JP2014087220A - Power-supplying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電力供給装置に関する。さらに詳しくは、本発明は、互いに異なる2つの周波数からなる電力を合成して負荷に供給する電力供給装置、例えば抵抗溶接機等の負荷に電力を供給する電力供給装置に関する。 The present invention relates to a power supply device. More specifically, the present invention relates to a power supply apparatus that combines powers having two different frequencies and supplies the power to a load, for example, a power supply apparatus that supplies power to a load such as a resistance welder.
電力供給装置の一例として、スポット溶接装置は、重ね合わせた鋼板同士を溶接するために用いられている。図11は、鋼板50同士のスポット溶接を模式的に示す断面図である。図11に示すように、鋼板50同士のスポット溶接は、鋼板50同士の重ね合わせ部分を一対の電極52で挟み、この電極52に矢印方向に所定の力を作用させて鋼板50同士を加圧する。
次に、加圧状態を保持しながら電極52へkAオーダーの大電流を通電し、鋼板50同士の圧着部分をジュール発熱にて瞬間溶融し、ナゲット54と呼ばれる所定径の溶融した塊を形成することにより行われる(例えば、非特許文献1参照)。
As an example of a power supply device, a spot welding device is used to weld stacked steel plates. FIG. 11 is a cross-sectional view schematically showing spot welding between the
Next, a large current of kA order is applied to the
特許文献1には、金属材であるワークにスポット溶接用の電源からの電力でナゲットを形成し、さらに高周波電源からの電力でワークの加熱を行う金属材の溶接装置が開示されている。
図12は、特許文献1に開示された溶接装置60において、低周波電源62と、高周波電源64との2周波数による合成回路を説明する等価回路図である。
図12に示すように、2周波数による合成回路は、低周波電源62と、高周波電源63と、コイル64と、コンデンサ65と、低周波電源62と高周波電源64とが印加される負荷66とから構成されている。低周波電源62の一端は、コイル64の一端に接続され、コイル64の他端が負荷66の一端に接続されている。低周波電源62の他端は、負荷66の他端に接続されている。高周波電源63の一端は、コイル64の一端に接続されている。高周波電源63の他端は、コンデンサ65を介して負荷66の他端に接続されている。コイル64は、リアクトルとも呼ばれている。
FIG. 12 is an equivalent circuit diagram for explaining a combined circuit using two frequencies of a low-
As shown in FIG. 12, the two-frequency synthesis circuit includes a low-
図12に示すように、高周波電流は、下記(1)式で表される。 As shown in FIG. 12, the high-frequency current is expressed by the following equation (1).
ここで、I0は高周波電流、I1はI0の内低周波電源62側に流れる高周波電流、I2はI0の内負荷66に流れる高周波電流である。つまり、高周波電流I0は、負荷66側に流れるI2と低周波電源62側に流れるI1との和である。I1は負荷66側にとっては無意味な電流であり、低周波電源にとっては有害な電流である。
Here, I 0 is a high frequency current, I 1 is the high-frequency current, I 2 flowing within the low-
図12に示すように、低周波電流は、下記(2)式で表される。 As shown in FIG. 12, the low frequency current is expressed by the following equation (2).
