В статье показана актуальность создания без мостового выпрямителя, произведено обоснование выбора варианта построения выпрямителя, описан принцип его действия и отличительные особенности предлагаемой схемотехнической реализации от существующих вариантов построения.
Ключевые слова: постоянный ток, выпрямитель, полупроводниковые элементы, контур протекания.
С увеличением потребителей постоянного тока возникают сложности, вызванные снижением качеством питающих сетей. Это вызвано том, что существующие выпрямители служат генераторами высокочастотных гармоник. Для минимизации выше озвученной проблемы необходима разработка устройства обеспечивающего выпрямление с минимизацией влияния негативных параметров используемого тока и общей нейтралью для потребителей средней бытовой мощности, подключенных к питающей сети.
Основным недостатком современных схем является большое количество полупроводниковых элементов. Это вызвано мостовой структурой источника. Поэтому при решении данной проблемы необходимо применение схемотехнического решения с использованием безмостовых устройств, формирующих синусоидальный активный ток потребления, на базе двух инвертирующих преобразователей. Такие схемы в электротехнике получили название безмостовых [1].
На рисунке 1 представлена схема безмостового выпрямителя. Ее принцип работы состоит в создании формы от сетевого источника переменного тока с использованием накопительных дросселей и ключей с усиленными затворами. В первый или положительный полупериод при транзисторы VT 1 и VT 3 находятся в открытом состоянии и происходит зарядка дросселя L 1. Контур заряда выделен красным цветом на рисунке 1.
В схеме, линии которой отмечены пунктиром, ток в в положительный полупериод не протекает. Зарядный ток дросселя L 1 обозначен буквой I зар L 1 и формируется в контуре сети, причем VT 1 — L 1 — VT 3 — нейтраль сети. Относительно сформированных условий заряда плюсовой потенциал дросселя L 1 формируется в начале обмотке (на схеме начало обозначено точкой), минус, соответственно, в конце обмотки. При условии, полной зарядки конденсатора С 1 начинает протекать разрядный ток величины I раз C 1 через полное сопротивление внешний нагрузки Z 1. Ток дросселя при этом нарастает по экспоненциальному закону.
Рис. 1
В этот же полупериод транзисторы VT 1 и VT 3 и происходит разряд дросселя L 1. Схема разряда обведена синим цветом на рисунке 2. При этом возникает спад тока дросселя по классическому экспоненциальному закону. И сохраняется пропорцию между зарядом и разрядом, тем самым формируется выпрямленный ток требуемой формы.
Рис. 2. Контур протекания разрядного тока дросселя L 1 в положительный полупериод питающей сети
Ток разряда дросселя L 1 обозначен буквой I зар L 1 и равен суммарному току через конденсатора C 1 I зар C 1 и нагрузку I н .
В отрицательный полупериод сетевого напряжения при открытом ключе VT 2 заряжается дроссель L 2, как показано на рисунке 3.
Рис. 3. Контур протекания зарядного тока дросселя L 2 в отрицательный полупериод питающей сети
Зарядный ток дросселя L 2 обозначен буквой I зар L 2 и протекает по контуру: нейтраль сети — L 1 — VT 2 — фаза сети. Условный плюс заряженного дросселя L 2 находится у начала обмотки, минус у конца обмотки. При условии, что конденсатор С 1 был заряжен, будет протекать его разрядный ток с величиной I раз C 1 через сопротивление нагрузки Z 1.
В отрицательный полупериод сетевого напряжения при закрытом ключе VT 2 разряжается дроссель L 2, как показано на рисунке 4.
Рис. 4. Контур протекания разрядного дросселя L 2 в отрицательный полупериод питающей сети
Разрядный ток дросселя L 2 обозначен буквой I зар L 2 и равен сумме зарядного тока конденсатора C 1 I зар C 1 и тока нагрузки I н .
В отрицательный и положительный полупериоды схема работает по типу инвертирующего преобразователя. Устройство позволяет в теории получить на выходе любое напряжение от нуля до бесконечности, при этом потребляя активный синусоидальный ток из питающей сети. Возможно управление одним импульсом управлять всеми тремя транзисторными ключами, что упрощает СУ.
Безмостовое устройство, формирующие синусоидальный активный ток потребления, на базе двух инвертирующих преобразователей отличается от существующих решений наличием общей нейтрали питающей сети и нагрузки, необходимой в ряде нагрузок по правилам электробезопасности. Разница заключается в том, что в устройстве на базе двух инвертирующей преобразователей не используются резонансные цепи. Также в существующих схемах ток в различные полупериоды протекает по контурам с разным количеством реактивных элементов [2].
В положительный полупериод в безмостовом устройстве, формирующем синусоидальный активный ток потребления, дроссель L 1 заряжается от сети через двунаправленный ключ, при этом разряд индуктивности происходит через три реактивных элемента ( L 1, C 1, L 2) помимо конденсатора фильтра C 2.
В отрицательный полупериод питающей сети ток заряда конденсатора
С 1 протекает через три реактивных элемента ( L 1, C 1, L 2), а ток разряда через два ( С 1 и L 2) помимо конденсатора фильтра C 2. Поскольку контура протекания зарядных и разрядных токов в положительный и отрицательный полупериоды отличаются, отличаются и алгоритмы работы ключевых элементов, что в свою очередь усложняет систему управления преобразователя.
Устройство на базе двух инвертирующих преобразователей имеет большее число активных элементов по сравнению со аналогичными схемами, однако данный недостаток не влияет на увеличение статических и динамических потерь, поскольку одновременно ток протекает максимум через два полупроводниковых элемента [3].
В устройстве на базе двух инвертирующих усилителей в среднем используется в контуре протекания тока находится на один полупроводниковый элемент меньше, что приводит к уменьшению статических и динамических потерь. Если принять, что в однофазном безмостовом корректоре коэффициента мощности используются в каждый момент времени 3 полупроводниковых элемента, а в устройстве на базе двух инвертирующих усилителей 2, то получается, что потери в полупроводниках будут уменьшены на 30 %.
Рассмотрев возможные схемотехнические решения безмостового выпрямителя, была выбрана схема на базе двух инвертирующих преобразователей из условия простоты алгоритма работы схема. Описав принцип работы схемы, было выдвинуто допущение для более простого математического описания схемы, а именно использование за основу описание инвертирующего преобразователя.
Литература:
1. Герман-Галкин С. Г. MATLAB&SIMULINK Проектирование мехатронных систем на ПК / С. Г. Герман-Галкин // Учебное пособие — СПб: Корона-Век, 2008. — 368 с.
2. Кук С. Безмостовой преобразователь корректора коэффициента мощности с КПД до 98 % и КМ 0,999 / С. Кук// Электронные компоненты № 8, 2010. — 45–50 с.
3. Кук С. Безмостовой преобразователь корректора коэффициента мощности с КПД до 98 % и КМ 0,999. Часть 2. / С. Кук// Электронные компоненты № 11, 2010. — 46–51 с.
