RU216346U1

RU216346U1 - SOURCE OF ASYMMETRIC SINUSOIDAL VOLTAGE WITH GALVANIC ISOLATION OF CHANNELS

Info

Publication number: RU216346U1
Application number: RU2022121998U
Authority: RU
Inventors: Алексей Иванович Силаков; Татьяна Александровна Леонгард; Александр Сергеевич Соколов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АКВАМИН-ТЕХНОЛОГИИ"
Filing date: 2022-08-12
Publication date: 2023-01-30

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике, более конкретно к источникам, содержащим трансформаторный формирователь асимметричного тока или напряжения. Источник асимметричного синусоидального тока содержит шесть диодов, четыре оптотранзистора, трансформатор, четыре попарно симметричные вторичные обмотки которого соединены между собой, два дросселя, источник содержит систему управления, включающую генератор пилообразного напряжения, компаратор, генератор прямоугольных импульсов, два логических инвертора, четыре логических элемента «И». 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.

The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to converter technology, more specifically to sources containing a transformer driver of asymmetric current or voltage. The source of asymmetric sinusoidal current contains six diodes, four optotransistors, a transformer, four pairwise symmetrical secondary windings of which are interconnected, two chokes, the source contains a control system, including a sawtooth voltage generator, a comparator, a rectangular pulse generator, two logic inverters, four logic elements. AND". The claimed utility model allows for the galvanic isolation of two consumers of asymmetric current or voltage, while maintaining the ability to work at high powers without unproductive energy dissipation.

Description

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.The utility model relates to the field of electrical engineering, namely to converter technology, more specifically to sources containing an asymmetric voltage transformer driver (TFAN). Such sources can be used, for example, in electrochemical technologies, where it is required to control the ratio of the values of positive and negative (large and small) voltage half-waves, as well as in technologies related to electroplating and electrical treatment of solutions, in particular, for water desalination by electrodialysis.

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:A source of asymmetric sinusoidal current or voltage is known from the field of technology, containing a transformer, the primary winding of which is the input, two secondary windings with a midpoint, six diodes, a choke, two transistors, the control inputs of which are connected respectively to the outputs of the control system; wherein the first secondary winding of the transformer forms a common circuit with series-connected first and second loads, while the midpoint of the first secondary winding of the transformer is connected to the anodes of the first, third and fifth diodes; the cathode of the first diode is connected to the end of the first half-winding of the second secondary winding of the transformer and the anode of the second diode, the cathode of which is connected to the cathodes of the fourth and sixth diodes and the first output of the inductor, the second output of which is connected to the anodes of the first and second loads, the cathodes of which are connected, respectively, to the end and the beginning the first and second half-windings of the first secondary winding; the anode of the fourth diode is connected to the middle point of the second secondary winding of the transformer and to the cathode of the third diode; the anode of the sixth diode is connected to the emitter of the second transistor, the collector of which is connected to the beginning of the second half-winding of the second secondary winding and to the emitter of the first transistor, the collector of which is connected to the cathode of the fifth diode [RU 77518, IPC H02M 9/06, published on 10/20/2008]. The disadvantages of this utility model are:

- наличие общей для двух нагрузок обмотки трансформатора (W₂₃), напряжение которой добавляется или вычитается одновременно из формируемых напряжений обеих нагрузок, что не позволяет осуществить гальваническую развязку нагрузок;- the presence of a transformer winding common for two loads (W ₂₃ ), the voltage of which is added or subtracted simultaneously from the generated voltages of both loads, which does not allow for galvanic isolation of the loads;

- взаимное влияние режимов работы нагрузок друг на друга, например, увеличение тока в цепи из-за изменения характеристик нагрузки R_H1, что случается нередко, так как нагрузкой чаще всего является электролизный аппарат, работающий с жидкими растворами, отразится на режиме работы контура с нагрузкой R_H2 вследствие наличия общего для обеих нагрузок участка цепи.- the mutual influence of the modes of operation of the loads on each other, for example, an increase in the current in the circuit due to a change in the characteristics of the load R _H1 , which happens often, since the load is most often an electrolysis apparatus operating with liquid solutions, will affect the mode of operation of the circuit with the load R _H2 due to the presence of a circuit section common to both loads.