ここで、I3は低周波電流、I4はI3の内高周波電源63側に流れる低周波電流、I5はI3の内負荷66に流れる低周波電流である。
Here, I 3 is low frequency current, I 4 is a low-frequency current flowing through the inner high frequency power source 63 side of the I 3, I 5 is a low-frequency current flowing in the
低周波電源62と高周波電源63とを合成する場合、一般的にはインダクタンス、つまりコイル64を挿入して、低周波電源62と高周波電源63との両電源を合成する。このインダクタンスの目的は高周波電源63からの高周波電流が低周波電源62に流れ込まないようにする為である。例えば、低周波電源の周波数がfLの場合、インダクタンスつまり誘導性リアクタンスLのインピーダンス(XL)は、下記(3)式で表される。
When synthesizing the low
このインピーダンス(XL)の低周波電源62と高周波電源63との周波数の差がインピーダンスの差となり、このインピーダンスは線形に変化する。
The difference in frequency between the low-
上記の低周波電源62と高周波電源63の合成回路においては、コイル64は低周波電源62と直接に接続されているので低周波電流であるI3にも影響を及ぼす。つまり、コイル64を挿入して高周波電流の低周波電源62への挿入を防ぐには、低周波電源62からの電流であるI3に影響を及ぼし負荷66への低周波電流を流れ難くする。これにより、接続されたコイル64からなるインダクタンスによって低周波電源62の電圧を大きくして同じ電流を流さなければならない、つまり、低周波電源62の電源容量を増加させる必要が生じる。
In the combined circuit of the low-
本発明は、上記課題に鑑み、2周波数による合成回路において、高い周波数をもつ高周波電力が低い周波数用の回路に侵入することを防ぐために用いるインダクタンスにより、低周波電源の電源容量が増加することの影響を小さくできるようにした電力供給装置を提供することを目的とする。 In view of the above-mentioned problems, the present invention has the advantage that the power capacity of a low-frequency power source is increased by an inductance used to prevent high-frequency power having a high frequency from entering a low-frequency circuit in a two-frequency synthesis circuit. It is an object of the present invention to provide a power supply device that can reduce the influence.
上記目的を達成するため、本発明の電力供給装置は、低周波電源と、低周波電源に接続される可飽和リアクトルと、高周波電源と、高周波電源に接続されるコンデンサとを備え、可飽和リアクトルの一端は低周波電源の一端に接続され、可飽和リアクトルの他端は負荷の一端に接続され、コンデンサの一端は高周波電源の一端に接続され、コンデンサの他端は負荷の他端に接続され、低周波電源からの出力電力と高周波電源からの出力電力とを負荷に供給することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power supply apparatus according to the present invention includes a low-frequency power source, a saturable reactor connected to the low-frequency power source, a high-frequency power source, and a capacitor connected to the high-frequency power source, and a saturable reactor. Is connected to one end of the low frequency power supply, the other end of the saturable reactor is connected to one end of the load, one end of the capacitor is connected to one end of the high frequency power supply, and the other end of the capacitor is connected to the other end of the load. The output power from the low frequency power supply and the output power from the high frequency power supply are supplied to the load.
上記構成において、好ましくは、電力供給装置と負荷との間には電極が備えられ、電極に印加される低周波電源により溶接が実行される。
可飽和リアクトルは、好ましくは、制御巻き線付き可飽和リアクトルである。
電力供給装置は、好ましくは、さらに、別の低周波電源又は高周波電源を備えている。
In the above configuration, preferably, an electrode is provided between the power supply device and the load, and welding is performed by a low-frequency power source applied to the electrode.
The saturable reactor is preferably a saturable reactor with a control winding.
The power supply device preferably further includes another low-frequency power source or a high-frequency power source.
本発明の電力供給装置によれば、低周波電源と直列に可飽和リアクトルを接続することにより、従来のコイルを用いた低周波電源と高周波電源との合成回路に比較して、低周波電源への電圧の影響を殆どゼロに削減することができる。 According to the power supply device of the present invention, by connecting a saturable reactor in series with a low frequency power supply, compared to a conventional synthesis circuit of a low frequency power supply and a high frequency power supply using a coil, to a low frequency power supply. Can be reduced to almost zero.
