RU106811U1

RU106811U1 - AC Converter

Info

Publication number: RU106811U1
Application number: RU2011107254/07U
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Резников; Владимир Владимирович Бочаров; Георгий Александрович Дубенский; Борис Вениаминович Кабелев; Сергей Федорович Коняхин; Нина Владимировна Савенкова
Priority date: 2011-02-28
Filing date: 2011-02-28
Publication date: 2011-07-20

Abstract

1. Преобразователь переменного тока, содержащий два конденсатора, первую и вторую дроссельные обмотки, электронный ключ и схему управления с выходным каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям, причем дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом, включены согласно, а выводы первой обмотки через соответствующие конденсаторы соединены с одноименными выводами второй обмотки, отличающийся тем, что содержит третью дроссельную обмотку, выполненную с тем же общим магнитопроводом и подключенную к выходным выводам преобразователя, электронный ключ выполнен двунаправленным и включен между первыми разнополярными выводами первой и второй дроссельных обмоток, вторые разнополярные выводы которых соединены с входными выводами преобразователя. ! 2. Преобразователь переменного тока по п.1, отличающийся тем, что электронный ключ состоит из диодно-мостового выпрямителя, к выходным выводам которого подключен транзистор в проводящем направлении. ! 3. Преобразователь переменного тока по п.1, отличающийся тем, что входные цепи обратных связей по токам и напряжениям схемы управления содержат вспомогательную дроссельную обмотку, выполненную с тем же общим магнитопроводом. 1. An AC converter comprising two capacitors, a first and second choke windings, an electronic switch and a control circuit with an output pulse modulation channel connected to the control terminal of the electronic switch and with input current and voltage feedback circuits, wherein the choke windings are made with a common magnetic circuit are included according to, and the conclusions of the first winding through the corresponding capacitors are connected to the same conclusions of the second winding, characterized in that it contains a third throttle winding a circuit made with the same common magnetic circuit and connected to the output terminals of the converter, the electronic key is bi-directional and is connected between the first bipolar leads of the first and second inductor windings, the second bipolar leads of which are connected to the input terminals of the converter. ! 2. The AC Converter according to claim 1, characterized in that the electronic switch consists of a diode-bridge rectifier, to the output terminals of which a transistor is connected in the conducting direction. ! 3. The AC Converter according to claim 1, characterized in that the input feedback circuits for currents and voltages of the control circuit comprise an auxiliary choke coil made with the same common magnetic circuit.

Description

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании вторичных источников питания, например, электронных пускорегулирующих аппаратов (балластов) для питания газоразрядных или светодиодных светильников, а также сварочных аппаратов или зарядных устройств.The utility model relates to pulsed power electronics and can be used to create secondary power sources, for example, electronic ballasts for powering gas-discharge or LED lamps, as well as welding machines or chargers.

Известны преобразователи переменного тока, в частности - электронные пускорегулирующие аппараты (балласты) для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, содержащие корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего фильтра - электролитического конденсатора, инвертор напряжения с несколькими электронными ключами, а также схему управления с выходным каналом импульсной модуляции и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям (А.Евстифеев, Особенности построения балластов для ламп высокого давления, «Силовая электроника», №3, 2008 г., с.132÷136, рис.4, 6, 10, 12).Known AC converters, in particular electronic ballasts (ballasts) for supplying gas discharge lamps from an alternating current main, containing a power factor corrector based on a rectifier that boosts a pulse-width modulator with an electronic key and a smoothing filter - an electrolytic capacitor, a voltage inverter with several electronic keys, as well as a control circuit with an output channel of pulse modulation and with input feedback circuits for currents and voltages (A.Evs ifeev, features of construction of ballasts for high-pressure lamps, "Power Electronics», №3, 2008, at p.132 ÷ 136, Figure 4, 6, 10, 12).

Недостатком этих устройств (аналогов) являются низкие надежность и рабочий ресурс из-за большого числа электронных ключей и наличия электролитического конденсатора с относительно большой энергоемкостью, требующего термостабилизации при широком диапазоне температур окружающей среды и при расположении вблизи светильника.The disadvantage of these devices (analogues) is their low reliability and operating life due to the large number of electronic keys and the presence of an electrolytic capacitor with a relatively high energy intensity, requiring thermal stabilization over a wide range of ambient temperatures and when located near the lamp.

