ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ АСИММЕТРИЧНОГО ТОКА ИЛИ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике, а именно к области преобразовательной техники и может быть применена в электрохимических технологиях, основанных на нестационарных электрохимических процессах, где требуется регулирование, как частоты выходного напряжения, так и его асимметрии, определяемой соотношением величин положительной и отрицательной (большой и малой) полуволн тока или напряжения. Источник может быть использован при зарядке аккумуляторных батарей; а также в гальванике и в технологиях, связанных с электрообработкой растворов, преимущественно там, где аноды электрохимических ячеек объединены.
Известен преобразователь постоянного напряжения в переменный асимметричный ток [1. Патент РФ №19232 на полезную модель, опубликован 10.08.2001, 7МПК Н02М 9/02]. Схема такого преобразователя содержит четыре силовых транзистора, коллектор первого транзистора подключен к первому входному выводу, а эмиттер подключен к началу обмотки дросселя и через второй транзистор соединен со вторым входным выводом. Эмиттер третьего транзистора соединен со вторым выходным выводом и через четвертый транзистор соединен со вторым входным выводом. Кроме того, схема преобразователя содержит вентильный мост из четырех диодов, диагональ постоянного тока которого подключена к входным выводам, а диагональ переменного тока к эмиттеру третьего транзистора и к началу обмотки дросселя, конец которой соединен с первым выходным выводом. Схема преобразователя имеет дополнительные входные выводы, первый из которых подключен через дополнительный диод к коллектору третьего транзистора, а второй - ко второму входному выводу. Этот преобразователь позволяет формировать на нагрузке синусоидальный асимметричный ток в широком диапазоне частот, без увеличения массы и габаритов на нижних частотах. Однако это обеспечивается путем введения в схему преобразователя второго дополнительного источника питания, что приводит к его усложнению. При этом оба источника питания потребляют несимметричный ток, что требует установки входных фильтров и увеличивает их габаритную мощность. Кроме того, такой преобразователь не может работать на электрохимический аппарат, состоящий из двух электрохимических ячеек, аноды которых объединены.
Известен также источник асимметричного синусоидального тока или напряжения [2. Патент РФ №79357 на полезную модель, опубликован 27.12.2008, МПК Н02М 9/00, Н02М 9/02 (2006.01)], который является наиболее близким по технической сути к заявляемой полезной модели и взят за прототип. Этот источник [2] содержит два регулируемых блока питания (источника напряжения), соединенных между собой согласно, последовательно и образующих положительную шину, отрицательную шину и общую точку источника асимметричного синусоидального тока или напряжения (источника питания). Каждый из блоков питания выполнен в виде управляемого выпрямителя УВ1 и УВ2 соответственно и фильтров L1-C1 и L2-C2 соответственно. Каждый из управляемых выпрямителей подключен соответственно к вторичным обмоткам W12 и W13 трансформатора ТV1, первичная обмотка которого подключена к сети. К положительной и отрицательной шинам источника питания подключены две параллельные стойки транзисторных ключей VT1, VT3 и VT2, VT4 соответственно. Причем к общей точке соединения ключей VT2, VT4 подключен катод К1 первой электрохимической ячейки Rн1, а к общей точке соединения ключей VT1, VT3 подключен катод К2 второй электрохимической ячейки Rн2. Аноды Al, A2 обеих электрохимических ячеек Rн1, Rн2 объединены и подключены к средней точке источника питания. Управляющие цепи всех транзисторных ключей подключены к выходам 4-11 системы управления СУ соответственно. Система управления источника питания содержит генератор пилообразного напряжения, два компаратора, генератор прямоугольных импульсов, логический инвертор и четыре логических элемента «ИЛИ». Система управления имеет три входа для изменения коэффициента асимметрии и частоты выходного напряжения. Эта схема [2] источника асимметричного синусоидального тока или напряжения обеспечивает независимое одновременное регулирование величины амплитуды положительной и отрицательной полуволн тока или напряжения, что расширяет возможности регулирования коэффициента асимметрии и уменьшает габаритную мощность трансформатора. Этот источник питания позволяет изменять частоту выходного напряжения путем изменения входной частоты трансформатора, и позволяет работать на электрохимические ячейки с объединенными анодами.
Однако из-за наличия входного трансформатора масса и габариты такого источника питания будут увеличиваться с уменьшением рабочей частоты, а на высоких рабочих частотах будет сказываться индуктивность рассеивания трансформатора, которая будет уменьшать полезную мощность источника питания. Кроме того в этом источнике питания функции регулирования частоты, выходного напряжения и смены полярности напряжения на катодах электрохимических ячеек разделены, что приводит к большому количеству управляемых транзисторных ключей, и усложняет схему.