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:Also known is a source of asymmetric sinusoidal current or voltage, containing a transformer having a primary winding, which is the input and is connected to the input of the control system, and two secondary windings; two throttles; four transistors, the control inputs of which are connected to the corresponding outputs of the control system, two controlled rectifiers and two capacitors; the beginning and end of the first and second secondary windings of the transformer are the first and second inputs, respectively, of the first and second controlled rectifiers; the first output of the first controlled rectifier through the first inductor is connected to the first output of the first capacitor and the collector of the first and second transistors; and the second output of the second controlled rectifier is connected through the second inductor to the first output of the second capacitor and the emitters of the third and fourth transistors; wherein the second output of the first capacitor, the second output of the first controlled rectifier, the second output of the second capacitor, the first output of the second controlled rectifier, the anode of the first and second loads have a common connection point; moreover, the cathode of the first load, the emitter of the second transistor and the collector of the fourth transistor have a common connection point, and the cathode of the second load has a common connection point with the emitter of the first transistor and the collector of the third transistor; in addition, the control inputs of the first and second controlled rectifiers are respectively connected to the outputs of the control system [RU 79357, IPC H02M 9/00, H02M 9/02, published on 12/27/2008]. The disadvantages of this utility model are:

- формирование формы выходного напряжения на нагрузках путем переключения обмоток трансформатора, являющихся общими для двух нагрузок, что делает их гальванически связанными;- Formation of the output voltage shape on the loads by switching the transformer windings that are common to two loads, which makes them galvanically coupled;

- 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.- switching of both parts of the asymmetric output signal, large and small half-waves, which limits the use of this solution on high power sources due to the complexity of the design and, as a result, the increase in the cost of the source when switching high currents and voltages.

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:A known source of asymmetric current or voltage, containing two voltage sources, a choke, four transistors, two diodes, a second choke, two current sensors, two voltage sensors and a control system; wherein the collector of the first transistor is connected to the positive power bus of the first voltage source, and the emitter of the first transistor is connected to the first terminal of the inductor and through the first diode is connected to the negative terminal of the voltage sources; the emitter of the third transistor through the second diode is connected to the negative bus power supply voltage sources; the emitters of the second and fourth transistors, as well as the anodes of the first and second diodes, are combined and connected to the negative supply rails of the voltage sources, while the collector of the fourth transistor is connected to the second output of the load, while the emitter of the third transistor is connected to the first output of the second inductor, the second outputs of the first and the second inductor is connected through the respective current sensors to the load and to the collectors of the second and fourth transistors, respectively, the control inputs of the first, second, third and fourth transistors are connected, respectively, to the first, second, third and fourth outputs of the control system, which are its respective outputs; parallel to the second and fourth transistors, respectively, the first and second voltage sensors are connected, the information outputs of the first and second current sensors, the first and second voltage sensors are connected respectively to the fifth, eighth, sixth and seventh outputs of the control system, which are respectively its first, fourth, second and third information inputs, in addition, the ninth, tenth, eleventh, twelfth and thirteenth outputs of the control system form, respectively, its fifth, sixth, seventh, eighth and ninth inputs and serve to select the operating mode of the source, set the amplitude of the positive and negative half-waves of current or voltage, regulate the frequency of the output signal and the choice of the form of the output signal, respectively [RU 134371, IPC H02M 9/00, published 11/10/2013]. The disadvantages of this utility model are:

- 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;- the use of two sources of constant voltage, as well as the high complexity of implementation due to the need to use microcontroller control and high computational load to generate a sinusoidal output voltage;

