Устройство преобразования энергии

Изобретение направлено на устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования энергии из источника переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащее входной каскад, предназначенный для приема энергии от источника переменного напряжения, причем этот входной каскад предназначен для приема энергии от источника переменного напряжения, этот входной каскад включает входной фильтр (С1, С2, L1) и средство (D1, D2, D3, D4) выпрямителя, предназначенное для выпрямления переменного сигнала, конденсатор (Cdc), предназначенный для накопления энергии выпрямленного сигнала, выход, предназначенный для вывода энергии от средства (D1, D2, D3, D4) выпрямителя, а также конденсатор (Cdc) импульсной нагрузки, в котором импульсная нагрузка содержит, по меньшей мере, одну переключаемую обмотку (W1, W2), которая принимает энергию с выхода, и в котором конденсатор (Cdc) имеет такие размеры, что напряжение в конденсаторе (Cdc) падает ниже 15% от номинального пикового выпрямленного напряжения источника в течение каждого цикла переменного напряжения источника. Преобразователь такого рода обеспечивает технический результат, состоящий в том, что ток, отбираемый от источника переменного напряжения, может падать в пределах, определяемых положениями стандартов электромагнитной совместимости, и представляет собой более простое и более дешевое устройство по сравнению с известными преобразователями с аналогичным уровнем мощности. 2 н. и 20 з.п. ф-лы, 29 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к устройству преобразования энергии, предназначенному для использования с электрическим устройством или как его часть, в котором используется нагрузка с импульсным током потребления. Изобретение, в частности, пригодно, но не ограничивается этим, для использования с двигателями и в качестве источников питания.

Уровень техники

В большом количестве источников питания электронных устройств в настоящее время требуется использовать генерирование с промежуточным каскадом постоянного напряжения. Рассмотрим в качестве примера двигатель с изменяемой скоростью (фиг.1), в котором питание двигателя обеспечивается от стандартного сетевого переменного напряжения 10 с местным значением напряжения и частоты. Сетевое напряжение питания подают в сетевой фильтр 15, который предназначен для защиты оборудования от каких-либо паразитных сигналов, поступающих из источника питания, а также для предотвращения распространения через источник питания нежелательных сигналов, генерируемых оборудованием. "Очищенное" напряжение питания затем преобразуют в постоянное напряжение с использованием соединительного каскада 20 постоянного напряжения. Преобразование в постоянное напряжение включает мостовой выпрямитель D1-D4 и определенные цепи, предназначенные для получения из выпрямленного сигнала более ровного выходного напряжения, близкого к постоянному напряжению, такие как конденсатор. В этом примере соединительный каскад постоянного напряжения включает повышающий активный каскад коррекции коэффициента мощности (повышающий каскад АККМ (APFC)), 25, который более подробно будет описан ниже.

Другой пример использования промежуточного каскада постоянного напряжения может быть представлен преобразователями переменного напряжения-в-постоянное напряжение-в-постоянное напряжение, которые используют в качестве источников питания постоянного напряжения. В источниках питания этого типа сетевое переменное напряжение вначале преобразуют в постоянное напряжение, которое преобразуют в постоянное напряжение с требуемым значением напряжения.

Обычно пассивные формы преобразования энергии, которые включают промежуточный каскад постоянного напряжения, обладают недостатком, состоящим в том, что они искажают форму колебаний напряжения и тока, отбираемого из сетевого источника питания. Стандарты электромагнитной совместимости (ЕМС), такие как установлены в Стандарте Великобритании EN 61000-3-2 (1995) и в Директиве ЕМС (89/336/ЕЕС), определяют приемлемый уровень содержания гармоник в токе, который электрооборудование отбирает от сетевого источника переменного напряжения, а также приемлемый уровень искажения напряжения. Эти стандарты устанавливают ограничения для способа преобразования энергии. Кроме того, следует учитывать коэффициент мощности, поскольку он определяет оценку таких компонентов, как сетевой кабель, и будет ли адекватно работать локальная система сетевого напряжения.

Способ, с помощью которого выполнено соединение с постоянным напряжением, изменяется в соответствии с требуемой мощностью системы. Для нагрузки с низкой мощностью выходное постоянное напряжение может быть получено очень просто, путем подключения конденсатора Cdc к выходу мостового выпрямителя параллельно нагрузке. Для поддержания высокой степени регулируемости постоянного напряжения конденсатор Cdc на стороне постоянного напряжения должен иметь большую емкость. При использовании конденсатора Cdc с большой емкостью получают низкий коэффициент мощности входного тока, то есть энергию отбирают из сетевого источника питания только тогда когда величина входного напряжения (Vac) сетевого источника питания выше, чем напряжение (Vdc) постоянного тока. Входной ток напоминает последовательность расположенных на расстоянии друг от друга пиков, что приводит к существенно низкому содержанию гармоник низкой частоты. Именно такое содержание гармоник ограничивает использование таких систем только низким уровнем мощности, поскольку при более высоких силовых нагрузках низкое содержание гармоник превысит уровень, определенный инструкциями ЕМС, или приведет к неприемлемо низкому значению коэффициента мощности.

