Способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное и устройство для его осуществления

 

Использование: изобретение может быть использовано в качестве источника питания с улучшенным коэффициентом мощности для различных электроприемников . Сущность изобретения: выпрямленное напряжение сети преобразуют в высокочастотное, затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного тока в постоянный с улучшенным коэффициентом мощности с целью питания различных электроприемников, например электронной аппаратуры и т.п. фильтр ток (например дроссель), что позволяет растянуть зарядный ток фильтровой емкости и снизить его амплитуду, затем полученное постоянное напряжение через разделительный элемент, например диод, подают повторно на вход высокочастотного преобразователя и преобразуют в высокочастотное . Способ реализуется в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное , содержащем сетевой выпрямитель 1, подключенный к питающей сети, вы-, сокочастотный преобразователь 2 с выходным трансформатором 3 и фильтровую емкость 6. Выход сетевого выпрямителя 1 подключен непосредственно к входу высокочастотного преобразователя 2, в выходной трансформатор 3 которого введена дополнительная обмотка }, которая через выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 (или без него) подключена к фильтровому конденсатору 6, который в свою очередь через отсекающий диод 11 подключен к входу высокочастотного преобразователя 2. 1 з.п.ф-лы, 5 ил. В настоящее время для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используются преимущественно однофазные мостовые выпрямители . Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя включается массивный электролитический конденсатор fj. XI XI Х| ю ел

ф

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (,)5 Н 02 М 7/04

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

H АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ql »

ГОСУДАРСТВЕ ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССP (ГОСПАТЕНТ СССР) (21) 4 39730/07 (22) 1 о.06.90 (46) 23.11.92.Бюл. Г 43 (71) Киевский научно-исследовательский и конструкторский институт периферийного оборудования. (72) Б.K.Иарский, В.А.Кутафин, А.Я.Коновал, H.М.Тукало и Л.В.Шапка (56) 1. Руденко В.С. и др. Основы преобразовательной техники. — Высшая школа, 19i0, с.70-75.

2. Бред Холл. Коррекция коэффициента мощности в импульсных источниках питания, — журнал "Электроника"

1986, t" 22, с.55-59. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННО"

ГО СЕТЕВОГО НАПРЯ1ХЕНИЛ В ПОСТОЯННОЕ

И УСТРОЙСТВО ДЛЛ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение может быть использовано в качестве истоцника питания с улучшенным коэффициентом мощности для различных электроприемников. Сущность изобретения: выпрямленное напряжение сети преобразуют в высокоцастотное, затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования переменного тока в постоянный с улучшенным коэффициентом мощности с целью питания различных электроприемников, например электронной аппаратуры и т.п.

„„. Ж„„1777215 А1 фильтр тока (например дроссель), что позволяет растянуть зарядный ток фильтровой емкости и снизить его амплитуду, затем полученное постоянное напряжение через разделительный элемент, например диод, подают повторно на вход высокочастотного преобразователя и преобразуют в высокочастотное, Способ реализуется в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащем сетевой выпрямитель

1, подключенный к питающей сети, высокочастотный преобразователь 2 с выходным трансформатором 3 и фильтро- . вую емкость 6. Выход сетевого выпрямителя 1 подключен непосредственно к входу высокочастотного преобразователя 2> в выходной трансформатор 3 которого введена дополнительная обмотка 4, которая через выпрямитель

5 и фильтрующий дроссель 7 (или без него) подключена к фильтровому конденсатору 6, который в свою оцередь через отсекающий диод 11 подключен к входу высокочастотного преобразователя 2. 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

В настоящее время для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное используются преимущественно однофазные мостовые выпрямители. Для сглаживания пульсаций RblllpRM ленного напряжения на выходе выпрямителя включается массивный элекгролитический конденсатор (1J .

1777215

Основным недостатком такого способа преобразования и устройств для .

его осуществления является низкий коэффициент мощности. Снижение коэффициента мощности сетевых однофазных выпрямителей является следствием импульсного потребления тока из питающей сети в нагрузку при малом уровне пульсаций выходного напряжения (см. фиг.l и 2). Кроме того, из-за больших импульсов тока снижается надежность работы разъемов и выключателей а также возрастает уровень электромагнитных помех генерируемых устройством в питающую сеть. Коэффициент мощности большинства источников питания с бестрансформаторным входом например в ЭВМ, радиоэлектронной аппаратуре, бытовой электронной аппарату- gp ре (телевизорах, магнитофонах, радиоприемниках и т.п.), находится на уровне 0,6-0,65.