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_H1 и R_H2 - возникает напряжение 1600 В: сумма верхней полуволны 800 В нагрузки R_H1 и нижней полуволны 800 В нагрузки R_H2, работающих в противофазе, что очень опасно и требует дополнительных мер защиты и сертификации обслуживающего персонала по более высоким нормам допуска.A source of asymmetric sinusoidal current or voltage is also known, containing four diodes, two transistors, the control inputs of which are connected to the control system, a transformer, the primary winding of which is the input, and the two secondary windings, having midpoints, are connected to each other and to the first terminals of the first and the second load, respectively, two chokes, third and fourth transistors; wherein the end of the first secondary winding is connected to the cathode of the first diode, the anode of which is connected to another output of the first load, and the end of the second secondary winding is connected to the collector of the first transistor, the emitter of which is connected to the anode of the third diode; the beginning of the first secondary winding is connected to the cathode of the second diode, the anode of which is connected to another terminal of the second load, and the beginning of the second secondary winding is connected to the collector of the second transistor, the emitter of which is connected to the anode of the fourth diode, while the control inputs of the third and fourth transistors are connected to the corresponding terminals control systems and fifth, sixth diodes; wherein the cathode of the fifth diode is connected to the cathode of the third diode and to one of the terminals of the first inductor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the first load and the anode of the first diode; and the cathode of the sixth diode is connected to the cathode of the fourth diode and to one of the terminals of the second inductor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the second load and the anode of the second diode; wherein the anode of the fifth diode is connected to the emitter of the third transistor, and the anode of the sixth diode is connected to the emitter of the fourth transistor, the collector of which is connected to the collector of the third transistor with the midpoints of the first and second secondary windings of the transformer, as well as with the first outputs of the first and second loads; in addition, the control system has the fifth and sixth outputs, while the fifth output is connected to the input of the network, and the sixth output is the control one [RU 69350, IPC H02M 9/00, H02M 9/06, published on 10.12.2007], taken as the nearest analogue. The use of a diode in the formation of a large half-wave of an asymmetric signal and the exclusion of switching devices from the circuit makes it possible to eliminate the disadvantages of the above technical solutions in the implementation of a high-power asymmetric voltage source. However, the solution of the problem of symmetrical load distribution in order to exclude the magnetization of the transformer led to the appearance of two symmetrical loads operating in antiphase, but electrically connected to each other by the middle terminal of the secondary winding of the transformer, which in some cases can be a very significant negative factor. Thus, the use of a plating bath requiring an asymmetric voltage source with a ratio of 10:1 and half-wave voltages of 800 volts (V) and 80 V means that both the source and the electrical equipment fed by it meet the electrical safety requirements for installations with voltages up to 1000 V. Use the same source according to the proposed scheme with the presence of a galvanic connection between two anti-phase loads leads to a situation where between the equipment parts - two adjacent galvanic baths, which are loads R _H1 and R _H2 - a voltage of 1600 V occurs: the sum of the upper half-wave 800 V of the load R _H1 and lower half-wave 800 V loads R _H2 operating in antiphase, which is very dangerous and requires additional protection measures and certification of service personnel according to higher tolerance standards.

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.The task of the claimed utility model is to provide galvanic isolation of two consumers of asymmetric current or voltage, while maintaining the ability to work at high powers without unproductive energy dissipation, symmetrical distribution of energy to the transformer core to eliminate the bias effect, as well as the possibility of changing the asymmetry coefficient ( symmetry) and its smooth regulation in a given range in accordance with the requirements of electrochemical technology.

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 управляющимThe solution of the problem is achieved due to the fact that the source of asymmetric sinusoidal current or voltage with galvanic isolation of the channels contains six diodes, four optotransistors, the control inputs of which are connected to the control system, a transformer, the primary winding of which is the input, and four pairwise symmetrical secondary windings are connected between themselves and with the first conclusions of the first and second loads, respectively, two chokes; wherein the end of the first secondary winding is connected to the cathode of the first diode, the anode of which is connected to another output of the first load, and the end of the third secondary winding is connected to the collector of the first optotransistor, the emitter of which is connected to the anode of the third diode; the beginning of the second secondary winding is connected to the cathode of the second diode, the anode of which is connected to another terminal of the second load, and the beginning of the fourth secondary winding is connected to the collector of the second optotransistor, the emitter of which is connected to the anode of the fourth diode, while the cathode of the fifth diode is connected to the cathode of the third diode and to one of the outputs of the first inductor, the second output of which is connected to the second output of the first load and the anode of the first diode; and the cathode of the sixth diode is connected to the cathode of the fourth diode and to one of the terminals of the second inductor, the second terminal of which is connected to the second terminal of the second load and the anode of the second diode; wherein the anode of the fifth diode is connected to the emitter of the third optotransistor, and the anode of the sixth diode is connected to the emitter of the fourth optotransistor, the collector of which is connected to the terminals of the second and fourth secondary windings of the transformer of one half of the source, as well as to the first terminal of the second load; the collector of the third optotransistor is connected to the second terminals of the first and third secondary windings of the transformer of the second half of the source, as well as to the first terminal of the first load; in addition, the control system has the fifth and sixth outputs, while the fifth output is connected to the input of the network, and the sixth output is the control

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.Unlike the closest analogue, the transformer has four secondary windings, symmetrical in pairs for each load, and the power part of the power supply is controlled by optotransistors, which ensures galvanic separation of both loads into two electrically unconnected blocks, each of which provides power to the load with asymmetric current or voltage with the possibility of smooth regulation of the value of the coefficient of asymmetry (symmetry), which meets the requirements of electrochemical technology.