Для улучшения качества входного тока были разработаны различные технологии. В каскад входного фильтра могут быть добавлены дополнительные компоненты или можно использовать хорошо известную схему "заполнения впадин". Схема заполнения впадин улучшает форму входного тока, благодаря разделению соединительного конденсатора постоянного тока на две части. При использовании стандартного мостового выпрямителя ток отбирается от сетевого источника питания, когда величина входного напряжения (Vac) выше, чем напряжение (Vdc) постоянного тока. Однако при использовании схемы с заполнением впадин ток от источника отбирают, когда величина напряжения сетевого питания выше, чем половина напряжения (Vdc/2) постоянного тока. Это означает, что ток отбирают из сети в течение более длительного периода, чем при использовании стандартного мостового выпрямителя, в результате чего улучшается коэффициент мощности.

Из-за ограничения уровня гармоник в описанных выше схемах часто используют активно управляемые входные выпрямители. Из этих схем чаще всего применяют повышающий каскад АККМ, показанный на фиг.1.

Два контура управления - контур управления напряжением и контур управления током определяют переключающее действие мощного транзистора TR1. Контур управления напряжением поддерживает соединительное постоянное напряжение (Vdc) на требуемом уровне, что обеспечивается путем регулирования амплитуды опорного тока в контуре управления током. Контур управления током обеспечивает то, что входной ток регулируется по отношению к опорному току, определяемому контуром управления напряжением. Такая структура управления с множеством контуров требует, чтобы один контур был доминирующим. Обычно используют доминирующий контур управления током. В результате этого регулирование постоянного напряжения (в частности, во время переходных событий) ограничено из-за ограниченных рабочих характеристик ведомого контура. Обычно это ограничение компенсируют увеличением величины емкости соединительного конденсатора (Cdc) постоянного напряжения.

На фиг.2 и 3 представлены переходные характеристики во время включения и характеристики в режиме постоянной работы преобразователя. Первоначально (0<t<0,005 с) преобразователь является неуправляемым (при этом повышающий каскад не работает, если Vdc<|Vac|). После достижения условия Vdc>|Vac| повышающий каскад АККМ активно управляет входным током, что обеспечивает его, по существу, синусоидальную форму, с очень хорошим коэффициентом мощности. Высокая частота, наложенная на основной компонент 50Гц, возникает из-за переключающего действия повышающего преобразователя и непосредственно связана с частотой переключения транзистора TR1. Выбранная частота переключения для преобразователя должна быть существенно выше, чем предельные значения для гармоник, накладываемые стандартами ЕМС.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение направлено на получение улучшенного способа преобразования энергии и на преобразователь энергии улучшенного типа.

В соответствии с этим, в настоящем изобретении предложен преобразователь энергии по п.1.

Преобразователь такого рода обладает преимуществом, состоящим в том, что ток, отбираемый из источника переменного напряжения, может находиться в пределах, накладываемых положениями ЕМС, с использованием более простого и дешевого устройства по сравнению с известными преобразователями с аналогичными уровнями мощности. Например, соединительный конденсатор может быть построен, как конденсатор пленочного типа, который позволяет адекватно устранять пульсирующий ток и является экономически эффективным. Преобразователь удовлетворяет положениям ЕМС, поскольку доминирующая частота тока источника питания, то есть частота с наибольшей амплитудой, равна частоте источника питания переменного напряжения, и большая часть гармоник сосредоточена вокруг частоты переключения пульсирующего тока нагрузки и гармоник этой частоты переключения. При использовании нагрузки, которая работает с высокой частотой переключения, например, высокоскоростных двигателей или источников питания с переключаемым режимом, содержание гармоник будет расположено за пределами частотных диапазонов, установленных в стандартах ЕМС.

Поскольку конденсатор, формирующий часть соединительного каскада постоянного тока преобразователя имеет малую величину, он обладает преимуществом снижения стоимости и физического пространства, занимаемого преобразователем. Предпочтительно, чтобы размер (емкость) конденсатора в соединительном каскаде постоянного тока соответствовала величине энергии, которая передается от элементов индуктивности во входном фильтре и в нагрузке. Таким образом, в качестве нагрузки используют двигатель, когда одна из обмоток двигателя (или пар обмоток) отключена, энергия, накопленная в обмотке, может быть безопасно передана в соединительный конденсатор постоянного напряжения (или другую обмотку) без создания события чрезмерного перенапряжения.

Преобразователь, в частности, пригоден для работы с нагрузками, которые выдерживают некоторые изменения подаваемой на них мощности и которые работают с частотой переключения, находящейся за пределами гармонических частот, указанных в стандартах ЕМС. Коммутируемые высокоскоростные двигатели, такие как коммутируемые реактивные двигатели, которые обеспечивают привод нагрузки, например, в виде рабочего колеса турбины или компрессора, в особенности хорошо пригодны для питания от преобразователя такого рода, поскольку здесь допускаются некоторые изменения рабочей скорости колеса турбины. Неожиданно оказалось, что фактические вариации рабочей скорости колеса турбины составляют менее 1% от нормальной рабочей скорости из-за высокой инерции движущегося с высокой скоростью ротора и колеса турбины.

Колесо турбины может составлять часть вентилятора или насоса для перемещения текучей среды, такой как газ или жидкость, по каналу потока. В области бытовых устройств такое колесо турбины может составлять часть вентилятора, предназначенного для подачи загрязненного воздуха в пылесос. В условиях применения такого типа постоянное поддержание точного значения скорости вращения колеса турбины не является критически важным.

