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

5 Н 02 М 7/04 ТЕНТНО ГОСУДАРСТВЕ ННОЕ ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ЕТЕН 6 ся к оЬл быть ис В настаия переме ее время для пред ого сетевого напр используются пре зные мостовые вып живания пульсаций яжения на выходе тся массивный эле денсатор Я . браэоваяжения в постоянно венно одноф ания пере ущес рямите-- ф яыпрям- выпрями- кгролим и с улуцш и с целью тас енного нап а приемников паратуры и е включаский ко СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК ОПИСАНИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Киевский научно-исследовательский и конструкторский институт периФерийного оборудования.(72) Б,К.)(арский, В,А.Кутафин, А.Я.Коновал, Н,М,Тукало и Л.В.Шапка (56) 1, Руденко В.С. и др. Основы преобразовательной техники. - Высшая школа, 19 о 0, с.70-75.2. Бред Холл. Коррекция коэффициента мощности в импульсных источниках питания, - журнал "Электроника" 19 Б 6, " 22, с.55-59.(54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО СЕТЕВОГО НАПРЯ 1 ЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение может быть использовано в качестве истоцника питания с улуцшенным коэффициентом мощности для различных электроприемников. Сущность изобретения: выпрямленное напряжение сети преобразуют в высокоцастотное, затем преобразовывают его в постоянное напряжение путем сглаживания его через Изобретение относ электротехники и мож зовано для преобраэо ного тока в постоянн коэффициентом мощнос ния различных электр пример электронной а тп. 5 О, 1777215 А 1 фильтр тока (например,лроссель),цто позволяет растянуть зарядныйток фильтровой емкости и снизить егоамплитуду, затем полученное постоянное напряжение через разделительныйэлемент, 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 выпрямитель1, подключенный к питающей сети, высокочастотный преобразователь 2 с выходным трансформатором 3 и фильтро- .вую емкость 6. Выход сетевого выпрямителя 1 подключен непосредственнок входу высокочастотного преобразователя 2 в выходной трансформатор 3которого введена дополнительная обмотка 4, которая через выпрямитель5 и Фильтрующий дроссель 7 (или безнего) подключена к Фильтровому конденсатору 6, который в свою оцередьчерез отсекающий диод 11 подключенк входу высокочастотного преобразователя 2. 1 з,п.ф-лы, 5 ил, 1777215Основным недостатком такого способа преобразования и устройств для,его осуществления является низкийкоэффициент мощности. Снижение коэффициента мощности сетевых однофазныхвыпрямителей является следствием импульсного потребления тока из питающей сети в нагрузку при малом уровнепульсаций выходного напряжения (см,фиг,1 и 2). Кроме того, из-за больших импульсов тока снижается надежность работы разъемов и выключателейа также возрастает уровень электромагнитных помех генерируемых устройством в питающую сеть. Коэффициентмощности большинства источников питания с бестрансформаторным входомнапример в ЭВМ, радиоэлектронной аппаратуре, бытовой электронной аппарату Оре (телевизорах, магнитофонах, радиоприемниках и т.п.), находится науровне 0,6-0,65,Наиболее близким техническим решением к заявляемому является импульсный источник питания с коррекцией коэффициента мощности, описанный в 2. В известном решении осуществляется следующий способ преобразования переменного сетевого напря Ожения в постоянное. Напряжение сети,подают на вход мостового выпрямителя (см.фиг.3), С выхода мостово-.го выпрямителя И через зарядный индуктивно-ключевой преобразователь за- Э 5ряжают емкость С. Заряд емкости Сза счет высокой частоты преобразования (чримерно 75 кГц) и закона управления преобразователем осуществляется синусоидальным током, потребляе Омым от сети переменного тока,В дальнейшем постоянное напряжениес заряженной емкости подают на вход,преобразователя частоты, где его преобразуют в высокочастотное, транс-45формируют донужного уровня и передают в нагрузку.Недостатками известного решенияявляется то, что в.схему источникавводится дополнительно зарядный преобразователь, цто усложняет устройство, удорожает его и снижает КПД,Кроме того, при таком способе емкость можно зарядить только до напряжения выше, цем сетевое (напримерна 151), и нельзя согласовать напряжение сети с выпрямленным напряжением нагрузки в тех случаях, когда необходимо выпрямленное напряжение на нагрузке ниже напряжения сети, Длятакого согласования требуется доголнительно высокочастотный преобразовательЭто снижает эффективность способа преобразования переменного сетевого напряжения в пос гоянное, э также усложняет устройство, осуществляющее данный способ, снижает его КПДи счижает функциональные возможности,Целью изобретения является повышение КПД.Поставленная цель достигается тем, цто: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 путемсглаживания его через фильтр тока ивновь преобразуют его в высокочастотное;2) вышеуказанный способ можетбыть реализован в устройстве для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, содержащем сечтевои 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 непосредственнос 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 высокоцас= 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 пре40 5 177721образования выход сетевого выпрямителя подключен непосредственно квходу высокочастотного преобразователя, в.выходной трансформатор котороговведена дополнительная обмотка,. которая через выпрямитель и Фильтровый дроссель (или без него) подключена к Фильтровому конденсатору, который в свою очередь через отсекаю Ощий диод подключен к входу высокочастотного преобразователя.На фиг.1 приведены эпюры выпрямленного напряжения Оц на Фильтровом конденсаторе С т и тока сети 1снятых осциллографированием на реальном преобразователе (см.фиг.2), безулучшения коэффициента мощности;на Фиг.2 приведена типовая структурная схема источника вторичного элект.-.ропитания с бестрансформаторнымвходом, где Ч - сетевой выпрямитель,С - Фильтрующий конденсатор; нафиг.3 приведена структурная схемапрототипа, где Ч - сетевой выпрямитель, С р - Фильтруюший конденсатор;на Фиг.4 приведена электрическая схема заявляемого устройства, где 1сетевой выпрямитель; 2 - высокочастотный преобразователь, 3 - выходной трансформатор 4 - дополнительные полуобмотки; 5 - полумостовойвыпрямитель; 6 - Фильтровый конденсатор Ст, 7 - фильтрующий дроссель",8 - нагрузочный выпрямитель, 9 -35фильтрующие конденсаторы нагрузкидля устранения высокочастотныхпульсаций, 10 - нагрузочные обмоткивысбкочастотнсго преобразователя,11 " отсекающий диод,На фиг.5 приведены эпюры:а) напряжения на входе высоко"частотного преобразователя;б) тока сети;в) напряжения на нагрузке преобразователя,Сущность предлагаемого способапреобразования переменного сетевогонапряжения в постоянное заключаетсяв следующем. 5 СИзвестно, что в традиционном пре -образователе переменного напряженияв выпрямленное постоянное однофаз-; ный выпрямитель нагружен на массивную емкость, величина пульсаций постоянного напряжения определяется ве"личиной фильтрующей емкости и нагрузки,Чем больше фильтрующая емкостьтем меньше величина пульсаций, Одна" бко, с другой стороны, чем меньше ве- -личина пульсаций (см.фиг. и 2), темуже импульса тока, потребляемый изсети, и больше его амплитуда. Такойрежим потребления тока из питающейсети ведет к существенному снижениюкоэффициента мощности. С точки зренияповышения 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 ем"костью на выходе составляет величину 0,62-0,67. Кроме того, узкие и большой амплитуды импульсы тока, потребляемые из сетиотрицательно влияютна 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, потребляемым 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 схе" му и несколько снижает его КПД за счет включения дополнительного последовательного звена.В заявляемом решении удается совместить функции заряда фильтрующего конденсатора и согласования выходно" го 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 фильт 7 .17772158рующий 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.С 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 преоЬ" разовывают 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 входу 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 очередь 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 раЬотает следующимобразомПри включении напряжения питающейсети на выходе сетевого выпрямителя 1 появляется выпрямленное напряжение, которое изменяется по полуволнам синусоиды, которое в преобразователе 2 преобразует в высокочас-.10 тотное (например 25 кГц). Полученноевысокочастотное напряжение через дополнительную обмотку 4 трансформатора3, выпрямитель 5 и фильтрующий дроссель 7 подается на заряд Фильтрового 15 конденсатора 6, напряжение с которого подается через отсекающий диод 11на вход преобразователя 2. С другойстороны, через выходные обмотки 10,выходные выпрямители 8 напряжение20 прикладываются к загрузке и высокочастотным фильтровым емкостям .9,После выхода преобразователя наустановившийся режим (см.фиг.5),когда напряжение сети Бв.о ниже, 25 чем напряжение Ус,р на конденсаторе6, энергия в нагрузку поступает отконденсатора 6. В точке, где напряжение Б э г становится выше, чемнапряжение ц , . Энергия в нагрузку 30 поступает от питающей сети и одновре.менно идет заряд конденсатора 6, Поскольку в заявляемом решении фильтрующая емкость отдает в нагрузку энергию значительно меньше время, чем всхемах Фиг.2 и 3, то и величинафильтрующей емкости будет иметь пропорционально меньшее значение. Поскольку заряд фильтрового кбнденсатора6 производится высокочастотным напряжением, через дроссель 7, то формазарядного тока сети (см.фиг.5 б) имеет форму, приближенную к синусоидальной. При этом коэффициент мощности,устройства имеет значение в прелелах 5 0,9-0,95. Пульсации в выходном напряжении (см,фиг,5 в) убираются с помощью обратной связи преобразователя и фильтрующих емкостей 9.Предлагаемый способ обладает выс 50 шей эффективностью по сравнению спрототипом за счет двойного использования высокочастотного преобразования напряжения, что позволяет повысить КПД преобразования.ПРедлагаемое решение позволяет на30-403 снизить массогабаритные ха-рактеристики и стоимость преобразователя по сравнению с прототипом засчет исключения из схемы специально 1777215го 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 изобретения1. Способ преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное, заключающийся в том, что выпрямляют напряжение питающей сети и осу ществляют фильтрацию высших гармоник, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД, выпрямленное напряжение сети дополнительно преобразуют. в высокочастотное, полу О ченное 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.ектор Н.Ревская За роизводственно"издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101 М 26 Тираж И Государственного комитета и 113035, Иосква, ЖПодписное эобретениам и открмтиям при ГКНТ СССР Раушская наб., д. 4/5