способ и система управления безмостовым корректором коэффициента мощности с помощью цифрового сигнального процессора

Формула изобретения

Способ управления однофазным безмостовым корректором коэффициента мощности с помощью цифрового сигнального процессора, включающий в себя алгоритм управления силовыми ключами, который обеспечивает потребление из сети тока, близкого к синусоидальному, отличающийся тем, что двумя силовыми ключами управляют так, что во время интервала положительной полуволны питающего напряжения сети первый силовой ключ поддерживается во включенном состоянии, а на второй силовой ключ поступают импульсы управления, во время интервала отрицательной полуволны питающего напряжения сети второй силовой ключ поддерживается во включенном состоянии, а на первый силовой ключ поступают импульсы управления.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к преобразователям, входящим в состав системы энергообеспечения электронной, электромеханической и осветительной аппаратуры.

Известен однофазный корректор коэффициента мощности (ККМ) выполненный по безмостовой схеме [1]. В отличие от традиционного однофазного ККМ [2] преобразователь, выполненный по безмостовой схеме, обладает сниженными потерями мощности в полупроводниковых элементах вследствие того, что потребляемый от сети ток не протекает через мостовой выпрямитель. Безмостовой ККМ представляет собой вариант двухканального ККМ без выпрямительного диодного моста на входе. Для традиционной схемы ККМ существует множество моделей микросхем аналоговых ШИМ-контроллеров, позволяющих организовать систему управления силовой частью ККМ. Однако для безмостового ККМ, на данный момент, отсутствуют специализированные микросхемы управления данным типом преобразователя. Существуют способы использования микросхем ШИМ-контроллеров традиционных ККМ для управления безмостовым ККМ [2] [3]. Определенными недостатками данных методов являются: большое количество задействованных элементов, повышенные коммутационные потери. Измерение входного переменного напряжения с целью получения формы входного напряжения и его знака связано с применением дифференциального усилителя на базе операционного усилителя, что требует дополнительного вспомогательного источника отрицательного напряжения и цепей смещения. Указанные недостатки усложняют преобразователь, снижают его надежность, повышают стоимость.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение эффективности преобразования электрической энергии и упрощение системы управления, являющееся следствием принятого способа управления и схемотехнических решений, обладающих новизной, являются существенными особенностями заявляемого способа и системы управления.

Технический результат достигается тем, что входное переменное напряжение сети измеряется способом (предложенная реализация способа описана ниже), который дает информацию о форме и полярности входного напряжения (линии фазы относительно линии нейтрали). На основании информации о полярности входного напряжения формируется высокое значение отпирающего сигнала для силового ключа, канал которого в данный момент находится под отрицательным напряжением, а на силовой ключ канала, который находится под положительным напряжением, поступают импульсы управления, обеспечивающие потребление из сети тока, соответствующего форме напряжения. При этом алгоритм ЦСП, обеспечивающего потребление безмостовым ККМ из сети синусоидального тока (основная функция ККМ), остается идентичен описанному алгоритму в [4]. Таким образом снижаются статические потери на проводимость обратного диода силовых ключей ККМ (ток замыкается через замкнутый канал ключа), а также снижаются динамические потери в затворной цепи силового ключа, который находится в открытом состоянии в течение полупериода напряжения сети.

Технический результат реализации алгоритма управления, изложенного выше, достигается тем, что входное переменное напряжение сети измеряется следующим образом: напряжение с линии фазы и линии нейтрали поступает на соответствующие им однополупериодные выпрямители с идентичными резистивными делителями (т.е. образованными идентичными по номиналу и допуску резисторами) и затем ко входам аналого-цифрового преобразователя (АЦП) цифрового сигнального процессора (ЦСП), кроме того, сигналы с датчиков тока (образованные трансформаторами тока, установленными последовательно с силовыми ключами и соответствующими им резистивными шунтами) и напряжение с выходного накопителя ККМ поступают, предварительно пройдя через масштабирующие цепи, на входы АЦП ЦСП, который формирует сигналы управления силовыми транзисторами ККМ.

На Фиг.1 представлена схема заявленной системы управления совместно со схемой безмостового ККМ, на Фиг.2 - временные диаграммы управления безмостовым ККМ.

К однофазной сети 1 (Фиг.1) подключена силовая часть безмостового корректора коэффициента мощности (ККМ), образованная элементами 2-16, и система управления, включающая в себя элементы 17-24. Напряжение с линии фазы и линии нейтрали сети 1 выпрямляется с помощью однополупериодного выпрямителя, образованного диодами 20 и 21 и масштабирующими резистивными делителями напряжения 22 и 23 соответственно. Токи стоков силовых полевых транзисторов (силовых ключей) 10 и 11 измеряются при помощи трансформаторов тока 14 и 15, а также шунтирующих резисторов 17 и 18 соответственно, которые обеспечивают необходимый уровень сигнала для АЦП ЦСП 24. Напряжение с накопителя ККМ 12 поступает на резистивный делитель 19.

Сигналы с резистивных делителей 19, 22, 23, а также сигналы с резистивных шунтов 17 и 18 измеряются с помощью встроенного в ЦСП 24 АЦП. ЦСП 24 формирует последовательность импульсов, которая поступает на драйверы 12 и 13, которые, в свою очередь, управляют силовыми полевыми транзисторами 10 и 11.

Особенностью силовой части безмостового ККМ является то, что потребляемый ток замыкается частично через дополнительные диоды 4 или (в зависимости от знака входного напряжения) 5 и частично через обратные диоды силовых транзисторов 10 или (в зависимости от знака входного напряжения) 11. Для снижения потерь мощности, вызванных протеканием тока через обратные диоды силовых транзисторов 10 или 11 на время протекания этого тока (полпериода напряжения сети 1) ЦСП 24 необходимо формировать отпирающий сигнал для соответствующего силового транзистора. Данная задача решается путем анализа ЦСП 24 сигналов с резистивных делителей 22 и 23 и вычислением текущего знака входного напряжения.

Временные диаграммы управления безмостовым ККМ изображены на фиг.2. На этом рисунке изображены временные диаграммы, поясняющие принцип управления силовыми транзисторами безмостового ККМ в пределах одного периода сети.

График 1 - напряжение сети.

Графики 2, 3 - измеренные значения напряжения сети при помощи однополупериодных выпрямителей. Данные сигналы измеряются АЦП ЦСП, после чего ЦСП анализирует их и принимает решение о текущем знаке напряжения сети.

График 4 - сумма двух измеренных напряжений. Данная сумма формируется ЦСП и необходима для формирования эталонной формы потребляемого тока ККМ.

Графики 5, 6 - последовательность управляющих импульсов силовыми транзисторами ККМ. Особенностью способа является то, что в соответствии с информацией, полученной с помощью измерения сигналов, представленных на графиках 2 и 3, формируется высокое значение отпирающего сигнала для силового транзистора, находящегося под отрицательным напряжением сети.

Литература

1. A. Ferrari de Souza, I. Barbi, «High Power Factor Rectifier with reduced conduction and commutation losses», Intelec, 1999.

2. L. XueChao, W. ZhiHao, «UCC28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction (PFC) Pre-Regulator Design», Application Report SLUA517, Texas Instruments, 2009.

3. U. Moriconi, «A Bridgeless PFC Configuration Based on L4981 PFC Controller», Application Note AN 1606, STMicroelectronics, 2002.

4. В. Мелешин, Д. Овчинников, «Управление транзисторными преобразователями электроэнергии», изд-во «Техносфера», 2011 г.