Краткое описание чертежей

Варианты выполнения изобретения будут описаны ниже со ссылкой на чертежи, на которых:

на фиг.1 показана известная схема преобразователя энергии для подачи питания в двигатель с использованием повышающего каскада АККМ;

на фиг.2 и 3 показаны рабочие характеристики преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.4 представлено первое рабочее состояние преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.5 показан ток, отбираемый преобразователем по фиг.1;

на фиг.6 представлено второе рабочее состояние преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.7 представлены изменения тока между первым и вторым рабочими состояниями преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.8 показана форма колебаний тока преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.9 представлено третье рабочее состояние преобразователя энергии по фиг.1;

на фиг.10 показан ток, протекающий в обмотке двигателя, представленного на фиг.1;

на фиг.11 показаны потоки мощности в преобразователь энергии по фиг.1 и из него;

на фиг.12 показано первое рабочее состояние преобразователя энергии в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения;

на фиг.13 показаны формы колебаний напряжения в преобразователе энергии по фиг.12;

на фиг.14 показано второе рабочее состояние преобразователя энергии, представленного на фиг.12;

на фиг.15 показано третье рабочее состояние преобразователя энергии, представленного на фиг.12;

на фиг.16 показан ток, отбираемый от источника преобразователем энергии по фиг.12;

на фиг.17 показано четвертое рабочее состояние преобразователя энергии, показанного на фиг.12;

на фиг.18 показан ток, протекающий через обмотку двигателя, представленного на фиг.12;

на фиг.19 показано напряжение на конденсаторе постоянного напряжения, показанного на фиг.12;

на фиг.20 показано изменение импульсов напряжения, подаваемого в нагрузку, показанную на фиг.12;

на фиг.21а представлено накопление потока в нагрузке, показанной на фиг.12;

на фиг.21b представлено влияние уменьшения угла проводимости на накоплении потока в нагрузке, показанной на фиг.12;

на фиг.22-24 представлено применение преобразователя энергии, показанного на фиг.12, в пылесосе;

на фиг.25 показан источник питания постоянного тока известного типа;

на фиг.26 показан источник питания постоянного тока в соответствии с вариантом выполнения настоящего изобретения.

на фиг.27 и 28 представлены схемы в разрезе вида сбоку и вида спереди, изображающие применение преобразователя энергии, показанного на фиг.12 в качестве встряхивателя устройства обработки поверхности.

Осуществление изобретения

Ниже для сравнения и для лучшего понимания настоящего изобретения будет подробно описана обычная технология активной коррекции коэффициента мощности со ссылкой на фиг.4-11.

Рассмотрим вначале фиг.4, на которой представлена схема коррекции коэффициента мощности, содержащая катушку L2 индуктивности и мощное переключающее устройство, такое как мощный транзистор TR1, подключенный параллельно к выходу мостового выпрямителя D1-D4. Диод D5 и конденсатор Cdc подключены параллельно к мощному переключающему устройству TR1, при этом выходное постоянное напряжение отбирают с конденсатора Cdc.

На фиг.4 также показана нагрузка в виде двухфазного коммутируемого реактивного электродвигателя. Первая фаза содержит пару мощных переключающих устройств TR2, TR3, последовательно подключенных к обмотке W1. Обмотка W1 образует одну из фазных обмоток статора двигателя. Пара диодов D6, D7 образует путь для "свободного" протекания тока через обмотку, когда переключающие устройства TR2 и TR3 выключены. Вторая фаза двигателя имеет ту же форму, что и первая фаза, и содержит мощные переключающие устройства TR4, TR5, обмотку W2 и диоды D8, D9. Работа переключателя TR1 схемы коррекции коэффициента мощности (ККМ, PFC) не зависит от работы переключателей TR2 и TR3 (и TR4 и TR5) двигателя. TR1 управляется таким образом, что он активно профилирует входной ток, тогда как TR2, TR3 управляют в соответствии с требуемым ускорением или постоянным вращением двигателя.

Для простоты в следующем описании сделаны следующие предположения:

- постоянное напряжение на соединительном конденсаторе (VCdc) является постоянным и больше, чем пиковое выпрямленное напряжение;

- частота переключения TR1 намного выше, чем частота переключения нагрузки (то есть частота переключения TR1 выше, чем частота переключения TR2-TR5).

Три состояния работы показаны на фиг.4-11.

Состояние 1 - фиг.4

Переключатель TR1 ККМ включен, и переключатели TR2, TR3 выключены. Период, в течение которого TR1 включен, выбирают так, чтобы активно профилировать входной ток. Ток протекает от источника переменного напряжения через мостовой выпрямитель D1-D4, катушку L2 индуктивности и TR1. Время включения/выключения TR1 выбирают так, чтобы ток, протекающий через катушку L2 индуктивности (и таким образом, входной ток IL2), имел форму, показанную на фиг.5.

Состояние 2 - фиг.6

TR1 отключен, в то время как TR2 и TR3 включены.

Существуют два контура тока:

I1: при отключенном TR1 энергия, накопленная в L2, передается в Cdc, в результате чего происходит суммарное уменьшение тока в L2, как показано на фиг.7.

I2: во втором контуре энергия, накопленная в Cdc, высвобождается через обмотку W1.

