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, МПК5 С11В 3/00, фиг 2]. Такая схема позволяет получить требуемый коэффициент асимметрии - Kas, равный отношению напряжения (тока) большой 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 источника асимметричного тока или напряжения нецелесообразно при мощности в нагрузке более 1 кВт. 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 асимметричного синусоидального напряжения или тока (в [2] назван: 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.3]. Его схема состоит из трансформатора, первичная обмотка которого является входом, на который подается симметричное синусоидальное напряжение. Вторичная обмотка трансформатора имеет промежуточную точку. Начало вторичной обмотки трансформатора соединено с анодом первого тиристора, катод которого соединен с анодом второго тиристора и первым выводом нагрузки, второй вывод которой соединен с концом вторичной обмотки, а катод второго тиристора соединен с выводом промежуточной точки вторичной обмотки трансформатора.
Известная схема [2] также как и аналог [1] является простой в исполнении, но по сравнению с аналогом [1] она имеет большее значение КПД, за счет использования в схеме трансформатора, вторичная обмотка которого разделена промежуточной точкой на неравное число витков. Такая схема позволяет увеличить мощность нагрузки более 1 кВт и обеспечивает более высокое быстродействие регулирования по сравнению с аналогом [1].
Недостатком такого источника асимметричного напряжения [2] является однополупериодное потребление тока, что ведет к несимметричной
нагрузке сети, подмагничиванию трансформатора и, соответственно, ухудшает его массогабаритные показатели. Регулирование коэффициента асимметрии (симметрии) в такой схеме возможно только за счет фазового регулирования большой или малой полуволны переменного напряжения или обеих полуволн одновременно. Однако при этом будет изменяться форма выходного напряжения и его гармонический состав, что не позволяет однозначно характеризовать электрохимический процесс коэффициентом асимметрии (симметрии). В то же время для электрохимических технологий (в том числе и по аналогу [1]) необходимо обеспечить значение коэффициента асимметрии (симметрии), равное, например, 10 (0,1) относительных единиц.
Известен также источник асимметричного синусоидального напряжения (в [3] назван: трансформаторный формирователь асимметричного напряжения) [3. 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.], который взят за прототип как наиболее близкий по технической сути к заявляемой полезной модели.
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 асимметричного напряжения управляются с помощью сигналов от системы управления (на рис.5 [3] не показанной) и работают в режиме ключа.
Данный источник асимметричного синусоидального тока или напряжения, обеспечивает двухполупериодное потребление тока, исключает подмагничивание трансформатора и улучшает за счет этого его массогабаритные показатели.
Однако регулирование коэффициента асимметрии (симметрии) по прототипу сопровождается искажением формы напряжения (тока) и соответственно изменением гармонического состава выходного напряжения (тока), что не позволяет однозначно задать требуемое значение коэффициента асимметрии (симметрии) в заданных пределах. Т.е. в данном случае плавное регулирование напряжения (тока) возможно только с искажением формы напряжения (тока).
Задача полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить заданное значение коэффициента асимметрии (симметрии) и его плавное регулирование в заданном диапазоне в соответствии с требованиями электрохимической технологии.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в исключении искажения формы напряжения (тока), и его гармонического состава при обеспечении плавного регулирования значения коэффициента асимметрии (симметрии), удовлетворяющего требованиям электрохимической технологии.
Для достижения технического результата полезная модель, как и прототип, содержит четыре диода, два транзистора, управляющие входы которых соединены с выводами системы управления, трансформатор, первичная обмотка которого является входом, две вторичные обмотки которого, имеющие средние точки, соединенные между собой и с первыми выводами первой и второй нагрузки соответственно. При этом конец первой вторичной обмотки соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с другим выводом первой нагрузки. Конец второй вторичной обмотки соединен с коллектором первого транзистора, эмиттер которого соединен с анодом третьего диода. Начало первой вторичной обмотки соединено с катодом второго диода, анод которого соединен с другим концом второй нагрузки. Начало второй вторичной обмотки соединено с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с анодом четвертого диода.
