ИСТОЧНИК АСИММЕТРИЧНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к области преобразовательной техники, более конкретно к источникам, содержащим трансформаторный формирователь асимметричного тока или напряжения (ТФАТ или ТФАН). Такие источники могут быть использованы, например, в электрохимических технологиях, где требуется регулирование соотношения величин положительной и отрицательной (большой и малой) полуволн тока или напряжения; при зарядке аккумуляторных батарей; а также в технологиях, связанных с электрообработкой растворов; гальваникой и др.
Известна схема для получения асимметричного тока, состоящая из источника переменного напряжения, двух встречно включенных диодов и регулируемого резистора (балластного резистора) в цепи одного из диодов. К входу источника переменного напряжения подключен анод первого диода и катод второго диода, анод которого через регулируемый резистор соединен с катодом первого диода и с нагрузкой. В качестве регулируемого резистора может быть использован, например, реостат. Изменяя величину сопротивления резистора, путем изменения соотношения амплитуд положительной и отрицательной (большой и малой) полуволн в пределах 1:7-1:11, регулируют величину асимметрии тока. [1. Патент РФ №2022000, опубликован 1994.10.30, Бюллетень №20, МПК5 С11В 3/00, фиг 2]. Такая схема позволяет получить требуемый коэффициент асимметрии - Kas, равный отношению напряжения (тока) большей полуволны к напряжению (току) малой полуволны, или величину, обратную - коэффициент симметрии Ks (Ks=1/Kas).
Достоинством известной схемы является ее простота и высокая надежность. Недостатком - низкое значение КПД за счет потерь на
регулирующем резисторе, поэтому применение такого формирователя асимметричного тока или напряжения нецелесообразно при мощности в нагрузке более 1кВт. Недостатком данной схемы также можно назвать отсутствие возможности регулирования прямой полуволны тока или напряжения. Кроме того, к недостаткам можно также отнести механическое регулирование сопротивления балластного резистора, выполненного в виде реостата, что в свою очередь отрицательно влияет на плавность и быстродействие регулирования коэффициента асимметрии.
Известен источник, содержащий трансформаторный формирователь асимметричного напряжения, [2. К.В.Маканков, Ю.С.Новокшенов, В.Д.Семенов. Обзор трансформаторных формирователей асимметричного синусоидального напряжения. Научная сессия ТУСУР-2007. Тематический выпуск «Системная интеграция и безопасность». Томск: Изд-во «В-Спектр», 2007. Ч.4, с.66-69, рис 5.]. Схема такого источника асимметричного синусоидального напряжения состоит из трансформатора, имеющего одну первичную обмотку, на которую подается входное синусоидальное напряжение, и две вторичные обмотки с разными числами витков. Средние точки вторичных обмоток соединены между собой и соответственно с первыми выводами первой и второй нагрузки. При этом концы и начала первой и второй вторичных обмоток трансформатора соединены между собой соответственно цепочками, состоящими из последовательно соединенных первого, третьего диодов и первого транзистора; и - второго, четвертого диодов и второго транзистора. При этом конец первой вторичной обмотки соединен с катодом первого диода, а анод третьего диода соединен с эмиттером первого транзистора, коллектор которого соединен с концом второй вторичной обмотки. При этом начало первой вторичной обмотки соединено с катодом второго диода, а анод четвертого диода соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с началом второй вторичной обмотки. При этом другие выводы первой и второй нагрузки соединены соответственно с анодом первого и катодом третьего
диодов и соответственно с анодом второго и катодом четвертого диодов. Первый и второй транзисторы трансформаторного формирователя управляются с помощью сигналов от системы управления (на рис.5 [2] не показанной) и работают в режиме ключа.
Достоинством известной схемы является быстрота и плавность регулирования коэффициента асимметрии, симметричное двухполупериодное потребление тока, что исключает подмагничивание трансформатора и улучшает за счет этого его массогабаритные показатели.
К недостаткам данной схемы можно отнести вносимые искажения в форму тока и напряжения, которые не позволяют однозначно задавать требуемое значение тока или напряжения. Кроме того, недостатком данной схемы, также как и у аналога [1] является невозможность регулирования прямой полуволны напряжения.
