RU107013U1 - AC Converter - Google Patents

Abstract

Преобразователь переменного тока, содержащий конденсатор, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, подключенный первым выводом к первому выходному выводу преобразователя, диодно-мостовой выпрямитель, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек, средние точки которых подключены к первому и второму входным выводам преобразователя соответственно, при этом точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку подключена ко второму выводу электронного ключа и через конденсатор - к точке соединения анодных выводов стоек и к первому выводу второй дроссельной обмотки, а также схему управления с каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с цепями обратных связей, содержащих устройства сравнения и датчики входных и выходных токов и напряжений, отличающийся тем, что точка соединения первого вывода электронного ключа и первого выходного вывода преобразователя непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки, первый вывод которой подключен ко второму выходному выводу преобразователя, а между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором. An AC converter comprising a capacitor, two magnetically coupled inductor windings, an electronic switch connected to the first output terminal of the converter, a diode-bridge rectifier consisting of two parallel two-diode racks, the midpoints of which are connected to the first and second input terminals of the converter, respectively while the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks through the first inductor winding is connected to the second terminal of the electronic key and through sator - to the junction point of the anode leads of the racks and to the first terminal of the second throttle winding, as well as a control circuit with a pulse modulation channel connected to the control terminal of the electronic key and with feedback circuits containing comparison devices and sensors for input and output currents and voltages, characterized in that the connection point of the first terminal of the electronic key and the first output terminal of the converter is directly connected to the second terminal of the second inductor, the first terminal of which is connected to the second output terminal of the converter, and between the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks and the output of the first inductor winding, an auxiliary inductor is connected, which together with the rectifier is shunted by an auxiliary capacitor.

Description

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания светодиодных светильников наружного применения с широким температурным диапазоном окружающей среды.The utility model relates to pulsed power electronics and can be used to create secondary power supplies for outdoor LED lamps with a wide temperature range of the environment.

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., с.132-136, рис.4 - нижняя часть, рис.6 и рис.10).A known AC converter, in particular, an electronic ballast for supplying gas discharge lamps from an alternating current network (high pressure sodium lamp), comprising a power factor corrector based on a rectifier, raising a pulse-width modulator with an electronic key and a smoothing electrolytic capacitor, a half-bridge voltage inverter based on two electronic keys and a capacitor voltage divider, as well as a control circuit. (A. Evstifeev, Features of the construction of ballasts for high-pressure lamps. - Power Electronics, No. 3, 2008, pp. 132-136, Fig. 4 - lower part, Fig. 6 and Fig. 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.The disadvantage of this device is its low reliability and operating life due to the use of six electronic keys and the presence of an electrolytic smoothing capacitor with a relatively high energy intensity, requiring thermal stabilization over a wide range of ambient temperatures. If you replace the specified electrolytic capacitor with a film capacitor, then due to the difficulty of ensuring acceptable mass and overall parameters, it will be necessary to reduce its energy intensity many times, i.e. increase the ripple depth, and, consequently, the magnitude of reactive power, which also leads to a decrease in reliability.

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).A known AC converter, in particular, an electronic ballast for supplying gas discharge lamps from an alternating current network (high pressure metal-halogen lamp), comprising a power factor corrector based on a rectifier, increasing a pulse-width modulator with an electronic key and smoothing an electrolytic capacitor, reduces converter with an electronic key, a bridge voltage inverter based on four electronic keys and a control circuit (see ibid., Fig. 4 - upper part , Figure 10, Figure 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.The disadvantage of this device is its low reliability, operating life and efficiency due to the complexity of the triple energy conversion, as well as due to the presence of an electrolytic smoothing capacitor with a relatively high energy intensity, requiring thermal stabilization over a wide range of ambient temperatures, taking into account winter and summer conditions, and also the proximity of a red-hot lamp.