Суммарный ток, протекающий в Cdc, равен I1-I2. Усредненный ток в течение определенного периода времени показан на фиг.8. Можно отметить, что конденсатор Cdc должен в любой момент времени сглаживать различие между входным током IL2 и выходным током (IW1+IW2). В результате этого возникают пульсации напряжения на Cdc в форме, показанной на фиг.8. Максимальная величина пульсаций составляет ΔV. Величина ΔV обратно пропорциональна емкости Cdc, то есть для малых пульсаций ΔV напряжения требуется большая емкость.

Состояние 3 - фиг.9

TR1 отключен, в то время как TR2 и TR3 отключены.

Существуют два контура тока:

I1 - при отключенном TR1 энергия, накопленная в L2, передается в Cdc.

I2 - при отключенных TR2 и TR3, ток в обмотке W1 уменьшается и накапливается в Cdc.

Хотя это не показано, токи, протекающие в обмотке W2, равняются токам в обмотке W1.

Из описанного выше понятно, что хотя полная входная мощность P_IN, то есть мощность, отбираемая от источника питания переменного напряжения, равняется общей выходной мощности P_OUT, то есть мощности, передаваемой в нагрузку, в течение одного цикла напряжения сетевого питания, входной профиль мощности очень отличается от выходного профиля мощности, как показано на фиг.11. Конденсатор Cdc устраняет мгновенные различия между входной мощностью и выходной мощностью. Для нагрузки с высокой мощностью это требует, чтобы Cdc имел большое значение емкости. Например, для нагрузки 1,5 кВт Cdc должен иметь емкость приблизительно 200 мкФ.

В общем эта схема обеспечивает хорошее устойчивое выходное напряжение Vdc и при этом форма входного тока, отбираемого от источника питания, совместима со стандартами ЕМС, то есть доминирующий частотный компонент имеет ту же частоту, что и частота переменного тока сети с намного более высокой частотой переключения переключателя TR1, которая наложена на сигнал 50 Гц. Входной ток повышается при включении TR1 и падает при выключении TR1. Недостаток этой схемы состоит в том, что конденсатор Cdc должен иметь большое значение емкости, из-за чего требуется применять конденсатор, который имеет большие физические размеры и является дорогим.

Схема с малым конденсатором постоянного тока

При использовании схемы в соответствии с изобретением, которая показана на фиг.12, сетевой фильтр (C1, C2, LI) и мостовой выпрямитель (D1-D4) сохраняются. Однако вместо катушки L2 индуктивности, переключателя TR1, диода D5 и большого конденсатора Cdc теперь используется только один соединительный конденсатор Cdc. Соединительный конденсатор Cdc имеет емкость, которая значительно меньше, чем емкость большого конденсатора Cdc, показанного на фиг.1-11. В качестве нагрузки, как и прежде, используется тот же двухфазный двигатель.

Вкратце, такая схема работает так, что каждый раз, когда в одну из фаз двигателя подают энергию, энергия, накопленная в соединительном конденсаторе Cdc, быстро убывает до точки, в которой выпрямительные диоды D1-D4 начинают проводить, и требуемая мощность двигателя отбирается непосредственно от сетевого источника питания. Непрерывная пульсация мощности непосредственно из сетевого источника питания в обмотке W1, W2 приводит к аналогичной пульсирующей форме входного тока, показанной на фиг.16. Входной "π" фильтр, сформированный из C1, C2 и LI, уменьшает пиковый входной ток до приемлемого уровня и вводит непрерывную форму колебаний тока, подобную форме, получаемой при использовании активно управляемого повышающего каскада АККМ. Получаемые в результате токи в обмотках W1 и W2, показаны на фиг.18.

Ниже будет более подробно описана работа схемы. Будут описаны четыре состояния схемы.

Состояние 1 - фиг.12

TR2 и TR3 включены для подачи энергии в обмотку W1.

Непосредственно перед включением TR2 и TR3 напряжение на Cdc равно пиковому напряжению сети минус напряжение на двух выпрямительных диодах моста. После того TR2 и TR3 включаются, напряжение на Cdc падает очень быстро до мгновенного значения выпрямленного напряжения сети, как показано на фиг.13. Напряжение на Cdc падет очень быстро из-за малой емкости Cdc.

Состояние 2 - фиг.14

TR2 и TR3 остаются включенными и подают энергию в обмотку W1.

Когда VCdc падает до уровня выпрямленного напряжения, ток/энергия, подаваемая на нагрузку, больше не подается только от конденсатора Cdc, но также отбирается непосредственно из сети, как показано на фиг.14. Поскольку в Cdc накапливается очень мало энергии, напряжение VCdc принудительно следует выпрямленному входному напряжению. В результате этого возникают пульсации напряжения на Cdc, составляющие приблизительно 85-100%.

Поток энергии к нагрузке (в обмотке двигателя), в основном, определяется потоком от сетевого источника питания в обмотку. При этом отсутствует какой-либо существенный промежуточный накопитель энергии, как в описанном выше каскаде повышения АККМ.

Состояние 3 - фиг.15

TR2 и TR3 отключаются. При этом возникают два потока тока:

I1 - С2 и L1 формируют входной фильтр, который уменьшает компонент частоты переключений (двигателя) входного тока. Когда TR2 и TR3 отключают, ток продолжает протекать через L1.

I2 - после того, как TR2 и TR3 отключаются, продолжается протекание тока через обмотку W1, при этом энергия накапливается в Cdc.

