ИСТОЧНИК АСИММЕТРИЧНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ГАЛЬВАНИЧЕСКОЙ РАЗВЯЗКОЙ КАНАЛОВ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике, более конкретно к источникам, содержащим трансформаторный формирователь асимметричного напряжения (ТФАН). Такие источники могут быть использованы, например, в электрохимических технологиях, где требуется регулирование соотношения величин положительной и отрицательной (большой и малой) полуволн напряжения, а также в технологиях, связанных с гальваникой и электрообработкой растворов, в частности, для обессоливания воды методом электродиализа.
Из области техники известен источник асимметричного синусоидального тока или напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого является входом, две вторичные обмотки со средней точкой, шесть диодов, дроссель, два транзистора, управляющие входы которых соединены соответственно с выходами системы управления; при этом первая вторичная обмотка трансформатора образует общий контур с последовательно соединенными первой и второй нагрузками, при этом 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 и первым выводом дросселя, второй вывод которого соединен с анодами первой и второй нагрузок, катоды которых соединены соответственно с концом и началом первой и второй полуобмоток первой вторичной обмотки; анод четвертого диода соединен со средней точкой второй вторичной обмотки трансформатора 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 [RU 77518, МПК H02M 9/06, опубликовано 20.10.2008]. Недостатками данной полезной модели являются:
23
- наличие общей для двух нагрузок обмотки трансформатора (W), напряжение которой добавляется или вычитается одновременно из формируемых напряжений обеих нагрузок, что не позволяет осуществить гальваническую развязку нагрузок;
H1
H2
- взаимное влияние режимов работы нагрузок друг на друга, например, увеличение тока в цепи из-за изменения характеристик нагрузки R, что случается нередко, так как нагрузкой чаще всего является электролизный аппарат, работающий с жидкими растворами, отразится на режиме работы контура с нагрузкой R вследствие наличия общего для обеих нагрузок участка цепи.
Известен также источник асимметричного синусоидального тока или напряжения, содержащий трансформатор, имеющий первичную обмотку, которая является входом и соединена с входом системы управления, и две вторичные обмотки; два дросселя; четыре транзистора, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами системы управления, два управляемых выпрямителя и два конденсатора; начало и конец первой и второй вторичных обмоток трансформатора являются первым и вторым входами соответственно первого и второго управляемых выпрямителей; первый выход первого управляемого выпрямителя через первый дроссель соединен с первым выводом первого конденсатора и коллектором первого и второго транзисторов; а второй выход второго управляемого выпрямителя соединен через второй дроссель с первым выводом второго конденсатора и эмиттерами третьего и четвертого транзисторов; при этом второй вывод первого конденсатора, второй выход первого управляемого выпрямителя, второй вывод второго конденсатора, первый выход второго управляемого выпрямителя, анод первой и второй нагрузок имеют общую точку соединения; причем катод первой нагрузки, эмиттер второго транзистора и коллектор четвертого транзистора имеют общую точку соединения, а катод второй нагрузки имеет общую точку соединения с эмиттером первого транзистора и коллектором третьего транзистора; кроме того, управляющие входы первого и второго управляемых выпрямителей соответственно соединены с выводами системы управления [RU 79357, МПК H02M 9/00, H02M 9/02, опубликовано 27.12.2008]. Недостатками данной полезной модели являются:
- формирование формы выходного напряжения на нагрузках путем переключения обмоток трансформатора, являющихся общими для двух нагрузок, что делает их гальванически связанными;
- коммутация обеих частей асимметричного выходного сигнала, большой и малой полуволн, что ограничивает применение указанного решения на источниках большой мощности по причине усложнения конструкции и, как следствие, роста стоимости источника при коммутации больших токов и напряжений.