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.The first secondary winding of the transformer generates a large half-wave of the output voltage at the first load, and the third secondary winding of the transformer generates a small half-wave of the output voltage at the first load. The ratio of the number of turns of the output windings of the transformer determines the specified parameters of the asymmetry coefficient of the output signal. Similarly for the second source channel: the second secondary winding of the transformer generates a large half-wave of the output voltage at the second load, and the fourth secondary winding of the transformer forms a small half-wave of the output voltage at the second load. The secondary windings of the transformer must be correctly phased: the first and third must be in phase with respect to their common point, the second and fourth must be in phase with respect to their common point and at the same time out of phase with the first and third.

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.It is permissible to use two separate transformers: one - with two power symmetrical windings, the second - with symmetrical low-current windings. However, in this case, a pre-phasing procedure for the primary and secondary windings is required to meet the requirements described above.

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.For the correct operation of the circuit, the voltage on the third and fourth secondary windings of the transformer must necessarily be less than the voltage on the first and second secondary windings by the value of the voltage of confident closing of the first and second diodes.

Применение оптотранзисторов (оптических элементов управления) позволяет гальванически отделить силовые части источника питания друг от друга и от общей системы управления, сделав их независимыми.The use of optotransistors (optical control elements) allows you to galvanically separate the power parts of the power source from each other and from the overall control system, making them independent.

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.In addition, the control system contains a sawtooth voltage generator, a comparator, a square-wave generator, two logical inverters, four logic elements "AND", while the output of the sawtooth voltage generator is connected to the inverse input of the comparator, the direct input of which is the input of the control system, to which control voltage; the output of the comparator is connected to the input of the first logic inverter and the first inputs of the third and fourth logic elements "AND"; the output of the first logical inverter connected to the first inputs of the first and second logic elements "AND"; the input of the rectangular pulse generator is a synchronizing input of the control system, which is supplied with an input sinusoidal voltage, and the output of the rectangular pulse generator is connected to the input of the second logical inverter and to the second inputs of the second and fourth logic elements "AND"; the output of the second logical inverter is connected to the second inputs of the first and third logical elements "AND", while the outputs of all logical elements "AND" are the outputs of the control system and are connected respectively to the control inputs of the optotransistors.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:The essence of the utility model is illustrated by drawings:

- фиг. 1 - функциональная схема источника асимметричного синусоидального тока или напряжения;- fig. 1 - functional diagram of a source of asymmetric sinusoidal current or voltage;

- фиг. 2 - пример выполнения системы управления.- fig. 2 is an exemplary implementation of the control system.

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_вx. Четыре вторичные обмотки трансформатора TV1.2 и TV1.4, TV1.3 и TV1.5 соединены между собой и с первыми выводами первой R_H1 и второй R_H2 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_H1. 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_H2 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_вx, а на шестой вывод - управляющее напряжение U_упр.The source of asymmetric sinusoidal current (voltage) in FIG. 1 contains: six diodes VD1-VD6; four optotransistors VT1-VT4, the control inputs of which are connected to the corresponding outputs of the CS control system; two chokes L1-L2 and a transformer, the primary winding TV 1.1 of which is the input to which the input sinusoidal voltage U _inx is applied. The four secondary windings of the transformer TV1.2 and TV1.4, TV1.3 and TV1.5 are connected to each other and to the first terminals of the first R _H1 and second R _H2 loads and to the collectors of the third VT3 and fourth VT4 optotransistors, respectively. The end of the first secondary winding TV1.2 is connected to the end of the third secondary winding TV1.4 through the chain: VD1-L1-VD3-VT1. The end of the first secondary winding TV1.2 is connected to the cathode of the first diode VD1, the anode of which is connected to the first output of the inductor L1 and the other output of the first load R _H1 . The second output of the inductor L1 is connected to the cathodes of the diodes VD3 and VD5. The anode of the diode VD3 is connected to the emitter of the optotransistor VT1, the collector of which is connected to the end of the third secondary winding TV1.4. The beginning of the second secondary winding TV1.3 is connected to the beginning of the fourth secondary winding TV1.5 through the chain: VD2-L2-VD4-VT2. At the same time, the beginning of the second secondary winding TV1.3 is connected to the cathode of the second diode VD2, the anode of which is connected to the output of the second load R _H2 and the first output of the inductor L2, the second output of which is connected respectively to the cathodes of the fourth VD4 and sixth VD6 diodes, while the anode of the fourth diode connected to the emitter of the second optotransistor VT2, the collector of which is connected to the beginning of the fourth secondary winding TV1.5. The anode of the sixth diode VD6 is connected to the emitter of the fourth optotransistor VT4, and the anode of the fifth diode VD5 is connected to the emitter of the third optotransistor VT3, while the collectors of the third VT3 and fourth VT4 optotransistors are interconnected. The control system CS has the fifth and sixth conclusions, while the fifth output is supplied with an input sinusoidal voltage U _inx and the sixth output is the control voltage _U control .