Размер конденсатора Cdc существенно зависит от общего количества энергии, передаваемой из обмотки W1 и из индуктивной катушки L1, которая формирует часть входного фильтра в течение времени, когда TR2 и TR3 отключены. Он также значительно зависит от общей энергии, передаваемой из обмотки W2 и из катушки L1 индуктивности в течение времени, когда TR4 и TR5 отключены. Емкость выбирают так, чтобы максимальное напряжение, прикладываемое конденсатором Cdc, поддерживалось в заданных пределах: в описанном варианте выполнения этот предел выбирают от 400 до 500 В.

Состояние 4 - фиг.17

TR2 и TR3 выключены.

Здесь вся энергия, накопленная в обмотках, была передана, и, следовательно, ток в обмотках падает до нуля. Ток продолжает поступать в катушку индуктивности входного фильтра L1 и заряжает Cdc.

На фиг.16 показан входной ток, отбираемый из источника переменного напряжения. Можно видеть, что входной ток имеет существенный компонент на частоте сетевого напряжения и модулирован частотой переключения нагрузки. Входной фильтр (C1, C2, L1) ограничивает компонент частоты переключения и, предпочтительно, согласовывает входной фильтр с частотой переключения. Использование соединительного конденсатора постоянного напряжения Cdc с малой емкостью позволяет обеспечить близкое соответствие тока, отбираемого нагрузкой, току сетевого источника. Величину соединительного конденсатора Cdc постоянного тока выбирают в соответствии с требуемой нагрузкой, подключенной к соединению постоянного тока. Как описано выше, для нагрузки в виде импульсной обмотки двигателя, соединительный конденсатор постоянного тока должен иметь достаточно большую емкость для приема всей энергии, передаваемой от отключенных фазовых обмоток, без превышения возможностей по напряжению компонентов, как показано на фиг.19.

Очевидно, что такая схема не пригодна для всех типов нагрузки. Во-первых, значительный (близкий к 100%) компонент пульсации связующего напряжения постоянного тока приводит к существенным вариациям в течение одного цикла питания энергии, подаваемой в нагрузку. Когда нагрузка представлена двигателем, в результате этих вариаций скорость двигателя изменяется вокруг среднего значения с частотой, равной удвоенной частоте сетевого источника питания. Во-вторых, во входной цепи появляются импульсы тока на частоте переключения нагрузки. Это требует, чтобы частота переключения нагрузки была достаточно высокой и должна находиться за пределами строго регулируемой полосы, установленной в стандартах ЕМС. Однако даже с учетом этого такая схема цепи является пригодной для многих типов импульсных нагрузок, таких как двигатель, когда частота переключения высока и в случае, когда при работе приемлемы вариации скорости с частотой сетевого напряжения. Нагрузка должна иметь высокую рабочую частоту, порядка 2 кГц или выше, для соответствия современным требованиям ЕМС, что делает такую компоновку наиболее приемлемой для высокоскоростных двигателей, таких, которые работают на скоростях, превышающих приблизительно 35000 оборотов в минуту. Неожиданного было определено, что изменение входной мощности несущественно влияет на скорость двигателя. Действительно, для двигателя, работающего со скоростью 95000 оборотов в минуту, наблюдались вариации между пиками на уровне 800 оборотов в минуту.

Было определено, что требуется провести ряд других изменений для обеспечения оптимальной работы нового преобразователя с импульсной нагрузкой по току.

Предпочтительно исключить какое-либо существенное накопление потока в обмотке двигателя. Для исключения накопления потока в каком-либо магнитном материале значение в вольт секундах, приложенных во время отключения, должно, по существу, равняться значению вольт секунд, приложенных во время подачи энергии. При обеспечении равенства периодов подачи энергии и отсутствия подачи энергии накопление потока будет пропорционально приложенному напряжению.

На фиг.20 представлена последовательность импульсов напряжения, которое прикладывают к обмоткам двигателя во время одной половины цикла входного питания. Ввиду малой величины Cdc, входное напряжение значительно изменяется во время половины цикла. В течение 0< Время <0,005 с, амплитуда импульса напряжения в течение периода отключения выше, чем амплитуда импульса напряжения в течение непосредственно предшествующего периода времени и в результате не происходит накопление потока в двигателе. Однако в течение периода 0,005 с < Время < 0,01 с амплитуда импульса напряжения во время периода отключения меньше, чем амплитуда импульса напряжения в течение непосредственно предшествующего периода включения, и в результате происходит накопление потока в течение равных периодов подачи и отсутствия подачи энергии. На фиг.21а представлено как может происходить накопление потока, когда время отключения имеет ту же длительность что и время включения.

Авторы определили, что проблема накопления потока в двигателе, представленном на фиг.12-26, может быть предотвращена путем снижения угла проводимости, то есть длительности подачи энергии или импульса "включения". На фиг.21b представлено как таким образом можно избежать накопления потока.

Присутствуют другие факторы, которые следует учитывать перед уменьшением периода подачи энергии. Чрезмерное уменьшение подачи энергии приводит к периодам отсутствия тока в двигателе, что может отрицательно повлиять на содержание гармоник входного тока, отбираемого от источника питания. Кроме того, при этом потребуется увеличить пиковый ток, если двигатель должен вырабатывать ту же номинальную выходную мощность с уменьшенным периодом подачи энергии.

