Стабилизатор постоянного тока

 

Использования: для стабилизации постоянных токов большой величины. Сущность изобретения: устройство содержит управляемый силовой регулятор 1, источник 4 опорного тока, два резистора 2,5, усилитель 6 постоянного тока, блок 7 сравнения постоянных напряжений. Резисторы 2,5 выполнены из одного и того же проводникового материала, их тела находятся друг с другом в тепловом контакте, а сборка помещена в полость кожуха, выполненного из теплопроводящего материала и электрически изолированного от резисторов, сопротивления которых удовлетворяют соотношению R_2H/R_1H= I_*/I_ОП, где R_1H и O_2H - номинальные сопротивления резисторов 1 и 5, а I_* и I_ОП - номинальные значения тока нагрузки и опорного тока. 2 ил.

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

Известны стабилизаторы постоянного тока [1,2] Первое из известных устройств содержит силовой регулятор, соединенный через измерительный шунт с зажимами для подключения нагрузки, магнитный датчик тока и источник опорного тока [1] Основной недостаток известного стабилизатора его низкая технологичность. В самом деле, 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 механической 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).

Второе из известных устройств, являющееся наиболее близким техническим решением к данному изобретению, содержит силовой регулятор, соединенный через первый резистор с зажимами для подключения нагрузки, источник опорного тока, подключенный к токовым выводам второго резистора, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу силового регулятора, а вход к выходу блока сравнения постоянных напряжений, к входам которого подключены соответственно первые потенциальные выводы первого и второго резисторов, вторые потенциальные выводы указанных резисторов объединены [2] Недостатки прототипа состоят в следующем. Первый резистор в прототипе выполняется в виде шланга измерительного шунта. Для диапазона больших токов (единицы десятки кА) манганиновый шунт представляет собой сложную конструкцию, содержащую много манганиновых пластин (резистивные элементы) и медные наконечники (могут также содержать большое количество медных шин). Изготовление подобных шунтов требуемого качества представляет сложную задачу, требует, чтобы изготовитель обладал определенными технологическими "секретами"). Это приводит к ухудшению технологичности конструкции стабилизатора.

Повышение технологичности конструкции достигается тем, что в стабилизаторе постоянного тока, содержащем силовой регулятор, соединенный через первый резистор с зажимами для подключения нагрузки, источник опорного тока, подключенный к токовым выводам второго резистора, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу силового регулятора, а вход к выходу блока сравнения постоянных напряжений, к входам которого подключены соответственно первые потенциальные выводы первого и второго резисторов, вторые потенциальные выводы указанных резисторов объединены, первый и второй резисторы выполнены из одного и того же проводникового материала, при этом тела резисторов находятся в тепловом контакте друг с другом, а сборка резисторов помещена в полость кожуха, выполненного из теплопроводящего материала, и электрически изолированного от резисторов, номинальные значения сопротивлений резисторов удовлетворяют соотношению R_2н/R_1н I_н/I_оп, где R_1н и R_оп соответственно номинальные значения сопротивлений первого и второго резисторов, I_н и I_оп соответственно номинальные значения тока нагрузки и опорного тока.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения требуемого технического результата, являются: выполнение первого и второго резисторов из одного и того же проводникового материала, расположение тел резисторов в тепловом контакте друг с другом, помещение сборки резисторов в тепловом контакте друг с другом, помещение сборки резисторов в полость кожуха, выполненного из теплопроводящего материала и электрически изолированного от резисторов, количественные соотношения, приведенные в формуле изобретения.

Предложенное техническое решение позволяет избавиться от измерительного манганинового шунта изделия низкой технологичности. Как будет показано ниже, сборка первого и второго резисторов существенно проще указанного шунта, технологичнее. Собственно благодаря этому и достигается повышение технологичности конструкции стабилизатора в целом. Исключение шунта позволяет уменьшить номенклатуру используемых при производстве стабилизаторов материалов, исключить ряд сложных технологических операций. Все это позволяет снизить трудоемкость и стоимость производства стабилизаторов тока большой силы.

На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного стабилизатора постоянного тока; на фиг.2 конструкция сборки первого и второго резисторов (пример выполнения).

Стабилизатор постоянного тока содержит силовой регулятор 1, первый резистор 2, через который к силовому регулятору подключена нагрузка 3, источник 4 опорного тока, второй резистор 5, усилитель 6 постоянного тока и блок 7 сравнения постоянных напряжений. Управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу усилителя 6 постоянного тока, вход которого соединен с выходом блока 7 сравнения постоянных напряжений. Первые потенциальные выводы первого 2 и второго 5 резисторов подключены соответственно к входам блока 7 сравнения постоянных напряжений. Вторые потенциальные выводы резисторов 2 и 5 объединены. Источник 4 опорного тока подключен к токовым выводам второго резистора 5.

Один из возможных вариантов выполнения сборки первого 2 и второго 5 резисторов (фиг.2) содержит медную шину 8 прямоугольного сечения и медный изолированный проводник 9 круглого (или прямоугольного) сечения. Шина 8 имеет отверстия 10 для болтового соединения с шинопроводом, а также паз 11 для укладки проводника 9. Участок шины 8, ограниченный пунктирными линиями В и Г, собственно и является первым резистором 2. Соответствующий участок проводника 9 (рабочий участок) является вторым резистором 5. Рабочий участок проводника 9 уложен в паз 11 шины 8, один из его концов соединен электрически с шиной 8 и в месте 12 соединения шины 8 с проводником 9 сделан отвод 13, являющийся вторым токовым выводом резистора 5.

