Стабилизатор постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизированным источникам тока..

Известен стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, соеди- ненный через датчик тока с клеммами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу датчика тока, который выполнен на основе источника однополярных импульсов, источника эталонного тока, демодулятора и магнитомодуляционного узла, включающего два магнитопровода с обмотками возбуждения, сигнальными, компенсационными и измерительной, при этом обмотки возбуждения соединены по следователъно-встречно и подключены к выходу источника однополярных импульсов, компенсационные обмотки соединены последовательно-согласно и подключены к выходу источника эталонного тока, сигнальСО

С

ные обмотки подключены к соответствующим входам демодулятора, а измерительная обмотка - к входным выводам датчика .

Недостатком такого стабилизатора является малое быстродействие, что обусловлено большой постоянной времени фильтра, включаемого после демодулятора.

Наиболее близким к предлагаемому является стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на базе эталонного резистора, демодулятора, усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу демодулятора, генератора однополярных импульсов и магнитомодуляционноCJ ON

го узла, включающего два рабочих магни- топровода с обмотками возбуждения на каждом из них, магнитный экран, измерительную и компенсационную обмотки, которые охватывают рабочие магнитрпроводы и магнитный экран, обмотки возбуждения соединены последовательно-встречно, компенсационная обмотка подключена к выходу усилителя постоянного тока через эталонный резистор, потенциальные выво- ды которого использованы в качестве выходных выводов датчика тока, а выводы измерительной обмотки - в качестве его входных выводов 2.

Недостаток известного стабилизатора- снижение надежности при использовании его в диапазоне больших токов (выше нескольких килоампер). Это объясняется тем, что генератор однополярных импульсов вырабатывает однополярные импульсы в виде половины синусоиды амплитуда которых пропорциональна номинальному значению тока стабилизатора (для стабилизатора на номинальный ток 600 А амплитуда импуль- сэв во збуждения 0,5 А в режиме стабили- зации и 2 А в режиме ввода; при увеличении номинального тока, например, до 6 кА амплитуда тока импульсов возбуждения существенно увеличивается). Импульсы тока возбуждения формируются оконечным транзисторным каскадом генератора, работающим в активном режиме формирования импульса тока в виде половины синусоиды (т.е. в режиме генератора тока). Такой режим работы характеризуется большими потерями мощности в транзисторе, вследствие чего надежность каскада снижается. С переходом подобных стабилизаторов тока в диапазон больших токов приходится использовать в оконечном каскаде несколько параллельно работающих транзисторов, что снижает надежность генератора однополярных импульсов и устройства в целом.

Целью изобретения является повыше- ние надежности стабилизатора тока.

Указанная цель достигается тем, что в стабилизаторе, содержащем силовой регулятор, соединенный через датчик тока с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на базе эталонного резистора, демодулятора, усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу демодулятора, генератора однополярных импульсов и магнитомодуляционнйго узла,

включающего два рабочих магнитопровода с обмотками возбуждения на каждом из них, магнитный экран, измерительную и компенсационную обмотки, которые- охватывают рабочие магнитопроводы и магнитный экран, обмотки возбуждения соединены последовательно-встречно, компенсационная обмотка подключена к выходу усилителя постоянного тока через эталонный резистор, потенциальные выводы которого использованы в качестве выходных выводов датчика тока, а выводы измерительной обмотки - в качестве его входных выводов, необъединенные выводы обмоток возбуждения соединены с соответствующими входными выводами демодулятора и подключены к выходу генератора однополярных импульсов, объединенный вывод обмоток возбуждения подключен к соответствующему входному выводу демодулятора, а генератор однополярных импульсов выполнен на основе си- левого трансформатора с первичной и тремя вторичными обмотками, первого, второго и третьего мостовых выпрямителей, первого и второго конденсаторов, первого и второго стабилитронов, первого и второго резисторов, делителя напряжения, усилителя-формирователя импульсов и тиристора, через который первый вывод постоянного тока первого мостового выпрямителя соединен с первым выходным выводом генератора однополярных импульсов, аналогичный вывод второго мостового выпрямителя через последовательно соединенные первый стабилитрон и первый резистор также подключен к первому выходному выводу генератора однополярных импульсов, к второму выходному выводу которого подключены объединенные вторые выводы постоянного тока первого и второго мостовых выпрямителей, первый и второй выходные выводы генератора однополярных импульсов соединены друг с другом через второй резистор, промежуток управляющий электрод-катод тиристора шунтирован резистором и подключен к выходу усилителя импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя-формирователя, вход последнего через второй стабилитрон подключен к выходу делителя напряжения, вход которого через третий мостовой выпрямитель подключен к третьей вторичной обмотке, вторая вторичная обмотка подключена к выводам переменного напряжения второго мостового выпрямителя, первая вторичная обмотка шунтирована первым конденсатором, а через второй конденсатор подключена к входу первого мостового выпрямителя, первичная обмотка силового трансформатора генератора однополярных импульсов соединена с

выводами для подключения источника переменного напряжения.

