RU2849575C2 - Корректор коэффициента мощности - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - повышение коэффициента мощности и полезного действия источников питания с корректором коэффициента мощности, а также улучшение коэффициент формы, снижение коэффициента гармоник потребляемого от сети тока и кратности их тока запуска. Указанный технический результат достигается тем, что в корректоре коэффициента мощности, содержащем подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого (1), второго (2) и третьего (3) диодов, анод первого диода 1 соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод третьего диода 3 соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого 1 и второго 2 диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор (4), а общая точка соединения второго 2 и третьего 3 диодов подключена к первому выводу второго конденсатора (5), последовательная цепь зашунтирована согласно второй последовательной цепью из четвертого (6), пятого (7) и шестого (8) диодов, второй вывод второго конденсатора 5 соединен с общей точкой соединения четвертого 6 и пятого 7 диодов, а общая точка соединения пятого 7 и шестого 8 диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через третий конденсатор (9). 1 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании новых энергоэффективных источников питания для газоразрядных и светодиодных ламп, а также других типов устройств электроснабжения различных потребителей с емкостными фильтрами и нагрузками емкостного характера от сети переменного тока. Изобретение направлено на увеличение коэффициентов мощности и полезного действия источников питания, а также на улучшение коэффициента формы, снижение коэффициента гармоник потребляемого от сети тока и кратности их тока запуска.

Известен корректор коэффициента мощности, содержащий подключенные к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства конденсатор и шунтирующий его резистор (П. 162915 РФ, МКИ H01L 33/00. Интегрированный источник оптического излучения / Силкин Е.М. - Заявл. 12.08.2015, опубл. 27.06.2016, бюл. №18).

Такое соединение элементов используется для фильтрации напряжения, например, на выходе однофазного выпрямителя в разнообразных конструкциях современных систем электроснабжения сравнительно небольшой мощности и представляет собой для сети нелинейную емкостную нагрузку.

Недостатками известного корректора коэффициента мощности является малая обеспечиваемая эффективность и низкий коэффициент полезного действия, который в применяемых конструкциях может достигать величины не более 50-70%. Устройство, как правило, характеризуется крайне высокими достигаемыми значениями коэффициента гармоник потребляемого от сети тока и кратности тока запуска. Фактически для такого корректора имеет место отрицательный (обратный) эффект - снижения коэффициента мощности до величины 0,5…0,6, а кратность пускового тока без применения дополнительных элементов ограничивается только внутренними сопротивлениями цепей выпрямителя и импедансом конденсатора. Однако рассмотренное техническое решение, тем не менее, как уже отмечено выше, широко применяется для обеспечения сглаживания пульсаций напряжения в звене постоянного тока источников питания малой и, реже, средней мощности. Уменьшение переменной составляющей выпрямленного напряжения (снижение коэффициента пульсаций) за счет увеличения емкости конденсатора приводит к дальнейшему снижению коэффициента мощности, возрастанию коэффициента гармоник и броска (кратности) пускового тока, а также к росту эффективного (действующего) входного тока источника питания в рабочих режимах. Все это существенно увеличивает общие потери в устройстве и ведет к дальнейшему снижению коэффициента полезного действия.

Известен корректор коэффициента мощности, содержащий подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из конденсатора и динистора, присоединенного своим катодом к выводу положительного потенциала и зашунтированного встречно диодом (П. 185192 РФ, МКИ Н02М 7/06. Корректор коэффициента мощности / Солдаткин B.C., Иванов А.Н., Олисовец А.Ю., Туев В.И., Хабаров М.В. - Заявл. 06.07.2018, опубл. 26.11.2018, бюл. №33).

Недостатком известного корректора коэффициента мощности является сравнительно малая достигаемая эффективность и низкий коэффициент полезного действия устройств на его основе, который может составлять величину не более 65%. Коэффициент мощности, обеспечиваемый устройством, не превышает 0,7, кратность пускового тока не может быть ниже, чем при использовании фильтровых конденсаторов, а коэффициент гармоник составляет не менее 135%. Устройство характеризуется широким разбросом достигаемых параметров и неповторяемостью режимов работы, а также низкой надежностью самого процесса коррекции из-за особенностей типовых характеристик динистора и, в определенной мере, схемотехнической сложностью.

Известен корректор коэффициента мощности, содержащий подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого, второго диодов, дросселя, третьего и четвертого диодов, анод первого диода соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод четвертого диода соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого и второго диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор, а общая точка соединения третьего и четвертого диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через второй конденсатор (П. 158331 РФ, МКИ H01L 33/00. Источник оптического излучения / Силкин Е.М. - Заявл. 21.05.2015, опубл. 27.12.2015, бюл. №36).