Наиболее близким техническим ре шением к заявляемому является им- 25 пульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности, описанный в P2) . В известном решении осуществляется следующий способ преобразования переменного сетевого напря- gp жения в постоянное. Напряжение сети, подают на вход мостового выпрямителя (см.фиг.3). С выхода мостово-. го выпрямителя N через зарядный индуктивно-ключевой преобразователь за- 5 ряжают емкость С. Заряд емкости С за счет высокой частоты преобразования (чримерно 75 кГц) и закона управления преобразователем осуществляется синусоидальным током, потребляе- 4О мым от сети переменного тока, В дальнейшем постоянное напряжение с заряженной емкости подают на вход преобразователя частоты, где его преобразуют в высокочастотное, трансформируют до нужного уровня и передают в нагрузку.

Недостатками известного решения является то, что в.схему источника вводится дополнительно зарядный преобразователь, что усложняет устройство, удорожает его и снижает КПД.

Кроме того, при таком способе емкость можно зарядить только до напряжения выше, чем сетевое (например на 151), и нельзя согласовать напряжение сети с выпрямленным напряжением нагрузки в тех случаях, когда не обходимо выпрямленное напряжение на нагрузке ниже напряжения сети. Для такого согласования требуется доголнительно высокочастотный преобразователь ° Это снижает эффективность способа преобразования переменного сетевого напряжения в пос гоянное, а также усложняет устройство, осуществляющее данный способ, снижает его КПД и счижает функциональные возможности, Целью изобретения является повышение КПД.

Поставленная цель достигается тем, что:

1) в известном способе преобразования переменного напряжения в постоянное выпрямляют напряжение питающей сети и осуществляют фильтрацию высших гармоник, выпрямленное напряжение сети дополнительно преобразуют в высокочастотное, полученное напряжение преобразуют в постоянное путем сглаживания его через фильтр тока и вновь преобразуют его в высокочастотное;

2) вышеуказанный способ может быть реализован в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащем сетевои выпрямитель, вход которого соединен с входными выводами для подключения питающей сети, высокочастотный преобразователь с выходным трансформатором, соединенным с выходными выводами для подключения нагрузки, и конденсатор фильтра, выход сетевого выпрямителя соединен непосредственно с входом высокочастотного преобразователя, в выходной трансформатор которого введена дополнительная обмотка, соединенная с входом дополнительно введенного выпрямителя с дросселем фильтра на его выходе, причем указанный конденсатор фильтра одним из выводов через дополнительно введенный разделительный диод соединен с соответствующим выводом входа высокочастотного преобразователя и включен параллельно выходу дополнительного выпрямителя.

Новым в заявляемом способе является то, что выпрямленное сетевое . напряжение преобразуют в высокочас= тотное (например, 25 кГц) и этим напряжением через индуктивность (фильтр тока) заряжают фильтровый конденсатор, а напряжение с фильтрового конденсатора повторно преобразуют в высокочастотное, 8 устройстве для пре5 177721 образования выход сетевого выпрямителя подключен непосредственно к входу высокочастотного преобразователя, в.выходной трансформатор которого . введена дополнительная обмотка,. которая через выпрямитель и фильтровый дроссель (или без него) подключена к Фильтровому конденсатору, который в свою очередь через отсекаю- 10 щий диод подключен к входу высокочастотного преобразователя.