以下、図面に示した実施形態に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は、第1の実施形態に係る電力供給装置1の構成を示す回路図である。
図1において、電力供給装置1は、低周波電源2と、低周波電源2に直列に接続される可飽和リアクトル3と、高周波電源4と、高周波電源4に接続されるコンデンサ5と、を備えて構成されている。電力供給装置1の出力端子6には、負荷7が接続される。可飽和リアクトル3の一端は低周波電源2の一端に接続され、可飽和リアクトル3の他端は負荷7の一端に接続されている。コンデンサ5の一端は高周波電源4の一端に接続され、コンデンサ5の他端は負荷7の他端に接続されている。負荷7の他端は、接地されていてもよい。
なお、低周波電源2及び高周波電源4の周波数を、それぞれ、第1周波数(fLと表記する。)、第2周波数(fHと表記する。)と呼ぶ。第2周波数fHは第1周波数fLよりも高い周波数である。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a
In FIG. 1, the
Note that the frequencies of the low-
低周波電源2としては、50Hz又は60Hzの商用電源や、所謂インバータからなる発振器等を用いることができる。同様に、高周波電源4としては、インバータからなる発振器を用いることができる。
As the low-
図2は可飽和リアクトル3の構成を示す斜視図である。図2に示すように、可飽和リアクトル3は、磁芯3aと巻線3bとから構成されている。磁芯3aは磁性体からなり、鉄芯やフェライトでなるコアが使用される。図2に示すように、可飽和リアクトル3は、例えばフェライトからなる磁芯3aに所定回数で絶縁被覆した銅線を巻回した巻線3bから構成されている。巻線3bの巻数によって可飽和リアクトル3のインダクタンス値は変化する。
FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of the
磁芯3aとなるフェライトコアとしては、TDK社製のPE22T等のコア材を用いることができる。このコア材は、内径が50mm、外径が80mmmで、高さが20mmm程度である。 As a ferrite core used as the magnetic core 3a, a core material such as PE22T manufactured by TDK can be used. The core material has an inner diameter of 50 mm, an outer diameter of 80 mm, and a height of about 20 mm.
図3は、図2の可飽和リアクトル3の電流値に対するインダクタンス値の変化を示す図である。図3に示すように、可飽和リアクトル3のインダクタンス値は、低電流領域では大きな値になり、大電流値領域では非常に小さな値になる。つまり、低周波電源2に直列に接続される可飽和リアクトル3に流れる低周波の大電流で、この可飽和リアクトル3が飽和して、インダクタンス値が小さくなるように設計しておけばよい。この場合、低周波電流が流れることによる可飽和リアクトル3の電圧降下はなくなり、つまり非常に小さくなる。
FIG. 3 is a diagram illustrating a change in inductance value with respect to the current value of the
このため、低周波電源2の電圧は、殆ど負荷7に印加される。これにより、低周波電源2の電圧は、可飽和リアクトル3を使用しないで従来のインダクタンスを用いた場合にインダクタンスで生じた電圧降下はなくなり、低周波電源2の電圧を増大させる必要がなくなる。
For this reason, the voltage of the low
コンデンサ5の一端は高周波電源4の他端に接続され、コンデンサ5の他端は負荷7の他端に接続されている。つまり、コンデンサ5の他端は接地されており、所謂グランドに接続されている。コンデンサ5による容量性リアクタンスXCは、下記(4)式で与えられる。
One end of the
容量性リアクタンスXCは低周波数(fL)では大きな値となる。このため、低周波電源2の高周波電源4への電流漏洩は、低周波数(fL)におけるコンデンサ5の大きい容量性リアクタンスXCで阻止される。つまり、コンデンサ5は低周波電流阻止用コンデンサとなる。
The capacitive reactance X C has a large value at a low frequency (f L ). For this reason, current leakage from the low
高周波電源4から低周波電源2を見た場合のインピーダンスの内、高周波数(fH)の容量性リアクタンスXC(XC=1/(2πfHC)、ここで、fHは高周波電源4の周波数である。)は、高周波数では小さな値となる。
Of the impedance when the low-
一方、高周波数では、可飽和リアクトル3のインダクタンス(L)による誘導性リアクタンスXLは下記(5)式で与えられる。
On the other hand, in the high frequency, the inductive reactance X L due to the inductance (L) of the
ここで、fHは高周波電源4の周波数である。