Был найден компромисс, когда период подачи энергии уменьшается только до точки, в которой устраняется проблема накопления потока. В варианте выполнения высокоскоростного двигателя было определено, что приемлемые результаты могут быть достигнуты путем уменьшения угла проводимости от 90 до 82°. Конечно, значение угла проводимости будет отличаться в других вариантах применения.

Величина емкости соединительного конденсатора Cdc постоянного тока управляется только требованием поглощения энергии, восстановленной из двигателя, в частности, во время ускорения двигателя. При нормальной работе двигателя, когда фазная обмотка отключена, энергия, накопленная в обмотке, подается обратно в соединительный конденсатор Cdc постоянного тока. Такая восстановленная энергия может составлять до 33% номинальной мощности двигателя. В результате поглощения восстановленной энергии из обмотки напряжение на конденсаторе повышается. При выборе величины емкости соединительного конденсатора Cdc постоянного тока требуется учитывать такое повышение напряжения для обеспечения того, чтобы ни на один из компонентов, подключенных к dc соединительному конденсатору Cdc, не было подано чрезмерное напряжение. Следует понимать, что мощные электронные компоненты чувствительны к перенапряжению.

На фиг.22-24 показан вариант применения преобразователя мощности для привода колеса турбины всасывающего вентилятора пылесоса. Пылесос, показанный здесь, представляет собой вакуумный пылесос вертикального типа, но точно также можно использовать вакуумный пылесос цилиндрического типа. Как показано на фиг.22, пылесос 100 содержит вертикальный основной корпус 110 с вентилятором и корпусом 120 двигателя, установленным в его нижней части, предназначенный для установки блока двигателя и вентилятора. Очистительная головка 115 установлена с возможностью свободного отклонения от корпуса 120 двигателя. Всасывающее входное отверстие 116 сформировано в очистительной головке 115, через которое грязь и пыль можно всасывать с поверхности пола. В основном корпусе 110 установлено разделительное устройство 112, выполненное в форме циклонного сепаратора, которое позволяет отделять грязь, пыль и другой мусор из грязного потока воздуха, всасываемого через входное отверстие 116.

В корпусе 120 двигателя и вентилятора установлено колесо 130 турбины, и двигатель приводит в движение это колесо 130 турбины. При использовании двигатель вращает колесо 130 турбины с очень высокой скоростью (выше 70000 оборотов в минуту) для всасывания воздуха по пути А-Н через очиститель 100. Воздух с грязью всасывается в очистительную головку 115 через входное отверстие 116 для грязного воздуха. Воздух, несущий грязь, поступает по системе труб в сепаратор 112, который предназначен для отделения грязи, пыли и другого мусора от потока воздуха (путь В). Сепаратор 112 может представлять собой циклонный сепаратор, как показано здесь, или может быть выполнен в виде сепаратора другой формы, например в форме фильтра-мешка. Очищенный воздух выходит из сепаратора 112 по пути С, D перед поступлением по пути Е в корпус 120 вентилятора и двигателя. Фильтр перед двигателем обычно установлен на пути потока воздуха перед колесом 130 турбины для фильтрации оставшихся тонких частиц пыли, которые не были удалены сепаратором 112.

На фиг.23 и 24 показано колесо 130 турбины и двигатель, которые установлены в корпусе 120 двигателя. Вал 142 установлен на подшипниках 143, и этот вал вращается вокруг оси 146. Колесо турбины 130 коаксиально установлено на валу 142 на стороне входного потока вала 142. Лопасти продолжаются радиально наружу от основного корпуса колеса 130 турбины в направлении корпуса 135 в канале 148 и при использовании предназначены для отбора воздуха в корпус 135 в показанном направлении. Вал 142 приводится во вращение двигателем, который в данном варианте выполнения представляет собой коммутируемый реактивный синхронный электродвигатель. Двигатель содержит статор 140 и ротор 150, который установлен с возможностью вращения в статоре 140. На фиг.24 показан вид в разрезе двигателя по плоскости Х-X', обозначенной на фиг.23. Двигатель представляет собой двухполюсный, двухфазный коммутируемый реактивный электродвигатель. Он содержит статор 140, имеющий четыре явно выраженных полюса 140а, 140b, 140с и 140d. На каждый полюс 140а-140d намотано множество витков изолированного провода. Витки противоположных пар полюсов соединены последовательно и формируют одну обмотку, например витки на полюсах 140а, 140b формируют обмотку W1, показанную на фиг.12, и витки на полюсах 140с, 140d формируют обмотку W2, показанную на фиг.12.

Схема, показанная на фиг.12, используется для подачи питания и управления двигателем. Здесь также представлена система 160 управления. На валу 142 установлен датчик 155, предназначенный для детектирования углового положения ротора 150. При использовании система 160 управления использует информацию от датчика 155 вместе с другой информацией для последовательной подачи питания в обмотки W1 и W2 и, следовательно, для обеспечения вращения ротора 150 и колеса турбины 130 вокруг оси 146, которой втягивает воздух в корпус 135 вдоль пути F и выпускает воздух вдоль пути G. Обмотки W1, W2 включают путем включения и выключения транзисторов TR2-TR5, как описано выше. Системы управления такого вида хорошо известны и не требуют дополнительного пояснения.