Известен также источник, содержащий трансформаторный формирователь асимметричного напряжения и две индуктивности, включенные в цепь нагрузки [3. Патент РФ №69350, опубликован 2007.12.10, Бюллетень №34, МПК(2006) Н02М 9/00, Н02М 9/06, фиг.1], который взят за прототип как наиболее близкий по назначению и технической сути к заявляемой полезной модели. Схема такого источника асимметричного напряжения содержит: шесть диодов, два дросселя, четыре транзистора и трансформатор, имеющий одну первичную обмотку, на которую подается входное синусоидальное напряжение, и две вторичные обмотки с разными числами витков. Две вторичные обмотки трансформатора имеют средние точки, которые соединены между собой, с первыми выводами первой и второй нагрузок соответственно и с коллекторами третьего и четвертого транзисторов. Конец первой вторичной обмотки соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с первым выводом первого дросселя и со вторым выводом первой нагрузки. Второй вывод первого дросселя соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с эмиттером первого транзистора, коллектор которого соединен с концом
второй вторичной обмотки. Второй вывод первого дросселя также соединен с катодом пятого диода, анод которого соединен с эмиттером третьего транзистора. Начало первой вторичной обмотки соединено катодом второго диода, анод которого соединен с первым выводом второго дросселя и со вторым выводом второй нагрузки. Второй вывод второго дросселя соединен с катодом четвертого диода, анод которого соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с началом второй вторичной обмотки. Второй вывод второго дросселя также соединен с катодом шестого диода, анод которого соединен с эмиттером четвертого транзистора.
упр
вx
Первый, второй, третий и четвертый транзисторы управляются с помощью сигналов от системы управления СУ [3. фиг.2] и работают в режиме ключа. Система управления источника по прототипу [3. фиг.2] также является сложной, имеет шесть выводов и содержит: генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор, генератор прямоугольных импульсов ГПИ, два логических инвертора, четыре логических элемента «И». При этом вывод ГПН соединен с инверсным входом компаратора, на прямой вход которого подается управляющее напряжение U. Вывод компаратора соединен с входом первого логического инвертора и первыми входами третьего и четвертого логических элементов «И». Выход первого логического инвертора соединен с первыми входами первого и второго логических элементов «И». Вход ГПИ является синхронизирующим входом системы управления СУ, на который подается входное синусоидальное напряжение U, а выход ГПИ соединен с входом второго логического инвертора, а также со вторыми входами второго и четвертого логических элементов «И». Выход второго логического инвертора соединен со вторыми входами первого и третьего логических элементов «И». Выходы всех логических элементов «И» соединены соответственно с управляющими входами транзисторов.
Данный источник асимметричного тока или напряжения, содержащий трансформаторный формирователь асимметричного напряжения,
обеспечивает симметричное двухполупериодное потребление тока, исключает подмагничивание трансформатора и улучшает за счет этого его массогабаритные показатели. За счет введение двух дополнительных индуктивностей исключается искажение формы выходного напряжения, что позволяет однозначно задавать требуемой значение коэффициента асимметрии (симметрии) в заданных пределах.
Однако данная схема из-за введения дополнительных индуктивностей и контуров протекания тока от индуктивности к нагрузке, является технически сложной (содержит много электрических элементов), имеет сложную схему управления. Также данная схема не позволяет регулировать амплитуду положительной полуволны напряжения, что в свою очередь ограничивает функциональные возможности данной схемы и ее практическое применение.
Задача полезной модели состоит в расширении возможностей регулирования коэффициента асимметрии (симметрии) в соответствии с требованиями электрохимической технологии при одновременном упрощении схемы.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в возможности регулирования амплитуды прямой и обратной полуволн синусоидального тока или напряжения при обеспечении регулирования значения коэффициента асимметрии (симметрии), удовлетворяющего требованиям электрохимической технологии
Для достижения технического результата полезная модель, как и прототип, содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой диоды; трансформатор, первичная обмотка которого является входом, две вторичные обмотки которого имеют средние точки; два транзистора, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами системы управления, дроссель. Соединение первой вторичной обмотка трансформатора с первой и второй нагрузкой образуют последовательный контур.
