СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ


RU (11) 2257661 (13) C2

(51) 7 H02M3/158 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - прекратил действие, но может быть восстановлен 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003101151/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.01.15 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.01.15 
(43) Дата публикации заявки: 2004.07.20 
(45) Опубликовано: 2005.07.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 1159124 A1, 30.05.1985. SU 1594662 A1, 23.09.1990. GB 2228806 А, 05.09.1990. 
(72) Автор(ы): Кувшинов А.А. (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение Тольяттинский государственный институт сервиса (ТГИС) (RU) 
Адрес для переписки: 445677, Самарская обл., г. Тольятти, ул. Гагарина, 4, ТГИС, Г.Н. Абрамову 

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПОСТОЯННЫЙ

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах электропитания технологических нагрузок с глубоким регулированием выходного напряжения и активной коррекцией коэффициента мощности. Технический результат изобретения - расширение диапазона регулирования выходного напряжения с заданной величиной коэффициента мощности. Способ регулирования выходного напряжения преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего неуправляемый мостовой выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр с двухоперационным ключом, датчик потребляемого тока и датчик входного напряжения, заключается в том, что осуществляют сравнение сигнала датчика потребляемого тока с опорным сигналом, формируемым датчиком входного напряжения, и в случае превышения опорного сигнала включают, а в случае превышения сигнала датчика потребляемого тока выключают двухоперационный ключ. Для достижения поставленной цели в моменты коммутаций двухоперационного ключа осуществляют модуляцию величины коэффициента передачи датчика входного напряжения, поддерживая высокое значение Кв при включенном, низкое значение Кн при выключенном состояниях двухоперационного ключа и сохраняя неизменной глубину модуляции К=(К в-Кн) коэффициента передачи датчика входного напряжения. 3 ил.






ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах электропитания технологических нагрузок с глубоким регулированием выходного напряжения и активной коррекцией коэффициента мощности.

Известен способ регулирования выходного напряжения преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего неуправляемый мостовой выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр с двухоперационным ключом, датчик потребляемого тока и датчик входного напряжения, заключающийся в том, что коммутации двухоперационного ключа осуществляют с частотой, многократно превышающей частоту входного переменного напряжения, причем включение производят при нулевом значении сигнала датчика потребляемого тока, а выключение осуществляют в момент возрастания последнего до значения опорного сигнала, формируемого датчиком входного напряжения [1].

Недостатком известного способа является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, поскольку значительная часть области возможных значений (0÷ 1) относительной продолжительности включения двухоперационного ключа должна модулироваться по синусоидальному закону для активной коррекции коэффициента мощности путем формирования квазисинусоидальной формы потребляемого тока. Однако существенные пульсации потребляемого тока на частоте коммутаций двухоперационного ключа ограничивает и величину коэффициента мощности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ регулирования выходного напряжения преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего неуправляемый мостовой выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр с двухоперационным ключом, датчик потребляемого тока и датчик входного напряжения, заключающийся в том, что осуществляют сравнение сигнала датчика потребляемого тока с опорным сигналом, формируемым датчиком входного напряжения, и в случае превышения опорного сигнала включают, а в случае превышения сигнала датчика потребляемого тока выключают двухоперационный ключ [2].

Недостатком известного способа является ограниченный диапазона регулирования выходного напряжения, осуществляемого изменением частоты коммутаций двухоперационного ключа, верхнее значение которой ограничено допустимым уровнем динамических потерь в двухоперационном ключе, а нижнее значение ограничено требованием поддержания квазисинусоидальной формы потребляемого тока для активной коррекции коэффициента мощности. Снижение частоты коммутаций двухоперационного ключа снижает точность формирования квазисинусоидальной формы потребляемого тока и соответственно величину коэффициента мощности.

Цель предлагаемого изобретения состоит в расширении диапазона регулирования выходного напряжения при сохранении заданной величины коэффициента мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в моменты коммутаций двухоперационного ключа осуществляют модуляцию величины коэффициента передачи датчика входного напряжения, поддерживая высокое значение Кв при включенном, низкое значение Кн при выключенном состояниях двухоперационного ключа и сохраняя неизменной глубину модуляции К=(Kв-Кн) коэффициента передачи датчика входного напряжения.