(5)式で与えられるXLは、高周波電源4の周波数(fH)では大きな値となる。このため、高周波電源4の低周波電源2への電流漏洩は、高周波数(fH)における可飽和リアクトル3の大きい誘導性リアクタンスXLで阻止される。つまり、可飽和リアクトル3は、高周波電流阻止用インダクタンスとなる。
Here, f H is the frequency of the high
X L given by the equation (5) is a large value at the frequency (f H ) of the high-
電力供給装置1において、コンデンサ5は低周波電源2から高周波電源4への電流阻止用コンデンサとして作用し、可飽和リアクトル3は高周波電源4から低周波電源2への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。
In the
図1の電力供給装置1では、可飽和リアクトル3を使用しているので、図2に示すように、不飽和部分では線形に変化するが、飽和領域になるとインピーダンスはほぼゼロになる。このため、低周波の大電流にて飽和する可飽和リアクトル3によって低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をほぼ無くすことができ、低周波電源2の電源容量の増加を無くすことができる。つまり、電力供給装置1では、従来の低周波電源と高周波電源との合成回路で使用されていた高周波流入用インダクタンス(コイル)を、可飽和リアクトル3に変更することにより、低周波電源からの電流への影響を削減することができる。これにより、可飽和リアクトル3の低周波電源への影響を殆どゼロに削減することができる。
Since the
(電力供給装置の変形例)
図4は、電力供給装置20の変形例の構成を示す回路図であり、図5は、制御巻き線付き可飽和リアクトル23の構成を示す斜視図であり、図6は、制御巻き線付き可飽和リアクトル23のインピーダンスの制御電流依存性を示す図である。
図4に示す電力供給装置20が、図1の電力供給装置1と異なるのは、低周波電源2に接続される可飽和リアクトル3を、制御巻き線付き可飽和リアクトル23に代えた点と、制御巻き線23cに流すバイアス電流制御部25を備えている点にある。他の構成は、図1の電力供給装置1と同じであるので説明は省略する。
(Modification of power supply device)
4 is a circuit diagram showing a configuration of a modified example of the
The
図5に示すように、制御巻き線付き可飽和リアクトル23は、図3に示す可飽和リアクトル3にさらに、直流電流が印加される制御巻き線23cを有している。つまり、制御巻き線付き可飽和リアクトル23は、磁芯23aと低周波電源2に接続される交流側の巻線23bと、直流電流が印加される制御巻き線23cとから構成されている。
As shown in FIG. 5, the
図6に示す制御巻き線付き可飽和リアクトル23では、制御巻き線23cに直流の制御電流(バイアス電流とも呼ぶ。)を流すと、磁芯23aが直流磁場で励磁され、制御電流を増大させるとコアが磁気飽和し易くなるので、低周波電源2が印加される交流側の巻線23bの交流インピーダンスは急速に低下する。バイアス電流の増加と共に磁芯23aに印加される直流磁場が増大し、磁芯23aが飽和すると、制御巻き線付き可飽和リアクトル23の交流インピーダンスは極めて小さくなる。
In the
制御巻き線付き可飽和リアクトル23に流す制御電流は、バイアス電流制御部25により制御される。バイアス電流制御部25では、負荷7に低周波電源2を印加するときだけ、制御巻き線付き可飽和リアクトル23の交流インピーダンスが最も小さくなるバイアス電流が流れるように制御すればよい。負荷7に高周波電源4を印加するときは、制御巻き線付き可飽和リアクトル23のバイアス電流は、交流インピーダンスが大きくなるようにバイアス電流を小さくすればよい。
The control current flowing through the
電力供給装置20では、制御巻き線付き可飽和リアクトル23を使用しているので、図6に示すように、バイアス電流の制御により、低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をより顕著に低減することができる。
Since the
図7は、バイアス電流制御部25の動作を説明するためのタイムチャートである。図7の横軸は時間であり、縦軸はバイアス電流制御部25から制御巻き線付き可飽和リアクトル23の制御巻き線23cに印加される電流波形と、負荷7に流れる電流波形である。負荷7には、低周波電源2の印加後に高周波電源4が印加される電流波形を示している。
図7に示すように、制御巻き線23cには、負荷7に流れる低周波電流と同時にバイアス電流が印加される。このバイアス電流を流す時間で制御巻き線付き可飽和リアクトル23を過飽和にして制御巻き線付き可飽和リアクトル23のインピーダンスを非常に小さくして、電圧降下を無くすことができる。これにより、図4に示す電力供給装置20によれば、図1の電力供給装置1よりもさらに効率よく低周波電流による電圧降下を生じさせないで、低周波電源2の電圧を殆ど負荷7に印加し、かつ、高周波電源4からの電流の流入がないようにすることができる。
FIG. 7 is a time chart for explaining the operation of the bias