Задачей полезной модели является расширение рабочего частотного диапазона напряжения на нагрузке с объединенными анодами, при одновременном улучшении массогабаритных характеристик источника при работе на низких частотах и упрощении его схемы.
При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в одновременном регулировании частоты, амплитуды и коэффициента асимметрии источника питания асимметричного тока или напряжения.
Для достижения технического результата полезная модель, как и прототип, содержит источник напряжения, две параллельно включенные транзисторные стойки ключей, соединенные с положительной и отрицательной шинами источника напряжения, два L-C фильтра, две электрохимические ячейки, каждая из которых имеет катод и анод, при этом их аноды объединены, систему управления, выходы которой подключены к управляющим входам транзисторных ключей. Система управления имеет три входа для изменения коэффициента асимметрии и частоты выходного напряжения.
В отличие от прототипа полезная модель дополнительно содержит третью транзисторную стойку ключей, так же как и первые две стойки, подключенную к положительной и отрицательной шинам источника питания, шесть диодов, включенных встречно-параллельно каждому из транзисторных ключей соответственно. Причем средняя точка третьей транзисторной стойки соединена с объединенными анодами электрохимических ячеек, а каждый их катодов этих ячеек через соответствующий дроссель L-C фильтра подключен к общей точке транзисторных ключей первой и второй транзисторных стоек соответственно. Соответствующие конденсаторы L-C фильтров подключены параллельно соответствующей электрохимической ячейке. Причем управляющие цепи транзисторных ключей третьей стойки также подключены к соответствующим выходам системы управления.
В частном случае система управления источником асимметричного тока или напряжения содержит три широтно-импульсных модулятора ШИМ, генератор пилообразного напряжения ГПН, два перемножителя X, генератор синусоидального напряжения ГСН и выпрямитель В. Выход ГПН подключен к первым входам ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3, выходы которых образуют прямые 2, 4, 5 и инверсные 1, 3, 6 выходы системы управления СУ. Ко второму входу ШИМ1 подключен инверсный выход перемножителя X1, а его прямой выход подключен ко второму входу ШИМ2. Первый вход перемножителя X1 образует управляющий вход U1 системы управления СУ для регулирования величины положительной полуволны выходного напряжения. Первый вход второго перемножителя Х2 образует управляющий вход U2 системы управления СУ для регулирования отрицательной полуволны выходного напряжения. Вход ГСН образует управляющий вход f системы управления СУ для регулирования частоты выходного напряжения. Выход ГСН соединен со вторыми входами перемножителей X1, Х2, причем выход перемножителя Х2 через выпрямитель В подключен ко второму входу ШИМ3.
В частном случае транзисторные стойки ключей выполнены в виде двух последовательно соединенных транзисторов, имеющих среднюю точку.
Совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна заявителям из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» полезной модели.
Отличительные признаки полезной модели в совокупности с известными признаками обеспечивают указанный выше технический результат. Это достигается путем объединения функций модуляции выходного напряжения и смены полярности напряжения на катодах электрохимических ячеек, за счет введения в схему источника питания третьей стойки транзисторных ключей и управления ими за счет выпрямленного напряжения ГСН, а так же управления транзисторными ключами первой и второй транзисторных стоек за счет прямого и инверсного напряжения ГСН. Это подробно показано ниже при описании работы источника питания асимметричного тока или напряжения.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 приведена функциональная схема источника питания асимметричного тока или напряжения. На фиг.2 приведен пример выполнения системы управления. На фиг.3 приведены временные диаграммы токов, напряжений и управляющих сигналов транзисторов, поясняющих работу источника.