вx
упр
В отличие от прототипа полезная модель, дополнительно содержит два дросселя; пятый, шестой диоды; третий и четвертый транзисторы, управляющие входы которых соединены с системой управления. Катод пятого и катод шестого диодов соединены соответственно с катодом третьего и катодом четвертого диодов и соответственно с одним из выводов первого и второго дросселя. При этом другой вывод первого дросселя соединен с анодом первого диода и вторым выводом первой нагрузки. Другой вывод второго дросселя соединен с анодом второго диода и вторым выводом второй нагрузки. При этом анод пятого диода соединен с эмиттером третьего транзистора, а анод шестого диода соединен с эмиттером четвертого транзистора, коллектор которого соединен с коллектором третьего транзистора, со средними точками первой и второй вторичных обмоток трансформатора и с первыми выводами первой и второй нагрузок. Система управления СУ имеет пятый и шестой выводы, при этом на пятый вывод подается входное синусоидальное напряжение U, а на шестой вывод - управляющее напряжение U.
Кроме того, система управления содержит:
упр
вx
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» подключены соответственно к управляющим входам транзисторов.
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 введением двух дросселей, пятого, шестого диодов; третьего и четвертого транзисторов, базы которых подключены к соответствующим выводам системы управления, что позволяет исключить изменение формы напряжения (тока) и его гармонического состава при плавном регулировании значения коэффициента асимметрии (симметрии) в широких пределах.
Это достигается следующим образом.
Введение указанных транзисторов и диодов позволяет осуществить широтно-импульсное регулирование тока во введенных дросселях за счет
упр
плавного изменения относительной длительности включенного состояния упомянутых транзисторов. Длительность открытого состояния транзистора VT1 или VT2 зависит от управляющего напряжения U, поэтому, меняя управляющее напряжение, мы можем плавно регулировать ток дросселя и, следовательно, амплитуду формируемой отрицательной (малой) полуволны и, как следствие, коэффициент симметрии (асимметрии) выходного тока (напряжения). При этом форма выходного напряжения является квазисинусоидальной и не меняется при изменении коэффициента симметрии (асимметрии) выходного тока (напряжения), что не приводит к изменению спектрального состава выходного тока (напряжения). При этом переключение транзисторов с большой частотой (что позволяют сделать современные технологии) обеспечивает максимально возможное многократное нарастание и падение тока на нагрузке в течение полупериода формируемого синусоидального сигнала. Такое высокочастотное переключение транзисторов дает нам возможность как можно сильнее приблизить получаемую квазисинусоидальную форму отрицательной (малой) полуволны тока (напряжения) на нагрузке к синусоидальной и в идеале получить неискаженную синусоидальную отрицательную (малую) полуволну тока (напряжения) на нагрузке.
Таким образом, введение дополнительных элементов, перечисленных выше, позволяет достичь указанного технического результата.