As shown in FIG. 7, a bias current is applied to the control winding 23c simultaneously with the low-frequency current flowing through the
次に、本発明の第1の実施形態に係る電力供給装置の変形例を説明する。本変形例では、電力供給装置1の負荷7の例として、スポット溶接機について説明する。
図8は、本発明の実施形態に係る電力供給装置1を用いた溶接装置40の構成の一例を模式的に示す図であり、図9は、図8に示す溶接装置40の電気回路図である。
図8に示すように、溶接装置40は、電力供給装置1にさらに、電極部10と、低周波電源2及び高周波電源4の各出力制御を行う通電制御部8とを含んで構成されている。電極部10は、電極アーム12と、電極アーム12の上部12A、下部12Bにそれぞれ一端が接続されている電極支持部13と、各電極支持部13の他端にそれぞれ接続される一対の電極14と、から構成されている。
Next, a modified example of the power supply device according to the first embodiment of the present invention will be described. In this modification, a spot welder will be described as an example of the
FIG. 8 is a diagram schematically showing an example of the configuration of the
As shown in FIG. 8, the
低周波電源2は、可飽和リアクトル3を介して電極12に接続されている。高周波電源4は、コンデンサ5を介して電極12に接続されている。電力供給装置1は、制御巻き線付き可飽和リアクトル23を用いた電力供給装置20の構成としてもよい。電力供給装置20の場合には、可飽和リアクトル3を制御巻き線付き可飽和リアクトル23とし、バイアス電流制御部25を追加すればよい。
なお、溶接装置40は、図示していないが、電極アーム12を支持する固定ベース、電極アーム12を駆動する駆動機構、電極支持部13から一方の電極14を押し出す押圧機構(図示せず)などをさらに備えている。押圧機構は、後述する被溶接部材となる金属材19を電極14,14で加圧するために使用される。
The low
Although not shown, the
一対の電極14,14は隙間を有して対向しており、その隙間に金属材19として2枚の鋼板が挿入される。電極14は例えば銅からなる。電極14の鋼板19に接触する面の形状は、円や楕円の形状を有しており、円柱やロッド状の形状を有している。一対の電極14に挟まれる2枚の鋼板19が、図1に示す電力供給装置1の負荷7に相当している。
The pair of
図9に示すように、溶接装置40の電気回路は、点線で囲んだ電力供給装置1と電極部10とからなる。低周波電源2は、溶接用電源であり、例えば出力周波数が50Hz又は60Hzである商用電源22と、商用電源22の一端に接続される低周波電源制御部24と、商用電源22の他端と低周波電源制御部24の出力端に接続される溶接トランス26と、から構成されている。溶接トランス26の2次巻き線26Aの両端が、それぞれ、電極アーム12の上部12Aの左側端部及び下部12Bの左側端部に接続されている。低周波電源制御部24は、サイリスタなどの電力制御用半導体素子及びゲート駆動回路等から構成されており、商用電源22から電極14への通電制御などを行う。
As shown in FIG. 9, the electric circuit of the
溶接トランス26の二次側巻き線26Aに並列にバイパスコンデンサ27が接続されている。バイパスコンデンサ27は、高周波電源4の周波数に対して低い容量性インピーダンスを有している。このため、高周波電源4からの高周波電圧が二次側巻き線16Aに印加される電圧を最小限にし、溶接トランス26の一次側への高周波誘起電圧を低くすることができる。
A bypass capacitor 27 is connected in parallel with the secondary winding 26 </ b> A of the
高周波電源4は、発振器28と発振器28の出力端に接続される整合トランス30とから構成されている。整合トランス30の一端は、電極アーム12の上部12Aに接続されている。整合トランス30の他端は、コンデンサ5を介して電極アーム12の下部12Bに接続されている。このコンデンサ5は、後述する直列共振回路の整合用コンデンサを兼ねることができる。コンデンサ5の容量値は、発振器28の発振周波数と電極アーム12の浮遊インダクタンス32に依存する。発振器28は、各種のトランジスタを用いたインバータなどから構成されており、電極14への高周波電源4の通電電力等を制御する。
The high-
上記の直列共振回路は、整合用コンデンサ5と電極アーム12で生じる浮遊インダクタンス32とにより構成してもよい。
The series resonance circuit may be configured by the matching
溶接装置40において、コンデンサ5は、低周波電源2から高周波電源4への電流阻止用コンデンサとして作用する。可飽和リアクトル3は、高周波電源4から低周波電源2への電流阻止用インダクタンス、つまりチョークコイルの作用をする。さらに、可飽和リアクトル3は、低周波の大電流において飽和するのでそのインダクタンスは非常に小さくなることから、低周波電流によるインダクタンスの電圧降下をほぼ無くすことができ、低周波電源2の電源容量の増加を無くすことができる。