Недостатком известного корректора коэффициента мощности является сравнительно невысокая достигаемая эффективность (0,89... 0,91) и малый коэффициент полезного действия устройств на его основе, который может составлять величину не более 75% из-за существенных потерь в дросселе и диодах. Коэффициент гармоник потребляемого от сети тока систем на его основе, как правило, не превышает 30%. Устройства электроснабжения характеризуются и довольно низкой надежностью работы из-за загрузки нулевого провода сети кратными гармониками тока. При этом кратность тока запуска устройств с известным корректором коэффициента мощности существенно снижена по сравнению с системами, использующими фильтровые конденсаторы, однако остается еще недостаточно низкой.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является корректор коэффициента мощности, содержащий подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого, второго и третьего диодов, анод первого диода соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод третьего диода соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого и второго диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор, а общая точка соединения второго и третьего диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через второй конденсатор (П. 160311 РФ, МКИ H01L 33/00. Интегрированный источник оптического излучения / Силкин Е.М. - Заявл. 25.06.2015, опубл. 10.03.2016, бюл. №7).

Известный корректор коэффициента мощности выбран в качестве прототипа изобретения.

Данное техническое решение обеспечивает эффективность до 0,88... 0,90, снижение коэффициента гармоник до 30…37%, уменьшение кратности тока запуска в четыре раза (по сравнению с устройствами, использующими емкостную фильтрацию). Напряжение на конденсаторах снижено в два раза, что существенно повышает надежность работы соответствующих устройств.

Недостатком прототипа остается низкий коэффициент полезного действия (около 80%) из-за сравнительно высокого коэффициента гармоник потребляемого от сети тока, ограниченная предельная величина эффективности (>0,9), относительно высокая для ответственных применений кратность пускового тока и довольно значительный уровень рабочего эффективного тока, снижающие надежность работы систем электропитания и электроснабжения.

Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности (среднего коэффициента мощности систем электропитания и электроснабжения), предельного коэффициента полезного действия и надежности устройств, что является целью изобретения. Технический результат заключается в повышении коэффициента мощности и коэффициента полезного действия, снижении коэффициента гармоник потребляемого от сети тока, оптимизация коэффициента формы потребляемого тока устройств, уменьшении кратности пускового тока и снижении эффективного рабочего тока, повышении надежности работы систем электроснабжения и электропитания с заявляемым (пассивным) корректором коэффициента мощности.

Указанная цель и технический результат достигаются тем, что в корректоре коэффициента мощности, содержащем подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого, второго и третьего диодов, анод первого диода соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод третьего диода соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого и второго диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор, а общая точка соединения второго и третьего диодов подключена к первому выводу второго конденсатора, последовательная цепь зашунтирована согласно второй последовательной цепью из четвертого, пятого и шестого диодов, второй вывод второго конденсатора соединен с общей точкой соединения четвертого и пятого диодов, а общая точка соединения пятого и шестого диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через третий конденсатор.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение коэффициента мощности до 0,96…0,97, коэффициента полезного действия устройств с корректором коэффициента мощности до 90…93% за счет изменения принципа функционирования, улучшения технических характеристик корректора коэффициента мощности и возможных вариантов его конструктивного исполнения. Устройства с заявляемым пассивным корректором имеют низкий уровень радиопомех и излучений, обладают сравнительно низким коэффициентом гармоник потребляемого от сети тока (>14%) и улучшенным коэффициентом формы, обеспечивают малые броски (кратность) пускового тока (при включении они практически отсутствуют при учете импедансов конденсаторов). Кратности токов запуска снижаются (при одинаковых, сравнимых параметрах и условиях) минимум в девять раз по сравнению, например, с системами, использующими фильтровые конденсаторы, а также ограничиваются амплитуды входного рабочего тока. Снижен на 50-60% уровень эффективного потребляемого устройством от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в элементах, в частности, в диодах моста при комплектовании выпрямителей. Максимальные значения напряжений на конденсаторах могут быть уменьшены в три раза, что повышает надежность работы.

Повышение коэффициента мощности и коэффициента полезного действия, снижение коэффициента гармоник потребляемого от сети тока, оптимизация коэффициента формы потребляемого тока устройств, уменьшение кратности пускового тока и снижение амплитуд и эффективного рабочего тока, повышение надежности работы систем электроснабжения и электропитания с заявляемым пассивным корректором коэффициента мощности обусловлено новыми принципами устройства и новой конструкцией корректора, новой электрической схемой, реализацией входной цепи, новыми элементами и связями, то есть, отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого корректора коэффициента мощности являются существенными.

На фигуре приведена типовая электрическая схема корректора коэффициента мощности.

Корректор коэффициента мощности содержит подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого (1), второго (2) и третьего (3) диодов, анод первого диода 1 соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод третьего диода 3 соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого 1 и второго 2 диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор (4), а общая точка соединения второго 2 и третьего 3 диодов подключена к первому выводу второго конденсатора (5), последовательная цепь зашунтирована согласно второй последовательной цепью из четвертого (6), пятого (7) и шестого (8) диодов, второй вывод второго конденсатора 5 соединен с общей точкой соединения четвертого 6 и пятого 7 диодов, а общая точка соединения пятого 7 и шестого 8 диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через третий конденсатор (9).

Корректор коэффициента мощности в установившемся режиме работает следующим образом. Предположим корректор и нагрузка подключены к выходу однофазного выпрямительного моста на диодах или тиристорах (транзисторах). Величины емкостей конденсаторов 4, 5, 9 в устройстве могут быть как равными друг другу, так и отличающимися (в различных сочетаниях величин). Предпочтительным при реализации устройства является равенство емкостей конденсаторов 4, 5, 9. В этом случае конденсаторы 4, 5, 9 рассчитываются на одинаковое максимальное напряжение и при работе заряжаются до одинаковых величин напряжений, приблизительно равных одной трети (1/3) от максимального напряжения между входными выводами отрицательного (-) и положительного (+) потенциала. Однофазный мост может быть реализован на дискретных элементах или иметь интегральное исполнение (например, MBS10F или КЦ407). Принцип работы устройства при этом остается неизменным. Однофазный мост выпрямляет (преобразует) переменное питающее (сетевое) напряжение в знакопостоянное с пульсацией на частоте 100 Гц (при сетевом напряжении частотой 50 Гц). То есть, напряжение на выходе однофазного выпрямительного моста представляет собой пульсирующее напряжение с частотой, равной удвоенной частоте питающей сети (на входе выпрямительного моста), и амплитудой, равной амплитуде напряжения питающей сети, уменьшенной на величину падения напряжения на диодах (тиристорах) моста и соединительных шин (обмотке питающего трансформатора при его наличии). Если мгновенное напряжение на входе устройства (корректора и нагрузки) превышает сумму напряжений на конденсаторах 4, 5, 9, они начинают заряжаться. Заряд конденсаторов 4, 5, 9 происходит через диоды 2, 7 (см. фигуру) по цепи: «+» - 4 - 2 - 5 - 7 - 9 - «-». При равенстве емкостей конденсаторов 4, 5, 9 они заряжаются, как отмечено, приблизительно до равных напряжений по величине в одну треть (1/3) от амплитуды напряжения питающей сети. Заряд осуществляется в последовательной цепи конденсаторов 4, 5, 9. Если емкости конденсаторов 4, 5, 9 различны, напряжения на них разделяются обратно пропорционально величинам упомянутых емкостей. Эквивалентная емкость в цепи заряда соответствует емкости последовательного соединения (что предельно в три раза меньше емкости одного конденсатора, если емкости равны). При снижении мгновенного напряжения на входе корректора коэффициента мощности (на выходе моста) до величины в 1/3 от амплитуды напряжения питающей сети (приблизительно, при равенстве емкостей конденсаторов 4, 5, 9) включаются диоды 1 и 8, и конденсаторы 4, 9 начинают разряжаться параллельно на нагрузку, подключаемую между входными выводами отрицательного (-) и положительного (+) потенциала корректора (цепи разряда: «-» - 1 - 4 - «+» и «-» - 9 - 8 - «+»). Емкость в цепи разряда равна сумме емкостей конденсаторов 4 и 9. При дальнейшем снижении напряжения (минимально на величину падения напряжения на одном диоде, при равенстве емкостей конденсаторов 4, 5, 9) включаются диоды 3 и 6 и начинается разряд конденсатора 5 на нагрузку по цепи: «-» - 6 - 5 - 3 - «+». Если корректор выполняется с различными емкостями конденсаторов 4, 5, 9 возможно разделение моментов включения в работу каждого из конденсаторов 4, 5, 9. При этом все три конденсатора 4, 5, 9 на конечном интервале разряда включаются в работу и работают параллельно на нагрузку (при равенстве емкостей конденсаторов эквивалентная емкость в девять раз превышает эквиват лентную емкость при заряде конденсаторов 4, 5, 9, что позволяет, в частности, в девять раз снизить амплитуду броска или кратность тока при включении устройства и существенно улучшить коэффициент формы потребляемого тока).

Так как конденсаторы 4, 5, 9 при работе заряжаются через диоды 2, 7 до напряжения, равного, приблизительно (предельно), до одной трети амплитуды выходного напряжения моста или, что то же самое (приблизительно), до одной трети амплитуды сетевого питающего (переменного) напряжения, а заряд конденсаторов 4, 5, 9 осуществляется по последовательной схеме (цепи) включения при разряде по параллельной схеме, снижаются амплитуды токов заряда и длительность интервалов заряда-разряда, и обеспечивается работа устройства с более высоким коэффициентом мощности. При разряде (через диоды 1, 8 и 3, 6) на нагрузку («-» «+») конденсаторы 4, 5, 9, как отмечено, работают параллельно. Интервалы заряда и разряда разнесены во времени. Это энергетически выгодно. Коэффициент гармоник (искажения) потребляемого устройством от сети тока лежит в пределах 14%. Напряжение на выходных выводах моста не снижается до величины менее 30% амплитудного значения, что обеспечивает нормальную работу всего устройства и нагрузки (подпитку нагрузки током разряда конденсаторов 4, 5, 9).

По сравнению с прототипом существенно повышаются коэффициенты мощности и полезного действия устройств за счет изменения принципа функционирования, улучшения технических характеристик и возможных вариантов конструктивного исполнения. Действительно, заявляемый корректор коэффициента мощности обеспечивает существенно более высокий предельный коэффициент мощности (до 96-97%) и низкий уровень радиопомех и излучений (не превышающий установленные нормы), устройства на его основе обладают сравнительно низким коэффициентом гармоник потребляемого от сети тока (не более 14%), обеспечивает малые броски (кратность) пускового тока (при включении устройства они снижаются до 30% по сравнению с прототипом), а также малую амплитуду входного рабочего тока. Коэффициент гармоник устройства, выбранного за прототип, достигает 30-37%. Высшие гармоники потребляемого тока в прототипе являются источниками дополнительных электрических потерь. В новом источнике снижен на 6-7% уровень эффективного потребляемого от сети тока (при выполнении на заданную мощность) и коммутационные потери в элементах, в частности, в диодах моста. Коэффициент полезного действия систем с заявляемым корректором коэффициента мощности может достигать 90-93% (превышать, достигаемые при применении прототипа, величины до 13%). В результате (с учетом различий в типоисполнениях), предельный коэффициент полезного действия устройств с новым корректором коэффициента мощности увеличивается, ориентировочно, на 10-13%.

Надежность устройств за счет снижения гармоник высокой частоты, снижения электрических потерь, токов и напряжений возрастает. Время наработки на отказ увеличивается более чем в два раза.

Дополнительно может быть расширена область применения нового пассивного корректора коэффициента мощности. Заявляемый корректор коэффициента мощности соответствует современным требованиям к техническим характеристикам подобных устройств.

Номенклатура типоисполнений корректора коэффициента мощности по новой схеме значительно расширяется. Каждое типоисполнение может представлять собой оптимальное по конструкции и достаточно технологичное устройство, что снижает, в частности, конечную цену промышленных изделий на основе заявляемого пассивного корректора коэффициента мощности. Напряжения на конденсаторах устройства снижены, что позволяет расширить номенклатуру применяемых в корректоре компонентов, дополнительно улучшить его энергетические характеристики, снизить цену.

Пассивный корректор коэффициента мощности может быть полностью или частично выполнен в интегральном исполнении.

Claims (1)

1. Корректор коэффициента мощности, содержащий подключенную к входным выводам отрицательного и положительного потенциала устройства последовательную цепь из первого, второго и третьего диодов, анод первого диода соединен с выводом отрицательного потенциала, а катод третьего диода соединен с выводом положительного потенциала, общая точка соединения первого и второго диодов подключена к выводу положительного потенциала через первый конденсатор, а общая точка соединения второго и третьего диодов подключена к первому выводу второго конденсатора, отличающийся тем, что последовательная цепь зашунтирована согласно второй последовательной цепью из четвертого, пятого и шестого диодов, второй вывод второго конденсатора соединен с общей точкой соединения четвертого и пятого диодов, а общая точка соединения пятого и шестого диодов подключена к выводу отрицательного потенциала через третий конденсатор.