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) на фиг.1 содержит шесть диодов VD1 - VD6; четыре транзистора VT1 - VT4 управляющие входы которых соединены с соответствующими выводами
вx
вx
упр
системы управления СУ; два дросселя L1 - L2 и трансформатор, первичная обмотка TV 1.1 которого является входом, на который подается входное синусоидальное напряжение U. Две вторичные обмотки трансформатора TV1.2 и TV1.3 имеют средние точки, которые соединены между собой, с первыми выводами первой Rн1 и второй Rн2 нагрузок соответственно и с коллекторами третьего VT3 и четвертого VT4 транзисторов. Конец первой вторичной обмотки TV1.2 соединен с концом второй вторичной обмотки TV1.3 через цепочку: VD1 - L1 - VD3 - VT1. При этом конец первой вторичной обмотки TV1.2 соединен с катодом первого диода VD1, анод которого соединен с первым выводом дросселя L1 и другим выводом первой нагрузки Rн1. Второй вывод дросселя L1 соединен с катодами диодов VD3 и VD5. Анод диода VD3 соединен с эмиттером транзистора VT1, коллектор которого соединен с концом второй вторичной обмотки TV1.3. Начало первой вторичной обмотки TV1.2 соединено с началом второй вторичной обмотки TV1.3 через цепочку: VD2 - L2 - VD4 - VT2. При этом начало первой вторичной обмотки TV1.2 соединено с катодом второго диода VD2, анод которого соединен с другим выводом нагрузки Rн2 и первым выводом дросселя L2, второй вывод которого соединен соответственно с катодами четвертого VD4 и шестого VD6 диодов, при этом анод четвертого диода соединен с эмиттером второго транзистора VT2, коллектор которого соединен с началом второй вторичной обмотки TV1.3. Анод шестого диода VD6 соединен с эмиттером четвертого транзистора VT4, а анод пятого диода VD5 соединен с эмиттером третьего транзистора VT3, при этом коллекторы третьего VT3 и четвертого VT4 транзисторов соединены между собой. Система управления СУ имеет пятый и шестой выводы, при этом на пятый вывод подается входное синусоидальное напряжение U, а на шестой вывод - управляющее напряжение U.
Кроме того, система управления СУ (фиг.2) содержит:
генератор пилообразного напряжения (ГПН) 1, компаратор 2, генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) 3, логические инверторы 4, 5; логические
упр
вx
элементы «И» 6, 7, 8, 9. При этом вывод ГПН 1 соединен с инверсным входом компаратора 2, прямой вход которого является шестым выводом (входом) СУ, на который подается управляющее напряжение U. Выход компаратора 2 соединен с входом логического инвертора 4 и первыми входами логических элементов «И» 8 и 9. Выход логического инвертора 4 соединен с первыми входами логических элементов «И» 6 и 7. Вход ГПИ 3 является пятым выводом СУ, на который подается входное синусоидальное напряжение U, а выход ГПИ 3 соединен с входом логического инвертора 5 и со вторыми входами логических элементов «И» 7 и 9. Выход логического инвертора 5 соединен со вторыми входами логических элементов «И» 6 и 8. Выходы всех логических элементов «И» 6, 7, 8, 9 являются соответственно третьим, четвертым, первым и вторым выводами (выходами) СУ и соединены соответственно с управляющими входами транзисторов VT3, VT4, VT1, VT2.
вx
упр
гпн
VT1
VT4
Rн1
Rн2
н2
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 - управляющее напряжение; U - напряжение ГПН; U - U - импульсы напряжения, подаваемые системой управления на каждый из четырех транзисторов соответственно; I - ток формируемый на нагрузке Rн1; I - ток формируемый на нагрузке R; I - входной ток; t -временная ось.
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 сглаживающие дроссели 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
вx
вx
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, инверторы 4 и 5 и логические элементы «И» 6, 7, 8, 9 являются стандартными логическими элементами.
Источник асимметричного синусоидального тока или напряжения работает следующим образом:
вx
тp1
тр2
вx
Входное синусоидальное напряжение U поступает на первичную обмотку TV1.1 трансформатора (а - фиг.3) и повторяется с учетом соответствующих коэффициентов трансформации К и К на первой VT1.2 и второй VT1.3 вторичных обмотках трансформатора. Причем при положительной полярности входного напряжения U (обозначено на фиг.1 без скобок) диод VD1 открывается и по контуру: средняя точка первой вторичной обмотки TV1.2 - Rн1 - VD1 - конец первой вторичной обмотки TV1.2 - к нагрузке Rн1 прикладывается напряжение половины вторичной обмотки TV1.2 трансформатора. Тем самым на нагрузке Rн1 формируется положительная (большая) полуволна, причем за положительное значение напряжения на нагрузке принята полярность, при которой плюс напряжения приложен к общим выводам первой Rн1 и второй Rн2 нагрузок (ж - фиг.3). При этом к диоду VD2 приложено напряжение другой половины первой вторичной обмотки VT1.2 в обратном направлении, поэтому он закрыт и не пропускает это напряжение на нагрузку Rн2.
