УГОЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H02P9/22 

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для стабилизации напряжения в генераторах и может быть использовано при модернизации существующего оборудования.

Известен угольный регулятор напряжения, содержащий рабочую обмотку электромагнита, которая через регулировочный и дополнительный резисторы подключается к выходным клеммам генератора, параллельно которым через угольный столб регулятора подключена обмотка возбуждения [1]
Недостатком такого регулятора является невысокая стабильность поддерживаемого напряжения. Разброс напряжения в требуемом диапазоне оборотов и тока нагрузки ΔU_г составляет до 12% от номинального. Это происходит потому, что угольный регулятор напряжения поддерживает постоянным ток в своей рабочей обмотке (выполненной из меди). Поскольку сопротивление рабочей обмотки электромагнита при нагреве сильно меняется, то рабочую обмотку выполняют низкоомной, последовательно с ней включают значительное, примерно в 6 раз большее сопротивление из константана, исключая таким образом нестабильность, вызванную нагревом рабочей обмотки. Однако это приводит к примерно в 7 раз большему разбросу напряжения, поддерживаемого угольным регулятором напряжения Δ U_г, по сравнению с разбросом напряжения на рабочей обмотке электромагнита ΔU_э регулятора напряжения.

Одна из схем для повышения стабильности поддерживаемого напряжения угольных регуляторов напряжения содержит стабилитронно-резисторный мост, измерительный элемент, ключ и систему управления ключом [2]
Эта схема сложна и дорога, имеет значительный вес, потому что для поддержания напряжения должен использоваться очень чувствительный компаратор поляризованное реле, включенное в диагональ стабилитронно-резисторного моста.

Другая схема содержит основной и дополнительный угольные регуляторы напряжения, причем рабочие обмотки электромагнита первого и второго угольных регуляторов напряжения через резисторы подключены к клеммам для подключения обмотки якоря генератора, а угольный столб дополнительного регулятора подключен параллельно рабочей обмотке основного регулятора [3] Эта схема принята за прототип.

Ее недостатками являются сложность и почти двойное увеличение массы из-за наличия двух регуляторов, относительно невысокая стабильность поддерживаемого напряжения ( ΔU_г 1,6 В при U_ном 28,5 В).

Цель изобретения снижение массы и стоимости угольного регулятора напряжения и повышение стабильности поддерживаемого напряжения.

Цель достигается тем, что в угольном регуляторе напряжения, содержащем угольный столб, последовательно соединенные рабочую обмотку электромагнита и дополнительный резистор, свободный вывод рабочей обмотки электромагнита, соединенный с одним из выводов угольного столба, снабженного зажимами для подключения к выводам якорной обмотки и обмотки возбуждения генератора, стабилизатор напряжения, один вывод которого связан с точкой соединения рабочей обмотки электромагнита и дополнительного резистора, а другой вывод снабжен зажимом для подключения к общей точке вторых выводов якорной обмотки и обмотки возбуждения генератора, стабилизатор напряжения составлен из двух транзисторов разного типа проводимости, стабилитрона, переменного резистора и трех резисторов, одни выводы двух из которых объединены и образуют первый из упомянутых выводов стабилизатора напряжения, соединенный с эмиттером транзистора одного типа проводимости, вторые выводы упомянутых резисторов связаны с базами соответствующих транзисторов, эмиттер транзистора второго типа проводимости соединен с вторым выводом дополнительного резистора и первым выводом переменного резистора, второй вывод которого образует второй вывод стабилизатора напряжения и через третий резистор подключен к коллектору первого из упомянутых транзисторов, база которого через стабилитрон соединена с коллектором транзистора другого типа проводимости.

На чертеже приведена принципиальная схема угольного регулятора напряжения.

Угольный регулятор 1 напряжения содержит угольный столб 2, последовательно соединенные рабочую обмотку 3 электромагнита и дополнительный резистор 4, стабилизатор напряжения на резисторе 4, содержащий подстроечный переменный резистор 5, два транзистора 6 и 7 разного типа проводимости, резисторы 8, 9 и 10 и стабилитрон 11.

Регулятор работает следующим образом.

Питание на рабочую обмотку 3 электромагнита с клемм генератора 12 подается в основном через последовательную цепь: резистор 4 резистор 5, так как сопротивление шунтирующих эту цепь элементов во много раз больше (> 6).