Для двухфазного коммутируемого реактивного электродвигателя с нормальной рабочей скоростью порядка 95000 оборотов в минуту авторы изобретения определили, что следующие значения компонентов для цепи, показанной на фиг.12, обеспечивают хорошие результаты:

С1=С2=220 нФ;

L1=330 мкГн

Cdc=6,6 мкФ

Двигатель, показанный на фиг.23 и 24, имеет малое количество полюсов и высокую рабочую скорость. Изобретение в равной степени приемлемо для других нагрузок, имеющих высокую частоту переключения, таких как двигатель, имеющий большое количество полюсов и малую рабочую скорость. Пример такой нагрузки представляет собой устройство обработки поверхности, такое как встряхиватель, используемый в бытовых электрических приборах. На фиг.27 и 28 показан такой встряхиватель в форме стержневой щетки 170.

Стержневая щетка 170 содержит удлиненную цилиндрическую муфту 171, на которой установлены продолжающиеся радиально щетинки, расположенные на ее внешней поверхности, как обозначено позицией 172. Стержневая щетка установлена с возможностью вращения на подшипниках 174, 175 на внутреннем коаксиальном валу 173. Двигатель установлен по центру внутри стержневой щетки и содержит статор 176 и ротор 177. Ротор 177 расположен коаксиально по отношению к статору 176 и окружает его таким образом, что ротор вращается вокруг статора. Вал 173 закреплен по отношению к статору 176, и стержневая щетка 170 установлена так, что она вращается вместе с ротором 177. Двигатель представляет собой восемнадцатиполюсной, двухфазный коммутируемый реактивный электродвигатель. Обмотка двигателя обозначена позицией 178 на фиг.28. При применении схему управления, такую как показана на фиг.12, используют для подачи энергии и управления двигателем. В каждую обмотку подают энергию в зависимости от информации, получаемой от датчика углового положения (не показан), соединенного с ротором.

Двигатель обеспечивает вращение стержневой щетки 170 обычно с рабочей скоростью 3500 оборотов в минуту. Стержневая щетка 170 может быть установлена в пылесосе 100 по фиг.22. Стержневая щетка может быть установлена в чистящей головке 115 рядом с всасывающим входным отверстием 116. Вращение стержневой щетки 170 приводит к тому, что щетинки 172 выметают очищаемую поверхность, например ковер, встряхивая волокна ковра для высвобождения грязи и пыли и для захвата мусора. Всасывание воздуха поднимает грязь и пыль из ковра и всасывает его во входное отверстие 116 грязного воздуха и, следовательно, в камеру 112 отделения пыли пылесоса. Стержневая щетка 170 также может быть включена в напольный инструмент пылесоса.

Источник питания постоянного тока

Второе применение преобразователя энергии представлено источником питания постоянного тока. Типичный источник питания постоянного тока для значений мощности, превышающих 1-2 кВ, выполнен как полный мостовой преобразователь постоянного тока в постоянный ток, показанный на фиг.25. На стороне сетевого питания установлен входной фильтр 300 (L1, C1, C2) и мостовой выпрямитель 305. Из-за высокой номинальной мощности дальше обычно устанавливают повышающий каскад 310 АККМ для обеспечения удовлетворительного уровня гармоник входного тока. Благодаря использованию повышающего каскада АККМ, Vdc_A будет поддерживаться приблизительно на уровне постоянного напряжения, близком к постоянному. После повышающего каскада АККМ установлен полный мостовой преобразователь 315. При использовании постоянного соединительного напряжения Vdc_A управление полным мостовым преобразователем выполняется просто, в зависимости только от изменения нагрузки. Выход полностью управляемого моста 315 подключен к трансформатору 320 и выходному фильтру, который включает катушку L2 индуктивности и выходной конденсатор С4 постоянного тока. Vdc_B представляет собой выходное постоянное напряжение источника питания. Частоту переключения мостового преобразователя 315 выбирают для минимизации размера компонентов выходного фильтра (L2, С4) при поддержании приемлемых потерь в мощных электронных устройствах мостового преобразователя 315. Однако выбор выходного конденсатора С4 дополнительно усложняется стандартными требованиями в отношении необходимости "поддержания" выходного напряжения в течение определенного периода после отключения входного питания, то есть выходное напряжение должно поддерживаться в течение фиксированного периода времени после отключения входного источника питания, например, при отключении электроэнергии. Обычно в результате этого используют конденсатор С4 с довольно большим значением емкости, часто в диапазоне сотен микрофарад.

При использовании повышающего каскада 310 АККМ возникают те же проблемы, что и с преобразователем энергии, показанным выше на фиг.1, в котором требуется использовать конденсатор С3 со значительной емкостью (100-150 мкФ), в результате чего увеличивается количество компонентов, размеры и стоимость всего источника питания.

При использовании технологии, аналогичной описанной выше, источник питания может быть модифицирован путем удаления повышающего каскада 310 АККМ с сохранением только конденсатора С3 с существенно меньшим значением емкости, как показано на фиг.26. В результате удаления повышающего каскада 310 АККМ Vdc_A теперь имеет пульсацию, близкую к 100%. Передача мощности из мостового преобразователя 315 через трансформатор 320 в выходной каскад, который представляет собой функцию соединительного постоянного напряжения (Vdc_A), теперь изменяется по времени. Входной ток в трансформатор теперь отбирается непосредственно из сетевого источника питания, поскольку в конденсаторе С3 малой емкости накапливается очень незначительная энергия. Как и раньше поток, накапливаемый в трансформаторе, следует исключить, накладывая ограничения на период подачи энергии в трансформатор. Величина емкости небольшого конденсатора С3 существенно зависит от общего количества энергии, передаваемой из первичной обмотки Np трансформатора и из катушки L1 индуктивности, формирующей часть входного фильтра во время работы мостового преобразователя 315.

