СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1995 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике.

Известен стабилизатор постоянного тока. Известное устройство содержит регулирующий орган, соединенный выходом через измерительный шунт с выводами для подключения нагрузки, а входом подключенный к выходам для подключения питания, магнитный датчик тока и источник опорного тока [1]
Основной недостаток известного стабилизатора его низкая технологичность. Измерительный шунт в данном случае одновременно выполняет и роль делителя тока. Он представляет собой сборку двух стандартных измерительных шунтов с падением напряжения 75 мВ. Для получения этой сборки стандартные шунты подвергаются обработке (фрезерованию и гибке), а также пайке твердыми припоями, причем на завершающем этапе сборки пайка токоведущих частей осуществляется в непосредственной близости от магнитного датчика тока (указанные токоведущие части проходят через магнитный датчик и охватывают его).

Известен стабилизатор постоянного тока. Известное устройство, являющееся наиболее близким техническим решением к данному изобретению, содержит регулирующий орган, соединенный выходом через измерительный шунт с выводами для подключения нагрузки, а входом подключенный к выводам для подключения питания, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, источник эталонного тока, подключенный к токовым выводам эталонного резистора, детектор разбаланса ампер-витков с магнитной системой, измерительную обмотку и магнитный экран, один из потенциальных выводов измерительного шунта через измерительную обмотку, а другой непосредственно соединены с соответствующими потенциальными выводами эталонного резистора [2]
Недостаток прототипа состоит в том, что из-за большой инерционности измерительного элемента (датчика тока) стабилизатор имеет низкие статическую и динамическую точности. При этом существуют следующие противоречия. Для получения высокой статической точности необходимо увеличивать число витков измерительной обмотки и уменьшать омические сопротивления в цепи этой обмотки. А это приводит к увеличению постоянной времени измерительного элемента, т.е. к ухудшению динамической точности. При малых постоянных времени нагрузки стабилизатора возникают также трудности с обеспечением устойчивости стабилизатора с таким измерительным элементом.

Существенное уменьшение инерционности измерительного элемента и, соответственно, улучшение статических и динамических характеристик стабилизатора тока достигается тем, что в стабилизатор постоянного тока, содержащий регулирующий орган, соединенный выходом через измерительный шунт с выводами для подключения нагрузки, а входом подключенный к выводам для подключения питания, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, источник эталонного тока, подключенный к токовым выводам эталонного резистора, детектор разбаланса ампер-витков с магнитной системой, измерительную обмотку и магнитный экран, один из потенциальных выводов измерительного шунта через измерительную обмотку, а другой непосредственно соединены с соответствующими потенциальными выводами эталонного резистора, введены аналоговый сумматор напряжений, выход которого подключен ко входу усилителя постоянного тока, усилитель низкой частоты, выход которого подключен к первому входу аналогового сумматора напряжений, к второму входу последнего подключен выход детектора разбаланса ампер-витков, обмотка обратной связи, выводы которой один непосредственно, а другой через последовательно соединенные конденсатор и резистор подключены к входам усилителя низкой частоты, при этом обмотки измерительная и обратной связи охватывают в сборе магнитную систему детектора разбаланса ампер-витков и магнитный экран.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения технического результата, являются: аналоговый сумматор напряжений, усилитель низкой частоты, обмотка обратной связи, магнитосвязанная через магнитный экран с измерительной обмоткой, конденсатор и резистор, а также новые связи.

В предложенном техническом решении благодаря введению в стабилизатор новых признаков измерительный элемент, как будет показано ниже, имеет свойства практически безынерционного звена. Именно благодаря этому при прочих равных условиях гарантируется достижение в предложенном стабилизаторе тока более высоких статических и динамических показателей, повышение устойчивости стабилизаторов, что и является требуемым техническим результатом.

На фиг. 1 представлена блок-схема предложенного стабилизатора; на фиг.2 упрощенная принципиальная схема одного из возможных вариантов выполнения детектора разбаланса ампер-витков (пример выполнения); на фиг.3 конструктивная схема одного из вариантов выполнения магнитомодуляционного узла.

Стабилизатор содержит регулирующий орган 1, измерительный шунт 2, через который к регулирующему органу 1 подключена нагрузка 3, источник 4 эталонного тока, эталонный резистор 5, усилитель 6 постоянного тока, детектор 7 разбаланса ампер-витков постоянных токов, измерительную обмотку 8, магнитный экран 9, обмотку 10 обратной связи, аналоговый сумматор 11 напряжений, усилитель 12 низкой частоты, конденсатор 13 и резистор 14.

К управляющему входу регулирующего органа 1 подключен выход усилителя 6 постоянного тока, вход последнего подключен к выходу аналогового сумматора 11 напряжений. Выход детектора 7 разбаланса ампер-витков подключен к первому входу аналогового сумматора 11 напряжений, второй вход которого подключен к выходу усилителя 12 низкой частоты. Обмотка 10 обратной связи через последовательно соединенные конденсатор 13 и резистор 14 подключена к входу усилителя 12 низкой частоты. Потенциальные выводы измерительного шунта 2 соединены с соответствующими потенциальными выводами эталонного резистора 5, причем одна пара выводов одинаковой полярности соединена непосредственно, а другая через измерительную обмотку 8. К токовым выводам эталонного резистора 5 подключен источник 4 эталонного тока.

Детектор 7 разбаланса ампер-витков магнитосвязан с измерительной обмоткой 8, для чего его магнитная система совместно с магнитным экраном 9 охватывается измерительной обмоткой 8. Аналогичным образом наматывается и обмотка 10 обратной связи. В качестве детектора 7 разбаланса ампер-витков могут быть использованы известные технические решения, в том числе и на основе магнитного модулятора с удвоением частоты.

Детектор 7 разбаланса ампер-витков (фиг.2) содержит рабочие магнитопроводы 15 и 16 с намотанными на каждом из них соответственно обмотками 17 и 18 возбуждения. Рабочие магнитопроводы 15 и 16 образуют магнитную систему детектора 7 и, как уже отмечалось выше, охватываются совместно с магнитным экраном 9 обмотками измерительной 8 и обратной связи 10, то есть эти обмотки наматываются на сборку включающую рабочие магнитопроводы 15, 16 и магнитный экран 9. Указанная сборка со всеми обмотками представляет собой так называемый магнитомодуляционный узел. Детектор 7 разбаланса ампер-витков содержит также фазочувствительный детектор 19 и генератор 20 возбуждения с выходами основной и удвоенной частоты.

Выход основной частоты генератора 20 возбуждения подключен к первичной обмотке 21 фазорасщепляющего трансформатора 22, вторичные обмотки 23 и 24 которого соединены последовательно согласно, их объединенный вывод соединен с общей шиной. Обмотки 17 и 18 возбуждения соединены последовательно встречно, их объединенный вывод подключен к сигнальному входу фазочувствительного детектора 19, вход для подачи коммутирующего напряжения которого подключен к выходу удвоенной частоты генератора 20 возбуждения. Необъединенные выводы обмоток 17 и 18 возбуждения через резисторы 25 и 26 подключен к необъединенным выводам вторичных обмоток 23 и 24.

Вариант выполнения магнитомодуляционного узла (фиг.3) содержит рабочие магнитопроводы 15 и 16 соответственно с обмотками 17 и 18 возбуждения, магнитный экран 9, образованный двумя магнитопроводами такого же типоразмера, как и рабочие магнитопроводы. На сборку всех магнитопроводов намотаны обмотки измерительная 8 и обратной связи 10.

Стабилизатор работает следующим образом.

Ток нагрузки I_н протекает через измерительный шунт 2 и создает на нем падение напряжения U_ш I_н R_ш, где R_ш значение сопротивления измерительного шунта 2. Через эталонный резистор 5 протекает ток I_эт, вырабатываемый источником 4 эталонного тока, и создает на нем падение напряжения U_эт I_этR_эт, где R_эт значение сопротивления эталонного резистора 5. Рассматриваемый стабилизатор постоянного тока представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования следящего типа, действие которой направлено на поддержание равенства напряжений U_ш и U_эт. Поэтому в установившемся режиме к измерительной обмотке 8 приложено разностное напряжение Δ U_д U_ш U_эт, равное действующему рассогласованию (Δ U_д) в контуре авторегулирования.

Постоянная (медленно меняющаяся) составляющая Δ U_д вызывает протекание тока через измерительную обмотку 8, который создает соответствующую намагничивающую силу (н.с.) в магнитной системе детектора 7 разбаланса ампер-витков. В последнем эта н. с. преобразуется в напряжение рассогласования (постоянная или медленно меняющаяся составляющая), которое поступает на один из входов аналогового сумматора 11 напряжений. Переменная составляющая разностного напряжения Δ U_д за счет магнитной (трансформаторной) связи передается к обмотке 10 обратной связи и через усилитель 12 низкой частоты подается на другой вход аналогового сумматора 11 напряжений. Конденсатор 13 и резистор 14 выбираются из условий неискаженной передачи переменной составляющей разностного напряжения Δ U_д в рабочей полосе частот. Конденсатор 13 служит для предотвращения протекания постоянного тока в цепи обмотки 8 обратной связи (в том числе и от термоЭДС). Резистор 14 обеспечивает затухание паразитных колебаний в обмотках 8 и 10, вызванных импульсными сигналами и помехами в паразитных "звенящих" контурах).

С выхода аналогового сумматора 11 на управляющий вход регулирующего органа 1 через усилитель 6 постоянного тока поступает полное напряжение рассогласования, содержащее постоянную (медленноменяющуюся) и переменную составляющие. Под действием этого напряжения рассогласования ток I_низменяется таким образом, чтобы в контуре авторегулирования поддерживался равновесный режим
U_ш U_эт Δ U_д.

При большом усилении в контуре авторегулирования величина действующего рассогласования пренебрежимо мала, поэтому
I_н I_этR_эт/R_ш.

Таким образом поддерживается заданное значение тока I_н в нагрузке стабилизатора. При этом из приведенного качественного рассмотрения работы предложенного технического решения следует, что в измерительной части предложенного стабилизатора обеспечивается прохождение постоянной (медленно меняющейся) и переменной составляющих сигнала рассогласования. Это обстоятельство при прочих равных условиях позволяет получить при реализации существенное улучшение статических и динамических характеристик по сравнению с прототипом, где измерительная часть является более инерционной. В предложенном техническом решении достигается также повышение устойчивости.

Представленный на фиг.2 вариант выполнения детектора 7 разбаланса ампер-витков представляет собой магнитный модулятор, действующий по принципу удвоения частоты. Его основные электронные узлы, которыми являются генератор 20 возбуждения с выходами основной и удвоенной частот, а также фазочувствительный детектор 19 (их конструкции и работа) широко освещены в литературе (например, С. А. Спектор. Измерение больших постоянных токов. Л. Энергия, 1978, с.45). Там же, а также в других источниках подробно обсуждается и работа магнитного модулятора, действующего по принципу удвоения частоты. Кратко действие детектора 7 разбаланса ампер-витков сводится к следующему.

При подаче на последовательно-встречно соединенные обмотки 17, 18 возбуждения парафазного напряжения основной частоты (F) (напряжение с обмоток 23 и 24 трансформатора 22) на объединенном выводе обмоток 17 и 18 относительно общего вывода обмоток 23 и 24 появляется напряжение удвоенной частоты (2F), если на магнитопроводы 8 и 9 действует подмагничивание постоянного тока (то есть имеется разбаланс ампер-витков постоянного тока). При этом при относительно малых величинах разбаланса ампер-витков амплитуда напряжения удвоенной частоты пропорциональна величине разбаланса ампер-витков, а его фаза изменяется на 180^о при изменении знака разбаланса. Соответственно, на выходе фазочувствительного детектора 19 величина постоянного напряжения пропорциональна величине разбаланса ампер-витков, а знак определяется знаком разбаланса.

Более наглядно технические преимущества предложенного технического решения по сравнению с прототипом могут быть выявлены посредством более глубокого анализа. Рассматриваемые стабилизаторы постоянного тока (прототип и предложенное техническое решение), как уже отмечалось, являются замкнутыми системами автоматического регулирования. Передаточная функция разомкнутой системы для каждого из этих стабилизаторов может быть представлена в виде
W(p) W_c(p) W_и(р), (1) где W_c(p) передаточная функция силовой части стабилизатора;
W_и(р) передаточная функция измерительной части стабилизатора;
р оператор дифференцирования или оператор по Лапласу, либо по Карсону-Хевисайду. Если считать усилитель постоянного тока безынерционным, то передаточная функция измерительной части стабилизатора для прототипа W_и1(р) будет иметь вид
W_и1(p) (2) где К_и1 результирующий коэффициент передачи измерительной части прототипа;
Т_и постоянная времени измерительной обмотки, Т_фд постоянная времени фазочувствительного детектора.

Аналогично для предложенного технического решения, если считать усилительные элементы и аналоговый сумматор напряжений безынерционными, передаточная функция измерительной части стабилизатора может быть записана в виде
W_и2(p) (3) где К_и2 результирующий коэффициент передачи измерительной части предложенного стабилизатора.

Из (2) могут быть найдены амплитудно-частотная W_и1(ω) и фазочастотная ϕ_и1(ω) характеристики измерительной части прототипа
W_и1(ω)
ϕ_и1(ω) arctg ωТ_и arctg ωТ_фд (4)
Из (3) соответственно получаем для предложенного технического решения
W_и2(ω)
ϕ_и2(ω) arctg (ω Т_и ω Т_фд + ω³Т_иТ_фд²) arctg ωТ_и (5)
Взяв наиболее типичные постоянные времени Т_и 0,5 с и Т_фд 0,01 получим для прототипа следующие результаты: в интервале частот от 10^-11/с до 10⁴ 1/с W_и(ω) изменяется примерно на -114 дБ, соответственно ϕ_и1(ω) изменяется от 0 до π. Аналогично для предложенного технического ре- шения: W_и2(ω) отклоняется от К_и2 на -0,17 дБ (экстремум -0,17 дБ на частоте ≈ 2 1/с); отклонения ϕ_и2(ω) от нуля составляют примерно ±6^о(экстремумы на частотах примерно ≈ 2 1/с и 10² 1/с). Эти результаты еще раз подтверждают, что измерительная часть предложенного технического решения является практически безынерционным звеном. Таким образом, при всех прочих равных условиях (см. соотношение (1), предложенное техническое решение обеспечивает по сравнению с прототипом достижение требуемого технического результата.

Использование: изобретение относится к электротехнике. Решается задача повышения статической и динамической точностей стабилизатора, повышение его устойчивости. Сущность изобретения: стабилизатор содержит регулирующий орган, соединенный через измерительный шунт с зажимами для подключения нагрузки, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, источник эталонного тока, подключенный к токовым выводам эталонного резистора, детектор разбаланса ампер-витков, измерительную обмотку и магнитный экран. Один из потенциальных выводов измерительного шунта через измерительную обмотку, а другой непосредственно соединены с соответствующими потенциальными выводами эталонного резистора. Стабилизатор содержит также аналоговый сумматор напряжений, выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока. Усилитель низкой частоты, выход которого подключен к первому входу аналогового сумматора напряжений, к второму входу последнего подключен выход детектора разбаланса ампер-витков, обмотка обратной связи, выводы которой один непосредственно, а другой через последовательно соединенные конденсатор и резистор подключены к входам усилителя низкой частоты. 3 ил.

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий регулирующий орган, соединенный выходом через измерительный шунт с выводами для подключения нагрузки, а входом подключенный к выводам для подключения питания, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу регулирующего органа, источник эталонного тока, подключенный к токовым выводам эталонного резистора, детектор разбаланса ампир-витков с магнитной системой, измерительную обмотку и магнитный экран, один из потенциальных выводов измерительного шунта через измерительную обмотку, а другой непосредственно соединены с соответствующими потенциальными выводами эталонного резистора, отличающийся тем, что введены аналоговый сумматор напряжений, выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока, усилитель низкой частоты, выход которого подключен к первому входу аналогового сумматора напряжений, к второму входу последнего подключен выход детектора разбаланса ампер-витков, обмотка обратной связи, выводы которой один непосредственно, а другой через последовательно соединенные конденсатор и резистор подключены к входам усилителя низкой частоты, при этом обмотки измерительная и обратной связи охватывают в сборе магнитную систему детектора разбаланса ампер-витков и магнитный экран.