Известен преобразователь переменного тока, в частности - пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока, содержащий два конденсатора, две дроссельные обмотки с общим магнитопроводом, два электронных ключа и схему управления с выходным каналом импульсной модуляции и с цепями обратных связей по токам и напряжениям (Преобразователь переменного тока. Патент РФ на полезную модель №89910, Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Бюлл. №35 от 20.12.2009 г.). Этот преобразователь переменного тока (выбранный как прототип) выгодно отличается от вышеуказанных аналогов отсутствием в его составе сглаживающего электролитического конденсатора и малым числом электронных ключей. Роль сглаживающего фильтра в нем выполняют дроссельные обмотки с общим магнитопроводом. Кроме того, два электронных ключа одновременно выполняют функцию коррекции коэффициента потребляемой из сети мощности и функцию регулирования тока нагрузки.A known AC converter, in particular, a ballasts for supplying gas discharge lamps from an AC mains, containing two capacitors, two inductor windings with a common magnetic circuit, two electronic keys and a control circuit with an output channel of pulse modulation and with feedback circuits for current and voltage (AC converter. RF patent for utility model No. 89910, Reznikov SB, Bocharov VV, Dubensky GA, Kabelev BV, Bull. No. 35 dated 12/20/2009). This AC converter (selected as a prototype) compares favorably with the above counterparts by the absence of a smoothing electrolytic capacitor in its composition and a small number of electronic keys. The role of the smoothing filter in it is performed by choke windings with a common magnetic circuit. In addition, two electronic keys simultaneously perform the function of correcting the coefficient of power consumed from the network and the function of regulating the load current.

Недостатком этого устройства (прототипа) являются низкие надежность и электробезопасность из-за гальванической связи цепей нагрузки и питающей сети, а также наличия двух электронных ключей и, соответственно, относительно сложной схемы управления.The disadvantage of this device (prototype) is the low reliability and electrical safety due to the galvanic connection of the load circuits and the supply network, as well as the presence of two electronic keys and, accordingly, a relatively complex control circuit.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является последний из рассмотренных выше преобразователей переменного тока (прототип).The closest in technical essence to the claimed utility model is the last of the above AC converters (prototype).

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является обеспечение гальванической развязки цепей нагрузки и питающей сети, а также снижение числа электронных ключей и упрощение схемы управления преобразователя.The task to which the claimed utility model is directed is to ensure galvanic isolation of the load circuits and the supply network, as well as reducing the number of electronic keys and simplifying the control circuit of the converter.

Техническим результатом предложения является повышение надежности и электробезопасности устройства.The technical result of the proposal is to increase the reliability and electrical safety of the device.

Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что преобразователь переменного тока, содержащий два конденсатора первую и вторую дроссельные обмотки электронный ключ и схему управления с выходным каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям, причем дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом, включены согласно, а выводы первой обмотки через соответствующие конденсаторы соединены с одноименными выводами второй обмотки, содержит третью дроссельную обмотку, выполненную с тем же общим магнитопроводом и подключенную к выходным выводам преобразователя, электронный ключ выполнен двунаправленным и включен между первыми разнополярными выводами первой и второй дроссельных обмоток, вторые разнополярные выводы которых соединены с входными выводами преобразователя, а также благодаря тому, что электронный ключ состоит из диодно-мостового выпрямителя, к выходным выводам которого подключен транзистор в проводящем направлении, и, кроме того, благодаря тому, что входные цепи обратных связей по токам и напряжениям схемы управления содержат вспомогательную дроссельную обмотку выполненную с тем же общим магнитопроводом.This result is ensured due to the fact that the AC converter, containing two capacitors, the first and second inductor windings is an electronic switch and a control circuit with an output channel of pulse modulation connected to the control terminal of the electronic switch, and with input feedback circuits for current and voltage, the windings are made with a common magnetic circuit, are connected according to, and the conclusions of the first winding through the corresponding capacitors are connected to the same conclusions of the second winding, with holds the third choke winding made with the same common magnetic circuit and connected to the output terminals of the converter, the electronic key is bi-directional and is connected between the first bipolar leads of the first and second throttle windings, the second bipolar leads of which are connected to the input terminals of the converter, and also due to the fact that the electronic key consists of a diode-bridge rectifier, to the output terminals of which a transistor is connected in the conducting direction, and, in addition, due to the fact that the input These feedback circuits for currents and voltages of the control circuit contain an auxiliary choke winding made with the same common magnetic circuit.

Дополнительным техническим результатом предложения является обеспечение согласования напряжений питающей сети и нагрузки в широком диапазоне используемых для нагрузок напряжений (например, для газоразрядных и светодиодных светильников, сварочных аппаратов и т.п.).An additional technical result of the proposal is to ensure coordination of the supply voltage and load in a wide range of voltages used for loads (for example, for gas-discharge and LED lamps, welding machines, etc.).

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 предлагаемого преобразователя переменного тока.In FIG. the schematic diagram of the power part of the proposed AC converter.

Предлагаемый преобразователь переменного тока содержит два конденсатора 1, 2, первую и вторую дроссельные обмотки 3, 4, электронный ключ 5, схему управления 6, третью дроссельную обмотку 7, выходные выводы 8, 9 и входные выводы 10, 11 преобразователя, и вспомогательную дроссельную обмотку 12.The proposed AC converter contains two capacitors 1, 2, the first and second choke windings 3, 4, an electronic switch 5, a control circuit 6, a third choke winding 7, output pins 8, 9 and input pins 10, 11 of the converter, and an auxiliary choke winding 12.

Все дроссельные обмотки выполнены с общим магнитопроводом, причем, первая 3 и вторая 4 из них включены согласно. Схема управления 6 выполнена с выходным каналом импульсной модуляции, подключенным к управляющему выводу электронного ключа, и с входными цепями обратных связей по токам и напряжениям, подключенным к вспомогательной дроссельной обмотке 12. Выводы первой дроссельной обмотки 3 (начало и конец) через соответствующие конденсаторы 1, 2 соединены с одноименными выводами второй дроссельной обмотки 4. Электронный ключ 5 выполнен двунаправленным и включен между первыми разнополярными (разноименными) выводами первой 3 и второй 4 дроссельных обмоток, вторые разнополярные (разноименные) выводы которых соединены с входными выводами 10, 11 преобразователя. Выводы третьей дроссельной обмотки 7 подключены к выходным выводам 8, 9 преобразователя.All choke windings are made with a common magnetic circuit, and the first 3 and second 4 of them are included according to. The control circuit 6 is made with an output channel of pulse modulation connected to the control terminal of the electronic key, and with input feedback circuits for currents and voltages connected to the auxiliary choke coil 12. The terminals of the first choke coil 3 (beginning and end) through the corresponding capacitors 1, 2 are connected to the same terminals of the second throttle winding 4. The electronic switch 5 is bi-directional and is connected between the first opposite-polarity (opposite) terminals of the first 3 and second 4 throttle windings the second opposite-polarity (opposite) terminals of which are connected to the input terminals 10, 11 of the converter. The findings of the third throttle winding 7 are connected to the output terminals 8, 9 of the Converter.

Электронный ключ 5 состоит из диодно-мостового выпрямителя, к выходным выводам которого подключен транзистор в проводящем направлении, а также может представлять собой запираемый симистор или пару из двух параллельно-встречно включенных транзисторов.The electronic key 5 consists of a diode-bridge rectifier, to the output terminals of which a transistor is connected in the conducting direction, and can also be a lockable triac or a pair of two parallel-on-board transistors.

Предлагаемый преобразователь переменного тока работает следующим образом.The proposed AC Converter operates as follows.

Входные выводы 10, 11 преобразователя подключают к питающей сети переменного тока, а выходные 8, 9 - к нагрузке, например, к газоразрядной лампе, к двум встречно-параллельно включенным светодиодным столбам, к сварочному межэлектродному промежутку (с заземлением одного вывода) или другим нагрузкам, требующим питание от источника регулируемого тока.The input terminals 10, 11 of the converter are connected to the AC mains, and the output 8, 9 to the load, for example, to a gas discharge lamp, to two counter-parallel connected LED poles, to the welding interelectrode gap (with grounding of one terminal) or other loads requiring power from a regulated current source.