Известен источник асимметричного тока или напряжения, содержащий два источника напряжения, дроссель, четыре транзистора, два диода, второй дроссель, два датчика тока, два датчика напряжения и систему управления; при этом коллектор первого транзистора подключен к положительной шине питания первого источника напряжения, а эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом дросселя и через первый диод соединен с отрицательным выводом источников напряжения; эмиттер третьего транзистора через второй диод соединен с отрицательной шиной питания источников напряжения; эмиттеры второго и четвертого транзисторов, а также аноды первого и второго диодов объединены и подключены к отрицательным шинам питания источников напряжения, при этом коллектор четвертого транзистора соединен со вторым выводом нагрузки, при этом эмиттер третьего транзистора соединен с первым выводом второго дросселя, вторые выводы первого и второго дросселей через соответствующие датчики токов соединены с нагрузкой и с коллекторами второго и четвертого транзисторов соответственно, управляющие входы первого, второго, третьего и четвертого транзисторов соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым выводами системы управления, являющимися ее соответствующими выходами; параллельно второму и четвертому транзисторам соответственно включены первый и второй датчики напряжения, информационные выходы первого и второго датчиков тока, первого и второго датчиков напряжения соединены соответственно с пятым, восьмым, шестым и седьмым выводами системы управления, являющимися соответственно ее первым, четвертым, вторым и третьим информационными входами, кроме того, девятый, десятый, одиннадцатый, двенадцатый и тринадцатый выводы системы управления образуют соответственно ее пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый входы и служат для выбора режима работы источника, задания амплитуды положительной и отрицательной полуволн тока или напряжения, регулирования частоты выходного сигнала и выбора формы выходного сигнала соответственно [RU 134371, МПК H02M 9/00, опубликовано 10.11.2013]. Недостатками данной полезной модели являются:
- применение двух источников постоянного напряжения, а также высокая сложность реализации ввиду необходимости применения микроконтроллерного управления и высокой вычислительной нагрузки для формирования выходного напряжения синусоидальной формы;
- коммутация обеих частей асимметричного выходного сигнала, большой и малой полуволн, что ограничивает применение указанного решения на источниках большой мощности по причине усложнения конструкции и, как следствие, роста стоимости источника при коммутации больших токов и напряжений.
H1
H2
H1
H2
Известен также источник асимметричного синусоидального тока или напряжения, содержащий четыре диода, два транзистора, управляющие входы которых связаны с системой управления, трансформатор, первичная обмотка которого является входом, а две вторичные обмотки, имеющие средние точки, соединены между собой и с первыми выводами первой и второй нагрузки соответственно, два дросселя, третий и четвертый транзисторы; при этом конец первой вторичной обмотки соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с другим выводом первой нагрузки, а 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 выводом второй нагрузки, а начало второй вторичной обмотки соединено с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с анодом четвертого диода, при этом управляющие входы третьего и четвертого транзисторов связаны с соответствующими выводами системы управления и пятый, шестой диоды; при этом катод пятого диода соединен с катодом третьего диода и с одним из выводов первого дросселя, второй вывод которой соединен со вторым выводом первой нагрузки и анодом первого диода; а катод шестого диода соединен с катодом четвертого диода и с одним из выводов второго дросселя, второй вывод которой соединен с вторым выводом второй нагрузки и анодом второго диода; 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, а также с первыми выводами первой и второй нагрузок; кроме того, система управления имеет пятый и шестой выводы, при этом пятый вывод связан с входом сети, а шестой вывод является управляющим [RU 69350, МПК H02M 9/00, H02M 9/06, опубликовано 10.12.2007], взятый в качестве ближайшего аналога. Применение диода при формировании большой полуволны асимметричного сигнала и исключение устройств коммутации из контура позволяет устранить недостатки приведенных выше технических решений в вопросе реализации источника асимметричного напряжения высокой мощности. Однако решение задачи симметричного распределения нагрузки для исключения подмагничивания трансформатора привело к появлению двух симметричных нагрузок, работающих в противофазе, но электрически соединенных между собой средним выводом вторичной обмотки трансформатора, что в некоторых случаях может быть очень существенным негативным фактором. Так, применение гальванической ванны, требующей асимметричного источника напряжения с коэффициентом асимметрии 10:1 и напряжениями в полуволнах 800 вольт (В) и 80 В означает, что и источник, и питаемое им электрооборудование удовлетворяет требованиям электробезопасности для установок с напряжением до 1000 В. Использование же источника по предложенной схеме с наличием гальванической связи между двумя противофазными нагрузками приводит к ситуации, когда между деталями оборудования - двумя стоящими рядом гальваническими ваннами, являющимися нагрузками R и R - возникает напряжение 1600 В: сумма верхней полуволны 800 В нагрузки R и нижней полуволны 800 В нагрузки R, работающих в противофазе, что очень опасно и требует дополнительных мер защиты и сертификации обслуживающего персонала по более высоким нормам допуска.