На фиг.1 приведены эпюры выпрямленного напряжения О ы„„ на Фильтровом конденсаторе С и тока сети 1 снятых осциллографированием на реальном преобразователе (см.фиг.2), без улучшения коэффициента мощности; на фиг.2 приведена типовая структурная схема источника вторичного элект.-. ропитания с бестрансформаторным входом, где V — сетевой выпрямитель, Ccp — Фильтрующий конденсатор; на фиг.3 приведена структурная схема прототипа, где U — сетевой выпрямитель, С <р - Фильтруюший конденсатор; на Фиг.a4 приведена электрическая схема заявляемого устройства, где 1 сетевой выпрямитель; 2 - высокочастотный преобразователь, 3 — выход- 30 ной трансформатор 4 - дополнительные полуобмотки; 5 - полумостовой выпрямитель; 6 — Фильтровый конденсатор С, 7 - фильтрующий дроссель", 8 - нагрузочный выпрямитель, 9— фильтрующие конденсаторы нагрузки для устранения высокочастотных пульсаций, 10 - нагрузочные обмотки высокочастотного преобразователя;

11 " отсекающий диод. 40

На фиг.5 приведены эпюры: а) напряжения на входе высоко" частотного преобразователя; б) тока сети; в) напряжения на нагрузке преобразователя.

Сущность предлагаемого способа преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное заключается в следующем. 5С

Известно, что в традиционном пре образователе переменного напряжения в выпрямленное постоянное однофаз-;--ный выпрямитель нагружен на массивную емкость, величина пульсаций постоянного напряжения определяется ве" личиной фильтрующей емкости и нагрузки. Чем больше фильтрующая емкость,, тем меньше величина пульсаций. Одна"

jt

6 ко, с другой стороны, чем меньше ве- -,. личина пульсаций (см.фиг.! и 2), тем уже импульса тока, потребляемый из сети, и больше его амплитуда. Такой режим потребления тока из питающей сети ведет к существенному снижению коэффициента мощности. С точки зрения повышения коэффициента мощности целесообразно иметь фильтрующую емкость как можно меньше. Однако снижение фильтрующей емкости приводит к увеличению пульсаций, а это в свою очередь не желательно, т.к. большинство электролитических конденсаторов, выпускаемых промышленностью, допускает величину пульсаций, не превышающую 203. С учетом этих факторов реальный коэффициент мощности однофазных выпрямителей с фильтрующей емкостью на выходе составляет величину

0,62-0,67. Кроме того, узкие и большой амплитуды импульсы тока, потребляемые из сети,.отрицательно влияют на надежность работы разъемов, выключателей, а также генерируют в питающую сеть высокий уровень электромагнитных радиопомех.

В решении, структурная схема которого приведена на Фиг,3 (прототип), за счет введения в схему специального зарядного преобразователя, заряд фильтрового конденсатора С производится синусоидальным током, готребляемым из питающей сети. Поэтому коэффициент мощности такого устройства близок к единице. Однако для того, чтобы получить напряжение на нагрузке согласованной (нужной) величины необходим второй преобразователь, что естественно усложняет схему и несколько снижает его КПД за счет включения дополнительного последовательного звена.

В заявляемом решении удается совместить функции заряда фильтрующего конденсатора и согласования выходного напряжения с напряжением нагрузки в одном преобразователе, что естественно позволяет упростить схему преобразователя и повысить его КПД.

Процесс преобразования происходит следующим образом. Напряжение с выхода сетевого выпрямителя подают на вход высокочастотного преобразовате-.. . ля, преобразуют в высокочастотное (например 25 кГц). С выходного транс . форматора преобразователя через отдельную обмотку, выпрямитель и фильт7 1777215

8 рующий дроссель (который может отсутствовать, если достаточно индуктивности рассеивания трансформатора) заряжают фильтрующий конденсатор С<, Напряжение с Фильтрового конденсатора через отсекающий диод подают на вход высокочастотного преобразователя.C выходных обмоток трансформатора через выходной выпрямитель и высокочастотный фильтр напряжение подают в нагрузку, Высокочастотное напряжение и дроссель в цепи заряда фильтрового конденсатора позволяют вести заряд конденсатора Фильтра током сети близким к синусоидальному, а обратная связь преобразователя поддерживает на заданном уровне постоянное стабильное напряжение на нагрузке. Коэффициент мощности устройства при таком способе преобразования лежит в пределах 0,9-0,95 (см.фиг.5) °

Предлагаемый способ осуществляется посредством следующих операций.

Напряжение сети выпрямляют и npeobразовывают в высокочастотное (например, 25 кГц), а затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через фильтр тока (например, дроссель). Высокочастотное напряжение и дроссель позволяют плавно заряжать фильтровую емкость, приближая форму зарядного тока сети к синусоиде. Полученное напряжение повторно преобразуют в высокочастотное. Это позволяет повысить эффективность преобразования за счет двойного использования высокочастотного преобразования напряжения.