Источник питания асимметричного тока или напряжения фиг.1 содержит источник постоянного напряжения Е, два L-C фильтра: L1C1 и L2C2, две электрохимические ячейки с объединенными анодами A1, A2 и двумя катодами K1, K2, обозначенные как Rн1, Rн2; шесть диодов VD1-VD6, включенных встречно-параллельно транзисторным ключам VT1-VT6, соответственно. Управляющие входы транзисторных ключей соединены с соответствующими выходами 1-6 системы управления СУ. Последовательно соединенные транзисторные ключи VT2, VT4, включенные между положительной и отрицательной шинами источника напряжения Е, образуют первую транзисторную стойку ключей; последовательно соединенные транзисторные ключи VT1, VT3 образуют соответственно вторую транзисторную стойку ключей; последовательно соединенные транзисторные ключи VT5, VT6 образуют соответственно третью транзисторную стойку ключей. Вторая и третья транзисторные стойки ключей включены также между положительной и отрицательной шинами источника питания Е. Катод К1 первой электрохимической ячейки Rн1 через дроссель L1 подключен к средней точке первой транзисторной стойки ключей VT2, VT4. Катод К2 второй электрохимической ячейки Rн2 через дроссель L2 подключен к средней точке второй транзисторной стойки ключей VT1, VT3. Аноды А1, А2 электрохимических ячеек Rн1, Rн2 объединены и подключены к средней точке третьей транзисторной стойки ключей VT5, VT6. Система управления СУ имеет три входа U1, f, U2, обозначенные соответственно 9, 8, 7. Вход 9 системы управления СУ служит для задания амплитуды положительной полуволны выходного синусоидального напряжения. Вход 7 системы управления СУ служит для задания амплитуды отрицательной полуволны выходного синусоидального напряжения. Отношение амплитуд этих полуволн будет определять коэффициент асимметрии. Вход 8 системы управления СУ служит для задания частоты выходного сигнала.
Система управления СУ (фиг.2) содержит: генератор пилообразного напряжения ГПН, генератор синусоидального напряжения ГСН, выпрямитель В, три широтно-импульсных модулятора ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3, два умножителя X1, Х2. Выход генератора пилообразного напряжения ГПН соединен с первыми входами широтно-импульсных модуляторов ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3. Инверсные выводы широтно-импульсных модуляторов ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3 подключены соответственно к 1, 3 и 6 выходам системы управления СУ, а прямые выводы - соответственно к 2, 4 и 5 выходам системы управления СУ. Ко второму входу широтно-импульсного модулятора ШИМ2 подключен прямой выход умножителя X1, а к второму входу широтно-импульсного модулятора ШИМ1 подключен инверсный выход умножителя X1. Ко второму входу широтно-импульсного модулятора ШИМ3 через выпрямитель В подключен выход умножителя Х2. К первым входам умножителей X1 и Х2 подключен выход генератора синусоидального напряжения ГСН. Вход умножителя X1 является входом 9 системы управления СУ и служит для задания амплитуды положительной полуволны выходного напряжения синусоидальной формы. Вход умножителя Х2 является входом 7 системы управления СУ и служит для задания амплитуды отрицательной полуволны выходного напряжения синусоидальной формы. Вход генератора синусоидального напряжения ГСН является входом 8 системы управления СУ и служит для задания частоты выходного напряжения.
На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу источника питания асимметричного тока или напряжения. На этих диаграммах использовано обозначения: а) 10 - синусоидальное напряжение на прямом выходе перемножителя X1; 11 - развертывающее напряжение на выходе ГПН; б) 12 - синусоидальное напряжение на инверсном выходе перемножителя X1; в) сигнал управления транзистором VT1 сформированный на прямом выходе 4 ШИМ2; г) сигнал управления транзистором VT3 сформированный на инверсном выходе 3 ШИМ2; д) сигнал управления транзистором VT4 сформированный на прямом выходе 5 ШИМ1; е) сигнал управления транзистором VT2 сформированный на инверсном выходе 6 ШИМ1; ж) 13 - синусоидальное выпрямленное напряжение на втором входе ШИМ3, сформированное перемножителем Х2 и выпрямленное выпрямителем В; з) сигнал управления транзистором VT5 сформированный на прямом выходе 2 ШИМ3; и) сигнал управления транзистором VT6 сформированный на инверсном выходе 1 ШИМ3; к) напряжение на входе L1-C1 фильтра; л) ток в электрохимической ячейке Rн1; м) ток в электрохимической ячейке Rн2; Е - входное постоянное напряжение источника питания; U1 - амплитуда положительной полуволны выходного синусоидального напряжения, U2 - амплитуда отрицательной полуволны выходного синусоидального напряжения; t - временная ось.