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, с.72-77, рис.9). Этот преобразователь переменного тока выгодно отличается от вышеуказанных аналогов наличием общего для входа и выхода вывода, соединенного с сетевой нейтралью и позволяющего применять заземление и трехфазный вариант.A known AC converter containing two inductor windings, four electronic switches, two electrolytic filter capacitors, eight diodes and a control circuit with a high-frequency modulation channel (for correcting the power factor at the input of the device) and with feedback circuits for current and voltage (A. Vasiliev , V. Khudyakov, V. Khabuzov. Analysis of modern methods and technical means of power factor correction for pulsed devices. - Power Electronics, No. 2, 2004, pp. 72-77, Fig. 9). This AC converter compares favorably with the aforementioned analogs in that it has a common terminal for input and output connected to a network neutral and allowing grounding and a three-phase version to be used.

Недостатком этого устройства 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 -60ºC до +105ºC).The disadvantage of this device is also its low reliability and operating life due to the complexity of double conversion and the presence of electrolytic capacitors with a relatively high energy intensity, requiring thermal stabilization over a wide range of ambient temperatures (for example, from -60ºC to + 105ºC).

Известен преобразователь переменного тока, (выбранный в качестве прототипа), содержащий два конденсатора, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, диодно-мостовой выпрямитель и схему управления с каналом импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям: (Патент на полезную модель №89910, БИ №35 от 20.12.2009 г. Преобразователь переменного тока. Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В.).A known AC converter (selected as a prototype) containing two capacitors, two magnetically coupled inductor windings, an electronic switch, a diode bridge rectifier and a control circuit with a pulse modulation channel and with feedback circuits for current and voltage: (Patent for Utility model No. 89910, BI No. 35 dated December 20, 2009. AC converter (Reznikov SB, Bocharov VV, Dubensky GA, Kabelev BV).

В отличие от вышеуказанных устройств (аналогов) он не содержит энергоемкого электролитического сглаживающего конденсатора, что позволяет использовать его при широком диапазоне температур окружающей среды.Unlike the above devices (analogues), it does not contain an energy-intensive electrolytic smoothing capacitor, which allows it to be used at a wide range of ambient temperatures.

Недостатком указанного преобразователя переменного тока (прототипа) являются низкие надежность и КПД из-за наличия двух электронных ключей и соответствующего усложнения схемы управления.The disadvantage of this AC converter (prototype) is low reliability and efficiency due to the presence of two electronic keys and the corresponding complication of the control circuit.

Техническими предложениями является повышение надежности и КПД устройства.Technical proposals include improving the reliability and efficiency of the device.

Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователе переменного тока, содержащем конденсатор, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, подключенный первым выводом к первому выходному выводу преобразователя, диодно-мостовой выпрямитель, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек, средние точки которых подключены к выводам преобразователя, причем точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку подключена ко второму выводу электронного ключа и через конденсатор - к точке соединения анодных выводов стоек и к первому выводу второй дроссельной обмотки, а также схему управления с каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с цепями обратных связей, содержащих устройства сравнения и датчики входных и выходных токов и напряжений, точка соединения первого вывода электронного ключа и первого выходного вывода преобразователя непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки, первый вывод которой подключен также ко второму выходному выводу преобразователя, а между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором.This technical result is ensured due to the fact that in an AC converter containing a capacitor, there are two magnetically coupled inductor windings, an electronic switch connected to the first output terminal of the converter, a diode-bridge rectifier consisting of two parallel two-diode racks, the middle points of which connected to the terminals of the Converter, and the connection point of the cathode terminals of the racks of the rectifier through the first choke winding is connected to the second terminal of the electric the key and through the capacitor to the junction point of the anode terminals of the racks and to the first terminal of the second throttle winding, as well as a control circuit with a pulse modulation channel connected to the control terminal of the electronic key, and with feedback circuits containing comparison devices and input and output sensors currents and voltages, the connection point of the first terminal of the electronic switch and the first output terminal of the converter is directly connected to the second terminal of the second inductor, the first terminal of which is connected It is also connected to the second output terminal of the converter, and between the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks and the output of the first inductor winding, an auxiliary inductor is connected, which, together with the rectifier, is shunted by an auxiliary capacitor.