Рассмотрим работу преобразователя во временном интервале полупериода питающего сетевого напряжения, при котором на входном выводе 10 имеется положительный потенциал относительно входного вывода 11. При этом электронный ключ 5 высокочастотно-импульсно модулируется по сигналу схемы управления 6, например, по закону широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или по релейному двухпороговому закону.Consider the operation of the Converter in the time interval of the half-cycle the mains supply voltage at which the input terminal 10 has a positive potential relative to the input terminal 11. In this case, the electronic switch 5 is pulse-frequency modulated by the signal of the control circuit 6, for example, according to the law of pulse-width modulation (PWM) or according to a two-threshold relay law.

При очередном включении электронного ключа 5 за время Δt одновременно происходит питание нагрузки (например, по цепи от 8 к 9) от ЭДС, трансформируемой в третьей дроссельной обмотке 7, и нарастание суммарного потокосцепления Ψ всех дроссельных обмоток на некоторую величину ΔΨ₁ за счет питания от сети по цепи 10-3-5-4-11. При этом конденсаторы 1, 2 заряжаются по цепям 10-3-1-11 и 10-2-4-11 до напряжений, близких к половине сетевого напряжения (к данному моменту времени), причем с полярностями, показанными на фиг.The next time the electronic switch 5 is turned on for the time Δt, the load is simultaneously fed (for example, through a circuit from 8 to 9) from the EMF transformed in the third throttle winding 7, and the total flux linkage Ψ of all throttle windings increases by a certain value ΔΨ ₁ due to the power supply from network circuit 10-3-5-4-11. In this case, the capacitors 1, 2 are charged through the circuits 10-3-1-11 and 10-2-4-11 to voltages close to half of the mains voltage (at this point in time), with the polarities shown in FIG.

В момент Δt электронный ключ 5 запирается. При этом суммарное потокосцепление Ψ дроссельных обмоток не может скачкообразно снизиться (согласно закону коммутации). Это приведет к тому, что одновременно с протеканием спадающего по величине тока нагрузки (по цепи от 9 к 8), определяемого ЭДС индукции обмотки 7, будут одновременно дозаряжаться конденсаторы 1, 2 (по тем же цепям), сохраняя непрерывность сетевого тока и обеспечивая тем самым снижение уровней его высших гармоник. При этом основная часть электромагнитной энергии, накопленной в дроссельных обмотках за время Δt будет передаваться в нагрузку, трансформируясь в цепь 7-9-8. За время ΔТ-Δt, где ΔТ - период ШИМ, суммарное потокосцепление дроссельных обмоток снизится до своего очередного минимума, сохраняя свою непрерывность.At time Δt, the electronic key 5 is locked. In this case, the total flux linkage Ψ of the throttle windings cannot decrease stepwise (according to the switching law). This will lead to the fact that simultaneously with the flow of a decreasing load current (along the circuit from 9 to 8) determined by the EMF of the induction of the winding 7, the capacitors 1, 2 (along the same circuits) will be recharged at the same time, preserving the continuity of the mains current and ensuring thereby reducing its higher harmonics. In this case, the main part of the electromagnetic energy accumulated in the choke windings during the time Δt will be transferred to the load, transforming into a circuit 7-9-8. During the time ΔТ-Δt, where ΔТ is the PWM period, the total flux linkage of the inductor windings will decrease to its next minimum, while maintaining its continuity.

В момент ΔТ вновь включается электронный ключ 5, после чего одновременно с очередным нарастанием суммарного потокосцепления дроссельных обмоток происходит передача части энергии конденсаторов 1, 2, накопленной ими на предыдущем интервале (Δt), в электромагнитную энергию дроссельных обмоток 3, 4 по цепям 1-5-4 и 2-3-5, а также в нагрузку, трансформируясь в цепь 7-8-9.At the time ΔТ, the electronic switch 5 is turned on again, after which, simultaneously with the next increase in the total flux linkage of the inductor windings, part of the energy of the capacitors 1, 2 accumulated by them in the previous interval (Δt) is transferred to the electromagnetic energy of the inductor windings 3, 4 through circuits 1-5 -4 and 2-3-5, as well as into the load, transforming into a chain of 7-8-9.