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_упр. 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_вx, 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.In addition, the control system SU (Fig. 2) contains: a sawtooth voltage generator (GPN) 1, a comparator 2, a rectangular pulse generator (GPI) 3, logical inverters 4, 5; logical elements "AND" 6, 7, 8, 9. Moreover, the output of the GPN 1 is connected to the inverse input of the comparator 2, the direct input of which is the sixth output (input) of the control _system , to which the control voltage U control is applied. The output of the comparator 2 is connected to the input of the logic inverter 4 and the first inputs of the logic elements "AND" 8 and 9. The output of the logic inverter 4 is connected to the first inputs of the logic elements "AND" 6 and 7. sinusoidal voltage U _inx , and the output of the GPI 3 is connected to the input of the logic inverter 5 and to the second inputs of the logic elements "AND" 7 and 9. The output of the logic inverter 5 is connected to the second inputs of the logic elements "AND" 6 and 8. The outputs of all logic elements " And 6, 7, 8, 9 are, respectively, the third, fourth, first and second conclusions (outputs) of the control system and are connected, respectively, to the control inputs of the optotransistors VT3, VT4, VT1, VT2.

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_H1 и R_H2. 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_вx и 1 - при положительном U_вx). Компаратор 2, инверторы 4 и 5 и логические элементы «И» 6, 7, 8, 9 являются стандартными логическими элементами.The work of the source is considered in the following example. In the source, the transformer is made in the form of a multi-winding step-down transformer. Bipolar n-p-n type optotransistors, semiconductor diodes and smoothing chokes with a given inductance providing a sinusoidal output current (voltage) were used. The load is symmetrical and is represented by two resistors R _H1 and R _H2 . The CS control system is made according to the scheme shown in Fig. 2, where the GPN 1 is made according to the classical scheme of a linearly increasing voltage generator; GPI 3 is made on a comparator and has two output states (0 - with negative input voltage U _inx and 1 - with positive U _inx ). Comparator 2, inverters 4 and 5, and AND gates 6, 7, 8, 9 are standard gates.

Источник асимметричного синусоидального тока или напряжения работает следующим образом. Входное синусоидальное напряжение U_вx поступает на первичную обмотку TV1.1 трансформатора и повторяется с учетом соответствующих коэффициентов трансформации К_тp1 и К_тр2 на первой VT1.2 и второй VT1.3 вторичных обмотках трансформатора. При положительной полярности входного напряжения U_вx (обозначено на фиг.1 знаками «-» и «+» без скобок) первый диод VD1 открывается и по контуру: начало первой вторичной обмотки TV1.2- R_H1-VD1-конец первой вторичной обмотки TV1.2, к первой нагрузке R_H1 прикладывается напряжение вторичной обмотки TV1.2 трансформатора. Тем самым на первой нагрузке R_H1 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_H1. 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_H2.The source of asymmetric sinusoidal current or voltage works as follows. The input sinusoidal voltage U _inx is supplied to the primary winding TV1.1 of the transformer and is repeated taking into account the corresponding transformation ratios K _tp1 and K _tr2 on the first VT1.2 and second VT1.3 secondary windings of the transformer. With a positive polarity of the input voltage U _inx (indicated in figure 1 by the signs "-" and "+" without brackets), the first diode VD1 also opens along the circuit: the beginning of the first secondary winding TV1.2- R _H1 -VD1-the end of the first secondary winding TV1 .2, the voltage of the secondary winding TV1.2 of the transformer is applied to the first load R _H1 . Thus, a positive (large) half-wave is formed on the first load R _H1 , and the polarity is taken as the positive value of the voltage on the load, at which the plus voltage is applied to the connection point of the transformer windings TV1.2 and TV1.4, as well as the first load R _H1 . At the same time, the voltage of the second secondary winding VT1.3 is applied to the second diode VD2 in the opposite direction, so it is closed and does not pass this voltage to the second load R _H2 .