Задача заявляемой полезной модели состоит в том, чтобы обеспечить гальваническую развязку двух потребителей асимметричного тока или напряжения, сохраняя при этом возможность работы на больших мощностях без непродуктивного рассеяния энергии, симметричное распределение энергии на сердечник трансформатора для исключения эффекта подмагничивания, а также возможность изменения коэффициента асимметрии (симметрии) и его плавного регулирования в заданном диапазоне в соответствии с требованиями электрохимической технологии.
Решение поставленной задачи достигается за счет того, что источник асимметричного синусоидального тока или напряжения с гальванической развязкой каналов, содержит шесть диодов, четыре оптотранзистора, управляющие входы которых связаны с системой управления, трансформатор, первичная обмотка которого является входом, а четыре попарно симметричные вторичные обмотки соединены между собой и с первыми выводами первой и второй нагрузки соответственно, два дросселя; при этом конец первой вторичной обмотки соединен с катодом первого диода, анод которого соединен с другим выводом первой нагрузки, а конец третьей вторичной обмотки соединен с коллектором первого оптотранзистора, эмиттер которого соединен с анодом третьего диода; начало второй вторичной обмотки соединено с катодом второго диода, анод которого соединен с другим выводом второй нагрузки, а начало четвертой вторичной обмотки соединено с коллектором второго оптотранзистора, эмиттер которого соединен с анодом четвертого диода, при этом катод пятого диода соединен с катодом третьего диода и с одним из выводов первого дросселя, второй вывод которого соединен со вторым выводом первой нагрузки и анодом первого диода; а катод шестого диода соединен с катодом четвертого диода и с одним из выводов второго дросселя, второй вывод которого соединен со вторым выводом второй нагрузки и анодом второго диода; при этом анод пятого диода соединен с эмиттером третьего оптотранзистора, а анод шестого диода соединен с эмиттером четвертого оптотранзистора, коллектор которого соединен с выводами второй и четвертой вторичных обмоток трансформатора одной половины источника, а также с первым выводом второй нагрузки; коллектор третьего оптотранзистора соединен со вторыми выводами первой и третьей вторичных обмоток трансформатора второй половины источника, а также с первым выводом первой нагрузки; кроме того, система управления имеет пятый и шестой выводы, при этом пятый вывод связан с входом сети, а шестой вывод является управляющим
В отличие от ближайшего аналога, трансформатор имеет четыре вторичные обмотки, попарно симметричные на каждую нагрузку, а управление силовой частью источника питания осуществляется оптотранзисторами, что обеспечивает гальваническое разделение обеих нагрузок на два электрически не связанных блока, каждый из которых обеспечивает питание нагрузки асимметричным током или напряжением при возможности плавного регулирования значения коэффициента асимметрии (симметрии), удовлетворяющего требованиям электрохимической технологии.
Первая вторичная обмотка трансформатора формирует большую полуволну выходного напряжения на первой нагрузке, а третья вторичная обмотка трансформатора формирует малую полуволну выходного напряжения на первой нагрузке. Соотношение числа витков выходных обмоток трансформатора определяет заданные параметры коэффициента асимметрии выходного сигнала. Аналогично для второго канала источника: вторая вторичная обмотка трансформатора формирует большую полуволну выходного напряжения на второй нагрузке, а четвертая вторичная обмотка трансформатора формирует малую полуволну выходного напряжения на второй нагрузке. Вторичные обмотки трансформатора должны быть правильно сфазированы: первая и третья должны быть синфазны относительно своей общей точки, вторая и четвертая должны быть синфазны относительно своей общей точки и при этом противофазны первой и третьей.
Допустимо использование двух раздельных трансформаторов: один - с двумя силовыми симметричными обмотками, второй - с симметричными слаботочными обмотками. Однако в этом случае обязательна процедура предварительного фазирования первичных и вторичных обмоток для удовлетворения описанных выше требований.
Для правильной работы схемы напряжение на третьей и четвертой вторичных обмотках трансформатора должно быть обязательно меньше, чем напряжение на первой и второй вторичных обмотках на величину напряжения уверенного закрытия первого и второго диодов.
Применение оптотранзисторов (оптических элементов управления) позволяет гальванически отделить силовые части источника питания друг от друга и от общей системы управления, сделав их независимыми.
Кроме того, система управления содержит генератор пилообразного напряжения, компаратор, генератор прямоугольных импульсов, два логических инвертора, четыре логических элемента «И», при этом выход генератора пилообразного напряжения соединен с инверсным входом компаратора, прямой вход которого является входом системы управления, на который подается управляющее напряжение; выход 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 генератора прямоугольных импульсов является синхронизирующим входом системы управления, на который подается входное синусоидальное напряжение, а выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом второго логического инвертора и со вторыми входами второго и четвертого логических элементов «И»; выход второго логического инвертора соединен со вторыми входами первого и третьего логических элементов «И», при этом выходы всех логических элементов «И» являются выходами системы управления и соединены соответственно с управляющими входами оптотранзисторов.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- фиг. 1 - функциональная схема источника асимметричного синусоидального тока или напряжения;
- фиг. 2 - пример выполнения системы управления.
вx
H1
H2
H1
H2
вx
упр
Источник асимметричного синусоидального тока (напряжения) на фиг. 1 содержит: шесть диодов VD1-VD6; четыре оптотранзистора VT1-VT4, управляющие входы которых соединены с соответствующими выводами системы управления СУ; два дросселя L1-L2 и трансформатор, первичная обмотка TV 1.1 которого является входом, на который подается входное синусоидальное напряжение U. Четыре вторичные обмотки трансформатора TV1.2 и TV1.4, TV1.3 и TV1.5 соединены между собой и с первыми выводами первой R и второй R нагрузок и с коллекторами третьего VT3 и четвертого VT4 оптотранзисторов соответственно. Конец первой вторичной обмотки TV1.2 соединен с концом третьей вторичной обмотки TV1.4 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 R. Второй вывод дросселя L1 соединен с катодами диодов VD3 и VD5. Анод диода VD3 соединен с эмиттером оптотранзистора VT1, коллектор которого соединен с концом третьей вторичной обмотки TV1.4. Начало второй вторичной обмотки TV1.3 соединено с началом четвертой вторичной обмотки TV1.5 через цепочку: VD2-L2-VD4-VT2. При этом начало второй вторичной обмотки TV1.3 соединено с катодом второго диода VD2, анод которого соединен с выводом второй нагрузки R 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 оптотранзистора VT2, коллектор которого соединен с началом четвертой вторичной обмотки TV1.5. Анод шестого диода VD6 соединен с эмиттером четвертого оптотранзистора VT4, а анод пятого диода VD5 соединен с эмиттером третьего оптотранзистора VT3, при этом коллекторы третьего VT3 и четвертого VT4 оптотранзисторов 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.
упр
вx
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 элементы «И» 6, 7, 8, 9. Причем 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 оптотранзисторов VT3, VT4, VT1, VT2.
H1
H2
вx
вx
Работа источника рассмотрена на следующем примере. В источнике трансформатор выполнен в виде многообмоточного понижающего трансформатора. Использованы биполярные оптотранзисторы 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 R и R. Система управления СУ выполнена 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, инверторы 4 и 5 и логические элементы «И» 6, 7, 8, 9 являются стандартными логическими элементами.