Далее указанные процессы периодически повторяются в пределах данного полупериода сетевого напряжения. При этом с помощью цепей обратных связей по входному току и входному напряжению, реализуемых также сигналами на выводах вспомогательной дроссельной обмотки 12 с помощью канала импульсной модуляции схемы управления 6 производится коррекция коэффициента мощности, потребляемой от сети, путем синусного формирования среднеимпульсного значения входного тока и его синхронизации с напряжением сети.Further, these processes are periodically repeated within a given half-cycle of the mains voltage. In this case, using feedback circuits for the input current and input voltage, also implemented by the signals at the terminals of the auxiliary inductor 12 using the pulse modulation channel of the control circuit 6, the power factor consumed from the network is corrected by sinusoidal generation of the average pulse value of the input current and its synchronization with mains voltage.

На втором полупериоде сетевого напряжения вышеописанные процессы повторяются, но с противоположными направлениями токов в дроссельных обмотках и полярностями напряжений на конденсаторах 1, 2.In the second half-cycle of the mains voltage, the above processes are repeated, but with opposite directions of currents in the choke windings and voltage polarities on the capacitors 1, 2.

Вышеуказанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного или прерывистого суммарного потокосцепления дроссельных обмоток, в зависимости от выбранных их массо-габаритных характеристик (с учетом общего магнитопровода).The above processes can be carried out in continuous or intermittent total flux linkage of the inductor windings, depending on their selected mass-dimensional characteristics (taking into account the general magnetic circuit).

Роль конденсаторов 1, 2 сводится к защите электронного ключа от перенапряжений при его запираниях, а также к обеспечению непрерывности сетевого тока.The role of capacitors 1, 2 is reduced to protecting the electronic key from overvoltage when it is locked, as well as to ensuring the continuity of the mains current.

В отличие от прототипа заявляемая полезная модель имеет гальваническую развязку цепей нагрузки и питающей сети, а также вдвое меньшее число электронных ключей и, соответственно, более простую схему управления, что определяет основной технический результат - повышение надежности и электробезопасности устройства.Unlike the prototype, the claimed utility model has galvanic isolation of the load circuits and the supply network, as well as half the number of electronic keys and, accordingly, a simpler control circuit, which determines the main technical result - increased reliability and electrical safety of the device.

Кроме того, благодаря наличию третьей дроссельной обмотки, достигается дополнительный технический результат - обеспечение согласования напряжений питающей сети и нагрузки в широком диапазоне используемых для нагрузок напряжений (например, для газоразрядных и светодиодных светильников, сварочных аппаратов и т.п.).In addition, due to the presence of a third inductor winding, an additional technical result is achieved - ensuring coordination of the supply voltage and the load in a wide range of voltages used for loads (for example, for gas discharge and LED lamps, welding machines, etc.).

Claims

1. An AC converter comprising two capacitors, a first and second choke windings, an electronic switch and a control circuit with an output pulse modulation channel connected to the control terminal of the electronic switch and with input current and voltage feedback circuits, wherein the choke windings are made with a common magnetic circuit are included according to, and the conclusions of the first winding through the corresponding capacitors are connected to the same conclusions of the second winding, characterized in that it contains a third throttle winding a circuit made with the same common magnetic circuit and connected to the output terminals of the converter, the electronic key is bi-directional and is connected between the first bipolar leads of the first and second inductor windings, the second bipolar leads of which are connected to the input terminals of the converter.

2. The AC Converter according to claim 1, characterized in that the electronic switch consists of a diode-bridge rectifier, to the output terminals of which a transistor is connected in the conducting direction.

3. The AC converter according to claim 1, characterized in that the input feedback circuits for current and voltage of the control circuit comprise an auxiliary choke coil made with the same common magnetic circuit.