Дополнительным техническим результатом является упрощение преобразователя за счет снижения числа электронных ключей, конденсаторов и элементов схемы управления.An additional technical result is the simplification of the converter by reducing the number of electronic keys, capacitors and control circuit elements.

Лабораторные испытания макета устройства и исследования на компьютерной модели подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного преобразователя переменного тока.Laboratory tests of the device model and studies on a computer model confirm the possibility of wide industrial use of the proposed AC converter.

На фиг. приведена принципиальная схема силовой части и упрощенная структура схемы управления предлагаемого преобразователя переменного тока.In FIG. the schematic diagram of the power unit and the simplified structure of the control circuit of the proposed AC converter.

Предлагаемый преобразователь переменного тока содержит: конденсатор 1, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки 2, 3, электронный ключ 4, первый выходной вывод преобразователя 5, диодно-мостовой выпрямитель 6, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек 7, 8 и 9, 10, первый и второй входные выводы 11, 12 и второй выходной вывод 13. Схема управления 14 содержит канал импульсной модуляции 15, устройство сравнения 16 и датчики 17, 18 входных и выходных токов и напряжений.The proposed AC converter contains: a capacitor 1, two magnetically-connected choke windings 2, 3, an electronic switch 4, a first output terminal of the converter 5, a diode-bridge rectifier 6, consisting of two parallel two-diode racks 7, 8 and 9, 10, the first and the second input terminals 11, 12 and the second output terminal 13. The control circuit 14 comprises a pulse modulation channel 15, a comparison device 16, and sensors 17, 18 of the input and output currents and voltages.

Между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель 19, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором 20.Between the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks and the output of the first inductor, an auxiliary inductor 19 is connected, which together with the rectifier is shunted by an auxiliary capacitor 20.

Электронный ключ 4 подключен своим первым выводом к первому выходному выводу 5 преобразователя. Средние точки стоек выпрямителя 6 подключены к первому и второму входным выводам 11, 12 преобразователя, соответственно. Точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку 2 подключена ко второму выводу электронного ключа 4 и через конденсатор 1 - к первому выводу второй дроссельной обмотки 3 и к точке соединения анодных выводов стоек выпрямителя.The electronic key 4 is connected with its first output to the first output terminal 5 of the Converter. The midpoints of the racks of the rectifier 6 are connected to the first and second input terminals 11, 12 of the Converter, respectively. The connection point of the cathode terminals of the rectifier racks through the first throttle winding 2 is connected to the second terminal of the electronic switch 4 and through the capacitor 1 to the first terminal of the second throttle winding 3 and to the connection point of the anode terminals of the rectifier racks.

Точка соединения первого вывода электронного ключа 4 и первого выходного вывода преобразователя 5 непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки 3.The connection point of the first output of the electronic switch 4 and the first output terminal of the converter 5 is directly connected to the second terminal of the second inductor 3.

Датчик 17 входных тока и напряжения установлен во входной цепи выпрямителя 6, а аналогичный датчик 18 выходных тока и напряжения - в выходной цепи.A sensor 17 of the input current and voltage is installed in the input circuit of the rectifier 6, and a similar sensor 18 of the output current and voltage is in the output circuit.

Преобразователь переменного тока работает следующим образом. Рассмотрим процессы питания от сети подключенного к выводам 5 и 13 в качестве нагрузки столба из последовательных светодиодов (светодиодного модуля). Входные выводы 11, 12 преобразователя подключены к промышленной сети переменного тока. Рассмотрим работу во временном интервале полупериода (Т/2) питающего сетевого напряжения, при котором на первом входном выводе 11 имеется положительный потенциал относительно второго входного вывода 12.The AC Converter operates as follows. Consider the processes of power supply from the network connected to pins 5 and 13 as a load of a column of consecutive LEDs (LED module). The input terminals 11, 12 of the Converter are connected to an industrial AC network. Consider the work in the time interval of a half-period (T / 2) of the supply mains voltage, at which the first input terminal 11 has a positive potential relative to the second input terminal 12.