Работа источника питания асимметричного тока или напряжения рассмотрена на конкретном примере. В схеме источника использованы полевые транзисторы, полупроводниковые диоды, сглаживающие дроссели с заданной индуктивностью и конденсаторы с заданной емкостью, обеспечивающие синусоидальную форму выходного тока (напряжения). Нагрузка является симметричной и эквивалентна активным сопротивлениям электрохимических ячеек Rн1, Rн2. Система управления СУ выполнена, например, по схеме, представленной на фиг.2, где ГПН выполнен по классической схеме генератора треугольного напряжения частота которого задает частоту модуляции ШИМ; ГСН выполнен по классической схеме синусоидального напряжения с регулируемой частотой; ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3 выполнены на основе компаратора с прямым и инверсным входами и с прямым и инверсным выходами, при чем первые входы ШИМ1, ШИМ2, ШИМ3 образованы инверсными входами компаратора. Перемножители X1, Х2 представляют собой четырех-квадрантный аналоговый перемножитель двух сигналов, на один вход которого подается синусоидальное напряжение постоянной амплитуды с ГСН, а на другой вход - постоянное напряжение U1 или U2, величины которых определяют величину амплитуды синусоидального напряжения на выходе перемножителя. Выпрямитель В выполнен по любой из известных схем прецизионных выпрямителей. В качестве источника напряжения Е использована сеть постоянного тока.
Источник питания асимметричного тока или напряжения работает следующим образом. Коэффициент симметрии Ks определяется как отношение амплитуд отрицательной полуволны и положительной полуволны асимметричного напряжения. В рассматриваемом примере амплитуды положительных полуволн напряжения равны U1+U2, а амплитуды отрицательных полуволн равны U1-U2, л), м) фиг.3. В этом случае коэффициент симметрии равен , (где Kas - коэффициент асимметрии). Из приведенной формулы видно, что задавая амплитуды напряжений U1 и U2 можно изменять их отношение, а значит и коэффициент симметрии Ks. При U2, равном 0, коэффициент симметрии равен 1, в этом случае напряжение будет переменным и не будет иметь постоянной составляющей. При U1 равном U2 коэффициент симметрии равен 0, в этом случае амплитуда отрицательной полуволны равна 0, напряжение будет однополярным. В данном примере напряжение U1=1 В, а напряжение U2=0.7 В, тогда коэффициент симметрии будет равен Ks=0.3.
На вход 8 системы управления СУ подается постоянное напряжение, величина которого соответствует заданной частоте синусоидального напряжения на выходе ГСН. Это синусоидальное напряжение перемножается с постоянным напряжением U1 перемножителем X1, на прямом выходе которого формируется напряжение 12 фиг.3 а), а на инверсном выходе - напряжение 10 фиг.3 б). Напряжение 10 сравнивается в ШИМ1 с напряжением 11 и на выходах 5,6 ШИМ1 фиг.2 формируются управляющие импульсы для транзисторов VT4, VT2, первой транзисторной стойки ключей, как показано на фиг.3 в) и г). Напряжение 12 на прямом выходе перемножителя X1 сравнивается с напряжением ГПН 11 в ШИМ2 фиг.2, на выходах 3, 4 которого формируются управляющие импульсы для транзисторов VT3, VT1, второй транзисторной стойки ключей, как показано на фиг.3 д) и е). Синусоидальное напряжение ГСН перемножается перемножителем Х2 с постоянным напряжением U2 и выпрямляется выпрямителем В, так что на втором входе ШИМ3 фиг.2, действует напряжение 13 фиг.3 ж), которое в ШИМ3 сравнивается с напряжением ГПН 11 и на выходах 1, 2 ШИМ3 формируются управляющие импульсы для транзисторов VT6, VT5, третьей транзисторной стойки ключей, как показано на фиг.3 з), и). При таком управлении на входе L1C1 фильтра действует импульсное напряжение, как показано на фиг.3 к). Это импульсное напряжение сглаживается L1C1 фильтром и на первой электрохимической ячейке Rн1 действует сглаженное асимметричное напряжение, как показано на фиг.3 л). Аналогичное переменное асимметричное напряжение, но сдвинутое на 180 электрических градусов, формируется на электрохимической ячейке Кн2. Изменяя постоянное напряжение на входе 8 фиг.2 системы управления СУ, можно изменять частоту ГСН в меньшую сторону неограниченно, а в большую сторону - до частоты в два раза меньшей частоты напряжения на выходе ГПН кривая 11 фиг.3 б). Это позволяет расширить рабочий диапазон источника в сторону низких частот без увеличения габаритной мощности источника питания, при одновременном регулировании частоты, амплитуды и коэффициента асимметрии источника питания.
Приведенный пример выполнения заявляемого источника не ограничивает другие возможные примеры реализации данного источника и его блоков, например, блоков 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 питания асимметричного тока или напряжения.