На фиг. 1 приведена блок-схема стабилизатора постоянного тока; на фиг.2 - принципиальная схеме демодулятора (пример выполнения); на фиг.З - эпюры токов и напряжений в некоторых характерных точках стабилизатора.

Стабилизатор тока содержит силовой регулятор 1, измерительно-усилительный блок 2, источник 3 опорного напряжения, датчик 4 тока и нагрузку 5. Силовой регулятор 1 через датчик 4 тока соединен с выводами для подключения нагрузки 5, управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу измерительно-усилительного блока 2, входы которого соединены соответственно с источником 3 опорного напряжения и выходом датчика 4 тока.

В состав датчика 4 тока входят эталонный резистор 6, усилитель 7 постоянного тока, демодулятор 8, магнитомодуляцион- ный узел 9, который включает рабочие магнитол роводы 10 и 11 с обмотками 12 и 13 возбуждения на каждом из них, магнитный экран 14, измерительную 15 и компенсационную 16 обмотки, которые охватывают рабочие магнитопроводы 10 и 11 и магнитный экран 14 и генератор 17 однополярных импульсов.

Выводы измерительной обмотки 15 подключены к входным зажимам датчика 4 тока. Компенсационная обмотка 16 подключена к выходу усилителя 7 постоя иного тока через эталонный резистор 6, потенциальные выводы которого подключены к выходным зажимам датчика 4 тока. Обмотки 12 и 13 возбуждения соединены последовательно-встречно, их необьединенные выводы подключены к выходным выводам генератора 17 однополярных импульсов, к последним подключены также соответствующие входные выводы демодулятора 8. Объединенный выводобмоток 12 и 13 возбуждения подключен к соответствующему входному выводу демодулятора 8, выход которого подключен к входу усилителя 7 постоянного тока.

Генератор 17 однополярных импульсов содержит силовой трансформатор 18 с первичной 19 и тремя вторичными 20-22 обмотками, первый 23. второй 24 и Третий 25 мостовые выпрямители, первый 26 и второй 27 конденсаторы, первый 28 и второй 29 стабилитроны, первый 30 и второй 31 резисторы, тиристор 32, делитель 33 напряжения, усилитель-формирователь 34; усилитель 35 импульсов и резистор 36, который шунтирует промежуток управляющий электрод-катод тиристора 32.

Первичная обмотка 19 силового трансформатора 18 подключена к зажимам для подключения источника переменного напряжения. Вторичные обмотки 21 и 22 подключены соответственно к выво дам переменного напряжения мостовых выпрямителей 24 и 25. Вторичная обмотка 20 шун- тирована конденсатором 26 и через конденсатор 27 подключена к выводам пе0 ременного напряжения мостового выпрямителя 23, выход которого через тиристор 32 подключен к выходным выводам генератора 17 однополярных импульсов, К этим же выводам через стабилитрон 28 и резистор

5 30 подключен выход выпрямителя 24 (в той же полярности, что и выпрямитель 23). Выходные выводы генератора 17 соединены друг с другом через резистор 31.

Выход выпрямителя 25 через делитель

0 33 напряжения и стабилитрон 29 подключен к входу усилителя-формирователя 34, выход последнего подключен к входу усилителя 35 импульсов, выход которого подключен к управляющему входу тиристора 32.

5 Демодулятор 8 (фиг.2) содержит ограничительные резисторы 37 и 38, первый 39 и второй 40 пиковые детекторы, потенциометр 41 для установки нуля демодулятора 8, резисторы 42,43 и конденсатор 44 RC-филь0 тра. Первый пиковый детектор 39 содержит полупроводниковые вентили 45 и 46, конденсаторы 47 и 48, а также нагрузочный резистор 49. Второй пиковый детектор 40 содержит полупроводниковые вентили 50 и

5 51, конденсаторы 52 и 53, а также нагрузочный резистор 54.

Пиковые детекторы 39 и 40 соединены последовательно-встречно, их необъединенные выходные выводы через RC-фильтр

0 подключены к выходным выводам демодулятора 8. Необъединенные входные выводы пиковых детекторов 39 и 40 подключены через резисторы 37 и 38 к соответствующим входным выводам демодулятора 8, к обще5 му входному выводу которого подключен объединенный вывод пиковых детекторов 39 и 40.

Стабилизатор работает следующим образом.

0 Выходной ток IH стабилизатора (ток нагрузки) подводится к входу датчика 4 тока и поступает в измерительную обмотку 15 с числом витков WH. Протекая по этой обмотке, ток 1Н создает в рабочих магнитопрово5 дах 10 и 11 ив магнитном экране 14 намагничивающую силу (н.с.), равную IH WH. В компенсационную обмотку 16 с числом витков WK поступает ток к от усилителя 7 постоянного тока, который, протекая по ней, создает в магнитолроводах 10 и 11 и

магнитном экране 14 н.с. , направленную навстречу н.с. IH WH.

В целом датчик 4 тока представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, действие которой направлено на поддержание баланса н.с. в магнитолро- водах 10, 11 и экране 14. Детектирование разбаланса н.с. в этой системе автоматического регулирования (т.е. преобразование разбаланса н.с. в управляющий сигнал) осуществляется с помощью однопрлярной маг- нитной модуляции. В установившемся режиме состояние системы авторегулирования описывается соотношением

„ Л/н-1кМк AlWci,

О)

где A IWcr - действующее рассогласование в контуре авторегулирования, величина которого при большом усилении в контуре авторегулирования пренебрежимо мала ( A IWct 0). Тогда

WH/WK(2)

и

l RarlHWH/WK,(3)

где ид - выходное напряжение датчика 4 тока;

Нэт - номинальное значение эталонного резистора 6.

Таким образом, согласно (3), 1)д является мерой тока 1н.

Напряжение 11Д в измерительно-усилительном блоке 2 сравнивается с опорным напряжением Don, которое вырабатывается источником 3 опорного напряжения. Если ид т Uon, на выходе измерительно-усилительного блока 2 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора 1. Под действием этого сигнала ток н изменяется до тех пор, пока стабилизатор не придет в равновесное состояние, описываемое соотношением

иоп-ид дист

(4)

где A DCT - действующее рассогласование в контуре стабилизации тока, величина которого при большом усилении пренебрежимо мала (Аист 0). .

Как следует из соотношений (3) и (4), заданное значение выходного тока н стабилизатора равно

IH Uon WK/WR3T.

В датчике тока для преобразования разбаланса ампервитков используется магнитная модуляция однополярными импульсами. Генератор 17 возбуждения вырабатывает однополярныё импульсы напряжения, которые подаются на последовательновстречно соединенные обмотки 12 и 13 возбуждения.

При балансе н.с. постоянных токов (1Н WH - ) оба магнитопровода 10 и 11 перемагничиваются в противоположных

направлениях по частным циклам петли гистерезиса. На обмотках 12 и 13.создаются практически одинаковые напряжения и напряжение на выходе демодулятора 8 равно нулю. При нарушении баланса н.с. (IH WH

- j происходит сдвиг частных циклов перемагничивания магнитопроводов 10 и 11 по основной петле гистерезиса. Напряжение на одной обмотке возбуждения увеличивается, а на другой - уменьшается, и на

выходе демодулятора 8 появляется напряжение рассогласования, которое управляет выходным током Ik усилителя 7 постоянного тока. Контур авторегулирования, включающий эти элементы, обеспечивает поддержание баланса н.с. в соответствии с соотношением (1).

Зависимость напряжения сигнала рассогласования (т.е. напряжения на выходе демодулятора 8 при разомкнутом контуре

авторегулирования) от разбаланса н.с. является выходной статической характеристикой детектора разбаланса н.с. Детектор разбаланса н.с. с использованием магнит- ной Ц0дуляции однополярными импульсами

имеет выходную статическую характеристику без ложных нулей в рабочем диапазоне токов, если выполнено условие

40

IreWe - ном,

(5)

где ITS и WB - соответственно амплитуда тока возбуждения и число витков обмоток возбуждения;

IH ном - номинальное значение тока стабилизатора.

При больших значениях н ном для выполнения последнего условия генератор возбуждения должен вырабатывать относительно мощные импульсы тока, что и приводит к снижению надежности устройства.

Выполнение условия (5) достигается следующим образом. При включении тиристора 32, которое осуществляется узлом управления тиристором 32 (узел содержит

обмотку 22 и элементы 25, 29, 33 - 35), к обмотке 20 через конденсатор 27, выпрямитель 23 и тиристор 32 подключаются обмотки 12 и 13. В результате перезаряда конденсатора 27 в обмотках 12 и 13 формируется относительно короткий импульс тока большой амплитуды (ты 0,1 Т, где тич -длительность импульса; Т- период повторения импульсов). Во время действия этого импульса тиристор 32 открыт, потери мощно- сти в нем существенно ниже допустимой величины. Это естественный для тиристора ключевой режим работы, характеризующийся высокой надежностью.

К обмоткам 12 и 13 подводятся также импульсы с выхода узлла, включающего обмотку 21 и элементы 24, 28 и 30. Длительность этих импульсов 0,1 Т Ти2 0,5 Т, а их амплитуда выбирается из условия

10 -ЮО.ампервитковДб)

При возбуждении магнитного модулятора только короткими импульсами большой амплитуды дрейф нуля преобразователя разбаланса н.с., обусловленный магнитной памятью, составляет 0,1 ампервитка, что для датчиков тока высокой точности неприемлемо. При одновременном возбуждении магнитного модулятора короткими импульсами большой амплитуды и относительно длительными импульсами малой амплитуды магнитная память практически не проявляется, чем обеспечиваются высокие метрологические характеристики датчика тока и стабилизатора в целом.

Эпюры напряжений и токов, представ- ленные на фиг.З, поясняют работу генератора 17 возбуждения в целом, а также его отдельных узлов: а - напряжение на вторичной обмотке 21 (20, 22); б - напряжение на выходе выпрямителя 24 (25); в - ток через тиристор 32 (и обмотки 12, 13); г - ток через резистор 30 (и обмотки 12, 13). Резистор 31 облегчает включение тиристора 32. Конденсатор 26 уменьшает влияние индуктивности рассеяния и активного сопротивления об- мотки 20.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я Стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, соединенный через датчик тока, с выводами для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом датчика тока, который выполнен на базе эталонного резистора, демодулятора, усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу демодулятора, генератора однополярных импульсов и магнитомо- дуляционногоузла, включающего в себя два рабочих магнитопровода с обмотками возбуждения на каждом из них, магнитный экран, измерительную и компенсационную

обмотки, которые охватывают рабочие маг- нитопроводы и магнитный экран, обмотки возбуждения соединены последовательно- встречно, компенсационная обмотка подключена к выходу усилителя постоянного тока через эталонный резистор, потенциальные выводы которого использованы в качестве выходных выводов датчика тока, а выводы измерительной обмотки - в качестве его входных выводов, отличающий- с я тем, что, с целью повышения надежности, необъединенные выводы обмоток возбуждения соединены с соответствующими входными выводами демодулятора и подключены к выходу генератора однополярных импульсов, объединенный вывод обмоток возбуждения подключен к соответствующему входному выводу демодулятора, а генератор однополярных импульсов выполнен на основе силового трансформатора с первичной и тремя вторичными обмотками, первого, второго и третьего мостовых выпрямителей, первого и второго конденсаторов, первого и второго стабилитронов, первого и второго резисторов, делителя напряжения, усилителя-формирователя импульсов и тиристора, через который первый вывод постоянного тока первого мостового выпрямителя соединен с первым выходным выводом генератора однополярных импульсов, аналогичный вывод второго мостового выпрямителя через последовательно соединенные первый стабилитрон и первый резистор также подключен к первому выходному выводу генератора однополярных импульсов, к второму выходному выводу которого подключены объединенные вторые выводы постоянного тока первого и второго мостовых выпрямителей, первый и второй выходные выводы генератора однополярных импульсов соединены друг с другом через второй резистор, промежуток управляющий электрод-катод тиристора шунтирован резистором и подключен к выходу усилителя импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя-формирователя, вход последнего через второй стаб-йлитрон подключен к выходу делителя напряжения, вход которого через третий мостовой выпрямитель подключен к третьей вторичной обмотке, вторая вторичная обмотка подключена к выводам переменного напряжения второго выпрямителя, первая вторичная обмотка шунтирована первым конденсатором, а через второй конденсатор подключена к входу первого мостового выпрямителя, первичная обмотка силового трансформатора генератора однополярных импульсов соединена с выводами для подключения источника переменного напряжения.

Изобретение относится к электротехни- ке, в частности к стабилизированным источникам тока. Цель изобретения - повышение надежности устр-ва. Формирование дополнительных однополярных импульсов возбуждения относительно большой длительности и малой амплитуды осуществляется узлом, включающим мостовой выпрямитель, стабилитрон и резистор. Одновременное возбуждение магнитного модулятора короткими импульсами большой амплитуды и относительно длинными импульсами малой амплитуды практически устраняет влияние магнитной памяти модулятора, что обеспечивает наряду с повышением надежности и высокую точность стабилизации. 3 ил.

Фиг. I

8

« d

Фиг .2

б

-

8 ;32j

зо

iii

MI и | i

11 h i

IJ Гч Ц hsi н l-v

Фиг.Э

ut