При увеличении напряжения на клеммах генератора растет ток через рабочую обмотку 3 электромагнита, которая притягивает якорек и растягивает угольный столб 2, уменьшая его сопротивление, вследствие чего уменьшается ток через обмотку возбуждения, что приводит к восстановлению напряжения практически до прежнего уровня. При уменьшении напряжения ток через рабочую обмотку 3 электромагнита уменьшается, что приводит к отпусканию якорька, сжатию угольного столба, уменьшению его сопротивления. Это приводит к увеличению тока возбуждения и росту напряжения генератора практически до прежнего уровня.

В рабочем диапазоне оборотов и нагрузки генератора сопротивление угольного столба 2 меняется в зависимости от изменения тока через рабочую обмотку 3 электромагнита. Следовательно, угольный регулятор 1 напряжения поддерживает примерно постоянным ток через рабочую обмотку 3 электромагнита.

Изменение тока Δi_э через рабочую обмотку электромагнита при его увеличении от минимального значения i_эmin до максимального i_эmaxсоставляет обычно не более 10% i_эmin.

При минимальном токе через рабочую обмотку 3 электромагнита i_эminнапряжение на резисторе 4 должно быть примерно равным напряжению открывания стабилитрона 11. В этом случае транзистор 6 насыщен, поскольку ток через его коллектор очень мал, а на переход эмиттер база транзистора 6 через резистор 8 подается положительное смещение, ток через базу транзистора 7 равен нулю и он закрыт, ток через рабочую обмотку 3 электромагнита практически равен току через резистор 4.

При увеличении тока через рабочую обмотку 3 электромагнита происходит также некоторое увеличение тока через резистор 4 и увеличение напряжения на этом резисторе. Это напряжение через насыщенный транзистор 6 подается на стабилитрон 11. Это приводит к открыванию стабилитрона и открыванию транзистора 7 и увеличению тока через него. Таким образом, по измерительной цепи: резистор 4 резистор 5 протекает практически неизменный постоянный ток, равный i_эminпри изменении тока через рабочую обмотку 3 электромагнита от минимального значения до максимального.

Следовательно, разброс напряжения на генераторе ΔU_г в рабочем диапазоне оборотов и тока нагрузки становятся практически равными разбросу напряжения на рабочей обмотке электромагнита ΔU_э. Но поскольку угольный регулятор поддерживает примерно постоянным ток в своей рабочей обмотке, то
ΔU_э Δ i_э^.R_э, (1) где R_э номинал сопротивления рабочей обмотки электромагнита.

Поскольку сопротивление рабочей обмотки электромагнита очень мало, то и разброс напряжения очень мал ( ΔU_э ≈ ΔU_г < 0,5 В). Следовательно, за счет стабилизации тока в резисторах 4 и 5, суммарное сопротивление которых гораздо больше сопротивления R_э, происходит значительное повышение стабильности напряжения на генераторе (R_э < 5 Ом).

При переходных процессах и при настройке регулятора напряжение на генераторе может превышать номинальное в 2-3 раза. Это напряжение через переход эмиттер-коллектор транзистора 6 и переход база-эмиттер транзистора 7, резистор 5 и обмотку 3 электромагнита прикладывается к стабилитрону 11. Ток через стабилитрон 11 возрастает до тех пор, пока транзистор 6 не выйдет из насыщения (речь идет о токе 3-4 мА). При этом переход эмиттер-коллектор транзистора 6 превращается в омическое сопротивление R, номинал которого вычисляется по формуле
R R₈^. β, (2) где R₈ номинал резистора 8, Ом;
β коэффициент передачи по току базы транзистора 6 (речь идет о номинале R7-8 кОм).

Следовательно, стабилитрон 11 и эмиттерно-базовый переход транзистора 7 защищаются от разрушения транзистором 6 при перенапряжении, поскольку резистор 5 и обмотка электромагнита защитить их не могут из-за малости их сопротивления (их суммарное сопротивление не превышает 10 Ом). Транзистор 7 при этом находится в глубоком насыщении, это предохраняет его переход эмиттер-коллектор от перегрева и пробоя. Резистор 5 служит для небольшой подрегулировки напряжения генератора, которая необходима по причине разброса напряжения стабилизации стабилитрона 11.

Пусть в первом аналоге суммарный номинал регулировочного и дополнительного резисторов в n раз больше номинала рабочей обмотки электромагнита. Тогда между отклонением напряжения на клеммах генератора ΔU_г и отклонением напряжения на рабочей обмотке электромагнита ΔU_э существует зависимость
ΔU_г Δ U_э(n+1). (3)
При аналогичных условиях в заявленном устройстве выполняется соотношение
ΔU_г ≈Δ U_э + ΔU_ст + Δ U_эк6 + Δ U_эБ7, (4) где ΔU_ст, ΔU_эк6, Δ U_эБ7 изменение напряжения соответственно на стабилитроне 11 и переходах эмиттер-коллектор и эмиттер-база транзисторов 6 и 7 при изменении тока через базу транзистора 7 от тока, немного превышающего ток открывания транзистора 7, до тока, при котором происходит насыщение транзистора 7 (на величину Δ i_Б).

Для регулятора РН-180 n 6. Номинальное напряжение U_г 28,5 В. Номинальный ток через рабочую обмотку электромагнита i_э 0,8 А; ΔU_г 3,5 В [1] Тогда изменение тока рабочей обмотки электромагнита Δi_эвычисляется по формуле
Δi_э i_э (5) и составит 0,12 А.

Изменение напряжения на переходе эмиттер-база транзистора 7 вычисляется по формуле
ΔU_эБ7 h₁₁^. Δi_Б + h₁₂^.U_г, (6) где h₁₁ и h₁₂ соответственно выходное сопротивление и коэффициент внутренней обратной связи по напряжению транзистора 7. Для транзисторов средней мощности при Δi_Б 3 мА, ΔU_эБ < 0,2 В
ΔU_ст R_дср. Δi_Б, (7) где R_дср среднее динамическое сопротивление стабилитрона 11 при изменении тока через него от минимального на величину Δi_Б (от 1 до 4 мА). Для двух последовательно включенных стабилитронов Д814 R_д 30 Ом при токе = 3 мА, ΔU_ст 0,1 В.

ΔU_кэ6 R_кэо^. Δi_Б, (8) где R_кэо сопротивление перехода коллектор-эмиттер насыщенного транзистора 6.

Для высоковольтных транзисторов малой мощности при токе выхода из насыщения 6 мА R_кэо 60 Ом и ΔU_кэ6 0,2 В (данные приведены для транзисторов П308 и КТ626 Д).

В соответствии с формулой (3) ΔU_э0,5 В.

Для заявленного устройства в соответствии с формулами (4), (6), (7) и (8) разброс ΔU_г < 1, что значительно меньше, чем в прототипе, где разброс ΔU_г < 1,6 В и примерно равен разбросу в устройстве с центральным корректором (второй аналог), где ΔU_г 1. При таком малом разбросе в заявленном устройстве необходимость в центральном корректоре отпадает.

Вес устройства увеличивается максимум на 200 г против 1,5 кг в прототипе, а стоимость добавленного устройства гораздо меньше дополнительного регулятора.

Использование: для стабилизации напряжения в генераторах. В угольном регуляторе напряжения стабилизатор напряжения составлен из транзисторов 6 и 7 разного типа проводимости, и стабилитрона 11, переменного резистора 5 и резисторов 8,9 и 10. При изменении тока через рабочую обмотку 3 электромагнита от минимального значения до максимального по измерительной цепи (резистор 4 резистор 5) протекает практически неизменный ток, что приводит к повышению стабильности напряжения генератора, в угольном столбе 2 поддерживается постоянный ток. Транзистор 6 обеспечивает защиту транзистора 7 от разрушения. Поскольку разброс напряжения на генераторе, в котором используется данный угольный регулятор, незначителен, то отпадает необходимость использовать корректор, что снижает массу и стоимость угольного регулятора. 1 ил.

УГОЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий угольный столб, последовательно соединенные рабочую обмотку электромагнита и дополнительный резистор, свободный вывод рабочей обмотки электромагнита соединен с одним из выводов угольного столба, снабженного зажимами для подключения к выводам якорной обмотки и обмотки возбуждения генератора, стабилизатор напряжения, один вывод которого связан с точкой соединения рабочей обмотки электромагнита и дополнительного резистора, а второй вывод снабжен зажимом для подключения к общей точке вторых выводов якорной обмотки и обмотки возбуждения генератора, отличающийся тем, что, с целью снижения массы и стоимости угольного регулятора напряжения и повышения стабильности поддерживаемого напряжения, стабилизатор напряжения составлен из двух транзисторов разного типа проводимости, стабилитрона, переменного резистора и трех резисторов, одни выводы двух из которых объединены и образуют первый из упомянутых выводов стабилизатора напряжения, соединенный с эмиттером транзистора одного типа проводимости, вторые выводы упомянутых резисторов связаны с базами соответствующих транзисторов, эмиттер транзистора второго типа проводимости соединен с вторым выводом дополнительного резистора и первым выводом переменного резистора, второй вывод которого образует второй вывод стабилизатора напряжения и через третий резистор подключен к коллектору первого из упомянутых транзисторов, база которого через стабилитрон соединена с коллектором транзистора другого типа проводимости.