На фиг.1 изображена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг.2 - графическое изображение гистерезисной функции сравнения; на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие сущность предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит неуправляемый мостовой выпрямитель 1, сглаживающий LC-фильтр, образованный дросселем 2 и конденсатором 3, двухканальный релятор 4, в состав которого входит дифференциальный компаратор 5, управляющий замыкающим 6 и размыкающим 7 ключами информационного переключательного канала 8, а также замыкающим 9 и размыкающим 10 ключами силового переключательного канала 11, датчик входного напряжения 12, датчик потребляемого тока 13. Датчик входного напряжения 12 имеет два выхода, один с коэффициентом передачи Kв, другой с коэффициентом передачи КН, которые подключены к информационному переключательному каналу 8. Выходы датчика потребляемого тока 13 и информационного переключательного канала 8 подключены к инверсному и прямому входам соответственно дифференциального компаратора 5. Замыкающий 9 и размыкающий 10 ключи силового переключательного канала 11 включены между дросселем 2 и разнополярными выводами конденсатора 3, к которым подключена нагрузка 14. В силовом переключательном канале 11 размыкающий ключ 10 должен быть двухоперационным, для замыкающего ключа 9 допускается простейшая реализация в виде диода.

Способ регулирования выходного напряжения состоит в следующем.

Двухканальный релятор 4 воспроизводит базовые операции предикатной алгебры выбора (ПАВ), которыми являются ПАВ-дизъюнкция (V) и ПАВ-конъюнкция ( )

V(y1,y2)=y1· I(x1-x2)+y2· I(x2-x1),

(y1,y2)=y1· I(x2-x1)+y2· I(x1-x2),

где y1,y 2 - предметные переменные, в общем случае любые физические параметры, действующие на входах информационного 8(y1i ,y2i) или силового 11(y1F,y2F ) переключательных каналов; х1,х2 - предикатные переменные, действующие на входах дифференциального компаратора 5; I(х) - единичная функция, равная 0 при х<0 или 1 при х>0, формируемая на выходе дифференциального компаратора 5.

Для информационного переключательного канала 8 предметные переменные определяются выходными сигналами датчика входного напряжения 12

y1i=Kн· | e(t)| , y2i=KВ· | e(t)| ,

где e(t) - входное переменное напряжение мостового выпрямителя 1.

Коэффициенты передачи датчика входного напряжения 12 могут изменяться в широких пределах при сохранении соотношения KВ>КН, обеспечивая соотношение предметных переменных y2i>y1i , одна из которых в предельном случае может поддерживаться на минимальном уровне y1i=0 заданием КН=0. 

Для силового переключательного канала 11 предметными переменными y1F,y2F служит ток дросселя 2, представляющий собой модуль-функцию потребляемого тока iП=0, т.е. 

Y1F=y2F=| iП(t)| .

Предикатная переменная х2 на инверсном входе дифференциального компаратора 5 определяется выходным сигналом uт датчика потребляемого тока 13

x2=uТ=K т· rТ· | iП(t)| .

где КТ, rТ - коэффициент передачи и внутреннее сопротивление датчика потребляемого тока 13.

Предикатная переменная x1 на прямом входе дифференциального компаратора 5 определяется ПАВ-функцией гистерезисного типа, формируемой информационным переключательным каналом 8 двухканального релятора 4

Z=x1=| e(t)| · [KВ· I(Z-x2)+K Н· I(x2-Z)],

графическое изображение которой представлено на фиг.2.

Как видно из фиг.2, перемещение изображающей точки при увеличении или уменьшении предикатной переменной х2 (мгновенных значений потребляемого тока) происходит по петле гистерезиса до “упоров”, задаваемых предметными переменными y1i,y2i и соответственно параметрами датчика входного напряжения 12, т.е. значениями коэффициентов передачи KВ и КН.

Пока x1 <х2, выходной сигнал дифференциального компаратора 5, равный I(x1-х2)=0, поддерживает ключи 6, 7 информационного переключательного канала 8 и ключи 9, 10 силового переключательного канала 11 в положении, изображенном на фиг.1. Под действием выходного напряжения | e(t)| мостового выпрямителя 1 в дросселе 2 нарастает ток, равный | iП (t)| , и происходит накопление энергии, которому соответствует движение изображающей точки по “верхней” ветви петли гистерезиса (фиг.2) до момента наступления равенства

х2=К Т· rТ· | iП(t)| =х1=y2i=K В· | e(t)| .

С этого момента выходной сигнал дифференциального компаратора 5 принимает значение I(x1-х2)=1, замыкающее ключи 6, 9 и одновременно размыкающее ключи 7, 10 в информационном 8 и силовом 11 переключательных каналах соответственно. Происходит переход изображающей точки на “нижнюю” ветвь петли гистерезиса, предикатная переменная x1 начинает отождествляться с предметной переменной y1i, т.е.

x1 =y1i=KН· | е(t)| ,

а ток дросселя 2 и соответственно величина потребляемого тока iП(t) начинает уменьшаться под действием встречного напряжения конденсатора 3. Энергия, накопленная в дросселе 2, передается в конденсатор 3 и в нагрузку 14, а изображающая точка перемещается по “нижней” ветви петли гистерезиса (фиг.2) до момента наступления равенства

x2=Кт· rт· | i П(t)| =х1=y1i=КН· | e(t)| .