На втором конце рабочего участка проводника 9 сделаны отводы 14 и 15, являющиеся соответственно первым потенциальным и первым токовым выводами второго резистора 5. Проводник 9 закреплен в пазу 11 на всем протяжении (от В до Г) каким-либо способом, обеспечивающим хороший тепловой контакт между шиной 8 и проводником 9, например, с помощью подходящего компаунда (при этом должна быть обеспечена электрическая изоляция проводника 9 от шины 8 по всей длине, кроме, разумеется, места 12 их электрического соединения). Отвод 16 от шины 8, сделанный в районе пересечения паза и линии В, является первым потенциальным выводом резистора 2. Все указанные отводы и электрические соединения выполняются способами, применяемыми в приборостроении и обеспечивающими малые переходные сопротивления и малые термоЭДС.

Кожух образован двумя диэлектрическими стенками 17, 18 и медной или алюминиевой трубой 19 прямоугольного сечения.

Стабилизатор работает следующим образом.

Ток нагрузки I_н протекает через первый резистор 2 и создает на нем падение напряжения U₁ I_н R₁, где R₁ значение сопротивления первого резистора 2 при текущем среднем значении температуры тела этого резистора Т₁ (среднем по объему). Через второй резистор 5 протекает ток I_оп, вырабатываемый источником 4 опорного тока, и создает на нем падение напряжения U₂I_оп R₂, где R₂ значение сопротивления второго резистора 5 при текущем значении температуры тела этого резистора Т₂ (среднем по объему). Напряжения U₁ и U₂ поступают на входы блока 7 сравнения постоянных напряжений. При неравенстве напряжений U₁ и U₂ на выходе блока 7 сравнения появляется напряжение рассогласования, которое через усилитель 6 постоянного тока поступает на управляющий вход силового регулятора 1. Рассматриваемый стабилизатор постоянного тока представляет собой систему автоматического регулирования следящего типа, действие которой направлено на поддержание равенства U₁ и U₂. Поэтому под действием напряжения рассогласования ток I_н будет изменяться до тех пор, пока система авторегулирования не придет в равновесное состояние, описываемое соотношением U₁ U₂ Δ U_д, где Δ U_д действующее рассогласование в контуре авторегулирования. При большом усилении действующее рассогласование пренебрежимо мало, поэтому U₁ U₂ откуда следует I_н I_оп R₂/R₁ Это соотношение в первом приближении может быть представлено в виде I_н= I_оп 1+α(T₂-T₁) где R_1н и R_2н номинальные значения сопротивлений первого 2 и второго 5 резисторов (обычно при 20^оС), α температурный коэффициент сопротивления материала, из которого выполнены резисторы 2 и 5; в нашем случае (медные резисторы) α ≈ 0,004 1/^оС.

Из последнего соотношения следует, что для медных резисторов 2 и 5 при отличии температур тел первого 2 и второго 5 резисторов в пределах 1^оС (I Т2-Т₁ ≅ < 1^оС I) составляющая температурной погрешности стабилизатора тока, обусловленная этим узлом, составит ±0,4% Выполнение первого 2 и второго 5 резисторов в виде единой монолитной сборки, заключенной в кожух из теплопроводящего материала, обеспечивающий уменьшение градиента температур в объеме сборки, позволяет реализовать стабилизаторы больших токов с таким показателем (без манганинового шунта).

Рабочая температура манганиновых шунтов на большие токи достигает 80-120^оС (Спектров С.А. Измерение больших постоянных токов, Л. Энергия, 1978), при этом погрешности манганиновых шунтов составляют ±0,5% Таким образом, предложенное техническое решение при прочих равных условиях имеет одинаковую температурную погрешность с прототипом (и, вообще, со стабилизаторами тока с манганиновыми шунтами в качестве датчиков тока). Следовательно, предложенное техническое решение обеспечивает решение задачи повышения технологичности производства стабилизаторов больших постоянных токов, достижение требуемого технического результата.

Узлы предложенного устройства могут быть выполнены по известным для стабилизаторов тока решениям. Кроме того, блок сравнения постоянных напряжений может быть выполнен с магнитным сравнением, как это сделано в прототипе. При этом обеспечивается гальваническая развязка силовых и измерительных цепей стабилизатора.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий силовой регулятор, соединенный через первый резистор с выводами для подключения нагрузки, источник опорного тока, подключенный к токовым выводам второго резистора, усилитель постоянного тока, выход которого подключен к управляющему входу силового регулятора, а выход - к выходу блока сравнения постоянных напряжений, к входам которого подключены соответственно первые потенциальные выводы первого и второго резисторов, вторые потенциальные выводы которых объединены, отличающийся тем, что упомянутые первый и второй резисторы выполнены из одного и того же проводникового материала, при этом тела резисторов находятся в тепловом контакте друг с другом, а сборка резисторов помещена в полость кожуха, выполненного из теплопроводящего материала и электрически изолированного от резисторов, номинальные значения сопротивлений которых удовлетворяют соотношению
R_2н/R_1н=I_н/I_оп,
где R_1н и R_2н - номинальные значения сопротивлений первого и второго резисторов;
I_н и I_оп - номинальные значения тока нагрузки и опорного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2