In the
(鋼板に生じる電流分布)
図10は、重ね合わせた2枚の鋼板19へ低周波電源2と高周波電源4とから電力を同時に印加したとき鋼板19に生じる電流分布を模式的に示す断面図である。
図10において、実線は高周波電源4による高周波電流36を示し、点線は低周波電源2による低周波電流38を示している。電極4は銅からなり、直径は6mmで、低周波電源2の周波数は50Hzである。1枚の鋼板19の厚さは2mmであり、高周波電源4の周波数は25kHzである。低周波電流38は電極14,14の内部全体を流れ、鋼板19は、おおよそナゲット径の断面積幅で通電される。
ここで、ナゲット全体は、電極14の軸断面を鋼板19に投影した円形内部19Aに対応している。
(Current distribution in the steel sheet)
FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing a current distribution generated in the
In FIG. 10, the solid line indicates the high-frequency current 36 from the high-
Here, the whole nugget corresponds to a circular interior 19 </ b> A obtained by projecting the axial cross section of the
上記の高周波電源4による鋼板19の加熱時間は通電制御部8で制御することができるので、スポット溶接する鋼板19等のスポット溶接箇所だけの部分昇温ができ、加熱に要する電力消費を低減することができる。
Since the heating time of the
上記の電力供給装置1、20や溶接装置40においては、さらに、別の低周波電源や高周波電源を備えて構成されていてもよい。低周波電源を追加する場合には、この追加する低周波電源に直列に可飽和リアクトル3を接続すればよい。また、高周波電源を追加する場合には、この追加する高周波電源に直列にコンデンサ5を接続すればよい。
The
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。上述した実施形態における可飽和リアクトル3のインダクタンスの値は、低周波電源2の周波数や出力電力に応じて適宜に設計することが可能である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. Absent. The inductance value of the
1、20:電力供給装置
2:低周波電源
3:可飽和リアクトル
3a、23a:磁芯
3b、23b:巻線
4:高周波電源
5:コンデンサ
6:出力端子
7:負荷
8:通電制御部
10:電極部
12:電極アーム
12A:上部
12B:下部
13:電極支持部
14:電極
19:金属材
22:商用電源
23:制御巻き線付き可飽和リアクトル
23c:制御巻き線
24:低周波電源制御部
25:バイアス電流制御部
26:溶接トランス
26A:2次巻き線
27:バイパスコンデンサ
28:発振器
30:整合トランス
32:浮遊インダクタンス
36:高周波電流
38:低周波電流
40:溶接装置
DESCRIPTION OF
Claims (4)
上記低周波電源に接続される可飽和リアクトルと、
高周波電源と、
上記高周波電源に接続されるコンデンサと、
を、備え、
上記可飽和リアクトルの一端は上記低周波電源の一端に接続され、該可飽和リアクトルの他端は負荷の一端に接続され、
上記コンデンサの一端は高周波電源の一端に接続され、該コンデンサの他端は上記負荷の他端に接続され、
上記低周波電源からの出力電力と上記高周波電源からの出力電力とを上記負荷に供給することを特徴とする、電力供給装置。 A low frequency power supply,
A saturable reactor connected to the low frequency power source;
A high frequency power supply,
A capacitor connected to the high-frequency power source;
With
One end of the saturable reactor is connected to one end of the low frequency power source, the other end of the saturable reactor is connected to one end of a load,
One end of the capacitor is connected to one end of a high frequency power supply, the other end of the capacitor is connected to the other end of the load,
A power supply device that supplies output power from the low-frequency power source and output power from the high-frequency power source to the load.
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