С этого момента выходной сигнал дифференциального компаратора 5 вновь принимает значение I(х1-х2)=0, ключи 6, 7 информационного переключательного канала 8 и ключи 9, 10 силового переключательного канала 11 возвращаются в исходное состояние, а изображающая точка переходит на “верхнюю” ветвь петли гистерезиса. Далее процессы повторяются.

Таким образом, перемещению изображающей точки по петле гистерезиса соответствует периодическое чередование процессов накопления энергии в дросселе 2 и последующей передачи в конденсатор 3 и нагрузку 14.

Фаза накопления энергии в дросселе 2 на каждом интервале преобразования TП (n) завершается нарастанием тока до максимального значения (фиг.3) 



а фаза передачи энергии из дросселя 2 завершается уменьшением тока до значения



где UН - напряжение на конденсаторе 3 и нагрузке 14 (пульсации не учитываются); tИ(n), tП (n) - продолжительность фазы накопления энергии в дросселе 2 и фазы передачи энергии в конденсатор 3 и нагрузку 14 соответственно; (n)=tИ(n)/TП(n) - относительная продолжительность фазы накопления энергии в дросселе 2; L - индуктивность дросселя 2; еn - среднее значение входного напряжения на интервале преобразования TП(n), которое с достаточной для практических оценок точностью определяется соотношением



Еm - амплитуда входного напряжения.

Выбором параметров датчика входного напряжения 12 можно поддерживать различные режимы формирования квазисинусоидальной формы потребляемого тока в процессе регулирования выходного напряжения.

При КН=0 поддерживается граничный режим работы с нулевыми значениями потребляемого тока iП(n-1)=iП (n)=0 на границах каждого интервала преобразования ТП (n), в котором динамические потери в ключах 9, 10 силового переключательного канала 11 минимальны, но одновременно снижается и величина коэффициента мощности из-за существенных пульсаций потребляемого тока (фиг.3б). 

При K=KВ-КН=const поддерживается режим квазипостоянного тока на каждом интервале преобразования ТП(n), обеспечивающий возможность достижения предельной величины коэффициента мощности за счет минимизации пульсаций потребляемого тока при К 0 (фиг.3в), но ценой увеличения динамических потерь в ключах 9, 10 силового переключательного канала 11.

В граничном режиме функционирования параметры датчиков потребляемого тока 13 и входного напряжения 12 непосредственно определяют, как следует из (1), (2), максимальное значение тока



продолжительности фазы накопления энергии в дросселе 2 



фазы передачи энергии в конденсатор 3 и нагрузку 14



а также продолжительность каждого интервала преобразования 



Как видно из приведенных соотношений произведение



сохраняет неизменное значение, обеспечивая постоянство соотношения



и соответственно входного сопротивления R преобразователя (in - среднее значение потребляемого тока на интервале преобразования). Соотношение (3) показывает, что коммутация ключей 9, 10 силового переключательного канала 11 в процессе формирования квазисинусоидальной формы потребляемого тока осуществляется в режиме частотно-импульсной модуляции при адаптивной ширине петли гистерезиса, определяемой текущей величиной входного переменного напряжения. Последнее обстоятельство облегчает формирование синусоидальной огибающей потребляемого тока в зоне переходов входного напряжения e(t) через нулевые значения. Кратность изменения продолжительности интервалов преобразования и соответственно частоты коммутаций 



определяется только уровнем выходного напряжения U * Н=UН/Em, а входное сопротивление преобразователя



только параметрами датчиков входного напряжения 12 и потребляемого тока 13.

Величину выходного напряжения UН в граничном режиме можно определить из условия энергетического баланса на интервале периода Т входного переменного напряжения. Доза энергии dW(n), которая сначала накапливается в дросселе 2, затем передается в конденсатор 3 и нагрузку 14 на одном интервале преобразования TП(n), составляет



а количество энергии, потребляемой за период входного переменного напряжения, определяется суммированием отдельных доз



При высокой частоте преобразования, когда N>>1, Т>>TП(n) и возможна замена еn на e(t), dW(n) на dW(t), суммирование эквивалентно операции интегрирования 



где E - эффективное значение входного переменного напряжения. 