упр
упр
вx
Одновременно с формированием положительной (большой) полуволны на нагрузке Rн1 управляющее напряжение U подается на шестой вывод системы управления СУ и в компараторе 2 сравнивается с линейно-нарастающим напряжением ГПН 1. При положительной разности управляющего напряжения U и линейно-нарастающего напряжения ГПН 1 (б - фиг 3.) на выходе ГПН 1 формируется импульс управления высокого уровня (логическая единица). В это же время на пятый вывод системы управления СУ подается входное синусоидальное напряжение U, из
вx
вx
вx
вх
которого с помощью ГПИ 3 формируются прямоугольные импульсы с частотой и фазой входного напряжения U. Указанные прямоугольные импульсы с помощью логических элементов «И» 6-9 разрешают прохождение управляющих импульсов от компаратора 2 на транзистор VT2 при положительной (на фиг.1 обозначено знаками «плюс», «минус» без скобок) полярности входного сигнала U (в - фиг.3), и - на транзистор VT1 при отрицательной (на фиг.1 обозначено знаками «плюс», «минус» в скобках) полярности входного сигнала U (г - фиг.3). При этом на транзисторы VT2 и VT4 поступают инвертированные управляющие импульсы с выхода соответственно инверторов 4 и 5 (фиг.2) и соответственно полярности входного сигнала U (д, е - фиг.3).
вx
Таким образом, на управляющие входы транзисторов VT1-VT4 (фиг.1) подаются управляющие сигналы так, как показано на фиг.3, в), г), д), е). Причем высокий уровень управляющего сигнала, поданного на управляющий вход транзистора, соответствует открытому состоянию транзистора, а низкий - закрытому. Как видно из фиг.3, при положительной полярности входного сигнала транзисторы VT1 и VT3 закрыты, предотвращая тем самым шунтирование нагрузки Rн1. При этом транзисторы VT2 и VT4 переключаются с частотой много большей частоты входной сети в противотакте на всем полупериоде входного синусоидального напряжения U. При открытом транзисторе VT2 (транзистор VT4 при этом закрыт, в соответствии с фиг.3 - в, д) к дросселю L2 прикладывается напряжение по контуру: начало вторичной обмотки TV 1.3 - VT2 - VD4 - L2 - Rн2 - средняя точка вторичной обмотки TV 1.3. В результате чего ток в дросселе L2 и соответственно в нагрузке Rн2 начинает нарастать (з - фиг.3). При закрытом транзисторе VT2 транзистор VT4 открыт (в, д - фиг.3), и ток дросселя L2, протекает по контуру L2 - Rн2 - VT4 - VD6. Энергия дросселя передается в нагрузку вследствие чего ток дросселя L2 и, соответственно, нагрузки Rн2 начинает спадать (з - фиг.3). Таким образом, на нагрузке Rн2 сформирована отрицательная (малая) полуволна квазисинусоидального тока.
При смене полярности входного сигнала процессы повторяются: формирование положительной (большой) полуволны происходит на нагрузке Rн2, а формирование отрицательной (малой) полуволны с помощью транзисторов VT1 и VT3 происходит на нагрузке Rн1.
Таким образом, плавно изменяя относительную длительность включенного состояния транзисторов VT1 - VT2 в пределах от 0 до 1, можно плавно изменить амплитуду малой полуволны напряжения (тока) от нуля до его максимального значения, определяемого коэффициентом трансформации вторичной обмотки VT1.3 трансформатора и, следовательно, коэффициент симметрии (асимметрии) выходного асимметричного синусоидального напряжения в заданных пределах. При этом форма обратной полуволны выходного напряжения (тока) не меняется (с точностью до пульсаций, которые при достаточно большой частоте переключения транзистора как угодно малы) вследствие фильтрующих свойств дросселя.
Приведенный пример выполнения заявляемого источника не ограничивает другие возможные примеры реализации данного источника асимметричного тока или напряжения.
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).