Исключение повышающего каскада 310 АККМ приводит к очевидному недостатку, состоящему в том, что частота переключения мостового преобразователя больше не определяет величины компонентов (L2, С4) выходного фильтра. Конденсатор С4 теперь должен иметь такой размер, который позволяет соответствовать переменной передаче энергии, которая представляет собой функцию частоты сетевого питания. Однако было определено, что величина емкости С4, которая необходима при использовании этой новой схемы, аналогична емкости, которая потребовалась бы раньше, поскольку стандартные требования для периода "поддержания" выхода уже диктуют значительную величину емкости конденсатора С4. Большая часть емкости накопителя энергии представлена на стороне низкого напряжения, что имеет преимущества как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения размеров.

Следует понимать, что настоящее изобретение не ограничивается вариантом выполнения, представленным на чертежах. В частности изобретение можно использовать для многофазных систем, например, с независимым выпрямлением для каждой фазы.

1. Устройство преобразования энергии, предназначенное для преобразования энергии источника переменного напряжения в постоянное напряжение, содержащее

входной каскад, предназначенный для приема энергии от источника переменного напряжения, причем входной каскад включает входной фильтр,

средство выпрямителя, предназначенное для выпрямления переменного сигнала,

конденсатор, предназначенный для накопления энергии выпрямленного сигнала,

выход, предназначенный для вывода энергии из средства выпрямителя и

конденсатора в пульсирующую нагрузку,

в котором пульсирующая нагрузка содержит, по меньшей мере, одну подключаемую обмотку, в которую поступает энергия с выхода, и в котором конденсатор имеет такие параметры, что напряжение на конденсаторе падает ниже 15.% номинального пикового выпрямленного напряжения источника в течение каждого цикла переменного напряжения источника.

2. Устройство по п.1, в котором конденсатор имеет такие параметры, что напряжение на конденсаторе падает ниже 10% от номинального пикового выпрямленного напряжения источника в течение каждого цикла переменного напряжения источника.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором конденсатор имеет такие параметры, что напряжение на конденсаторе падает ниже 5% номинального пикового выпрямленного напряжения источника в течение каждого цикла переменного напряжения источника.

4. Устройство п.1 или 2, в котором конденсатор имеет такие параметры, что обеспечивает накопление такой величины энергии, которая высвобождается из обмотки при отключении обмотки.

5. Устройство п.3, в котором конденсатор имеет такие параметры, что обеспечивает накопление такой величины энергии, которая высвобождается из обмотки при отключении обмотки.

6. Устройство по любому из пп.1, 2, 5, в котором пульсирующая нагрузка имеет частоту переключения выше 2 кГц.

7. Устройство по п.3, в котором пульсирующая нагрузка имеет частоту переключения выше 2 кГц.

8. Устройство по п.4, в котором пульсирующая нагрузка имеет частоту переключения выше 2 кГц.

9. Электрическое устройство, содержащее устройство преобразования энергии, в соответствии с любым из пп.1-8, и пульсирующую нагрузку.

10. Устройство по п.9, в котором пульсирующая нагрузка представляет собой индуктивную нагрузку, которую поочередно переключают между включенным состоянием и отключенным состоянием, в котором длительность включенного состояния меньше, чем длительность отключенного состояния, для минимизации или исключения накопления потока в индуктивной нагрузке.

11. Устройство по п.9, в котором пульсирующая нагрузка содержит двигатель, имеющий, по меньшей мере, одну коммутируемую фазовую обмотку.

12. Устройство по п.10, в котором пульсирующая нагрузка содержит двигатель, имеющий, по меньшей мере, одну коммутируемую фазовую обмотку.

13. Устройство по п.11 или 12, в котором двигатель представляет собой коммутируемый реактивный электродвигатель.

14. Устройство по п.12, дополнительно содержащее колесо турбины, которое приводится во вращение двигателем.

15. Устройство по п.13, дополнительно содержащее колесо турбины, которое приводится во вращение двигателем.

16. Устройство по п.14 или 15 в форме пылесоса с каналом для потока воздуха, в котором колесо турбины представляет собой всасывающий вентилятор, предназначенный для всасывания воздуха вдоль канала потока воздуха.

17. Устройство по п.11 или 12, дополнительно содержащее устройство обработки поверхности, которое приводится в движение двигателем.

18. Устройство по п.13, дополнительно содержащее устройство обработки поверхности, которое приводится в движение двигателем.

19. Устройство по п.17, в котором устройство обработки поверхности содержит встряхиватель, который вращается с помощью двигателя.

20. Устройство по п.18, в котором устройство обработки поверхности содержит встряхиватель, который вращается с помощью двигателя.

21. Устройство по п.19 или 20 в форме пылесоса, в котором встряхиватель расположен в очистительной головке или в напольном инструменте.

22. Устройство по п.9 или 10, в котором импульсная нагрузка представляет собой источник питания, и переключаемая обмотка содержит трансформатор.