Равное количество энергии при отсутствии потерь поступает в нагрузку 14



а величина выходного напряжения устанавливается на уровне 



где хL - сопротивление дросселя 2 на частоте входного переменного напряжения. Полученное соотношение показывает возможность параметрического регулирования в широких пределах выходного напряжения путем изменения коэффициента передачи K B датчика входного напряжения 12. При этом обеспечивается линейность регулировочной характеристики и одновременно достаточно высокий уровень коэффициента мощности за счет принудительного формирования квазисинусоидальной формы потребляемого тока.

В режиме квазипостоянного тока на интервалах преобразования TП(n) соотношения (1), (2) с учетом еn en=1 при N>>1 также позволяют определить продолжительность фазы накопления энергии в дросселе 2



фазы передачи энергии из дросселя 2 в конденсатор 3 и нагрузку 14



продолжительность интервала преобразования



а также входное сопротивление преобразователя



где K=KB-КH.

Как видно, при квазипостоянном токе на интервалах преобразования TП(n) сохраняется режим частотно-импульсной модуляции, причем диапазон изменения частоты коммутации ключей двухканального релятора 4 на интервале полупериода входного переменного напряжения также определяется соотношением (4).

Доза энергии dW(n), которая передается в конденсатор 3 и нагрузку 14 на произвольном интервале преобразования TП(n), определяется соотношением



а количество энергии, передаваемой за период входного переменного напряжения, определяется соотношением



Тогда уровень выходного напряжения, определяемый из уравнения энергетического баланса WП=WН с учетом (5), составит



Как видно, в режиме квазипостоянного тока на интервалах преобразования ТП(n) сохраняется возможность параметрического регулирования в широких пределах выходного напряжения изменением коэффициента передачи KB датчика входного напряжения 12. Поддержанием в процессе регулирования K=const обеспечивается неизменность продолжительностей фазы накопления энергии в дросселе 2 (tИ=const) и интервалов преобразования ТП(n). При этом сохраняется неизменным уровень пульсаций тока на частоте преобразования и соответственно величина коэффициента мощности во всем диапазоне регулирования выходного напряжения. Кроме того, сохраняется неизменным уровень динамических потерь в ключах силового переключательного канала 11.

Таким образом, предлагаемый способ регулирования выходного напряжения обеспечивает достижение положительного эффекта, который состоит в расширении диапазона регулирования с заданной величиной коэффициента мощности за счет поддержания квазисинусоидальной формы потребляемого тока с неизменным уровнем пульсаций на частоте коммутаций ключей двухканального релятора, в том числе и в зонах перехода входного переменного напряжения через нулевые значения благодаря адаптивной ширине петли гистерезиса.

Источники информации

1. Мелешин В.И., Нечагин М.А. Проектирование однофазных выпрямителей с активной коррекцией коэффициента мощности. - Электротехника, №3, 1998, с.42-48.

2. Флоренцев С.Н. Активная коррекция коэффициента мощности преобразователей с однофазным выпрямителем на входе. - Электротехника, №3, 1992, с.28-31.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Способ регулирования выходного напряжения преобразователя переменного тока в постоянный, содержащего неуправляемый мостовой выпрямитель, сглаживающий LC-фильтр, замыкающий ключ и размыкающий двухоперационный ключ силового переключательного канала, включенные между дросселем указанного фильтра и разнополярными выводами конденсатора указанного фильтра, к которым подключена нагрузка, таким образом, что при замкнутом состоянии размыкающего двухоперационного ключа и разомкнутом состоянии замыкающего ключа под воздействием выходного напряжения неуправляемого мостового выпрямителя происходит накопление энергии в указанном дросселе, а при разомкнутом состоянии размыкающего двухоперационного ключа и замкнутом состоянии замыкающего ключа накопления в указанном дросселе энергия передается в конденсатор и нагрузку, датчик потребляемого тока и датчик входного напряжения, заключающийся в том, что осуществляют сравнение сигнала датчика потребляемого тока с опорным сигналом, формируемым датчиком входного напряжения, и в случае превышения опорным сигналом сигнала датчика потребляемого тока включают размыкающий двухоперационный ключ и выключают замыкающий ключ, а в случае превышения сигналом датчика потребляемого тока сигнала опорного напряжения выключают размыкающий двухоперационный ключ и включают замыкающий ключ, отличающийся тем, что в моменты коммутаций указанных ключей осуществляют модуляцию величины коэффициента передачи датчика входного напряжения, поддерживая высокое значение Кв указанного коэффициента при включенном, низкое значение Кн при выключенном состояниях двухоперационного ключа и сохраняя неизменной глубину модуляции К=(К в-Кн) коэффициента передачи датчика входного напряжения.





ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru