительное напряжение u_вх, текущее значение которого датчик напряжения 4 передает на блок управления 12, где Т - период входного напряжения. Микропроцессор блока управления 12 преобразовывает аналоговый сигнал обратной связи датчика напряжения 4 в цифровой, на основании которого программные средства синтезируют в цифровом виде кривые максимального i_max и минимального i_min граничного значения входного тока.

Пусть на интервале времени от 0 до t₁₁ блок управления 12 через драйвер 32 формирует сигналы управления, под действием которых транзисторы 7, 16…18 переходят в замкнутое состояние. В результате происходит накопление электромагнитной энергии во входном дросселе 6 за счет роста входного тока:

где u_ΣVT - сумма падений напряжения на замкнутых транзисторах 7, 16…18;

L - значение индуктивности входного дросселя 6.

При этом на интервале времени от 0 до t₁₁ выходной конденсатор 9 осуществляет питание нагрузки преобразователя.

Одновременно датчик тока 5 передает текущее значение входного тока i_вх на блок управления 12, который преобразовывает аналоговый сигнал обратной связи в цифровой и программными средствами сравнивает его с кривой i_max. Когда входной ток i_вx достигает значения кривой i_max (момент времени t₁₁), блок управления 12 снимает посредством драйвера 32 сигналы управления, в следствие чего транзисторы 7, 16…18 переходят в разомкнутое состояние. В этом случае накопленная на прошлом интервале времени электромагнитная энергия входного дросселя 6 через диоды 8, 19…21 поступает в инверторы напряжения 26…29, а далее через промежуточный трансформатор 30 и выходной выпрямитель 31 в выходной конденсатор 9 и в нагрузку преобразователя. В результате происходит спад входного тока:

где u_ΣVD - сумма падений напряжения на диодах 8, 19…21;

u_ΣC - сумма напряжений промежуточных конденсаторов 22…25.

Когда входной ток i_вx спадает до значения кривой i_min (момент времени t₁₂), блок управления 12 вновь через драйвер 32 формирует положительные выходные сигналы управления, под действием которых транзисторы 7, 16…19 вновь переходят в замкнутое состояние и происходит рост входного тока согласно выражению (1).

Затем входной ток i_вx достигает значения кривой i_max (момент времени t₁₃), блок управления 12 снимает посредством драйвера 32 сигналы управления, в следствие чего транзисторы 7, 16…18 переходят в разомкнутое состояние и происходит спад входного тока согласно выражению (2) и далее электрические процессы повторяются аналогичным образом.

Таким образом, входной ток i_вx принимает форму кривой, близкую к форме кривой входного напряжения, что обеспечивает коррекцию входного тока.

Анализ электрических процессов в предлагаемом устройстве посредством метода эквивалентных схем с использованием аппарата теории электрических цепей (уравнений Киргофа и метода контурных токов) показал, что к разомкнутым транзисторам 7, 16…19 и закрытым диодам 8, 19…21 прикладывается максимальное напряжение, которое определяет следующее выражение:

где U_вxA - амплитудное значение входного напряжения.

Таким образом, из полученного выражения (3) следует, что в рассматриваемом преобразователе максимальное значение на разомкнутых транзисторах 7, 16…19 и закрытых диодах 8, 19…21 в 4 раза меньше, чем в прототипе. Благодаря данному фактору в предлагаемом устройстве можно использовать относительно низковольтные транзисторы и диоды, которые имеют малые потери мощности как при протекании силового тока, так и во время коммутации, а также относительно невысокую себестоимость.

При этом выходной трансформатор 30 осуществляет гальваническую развязку между входным высоковольтным напряжением однофазного тока и выходным напряжением постоянного тока.

Из вышеизложенного следует, что предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает технический результат: снижение потерь мощности и стоимости используемых транзисторов и диодов входной цепи устройства за счет нового схемотехнического решения, которое позволяет применять транзисторы и диоды с меньшими паспортными значениями допустимого максимального напряжения при наличии гальванической развязки между входным высоковольтным напряжением однофазного тока и выходным напряжением постоянного тока.

Предлагаемый преобразователь можно использовать в качестве вторичного источника питания, например, на железнодорожном транспорте, в источниках бесперебойного питания, зарядных станциях и в других устройствах, к которым предъявляют повышенные требования по снижению стоимости и повышению КПД при наличии повышенного коэффициента мощности и гальванической развязки между входным однофазным напряжением и выходным напряжением постоянного тока.

Экспериментальные исследования лабораторного макета рассматриваемого преобразователя и компьютерное моделирование подтвердили работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования данного устройства. При этом был изготовлен и успешно испытан опытный образец предлагаемого устройства.

Преобразователь собственных нужд с коррекцией входного тока, содержащий входные клеммы (1) и (2), соединенные с входом однофазного выпрямителя (3), положительный выход которого соединен с положительным входом датчика входного напряжения (4), а отрицательный выход соединен с отрицательными входами датчика входного напряжения 4 и датчика входного тока (5), входной дроссель (6), транзистор (7), положительный вывод которого соединен с анодом диода (8) и с выводом входного дросселя (6), выходной конденсатор (9), соединенный с выходными клеммами (10) и (11), а также блок управления (12), к входам (13) и (14) которого подсоединены сигнальные выходы датчика входного напряжения (4) и датчика входного тока (5), при этом введены транзисторы (16-18), диоды (19-21), промежуточные конденсаторы (22-25), инверторы напряжения (26-29), промежуточный трансформатор (30) и выходной выпрямитель (31), причем положительный вывод транзистора (16) соединен с отрицательным выводом транзистора (7) и выводом промежуточного конденсатора (22), другой вывод которого соединен с катодом диода (8), положительный вывод транзистора (17) соединен с отрицательным выводом транзистора (16), анодом диода (20) и выводом промежуточного конденсатора (23), другой вывод которого соединен с катодом диода (19), положительный вывод транзистора (18) соединен с отрицательным выводом транзистора (17), анодом диода (21) и выводом промежуточного конденсатора (24), другой вывод которого соединен с катодом диода (20), отрицательный вывод транзистора (18) соединен с входом датчика входного тока (5) и выводом промежуточного конденсатора (25), другой вывод которого соединен с катодом диода (21), каждый вход инверторов напряжения (26-29) соединен с соответствующими промежуточными конденсаторами (22-25), к выходам инверторов напряжения (26-29) подсоединены первичные обмотки промежуточного трансформатора (30), вторичные обмотки которого соединены с выходным выпрямителем (31), выход которого соединен с выходными клеммами (10) и (11), при этом управляющие входы транзисторов (7, 16-18) соединены через драйвер (32) с выходом блока (15) блока управления (12), при этом блок управления (12) представляет собой плату с микропроцессором и компонентами согласования, которая позволяет обрабатывать два аналоговых сигналов с датчиков напряжения (4) и тока (5), преобразовывать аналоговые сигналы в цифровую информацию, производить обработку цифровой информации по заданному алгоритму посредством установленной программы и формировать требуемые импульсно-модуляторные выходные сигналы по заданному алгоритму для управления транзисторами (7, 16-18).