Электродиализный аппарат состоит из двух электродов и пакета рабочих рамок, разделенных ионоселективными мембранами, анионо - и катионоселективными. Таким образом, часть рабочих рамок выполняет функцию камер обессоливания, а часть камер концентрирования.

2. Разработка функциональной схемы устройства

2.1 Выбор структуры силовой части

Простейшая система питания электродиализатора представляет собой однофазный управляемый выпрямитель со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, подключенный к его электродам.

Среднее значение тока на нагрузке стабилизируется временем открытого состояния тиристоров. При уменьшении эквивалентного сопротивления нагрузки, для поддержания среднего тока на заданном уровне, угол проводимости тиристоров уменьшается, что приводит к увеличению действующего значения тока, а значит и к увеличению нагрева как самого электролита, так и силовых элементов регулятора. Ставится задача стабилизации среднего значения тока без изменения его формы. В качестве регулятора для такого стабилизатора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа, работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Структурная схема предлагаемого стабилизатора тока представлена на рисунке 2.1.

Обоснование этому служат расчетные формулы [5]:

(2.1)

где T - период синусоиды, γ - относительная длительность паузы на полупериоде напряжения сети, I_max – амплитуда тока, I_ср - среднее значение за полпериода, I_д – действующее значение, k_ф – коэффициент формы.

Для коэффициента k_ф формы можно построить наглядный график приведенный на рисунок 2.2.

Рисунок 2.2 показывает, что у тиристорной схемы управления при увеличение относительной длительности γ паузы действующее значение тока возрастает, а у предложенной схемы оно остается неизменным.

В качестве такого регулятора может выступать непосредственный преобразователь напряжения понижающего типа работающий на повышенной частоте много большей частоты сети. Функциональная схема предлагаемого стабилизатора тока изображена на рисунок 2.3.

В схеме представлено два непосредственных преобразователя понижающего типа включенных параллельно, со сдвигом в 180 градусов, и работающих с одного входа на один выход.

2.2 Выбор структуры системы управления

Для управления ключами в данном проекте используется принцип широтно-импульсной модуляции. На сегодняшний день производители выпускают широкий ряд интегральных микросхем, реализующих этот принцип управления. Использование этих микросхем значительно упрощает систему управления, позволяет минимизировать потребляемую мощность и число вспомогательных источников питания системы управления, реализовать защиту по току силовых ключей и т.д. В конечном счете, использование интегральных микросхем позволяет снизить стоимость и повысить качество работы источника питания.

При реализации сложных алгоритмов управления с применением аналоговых интегральных микросхем принципиальная схема модуля управления значительно усложняется и требует увеличения числа элементов, что приводит к уменьшению надежности устройства в целом. Уход параметров дискретных элементов таких как: сопротивление резисторов, емкость конденсаторов – приводит к деградации параметров стабилизатора. Изменяется петлевой коэффициент усиления обратной связи стабилизатора, а соответственно коэффициент стабилизации возмущающих воздействий, изменение коэффициентов усиления цепи защиты приводит к непраильному срабатыванию аппаратной защиты и т.д. Так же к недостаткам аналоговых схем управления нужно отнести повышенную чувствительность к кондуктивным и электромагнитным помехам возникающим в результате коммутации силовых элементов преобразователя..

Дальнейшее увеличение сложности алгоритмов работы преобразователя привело к появлению комбинированных систем управления, содержащую аналоговый и цифровой контроллер (или комбинированных аналого-цифровых схем управления. В которых как и прежде функцию стабилизации выходного параметра тока, напряжения или мощности осуществляет аналоговая часть, а цифровой микроконтроллер осуществляет функцию задатчика через ЦАП для аналоговой части и осуществляет весь алгоритм работы: старт преобразователя, выход на режим, работа, отключение и т.д.. Кроме управления преобразователем микроконтроллер может осуществлять другие функции, например цифровую индикацию, настройку преобразователя с помощью кнопок, связь с другими устройствами и др. Это значительно повышает функциональность и удобство использования преобразователя. Но использование аналогового и цифрового контроллеров вместе ведет к повышению стоимости системы управления. По-прежнему сохраняется зависимость от качества дискретных компонентов. Для преобразования цифрового сигнала в аналоговый требуются дополнительные согласующие устройства. Такой структуре присуще практически все недостатки аналоговой системы управления.

Производители интегральных микросхем продолжают создавать новую продукцию, отвечающую современным потребностям разработчиков. На сегодняшний день в системах управления источников электропитания нашли широкое применение цифровые сигнальные микроконтроллеры, DSP микроконтроллеры. Основным отличаем DSP микроконтроллеров от обычных является наличие MAK функций позволяющих реализовать алгоритмы цифровой обработки данных с АЦП и реализовать цифровые фильтры. Сегодня можно приобрести цифровые DSPконтроллеры, предназначенные специально для управления преобразователями. Они отличаются от обычных микроконтроллеров тем, что имеют в своем составе быстродействующие модули АЦП и модуль ШИМ, содержащий все необходимые элементы для реализации управления (корректирующее звено, защита по току, формирователь импульсов и т.д.). Использование таких микроконтроллеров уменьшает количество дискретных аналоговых компонентов, время разработки и ее стоимость, повышают удобство настройки прибора. Поэтому в данном проекте будет использован один из таких специализированных микроконтроллеров – 56F8013 фирмы FreescaleSemiconductor [6].

3. Разработка электрической принципиальной схемы устройства

3.1 Расчет параметров и выбор элементов силовой части

По техническим требованиям:

- амплитуда входного напряжения ;

- средний выходной ток ;

- пульсации тока на частоте преобразования ;

- частота преобразования .

Диаграммы работы преобразователя приведены на рисунке 3.1. Диаграммы работы показывают работу одного непосредственного преобразователя т.к. диаграммы работы второго будут идентичны, за исключением сдвига в 180 градусов.

На вход преобразователя подается выпрямленное синусоидальное напряжение амплитудой 70В. На рисунке 3.1 показаны напряжения управления транзисторами с частотой преобразования 40 кГц. При расчете были заложены пульсации выходного тока в 10 процентов, но так как у нас два преобразователя включенных параллельно, то фактические пульсации будут в два раза меньше.

Действующий ток на выходе преобразователя рассчитывается по формуле:

(3.1)

Мощность нагрузки рассчитывается по формуле:

(3.2)

Активное сопротивление рассчитывается по формуле:

(3.3)

Максимальный ток в нагрузке рассчитывается по формуле: