Регулируемый стабилизатор тока для питания электромагнита

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ РЕГУЛИРУЕМЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА ДЛЯ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Матюк Владимир Федорович Пиунов Владлен Даниэлевич Пряхин Анатолий Евгеньевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси(57) Регулируемый стабилизатор тока для питания электромагнита, содержащий трехфазный трансформатор, последовательно соединенные трехфазный двухполупериодный выпрямитель и фильтр, выход которого предназначен для подключения первого вывода обмотки питания электромагнита, цепочку из последовательно соединенных, охлаждаемых воздухом регулирующего элемента и опорного резистора, вход которой предназначен для подключения второго вывода обмотки питания электромагнита, систему воздушного охлаждения, помещенные в термостат регулируемый источник опорного напряжения и схема сравнения, первый вход которой соединен с выходом регулируемого источника опорного напряжения, второй вход соединен с опорным резистором, а выход - с управляющим входом регулирующего элемента, отличающийся тем, что он снабжен дополнительно коммутатором, трехфазный трансформатор имеет несколько отводов вторичной обмотки,соединяемых через коммутатор с трехфазным выпрямителем, регулирующий элемент выполнен с использованием мощных высоковольтных полевых транзисторов, защищенных быстродействующими -диодами, термостат выполнен активным, а опорный резистор изготовлен из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления и установлен на входе системы воздушного охлаждения.(56) 1. Каплиенко А.И., Еропкин В.Н. Тиристорный стабилизатор постоянного тока для электромагнитов // Приборы и техника эксперимента. - 1980. -6. - С. 138-140. 2. Антонов В.В., Веремеенко В.Ф., Ермолов Э.В., Заруднев Ю.В., Колмогоров В.В.,Марков Д.А., Медведко А.С, Петров С.П. Разработка прецизионного источника питания электромагнитов с применением -модулей. Материалы совещания по ускорителям заряженных частиц. Секция 7. - Новосибирск, 2000. - С. 16-18. 3. Гурылев Б.В., Беспалов-Короткевич Б.А., Кисельникова С.Н. Стабилизатор тока высокоомных магнитов // Приборы и техника эксперимента. - 1980. -1. - С. 176-177 (прототип). Полезная модель относится к области преобразования и регулирования электрического тока для питания мощных намагничивающих систем с большими активным сопротивлением и индуктивностью и может быть использована, в частности, для стабилизированного питания электромагнитов высокоточных магнитоизмерительных комплексов с регулировкой в широком интервале величины питающего тока. Известен стабилизатор постоянного тока 1, содержащий регулирующий элемент с выпрямителем на тиристорах, управляемых фазоимпульсным методом, источник опорного напряжения, схему сравнения и охлаждаемый водой опорный резистор. Недостатками данного устройства являются большая потребляемая мощность, ограниченный диапазон регулировки выходного тока, невысокая надежность тиристорного регулирующего элемента в условиях сетевых помех, некоторое снижение выходного тока в случае питания электромагнита, характеризующегося насыщением в области максимального выходного тока, и необходимость использования проточной воды для охлаждения опорного резистора. Также известно устройство 2, содержащее регулирующий элемент с использованием силовых -модулей и охлаждаемые воздухом схему управления и опорный резистор. Недостатками данного устройства являются невозможность его работы на высокоомную нагрузку и низкая эффективность отстройки от влияния изменения температуры на стабильность выходного тока. Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство 3, содержащее трансформатор, выпрямитель, фильтр, регулирующий элемент, схему сравнения, источник опорного напряжения и опорный резистор. Регулирующий элемент состоит из системы параллельно соединенных узлов из последовательно соединенных составных транзисторов, оконечным каскадом каждого из которых является мощный биполярный транзистор. Схема сравнения, источник опорного напряжения и опорный резистор помещены в пассивный термостат. Недостатками данного устройства являются большая рассеиваемая мощность и низкая надежность работы на высокоомную высокоиндуктивную нагрузку при больших токах, ограниченный диапазон регулировки тока из-за использования в регулирующем элементе биполярных транзисторов, которые при больших рассеиваемых мощностях склонны к перегреву и тепловому пробою, и невысокая стабильность тока из-за использования пассивного термостатирования схемы управления, источника опорного напряжения и опорного резистора. Задачей настоящей полезной модели является получение высокостабильного и регулируемого в широких пределах тока для питания высокоомных высокоиндуктивных электромагнитов, предназначенных для создания однородных и высокостабильных магнитных полей, например для питания электромагнитов спектрометров магнитного резонанса, высокоточных магнитоизмерительных систем, электромагнитов поверочных устройств. Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что она содержит последовательно соединенные трехфазный трансформатор, коммутатор, трехфазный двухполупе 2 42942008.04.30 риодный выпрямитель и фильтр, выход которого предназначен для подключения первого вывода обмотки питания электромагнита, цепочку из последовательно соединенных, охлаждаемых воздухом регулирующего элемента и опорного резистора, вход которой предназначен для подключения второго вывода обмотки питания электромагнита, систему воздушного охлаждения, помещенные в активный термостат источник опорного напряжения и схему сравнения, первый вход которой соединен с выходом источника опорного напряжения, второй вход соединен с опорным резистором, а выход - с управляющим входом регулирующего элемента, причем трехфазный трансформатор имеет несколько отводов вторичной обмотки, соединяемых через коммутатор с трехфазным выпрямителем, регулирующий элемент выполнен с использованием мощных высоковольтных полевых транзисторов, защищенных быстродействующими -диодами, термостат выполнен активным, а опорный резистор изготовлен из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления и установлен на входе системы воздушного охлаждения. В отличие от известного в заявляемую полезную модель дополнительно включен коммутатор, трехфазный трансформатор имеет несколько отводов вторичной обмотки,соединяемых через коммутатор с трехфазным выпрямителем, регулирующий элемент выполнен с использованием мощных высоковольтных полевых транзисторов, защищенных быстродействующими -диодами, термостат выполнен активным, а опорный резистор изготовлен из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления и установлен на входе системы воздушного охлаждения, что позволило обеспечить высокостабильный и регулируемый в широких пределах ток при питании высокоомных высокоиндуктивных электромагнитов, снизить потребляемую мощность, устранить возможность пробоя регулирующего элемента и тем самым повысить надежность работы стабилизатора тока. На фигуре представлена функциональная схема устройства по заявке. Регулируемый стабилизатор тока для питания электромагнита содержит последовательно соединенные трехфазный трансформатор 1, коммутатор 2, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 3 и фильтр 4, выход которого предназначен для подключения первого вывода обмотки питания электромагнита 5, последовательно соединенные регулирующий элемент 6 и опорный резистор 7, охлаждаемые системой 8 воздушного охлаждения, вход регулирующего элемента 6 предназначен для подключения второго вывода обмотки питания электромагнита 5, регулируемый источник 9 опорного напряжения, выход которого подсоединен к первому входу схемы 10 сравнения, второй вход которой соединен с опорным резистором 7, а выход - с управляющим входом регулирующего элемента 6, причем трехфазный трансформатор 1 имеет несколько отводов вторичной обмотки, соединяемых через коммутатор 2 с трехфазным выпрямителем 3, регулирующий элемент 6 выполнен с использованием мощных высоковольтных полевых транзисторов,защищенных быстродействующими -диодами, регулируемый источник 9 опорного напряжения и схема 10 сравнения помещены в активный термостат 11, а опорный резистор 7 изготовлен из материала с низким температурным коэффициентом сопротивления и установлен на входе системы 8 воздушного охлаждения. Работает устройство следующим образом. При подключении трехфазного трансформатора 1 к трехфазной сети напряжение с отвода вторичной обмотки, соответствующего требуемому поддиапазону установки тока питания электромагнита 5, через коммутатор 2 поступает на трехфазный двухполупериодный выпрямитель 3. Выпрямленное напряжение фильтруется фильтром 4. Обмотка электромагнита 5 подключается между выходом фильтра 4 и последовательно соединенными регулирующим элементом 6 и опорным резистором 7. В результате через обмотку электромагнита 5, регулирующий элемент 6 и опорный резистор 7 протекает ток, пропорциональный напряжению, снимаемому с фильтра 4, и обратно пропорциональный суммарному сопротивлению обмотки электромагнита 5, регулирующего элемента 6 и 3 42942008.04.30 опорного резистора 7. Величина этого тока пропорциональна напряжению, снимаемому с опорного резистора 7. Это напряжение сравнивается схемой 10 сравнения с напряжением источника 9 опорного напряжения, величину которого можно регулировать с целью установки необходимой величины тока через обмотку электромагнита 5. Выходное напряжение схемы 10 сравнения поступает на управляющий вход регулирующего элемента 6, изменяя его сопротивление и тем самым изменяя величину тока через обмотку электромагнита 5. За счет глубокой отрицательной обратной связи по току величина этого токаопределяется выражениемоп/оп где оп - опорное напряжение, оп - сопротивление опорного резистора 7. В результате ток нагрузкине зависит от сопротивления обмотки электромагнита 5, а его величина и стабильность определяются величиной и стабильностью опорного напряжения оп регулируемого источника 9 опорного напряжения и сопротивления оп опорного резистора 7. Стабильность опорного напряжения оп поддерживается активным термостатированием источника этого напряжения, а независимость оп от тока нагрузки - за счет его обдува воздухом комнатной температуры системой 8 воздушного охлаждения и изготовления опорного резистора 7 из материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, например из манганина (температурный коэффициент сопротивления которого составляет 510-6 на градус), что позволяет избежать необходимости его активного термостатирования и делает достаточным только интенсивный обдув воздухом. Использование активного термостатирования опорного резистора потребовало бы применения термостата неприемлемо больших размеров из-за достаточно большой мощности (до 10 ВА),выделяемой на опорном резисторе 7 при больших токах питания электромагнита 5. Выполнение регулирующего элемента 6 на мощных высоковольтных полевых транзисторах, защищенных быстродействующими -диодами, позволяет устранить возможность его пробоя, вызываемого ЭДС самоиндукции высокоиндуктивного электромагнита 5. Выполнение трехфазного трансформатора 1 с отводами вторичной обмотки и их коммутация в зависимости от требуемого поддиапазона установки тока позволяют уменьшить рассеиваемую мощность на регулирующем элементе 6. Эффективность предлагаемой полезной модели обусловлена тем, что за счет использования мощных высоковольтных полевых транзисторов, защищенных диодами, обеспечивается повышенная надежность работы заявляемого источника на нагрузку с большой индуктивностью и большим сопротивлением. При этом за счет активного термостатирования источника опорного напряжения и схемы сравнения, а также активного охлаждения опорного резистора, установленного на входе системы воздушного охлаждения, уменьшается температурная нестабильность выходного тока. Уменьшение рассеиваемой мощности на регулирующем элементе за счет коммутации отводов вторичной обмотки трехфазного трансформатора повышает энергоэффективность и надежность полезной модели. Применение заявляемой полезной модели для питания высокоомного (210 Ом) высокоиндуктивного (17 Гн) электромагнита эталона магнитной индукции показало ее устойчивость к воздействию перегрузок, перегрева и импульсных помех в пределах изменения выходного тока от 0,025 до 3 А с повышенной стабильностью тока нагрузки во всем диапазоне его регулирования. Относительная кратковременная нестабильность тока источника при максимальном токе за 1 мин не превышала 510-6. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4