вx
тp1
тр2
вx
H1
H1
H1
H1
H2
Источник асимметричного синусоидального тока или напряжения работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение U поступает на первичную обмотку TV1.1 трансформатора и повторяется с учетом соответствующих коэффициентов трансформации К и К на первой VT1.2 и второй VT1.3 вторичных обмотках трансформатора. При положительной полярности входного напряжения U (обозначено на фиг.1 знаками «-» и «+» без скобок) первый диод VD1 открывается и по контуру: начало первой вторичной обмотки TV1.2- R-VD1-конец первой вторичной обмотки TV1.2, к первой нагрузке R прикладывается напряжение вторичной обмотки TV1.2 трансформатора. Тем самым на первой нагрузке R формируется положительная (большая) полуволна, причем за положительное значение напряжения на нагрузке принята полярность, при которой плюс напряжения приложен к точке соединения обмоток трансформатора TV1.2 и TV1.4, а также первой нагрузки R. При этом ко второму диоду VD2 приложено напряжение второй вторичной обмотки VT1.3 в обратном направлении, поэтому он закрыт и не пропускает это напряжение на вторую нагрузку R.
H1
упр
упр
вx
вx
вx
вx.
вх
Одновременно с формированием положительной (большой) полуволны на первой нагрузке R 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 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 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 оптотранзистор VT2 при положительной (на фиг.1 обозначено знаками «плюс», «минус» без скобок) полярности входного сигнала U, и - на оптотранзистор VT1 при отрицательной (на фиг.1 обозначено знаками «-», «+» в скобках) полярности входного сигнала U При этом на оптотранзисторы VT2 и VT4 поступают инвертированные управляющие импульсы с выхода соответственно инверторов 4 и 5 (фиг.2) и соответственно полярности входного сигнала U.
H1
вx
н2
H2
н2
H2
H2
Таким образом, на управляющие входы оптотранзисторов VT1-VT4 (фиг.1) подаются управляющие сигналы, при этом высокий уровень управляющего сигнала, поданного на управляющий вход оптотранзистора, соответствует открытому состоянию оптотранзистора, а низкий - закрытому. При положительной полярности входного сигнала оптотранзисторы VT1 и VT3 закрыты, предотвращая тем самым шунтирование нагрузки R. При этом оптотранзисторы VT2 и VT4 переключаются с частотой много большей частоты входной сети в противотакте на всем полупериоде входного синусоидального напряжения U. При открытом оптотранзисторе VT2 (оптотранзистор VT4 при этом закрыт) к дросселю L2 прикладывается напряжение по контуру: начало четвертой вторичной обмотки TV1.5-VT2-VD4-L2-R-конец четвертой вторичной обмотки TV1.5. В результате чего ток в дросселе L2 и соответственно во второй нагрузке R начинает нарастать. При закрытом оптотранзисторе VT2 оптотранзистор VT4 открыт, и ток дросселя L2 протекает по контуру L2-R-VT4-VD6. Энергия дросселя передается в нагрузку, вследствие чего ток дросселя L2 и, соответственно, второй нагрузки R начинает спадать. Таким образом, на второй нагрузке R сформирована отрицательная (малая) полуволна квазисинусоидального тока.
H2
H1
При смене полярности входного сигнала процессы повторяются: формирование положительной (большой) полуволны происходит на второй нагрузке R со второй вторичной обмотки трансформатора VT1.3, а формирование отрицательной (малой) полуволны с помощью оптотранзисторов VT1 и VT3 происходит на первой нагрузке R с третьей вторичной обмотки трансформатора VT1.4.
Плавным изменением длительности включенного состояния оптотранзисторов VT1-VT2 в пределах от 0 до 1, достигается плавное изменение амплитуды малой полуволны напряжения (тока) от нуля до его максимального значения, определяемого коэффициентом трансформации третьей VT1.4 и четвертой VT1.5 вторичных обмоток трансформатора и, следовательно, изменяется 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 оптотранзистора как угодно малы) вследствие фильтрующих свойств дросселя.
Заявляемая полезная модель позволяет обеспечить гальваническую развязку двух потребителей асимметричного тока или напряжения, сохраняя при этом возможность работы на больших мощностях без непродуктивного рассеяния энергии, при одновременном изменении коэффициента асимметрии (симметрии) и его плавного регулирования в заданном диапазоне.
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).