MAGNABEND - РАБОТА С ЦЕПЬЮ
Фальцовщик Magnabend выполнен в виде зажимного электромагнита постоянного тока.
Простейшая схема, необходимая для управления электромагнитной катушкой, состоит только из переключателя и мостового выпрямителя:
Рисунок 1: Минимальная схема:
Следует отметить, что переключатель ВКЛ/ВЫКЛ подключается на стороне переменного тока цепи.Это позволяет току индуктивной катушки циркулировать через диоды в мостовом выпрямителе после выключения до тех пор, пока ток экспоненциально не упадет до нуля.
(Диоды в мосте действуют как диоды обратного хода).
Для более безопасной и удобной работы желательно иметь схему, обеспечивающую двуручную блокировку, а также двухступенчатую фиксацию.Двуручная блокировка предотвращает попадание пальцев под зажимную планку, а поэтапный зажим обеспечивает более плавный пуск и позволяет одной рукой удерживать предметы на месте до тех пор, пока не будет активирован предварительный зажим.
Рис. 2. Цепь с блокировкой и двухступенчатой фиксацией:
При нажатии кнопки СТАРТ небольшое напряжение подается на катушку магнита через конденсатор переменного тока, что создает эффект легкой фиксации.Этот реактивный способ ограничения тока в катушке не приводит к значительным потерям мощности в ограничительном устройстве (конденсаторе).
Полный зажим достигается при одновременном нажатии переключателя гибочной балки и кнопки СТАРТ.
Обычно сначала нажимают кнопку СТАРТ (левой рукой), а затем другой рукой тянут за ручку гибочной балки.Полное зажатие не произойдет, если не будет некоторого перекрытия в работе двух переключателей.Однако после того, как будет установлено полное зажатие, нет необходимости удерживать кнопку СТАРТ.
Остаточный магнетизм
Небольшой, но важной проблемой машины Магнабенда, как и большинства электромагнитов, является проблема остаточного магнетизма.Это небольшое количество магнетизма, которое остается после выключения магнита.Это приводит к тому, что зажимные стержни остаются слабо прижатыми к корпусу магнита, что затрудняет удаление заготовки.
Использование магнитомягкого железа — один из многих возможных подходов к преодолению остаточного магнетизма.
Однако этот материал трудно получить в стандартных размерах, а также он физически мягкий, что означает, что его легко повредить на гибочном станке.
Включение немагнитного зазора в магнитную цепь, пожалуй, самый простой способ уменьшить остаточный магнетизм.Этот метод эффективен, и его довольно легко реализовать в изготовленном корпусе магнита — просто вставьте кусок картона или алюминия толщиной около 0,2 мм между, скажем, передним полюсом и частью сердечника, прежде чем соединять части магнита вместе.Основным недостатком этого метода является то, что немагнитный зазор снижает поток, доступный для полного зажима.Кроме того, не так просто включить зазор в цельный корпус магнита, который используется для конструкции магнита Е-типа.
Поле обратного смещения, создаваемое вспомогательной катушкой, также является эффективным методом.Но это влечет за собой неоправданную дополнительную сложность изготовления катушки, а также схемы управления, хотя она ненадолго использовалась в ранней конструкции Magnabend.
Затухающие колебания («звон») концептуально являются очень хорошим методом размагничивания.
На этих фотографиях осциллографа изображены напряжение (верхняя кривая) и ток (нижняя кривая) в катушке Магнабенда с подходящим конденсатором, подключенным к ней, чтобы вызвать автоколебания.(Питание переменного тока было отключено примерно в середине кадра).
Первое изображение относится к разомкнутой магнитной цепи, то есть без зажима на магните.Второе изображение относится к замкнутой магнитной цепи, то есть с зажимной планкой на всю длину магнита.
На первом рисунке напряжение демонстрирует затухающие колебания (звон) и ток (нижняя кривая), но на втором рисунке напряжение не колеблется, а ток вообще не успевает изменить направление.Это означает, что не будет колебаний магнитного потока и, следовательно, не будет компенсации остаточного магнетизма.
Проблема в том, что магнит слишком сильно демпфирован, в основном из-за потерь на вихревые токи в стали, поэтому, к сожалению, этот метод не работает для Magnabend.
Вынужденные колебания - еще одна идея.Если магнит слишком демпфирован, чтобы совершать автоколебания, его могут заставить колебаться активные схемы, подающие энергию по мере необходимости.Это также было тщательно исследовано для Magnabend.Его главный недостаток заключается в том, что он включает в себя слишком сложную схему.