В отличие от прототипа для достижения заявленного технического результата элементы в заявляемой полезной модели соединены следующим образом. Средняя точка первой вторичной обмотки трансформатора соединена с анодами первого, третьего и пятого диодов. Катод первого диода соединен с концом первой полуобмотки второй вторичной обмотки трансформатора и анодом второго диода, катод которого соединен с катодами четвертого и шестого диодов. Анод четвертого диода соединен со средней точкой второй вторичной обмотки и с катодом третьего диода. Анод шестого диода соединен с эмиттером второго транзистора, коллектор которого соединен с началом второй полуобмотки второй вторичной обмотки и с эмиттером первого транзистора, коллектор которого соединен с катодом пятого диода. Первый вывод дросселя соединен с катодами второго, четвертого и шестого диодов. Второй вывод дросселя соединен с анодами первой и второй нагрузок. Причем катод первой нагрузки соединен с концом первой полуобмотки первой вторичной обмотки, а катод второй нагрузки - с началом второй полуобмотки первой вторичной обмотки.
упр
вх
Кроме того, система управления заявляемого источника также стала проще (уменьшилось количество функциональных блоков и связей). Система управления, содержит генератор пилообразного напряжения ГПН, компаратор, генератор прямоугольных импульсов ГПИ, логический инвертор, два логических элемента «И». При этом вывод ГПН соединен с инверсным выводом компаратора, прямой вход которого является входом системы управления и на него подается управляющие напряжение U. Вход ГПИ является синхронизирующим входом системы управления СУ, на который подается входное синусоидальное напряжение U. Вход логического инвертора соединен с выходом ГПИ и со вторым входом первого логического элемента «И». Выход логического инвертора соединен со вторым входом второго логического элемента «И». Выходы первого и второго логических элементов «И» являются выходами системы управления и соединены соответственно с управляющими входами первого и второго
транзисторов. Выход компаратора соединен с первым входом второго логического элемента «И» и с первым входом первого логического элемента «И».
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели, не известна заявителям из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
Отличительные признаки заявляемой полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. Это достигается наличием новых электрических связей между элементами схемы, благодаря чему контуры протекания прямого и обратного токов через нагрузку объединяются, и регулирование напряжения прямой и обратной полуволн осуществляется за счет периодического включения в образовавшийся контур дополнительной полуобмотки вторичной обмотки трансформатора с помощью работающих в режиме ключа первого и второго транзисторов, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам системы управления.
Это достигается следующим образом.
В результате указанного объединения контуров протекания токов прямой и обратной полуволн возможно осуществлять широтно-импульсное регулирование тока прямой и обратной полуволн в дросселе за счет периодического включения в контур второй полуобмотки второй вторичной обмотки трансформатора, что возможно благодаря изменению относительной длительности включенного состояния транзисторов. Длительность открытого состояния транзисторов VT1 или VT2 зависит от управляющего напряжения Uупр, поэтому, меняя управляющие напряжение, мы можем плавно регулировать ток дросселя, включая в контур протекания тока вторую полуобмотку второй вторичной обмотки трансформатора при протекании тока как положительной (большой) так и отрицательной (малой) полуволн и, следовательно менять амплитуду формируемых полуволн и коэффициент асимметрии (симметрии). При этом, также как в прототипе
форма выходного напряжения является квазисинусоидальной и не меняется при изменении коэффициента асимметрии (симметрии) выходного тока (напряжения). Таким образом, указанные выше изменения схемы позволяют достичь указанного технического результата при одновременном упрощении схемы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема источника асимметричного синусоидального тока или напряжения. На фиг.2 приведен пример выполнения системы управления. На фиг.3 приведены диаграммы токов, напряжений и управляющих сигналов транзисторов, поясняющих работу источника.
Источник асимметричного синусоидального тока (напряжения) фиг.1 содержит шесть диодов VD1-VD6; два транзистора VT1, VT2, управляющие входы которых соединены с соответствующими (первым и вторым) выходами системы управления СУ; дроссель L1 и трансформатор TV1, первичная обмотка TV1.1 которого является входом, на который подается входное синусоидальное напряжение Uвх. Средняя точка первой вторичной обмотки TV1.2 соединена с анодами диодов VD1, VD3, VD5. Катод диода VD1 соединен с концом первой полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3 и с анодом диода VD2. Катод диода VD3 соединен со средней точкой второй вторичной обмотки TV1.3 и с анодом диода VD4. Катод диода VD5 соединен с коллектором транзистора VT1, эмиттер которого соединен с началом второй полу обмотки второй вторичной обмотки TV1.3 и коллектором транзистора VT2, эмиттер которого соединен с анодом диода VD6. Катоды диодов VD2, VD4, VD6, соединены между собой и с первым выводом дросселя L1, второй вывод которого соединен с анодами А1 и А2 первой Rн1 и второй Rн2 нагрузок, катоды К1 и К2 которых соединены соответственно с концом и с началом первой и второй полуобмоток первой вторичной обмотки TV1.2. Система управления СУ имеет первый и второй выводы соединенные соответственно с управляющими входами транзисторов
вх
21
22
23
24
VT1 и VT2, а также третий и четвертый выводы, при этом на третий вывод подается входное синусоидальное напряжение U, а на четвертый вывод - управляющие напряжение Uупр. W, W - обозначены соответственно первая и вторая полуобмотки первой вторичной обмотки TV1.2 трансформатора и соответствующее им число витков; W, W - обозначены соответственно первая и вторая полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3 трансформатора и соответствующее им число витков.