Одновременно с формированием положительной (большой) полуволны на первой нагрузке R_H1 управляющее напряжение U_упр подается на шестой вывод системы управления СУ и в компараторе 2 сравнивается с линейно-нарастающим напряжением ГПН 1. При положительной разности управляющего напряжения U_упр 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_вx, из которого с помощью ГПИ 3 формируются прямоугольные импульсы с частотой и фазой входного напряжения U_вx. 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_вx, и - на оптотранзистор VT1 при отрицательной (на фиг.1 обозначено знаками «-», «+» в скобках) полярности входного сигнала U_вx. 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_вх.Simultaneously with the formation of a positive (large) half-wave at the first load R _H1, the control voltage U _control is supplied to the sixth output of the control system CS and in the comparator 2 is compared with the linearly increasing voltage of the GPN 1. With a positive difference between the control voltage _U control and the linearly increasing voltage of the GPN 1 at the output of the GPN 1, a high-level control pulse (logical unit) is formed. At the same time, the input sinusoidal voltage U _inx is supplied to the fifth output of the control system SU, from which rectangular pulses with the frequency and phase of the input voltage U _inx are formed using the GPI 3 . The specified rectangular pulses using the logic elements "And" 6-9 allow the passage of control pulses from the comparator 2 to the optotransistor VT2 with a positive (in Fig.1 indicated by the signs "plus", "minus" without brackets) polarity of the input signal U _inx , and - on the optotransistor VT1 with a negative (in Fig.1 indicated by the signs "-", "+" in brackets) polarity of the input signal U _inx. In this case, the optotransistors VT2 and VT4 receive inverted control pulses from the output of the inverters 4 and 5, respectively (figure 2) and, accordingly, the polarity of the input signal U _in .

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_H1. При этом оптотранзисторы VT2 и VT4 переключаются с частотой много большей частоты входной сети в противотакте на всем полупериоде входного синусоидального напряжения U_вx. 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_н2-конец четвертой вторичной обмотки TV1.5. В результате чего ток в дросселе L2 и соответственно во второй нагрузке R_H2 начинает нарастать. При закрытом оптотранзисторе VT2 оптотранзистор VT4 открыт, и ток дросселя L2 протекает по контуру L2-R_н2-VT4-VD6. Энергия дросселя передается в нагрузку, вследствие чего ток дросселя L2 и, соответственно, второй нагрузки R_H2 начинает спадать. Таким образом, на второй нагрузке R_H2 сформирована отрицательная (малая) полуволна квазисинусоидального тока.Thus, control signals are applied to the control inputs of the optotransistors VT1-VT4 (figure 1), while the high level of the control signal applied to the control input of the optotransistor corresponds to the open state of the optotransistor, and the low level corresponds to the closed state. With a positive polarity of the input signal, the optotransistors VT1 and VT3 are closed, thereby preventing the load R _H1 from being shunted. In this case, the optotransistors VT2 and VT4 switch with a frequency much higher than the frequency of the input network in the opposite direction throughout the entire half-cycle of the input sinusoidal voltage U _inx . When the optotransistor VT2 is open (optotransistor VT4 is closed at the same time), voltage is applied to the inductor L2 along the circuit: the beginning of the fourth secondary winding TV1.5-VT2-VD4-L2-R _n2 is the end of the fourth secondary winding TV1.5. As a result, the current in the inductor L2 and, accordingly, in the second load R _H2 begins to increase. When the optotransistor VT2 is closed, the optotransistor VT4 is open, and the inductor current L2 flows through the circuit L2-R _n2 -VT4-VD6. The energy of the inductor is transferred to the load, as a result of which the current of the inductor L2 and, accordingly, the current of the second load R _H2 begins to decline. Thus, a negative (small) half-wave of a quasi-sinusoidal current is formed on the second load R _H2 .

При смене полярности входного сигнала процессы повторяются: формирование положительной (большой) полуволны происходит на второй нагрузке R_H2 со второй вторичной обмотки трансформатора VT1.3, а формирование отрицательной (малой) полуволны с помощью оптотранзисторов VT1 и VT3 происходит на первой нагрузке R_H1 с третьей вторичной обмотки трансформатора VT1.4.When the polarity of the input signal is changed, the processes are repeated: the formation of a positive (large) half-wave occurs at the second load R _H2 from the second secondary winding of the transformer VT1.3, and the formation of a negative (small) half-wave using optotransistors VT1 and VT3 occurs at the first load R _H1 from the third secondary winding of the transformer 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.By smoothly changing the duration of the on state of the optotransistors VT1-VT2 in the range from 0 to 1, a smooth change in the amplitude of the small half-wave of voltage (current) from zero to its maximum value is achieved, determined by the transformation ratio of the third VT1.4 and fourth VT1.5 of the secondary windings of the transformer and, consequently, the coefficient of symmetry (asymmetry) of the output asymmetric sinusoidal voltage changes within the specified limits. In this case, the shape of the reverse half-wave of the output voltage (current) does not change (up to ripples, which are arbitrarily small at a sufficiently high switching frequency of the optotransistor) due to the filtering properties of the inductor.

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.The claimed utility model makes it possible to provide galvanic isolation of two consumers of asymmetric current or voltage, while maintaining the ability to work at high powers without unproductive energy dissipation, while changing the asymmetry (symmetry) coefficient and its smooth regulation in a given range.

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).The claimed utility model can be used in various technological processes that require sources of asymmetric sinusoidal current or voltage with smooth adjustment of the value of the asymmetry (symmetry) coefficient.

Claims

1. A source of asymmetric sinusoidal voltage with galvanic isolation of channels, containing six diodes, four optotransistors, the control inputs of which are connected to the control system, a transformer, the primary winding of which is the input, and four pairwise symmetrical secondary windings are connected to each other and to the first outputs of the first and second load, respectively, two chokes, while the end of the first secondary winding is connected to the cathode of the first diode, the anode of which is connected to another output of the first load, and the end of the third secondary winding is connected to the collector of the first optotransistor, the emitter of which is connected to the anode of the third diode, the beginning of the second secondary winding is connected to the cathode of the second diode, the anode of which is connected to another output of the second load, and the beginning of the fourth secondary winding is connected to the collector of the second optotransistor, the emitter of which is connected to the anode of the fourth diode, while the cathode of the fifth diode is connected to the cathode of the third diode and to one from the leads of the first inductor, the second lead of which is connected to the second lead of the first load and the anode of the first diode, and the cathode of the sixth diode is connected to the cathode of the fourth diode and one of the leads of the second inductor, the second lead of which is connected to the second lead of the second load and the anode of the second diode, in this case, the anode of the fifth diode is connected to the emitter of the third optotransistor, and the anode of the sixth diode is connected to the emitter of the fourth optotransistor, the collector of which is connected to the terminals of the second and fourth secondary windings of the transformer of one half of the source, as well as to the first terminal of the second load, the collector of the third optotransistor is connected to the second outputs of the first and third secondary windings of the transformer of the second half of the source, as well as with the first output of the first load, in addition, the control system has the fifth and sixth outputs, while the fifth output is connected to the mains input, and the sixth output is control.

2. The asymmetric sinusoidal voltage source according to claim 1, characterized in that the control system contains a sawtooth voltage generator, a comparator, a rectangular pulse generator, two logical inverters, four "AND" logic elements, while the output of the sawtooth voltage generator is connected to the inverse input of the comparator , the direct input of which is the input of the control system, to which the control voltage is applied, the output of the comparator is connected to the input of the first logical inverter and the first inputs of the third and fourth logical elements "AND", the output of the first logical inverter is connected to the first inputs of the first and second logical elements "AND ”, the input of the rectangular pulse generator is the synchronizing input of the control system, to which the input sinusoidal voltage is applied, and the output of the rectangular pulse generator is connected to the input of the second logical inverter and to the second inputs of the second and fourth logic elements “AND”, the output to The second logic inverter is connected to the second inputs of the first and third logic elements "AND", while the outputs of all logic elements "AND" are the outputs of the control system and are connected, respectively, to the control inputs of the optotransistors.