Стабилизатор постоянного тока

 

Изобретение относится к электротехнике, 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 05 F 1/56

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ (21) 4828537/07 (22) 23,05.90 (46) 07.02.92. Бюл. N. 5 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) В.В,Калиниченко (53) 621.316.722,1 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР . N. 731431, кл. G 05 F 1/56, 1977.

Савансев В.П. Транзисторный компенсационный стабилизатор на 600 А, — Сообщение ОИЯИ, Дубна, 1985. (54) СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электротехни ке, в частности к стабилизированным источИзобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизированным источникам тока.

Известен стабилизатор постоянного тока. содержащий силовой регулятор, соединенный 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 последовательно-встречно и подключены к выходу источника однополярных импульсов, компенсационные обмотки соединены последовательно-согласно и подключены к выходу источника эталонного тока, сигналь„, SU ÄÄ 1711136 А1 никам 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. ные обмотки подключены к соответствующим входам демодулятора, а измерительная обмотка — к входным выводам датчика тока (11.

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 магнитомодуляционно1711136

ro 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 (2).

Недостаток известного стабилизатора— снижение надежности при использовании его в диапазоне больших токов (выше нескольких килоампер). Это объясняется тем, что генератор однополярных импульсов Bblрабатывает однополярные импульсы в виде половины синусоиды, амплитуда которых пропорциональна номинальному значению тока стабилизатора (для стабилизатора на номинальный ток 600 А амплитуда импульсвв возбуждения 0,5 А в режиме стабилизации 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 повышение 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 магнитомодуляционного узла, 10

55 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, необьединенные выводы обмоток возбуждения соединены с соответствующими входными выводами демодулятора и подключены к выходу генератора однополярных импульсов, обьединенный 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 напря>кения, 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 обьединенные 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-катодтиристора шунтирован резистором и подключен к выходу усилителя импульсов, вход которого подключен к выходу усилителя-формирователя, вход последнего через второй стабилитрон подключен к выходу делителя напря>кения, 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

1711136

15

50 выводамидля подключения источника переменного напряжения, На фиг.1 приведена блок-схема стабилизатора постоянного тока; на фиг.2 — принципиальная схеме демодулятора (пример выполнения); на фиг.3 — 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.

B состав датчика 4 тока входят эталонный резистор 6, усилитель 7 постоянного тока, демодулятор 8, магнитомодуляционный узел 9, который включает рабочие магнитопроводы 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 импульсовв.

Выводы измерительной обмотки 15 подключены к входным зажимам датчика 4 тока. Компенсационная обмотка 16 подключена к выходу усилителя 7 постоянного тока через эталонный резистор 6, потенциальные выводы которого подключены к выходным зажимам датчика 4 тока, Обмотки 12 и

13 возбуждения соединены последовательно-встречно, их необъединенные выводы подключены к выходным выводам генератора 17 однополярных импульсов, к последним подключены также соответствующие входные выводы демодулятора 8. Объединенный вывод обмоток 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 выводам переменного напряжения мостовых выпрямителей 24 и 25. Вторичная обмотка 20 шунтирована конденсатором 26 и через конденсатор 27 подключена к выводам переменного 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

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

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.

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-фильтра. 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

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 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 общему входному выводу которого подключен объединенный вывод пиковых детекторов

39 и 40.

Стабилизатор работает следующим образом.

Выходной ток I< стабилизатора {ток нагрузки) подводится к входу датчика 4 тока и поступает в измерительную обмотку 15 с числом витков W,. Протекая по этой обмотке, ток IH создает в рабочих магнитопроводах 10 и 11 и в магнитном экране 14 намагничивающую силу (н.с,), равную 1н W<.

В компенсационную обмотку 16 с числом витков W, поступает ток l„от усилителя 7 постоянного тока, который, протекая по ней, создает в магнитопроводах 10 и 11 и

1711136 магнитном экране 14 н.с. !Мк, направленную навстречу н.с. 4 Ф4.

В целом датчик 4 тока представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования, действие которой направлено на поддержание баланса н,с. в магнитопроводах 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 однополярной магнитной модуляции. В установившемся режиме состояние системы авторегулирования описывается соотношением н Ws- l

Тогда к= н Wa/ Wv. (2) Up,= зт н н/9/к, (3) (4) 0оп Up, = Л Ост, где Л Ucт — - действующее рассогласование в контуре стабилизации тока, величина которого при большом усилении пренебрежимо мала (Л Уст = О).

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

1н =Uori / /к/ Паэт.

В датчике тока для преобразования разбаланса ампервитков используется магнитгде Uä — выходное напряжение датчика 4 тока;

R резистора 6.

Таким образом, согласно (3), 0д является мерой тока н, Напряжение Uä в измерительно-усилительном блоке 2 сравнивается с опорным напряжением Ооп, которое вырабатывается источником 3 опорного напряжения. Если

Uä 14п, на выходе измерительно-усилительного блока 2 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора 1.

Под действием этого сигнала ток IH изменяется до тех пор, пока стабилизатор не придет в равновесное состояние, описываемое соотношением ная модуляция однополярными импульсами, Генератор 17 возбуждения вырабатывает однополярные импульсы напряжения, которые подаются на последовательно5 встречно соединенные обмотки 12 и 13 возбуждения.

При балансе н.с. постоянных токов (lp М/н — I

11 перемагничиваются в противополо>кных

10 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 й/н15 — I WK O ) 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

20 выходе демодулятора 8 появляется напря жение рассогласования, которое управляет выходным током lg усилителя 7 постоянного тока, Контур авторегулирования, включающий эти элементы, обеспечивает поддер25 жание баланса н.с. в соответствии с соотношением (1), Зависимость напряжения сигнала рассогласования (т.е. напряжения на выходе демодулятора 8 при разомкнутом контуре

30 авторегулирования) от разбаланса н.с. является выходной статической характеристикой детектора разбаланса н.с. Детектор разбаланса н.с. с использованием магнитноймодуляции однополярными импульсами

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

1тв1Ив 2lg ном, (5)

40 где 1т и W — соответственно амплитуда тока возбуждения и число витков обмоток возбуждения;

IH HoM — номинальное значение тока ста45 билизатора.

При больших значениях I> ом для выполнения последнего условия генератор возбуждения должен вырабатывать относительно мощные импульсы тока, что и приво50 дит к снижению надежности устройства.

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

55 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 форми1711136

10 руется относительно короткий импульс тока большой амплитуды (t„ (0,1 Т, где т„ — длительность импульса; Т вЂ” период повторения импульсов). Во время действия этого импульса тиристор 32 открыт, потери мощности 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 < t

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, представленные на фиг.3, 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 обмотки 20.

Формула изобретения

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 магнитомодуляционного узла, включающего в себя два рабочих магнитопровода с обмотками возбуждения на каждом из них, магнитный экран, измерительную и компенсационную

55 обмотки, которые охватывают рабочие магнитопроводы и магнитный экран, обмотки возбуждения соединены последовательновстречно, 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, о т л и ч а ю щ и йс 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 мостовсго 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 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.

1711136

1711136

12

Составитель В.Калиниченко

Редактор И.Шмакова Техред М,Моргентал Корректор Н. Ревская

Заказ 339 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101