вх
Кроме того, система управления СУ (фиг.2) содержит: генератор пилообразного напряжения ГПН 1, компаратор 2, генератор прямоугольных импульсов ГПИ 3, логический инвертор 4, логические элементы «И» 5, 6. При этом выход ГПН 1 соединен с инверсным входом компаратора 2, прямой вход которого является четвертым выводом (входом) СУ, на который подается управляющие напряжение Uупр. Выход компаратора 2 соединен с первыми входами логических элементов «И» 5, 6. Вход ГПИ 3 является третьим выводом СУ, на который подается входное синусоидальное напряжение U, а выход ГПИ 3 соединен с входом логического инвертора 4 и вторым входом логического элемента «И» 5. Выход логического инвертора 4 соединен со вторым входом логического элемента «И» 6. Выходы логических элементов «И» 5, 6 являются соответственно первым и вторым выводами (выходами) СУ и соединены соответственно с управляющими входами транзисторов VT1, VT2.
вx
упр
ГПН
VT1
VT2
Rн1
Rн2
вх
На фиг.3 представлены диаграммы, поясняющие работу источника асимметричного синусоидального тока или напряжения. На этих диаграммах используются следующие обозначения: U - входное синусоидальное напряжение; U - постоянное управляющее напряжение; U - напряжение ГПН; U - U - импульсы напряжения, подаваемые системой управления на каждый из двух транзисторов соответственно; i - ток формируемый на нагрузке Rн1; i - ток формируемый на нагрузке Rн2; i - входной ток; t -временная ось.
вх
вx
Работа источника рассмотрена на конкретном примере, в котором трансформатор выполнен в виде многообмоточного понижающего трансформатора. Использованы биполярные транзистора n-р-n типа, полупроводниковые диоды и сглаживающий дроссель с заданной индуктивностью, обеспечивающей синусоидальную форму выходного тока (напряжения). Нагрузка является симметричной и представлена в виде двух резисторов Rн1, Rн2. Система управления СУ выполнена, например, по схеме, представленной на фиг.2, где ГПН 1 выполнен по классической схеме генератора линейно-нарастающего напряжения; ГПИ 3 выполнен на компараторе и имеет два выходных состояния (0 - при отрицательном входном напряжении U и 1 - при положительном U). Компаратор 2, инвертор 4 и логические элементы «И» 5, 6 являются стандартными логическими элементами.
Источник асимметричного синусоидального тока или напряжения работает следующим образом:
21
23
Rн1
W21
W23
Входное синусоидальное напряжение Uвх поступает на первичную обмотку TV1.1 трансформатора TV1 и повторяется с учетом соответствующих коэффициентов трансформации Ктр1, Ктр2 на первой TV1.2 и второй TV1.3 вторичных обмотках трансформатора. Причем при положительной полярности входного напряжения Uвх (обозначено без скобок) диоды VD1 и VD4 открываются и по контуру: (средняя точка первой вторичной обмотки ТV1.2 - VD1 - конец первой полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3 - средняя точка вторичной обмотки TV1.3 - VD4 - дроссель L1 - анод А1 первой нагрузки Rн1 - конец второй полуобмотки первой вторичной обмотки TV1.2). К нагрузке Rн1 прикладывается сумма напряжений первой полуобмотки первой вторичной обмотки трансформатора TV1.2 W и напряжение первой полуобмотки W второй вторичной обмотки трансформатора TV1.3 (U=U+U). Тем самым на нагрузке Rн1 формируется положительная (большая) полуволна, причем за положительное значение напряжения на нагрузке принята полярность, при
23
Rн2
W22
W23
которой плюс напряжения приложен к анодам первой Rн1 и второй Rн2 нагрузок. Одновременно напряжение второй полуобмотки первой вторичной обмотки TV1.2 прикладывается в отрицательной полярности к катоду К2 нагрузки Rн2 по контуру: (начало второй полу обмотки первой вторичной обмотки TV1.2 -нагрузка Rн2 - дроссель L1 - открытый диод VD4 - средняя точка второй вторичной обмотки TV1.3 - конец первой полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3 - открытый диод VD1 - средняя точка первой вторичной обмотки TV1.2). Таким образом, на нагрузке Rн2 формируется малая полуволна напряжения. Одновременное протекание по одному и тому же участку контура (VD1 - конец первой полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3 - средняя точка второй вторичной обмотки TV1.3 - VD4) токов положительной (большей) и отрицательной (малой) полуволн приводит к тому, что напряжение на первой нагрузке Rн1 меньше чем обратное напряжение на второй нагрузке Rн2 на величину равную напряжению полуобмотки W первой полуобмотки второй вторичной обмотки TV1.3. (U=U-U) При смене полярности входного напряжения на отрицательную (указано в скобках) токи протекают в противоположных направлениях. Таким образом, коэффициент асимметрии определяется выражением: .
Одновременно с формированием положительной (большей) полуволны на нагрузке Rн1 управляющее напряжение Uупр подается на четвертый вывод системы управления СУ и в компараторе 2 сравнивается с линейно-нарастающим напряжением ГПН 1. При положительной разнице управляющего напряжения Uупр и линейно-нарастающего напряжения ГПН1 на выходе ГПН 1 формируется импульс управления высокого уровня (логическая единица). В это же время на третий вывод системы управления СУ подается входное синусоидальное напряжение Uвх, из которого с помощью ГПИ 3 формируются прямоугольные импульсы с частотой и фазой входного напряжения Uвх. Указанные прямоугольные импульсы с помощью
логических элементов «И» 5, 6 разрешают прохождение управляющих импульсов от компаратора 2 на транзистор VT2 при положительной полярности входного сигнала Uвх, и на транзистор VT1 при отрицательной полярности входного сигнала Uвх.
VT1
VT2
Таким образом, на управляющие входы транзисторов VT1, VT2 подаются управляющие сигналы U, U как показано на фиг.3. При чем высокий уровень управляющего сигнала, поданного на управляющий вход транзистора, соответствует открытому состоянию транзистора, а низкий - закрытому.
24
Rн1
W21
W23
W24
24
Rн1
W21
W23
W24
И
И
Регулирование коэффициента асимметрии напряжения осуществляется за счет подключения с частотой много превышающей частоту сети полуобмотки W второй вторичной обмотки TV1.3 с помощью транзисторов VT2 - при положительной полярности входного напряжения и VT1 - при отрицательной полярности выходного напряжения. Таким образом, при включении в контур протекания тока полностью всей второй вторичной обмотки TV1.3 к нагрузке Rн1 прикладывается напряжение равное напряжению второй вторичной обмотки TV1.3. (U=U+U+U) Таким образом, напряжение большей полуволны на Rн1 повышается. Одновременно, из-за возрастания потенциала общей точки соединения анодов нагрузок Rн1 и Rн2, напряжение малой полуволны на нагрузке Rн2 уменьшается на величину равную напряжению второй полуобмотки второй вторичной обмотки W трансформатора (U=U+U-U). Таким образом коэффициент асимметрии определяется выражением: , где γ=t/T - относительная длительность открытого состояния транзисторов VT1 и VT2, Т - период управляющего сигнала для транзисторов. Длительность открытого состоянии транзисторов t определяется сигналами с соответствующих выходов (первый и второй)
упр
системы управления и регулируется величиной управляющего напряжения U, подаваемого на четвертый вход системы управления.
Таким образом, при упрощении схемы заявляемого источника расширяются его функциональные возможности за счет регулирования обоих полуволн напряжения на нагрузке.
Приведенный пример выполнения заявляемого источника не ограничивает другие возможные примеры реализации данного источника и его блоков: формирователя асимметричного тока или напряжения, системы управления. Полезная модель промышленно применима и может быть многократно реализована на известной элементной базе, (например, IGBT или полевых транзисторах). Заявляемая полезная модель может быть использована в различных технологических процессах, где требуются источники асимметричного синусоидального тока или напряжения с плавной регулировкой величины коэффициента асимметрии (симметрии).