Электронный ключ 4 высокочастотно-импульсно модулируется по управлению от канала 15, например, по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или двухпороговому релейному закону. При включении ключа 4 за время Δt суммарное потокосцепление ψ дроссельных обмоток 2, 3 возрастает на некоторую величину за счет питания от сети по цепи 11-17-7-2-4-3-10-12. До этого конденсатор 1 был заряжен с полярностью, указанной на фиг. по цепи 11-17-7-2-1-10-12. Поэтому, после отпирания ключа 4, он частично разряжается на вторую дроссельную обмотку 3 через электронный ключ 4 до напряжения близкого к половине сетевого напряжения, отдавая часть своей энергии на накопление электромагнитной энергии дроссельных обмоток. В момент Δt, при пропадании сигнала в канале 15 ключ 4 запирается. Суммарное потокосцепление дроссельных обмоток 2, 3 не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации). Это приведет к тому, что конденсатор будет дозаряжаться благодаря индуктивностям рассеяния дроссельных обмоток, сохраняя непрерывность сетевого тока, а основная часть электромагнитной энергии дроссельных обмоток за время Δt будет передаваться в нагрузку, трансформируясь в цепь 3-13-5-18-3 с током, протекающим в нагрузке от вывода 13 к выводу 5. За время ΔT-Δt, где ΔT - период модуляции, суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до некоторого минимума, сохраняя свою непрерывность.The electronic switch 4 is high-frequency-pulse modulated by control from channel 15, for example, according to the law of pulse-width modulation (PWM) or a two-threshold relay law. When the key 4 is turned on for the time Δt, the total flux linkage ψ of the choke windings 2, 3 increases by a certain amount due to the power supply from the network through the circuit 11-17-7-2-4-3-10-12. Prior to this, the capacitor 1 was charged with the polarity indicated in FIG. on the chain 11-17-7-2-1-10-10-12. Therefore, after unlocking the key 4, it is partially discharged to the second inductor winding 3 through the electronic switch 4 to a voltage close to half the mains voltage, giving up part of its energy to the accumulation of electromagnetic energy of the inductor windings. At the time Δt, when the signal disappears in channel 15, key 4 is locked. The total flux linkage of the throttle windings 2, 3 cannot decrease stepwise (according to the law of switching). This will lead to the fact that the capacitor will be recharged due to the scattering inductance of the inductor windings, while maintaining the continuity of the mains current, and the main part of the electromagnetic energy of the inductor windings during the time Δt will be transferred to the load, transforming into a circuit 3-13-5-18-3 with current, flowing in the load from terminal 13 to terminal 5. During the time ΔT-Δt, where ΔT is the modulation period, the total flux linkage of the inductor windings will decrease to a certain minimum, while maintaining its continuity.

В момент ΔT вновь включается ключ 4, после чего одновременно вновь происходит нарастание суммарного потокосцепления дроссельных обмоток и передача энергии конденсатора, накопленной им на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток. Далее указанные процессы периодически повторяются.At time ΔT, key 4 is turned on again, after which at the same time the total flux linkage of the throttle windings increases again and the capacitor energy accumulated by him in the previous interval (Δt) is transferred to the electromagnetic energy of the throttle windings. Further, these processes are periodically repeated.

При этом с помощью цепей обратных связей с датчиками 17, 18 входных и выходных токов и напряжений и канала импульсной модуляции 15 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока выпрямителя (за счет регулирования соотношения Δψ_max и Δψ_min суммарного потокосцепления дроссельных обмоток) и его синфазной синхронизации с напряжением сети. При этом также регулируется амплитуда сетевого тока в соответствии с заданным эталонным или программно меняющимся значением.At the same time, using feedback circuits with sensors 17, 18 of input and output currents and voltages and pulse modulation channel 15, the power factor consumed from the network is corrected by sinusoidal generation of the average pulse value of the rectifier input current (by adjusting the ratio Δψ _max and Δψ _min total flux linkage of the inductor windings) and its common-mode synchronization with the mains voltage. At the same time, the amplitude of the mains current is regulated in accordance with a given reference or software-changing value.

Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, обеспечивая отсутствие низкочастотных (с частотой сети) миганий светодиодов благодаря индуктивной фильтрации огибающей выходного тока. Роль конденсатора 1 сводится к защите электронного ключа 4 от перенапряжений при его запирании (из-за индуцирования ЭДС в индуктивностях рассеяния дроссельных обмоток), а также к обеспечению непрерывности сетевого тока (для повышения коэффициента мощности). При этом энергоемкость и массогабаритные параметры конденсатора относительно малы, т.к. на него не возлагается функция низкочастотного фильтра выпрямленного напряжения (как на электролитический емкостный фильтр в аналогах).The above processes can be carried out in continuous total flux linkage mode of the inductor windings, ensuring the absence of low-frequency (with a network frequency) LED blinking due to inductive filtering of the output current envelope. The role of capacitor 1 is to protect the electronic switch 4 from overvoltage when it is locked (due to the induction of EMF in the inductance dissipation of the inductor windings), as well as to ensure continuity of the mains current (to increase the power factor). In this case, the energy intensity and mass and size parameters of the capacitor are relatively small, because it is not assigned the function of a low-frequency filter of rectified voltage (as an electrolytic capacitive filter in analogues).

Роль вспомогательного дросселя 19 и вспомогательного конденсатора 20 сводится к защите цепей сетевого питания от высокочастотных пульсаций тока, т.е. к функции обратного низкочастотного фильтра.The role of the auxiliary choke 19 and auxiliary capacitor 20 is to protect the mains supply circuits from high-frequency ripple currents, i.e. to the inverse low-pass filter function.

Таким образом, в отличие от прототипа заявляемый преобразователь переменного тока имеет не два, а один электронный ключ и, соответственно, более простую схему управления, а также только один конденсатор, благодаря чему достигается основной технический результат - повышение надежности и КПД устройства.Thus, in contrast to the prototype, the inventive AC converter has not two, but one electronic key and, accordingly, a simpler control circuit, as well as only one capacitor, due to which the main technical result is achieved - increased reliability and efficiency of the device.

Claims (1)

Преобразователь переменного тока, содержащий конденсатор, две согласно-магнитосвязанные дроссельные обмотки, электронный ключ, подключенный первым выводом к первому выходному выводу преобразователя, диодно-мостовой выпрямитель, состоящий из двух параллельных двухдиодных стоек, средние точки которых подключены к первому и второму входным выводам преобразователя соответственно, при этом точка соединения катодных выводов стоек выпрямителя через первую дроссельную обмотку подключена ко второму выводу электронного ключа и через конденсатор - к точке соединения анодных выводов стоек и к первому выводу второй дроссельной обмотки, а также схему управления с каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с цепями обратных связей, содержащих устройства сравнения и датчики входных и выходных токов и напряжений, отличающийся тем, что точка соединения первого вывода электронного ключа и первого выходного вывода преобразователя непосредственно подключена ко второму выводу второй дроссельной обмотки, первый вывод которой подключен ко второму выходному выводу преобразователя, а между точкой соединения катодных выводов стоек выпрямителя и выводом первой дроссельной обмотки включен вспомогательный дроссель, который вместе с выпрямителем зашунтирован вспомогательным конденсатором.

An AC converter comprising a capacitor, two magnetically coupled inductor windings, an electronic switch connected to the first output terminal of the converter, a diode-bridge rectifier consisting of two parallel two-diode racks, the midpoints of which are connected to the first and second input terminals of the converter, respectively , while the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks through the first throttle winding is connected to the second terminal of the electronic key and through sator - to the junction point of the anode leads of the racks and to the first terminal of the second throttle winding, as well as a control circuit with a pulse modulation channel connected to the control terminal of the electronic key and with feedback circuits containing comparison devices and sensors for input and output currents and voltages, characterized in that the connection point of the first terminal of the electronic key and the first output terminal of the converter is directly connected to the second terminal of the second inductor, the first terminal of which is connected to the second output terminal of the converter, and between the connection point of the cathode terminals of the rectifier racks and the output of the first inductor winding, an auxiliary inductor is connected, which together with the rectifier is shunted by an auxiliary capacitor.