Устройство для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное (см.фиг.4) содержит сетевой выпрямитель 1, вход которого подключен к питающей сети, а выход - к вхо ду высокочастотного преобразования

2, в состав которого входит выход" ной трансформатор 3. Дополнительная обмотка 4 выходного трансформатора

3 через выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 подключена к Фильтровому конденсатору 6, который в свою оче» редь через отсекающий диод 11 подключен к входу высокочастотного преобразователя 2. Выходные обмотки

10 трансформатора 3 через выпрямители 8 подключены к нагрузке к высокочастотным фильтрующим. конденсаторам 9.

Устройство работает следующим образом °

При включении напряжения питающей сети на выходе сетевого выпрямителя 1 появляется выпрямленное напряжение, которое изменяется по полуволнам синусоиды, которое в преобразователе 2 преобразует в высокочас-. тотное (например 25 кГц). Полученное высокочастотное напряжение через дополнительную обмотку 4 трансформатора

3, выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 подается на заряд Фильтрового конденсатора 6, напряжение с которого подается через отсекающий диод 11 на вход преобразователя 2. С другой стороны, через выходные обмотки 10, выходные выпрямители 8 напряжение прикладываются к загрузке и высокочастотным фильтровым емкостям .9.

После выхода преобразователя на установившийся режим (см.фиг.5), когда напряжение сети Uz. ниже, чем напряжение Ус, на конденсаторе

6, энергия в нагрузку поступает от конденсатора 6. B точке, где напряжение U zÄ Ä< становится выше, чем напряжение U, . Энергия в нагрузку

30 поступает от питающей сети и одновременно идет заряд конденсатора 6. Поскольку в заявляемом решении фильтрующая емкость отдает в нагрузку энергию значительно меньше время, чем в схемах фиг.2 и 3, то и величина фильтрующей емкости будет иметь пропорционально меньшее значение. Поскольку заряд фильтрового конденсатора

6 производится высокочастотным напряжением, через дроссель 7, то форма зарядного тока сети (см.фиг.5á) имеет форму, приближенную к синусоидальной. При этом коэффициент мощности . устройства имеет значение в прелелах

4g 0,9-0,95. Пульсации в выходном напряжении (см,фиг.5в) убираются с помощью обратной связи преобразовате». ля и фильтрующих емкостей 9.

Предлагаемый способ обладает выс о шей эффективностью по сравнению с прототипом за счет двойного использования высокочастотного преобразования напряжения, что позволяет повысить КПД преобразования.

ПРедлагаемое Решение позволяет на

30-40% снизить массогабаритные ха- рактеристики и стоимость преобразователя по сравнению с прототипом за счет исключения из схемы специально1777215

10 го зарядного преобразователя. Кроме того, оно может быть легко адаптировано в уже существующие и хорошо отработанные решения, как источники вторичного питания радиоэлектрон-. ной аппаратуры промышленного и бытового применения. При этом изменяется только выходной трансформатор и конфигурация соединений. 10

Формула изобретения

1. Способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, заключающийся в том, что выпрямляют напряжение питающей сети и осу- 1 ществляют фильтрацию высших гармоник, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД, выпрямленное напряжение сети дополнительно преобразуют; в высокочастотное, полученное напряжение преобразуют в постоянное путем сглаживания его через фильтр тока и вновь преобразуют его в высокочастотное.

2. Устройство для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащее сетевой выпрямитель, вход которого соединен с выходными выводами для подключения нагрузки и конденсатор фильтра, о т.л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения КПД, выход сетевого выпрямителя соединен непосредственно с входом высокочастотного преобразователя, в выходной трансформатор которого введена дополнительная обмотка, соединенная с входом дополнительно введенного выпрямителя с дросселем фильтра на его выходе, причем указанный конденсатор фильтра одним из выводов через дополнительно введенный разделительный диод соединен с соответствующим выводом входа высокочастотного преобразователя и включен параллельно выходу дополнительного выпрямителя.

1777215

Составитель Л.Шапка

Редактор И.Кузнецова Техред И.Иоргентал Корректор Н. Ревская

Заказ М26 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открмтиям при ГКНТ СССР

113035, Иосква, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101