Метод размагничивания обратным импульсом оказался наиболее экономичным для Magnabend.Детали этой конструкции представляют собой оригинальную работу, выполненную компанией Magnetic Engineering Pty Ltd. Далее следует подробное обсуждение:
ОБРАТНОЕ ИМПУЛЬСНОЕ РАЗМАГНИЧИВАНИЕ
Суть этой идеи заключается в том, чтобы запасать энергию в конденсаторе, а затем отдавать ее в катушку сразу после выключения магнита.Полярность должна быть такой, чтобы конденсатор индуцировал обратный ток в катушке.Количество энергии, хранящейся в конденсаторе, может быть подобрано таким образом, чтобы его было достаточно для подавления остаточного магнетизма.(Слишком много энергии может переусердствовать и повторно намагнитить магнит в противоположном направлении).
Еще одним преимуществом метода обратного импульса является то, что он обеспечивает очень быстрое размагничивание и почти мгновенное освобождение прижимной планки от магнита.Это связано с тем, что нет необходимости ждать, пока ток катушки снизится до нуля, прежде чем подключать обратный импульс.При подаче импульса ток катушки обнуляется (а затем обращается вспять) намного быстрее, чем его нормальный экспоненциальный спад.
Рисунок 3: Базовая схема обратного импульса
Теперь, как правило, размещение контакта переключателя между выпрямителем и катушкой магнита — это «игра с огнем».
Это связано с тем, что индуктивный ток не может быть внезапно прерван.Если это так, то контакты переключателя будут искрить, и переключатель будет поврежден или даже полностью разрушен.(Механическим эквивалентом будет попытка внезапно остановить маховик).
Таким образом, какая бы схема ни была разработана, она должна обеспечивать эффективный путь для тока катушки в любое время, в том числе в течение нескольких миллисекунд, пока переключающий контакт переключается.
Приведенная выше схема, состоящая только из 2 конденсаторов и 2 диодов (плюс контакт реле), выполняет функции зарядки накопительного конденсатора до отрицательного напряжения (относительно опорной стороны катушки), а также обеспечивает альтернативный путь для катушки. ток, пока контакт реле находится на лету.
Как это работает:
В широком смысле D1 и C2 действуют как накачка заряда для C1, в то время как D2 является фиксирующим диодом, который удерживает точку B от положительного.
Пока магнит включен, контакт реле будет подключен к его «нормально разомкнутой» (НО) клемме, и магнит будет выполнять свою обычную работу по зажиму листового металла.Насос заряда будет заряжать C1 до пикового отрицательного напряжения, равного по величине пиковому напряжению катушки.Напряжение на C1 будет увеличиваться экспоненциально, но он будет полностью заряжен примерно за 1/2 секунды.
Затем он остается в этом состоянии до тех пор, пока машина не будет выключена.
Сразу после выключения реле кратковременно замыкается.В течение этого времени высокоиндуктивный ток катушки будет продолжать циркулировать через диоды мостового выпрямителя.Теперь после задержки около 30 миллисекунд контакты реле начнут размыкаться.Ток катушки больше не может проходить через диоды выпрямителя, а вместо этого находит путь через C1, D1 и C2.Направление этого тока таково, что он еще больше увеличит отрицательный заряд на C1 и начнет также заряжать C2.
Значение C2 должно быть достаточно большим, чтобы контролировать скорость нарастания напряжения на размыкающем контакте реле, чтобы исключить образование дуги.Для типичного реле достаточно значения около 5 микрофарад на ампер тока катушки.
На Рисунке 4 ниже подробно показаны формы сигналов, возникающие в течение первой половины секунды после выключения.Рампа напряжения, которой управляет C2, хорошо видна на красной дорожке в середине рисунка, она помечена как «Контакт реле на лету».(Фактическое время пролета можно определить по этой трассе, оно составляет около 1,5 мс).
Как только якорь реле приземлится на свой нормально замкнутый контакт, к катушке магнита подключается отрицательно заряженный накопительный конденсатор.Это не сразу меняет направление тока катушки, но теперь ток течет «в гору» и, таким образом, быстро достигает нуля и приближается к отрицательному пику, который возникает примерно через 80 мс после подключения накопительного конденсатора.(См. рис. 5).Отрицательный ток вызовет отрицательный поток в магните, который нейтрализует остаточный магнетизм, и зажимная планка и заготовка будут быстро освобождены.
Рисунок 4: Расширенные формы сигналов
Рисунок 5: Формы напряжения и тока на магнитной катушке
На рис. 5 выше показаны формы сигналов напряжения и тока на магнитной катушке во время фазы предварительной фиксации, фазы полной фиксации и фазы размагничивания.
Считается, что простота и эффективность этой схемы размагничивания должны означать, что она найдет применение в других электромагнитах, нуждающихся в размагничивании.Даже если остаточный магнетизм не является проблемой, эта схема может быть очень полезна для очень быстрой коммутации тока катушки до нуля и, следовательно, быстрого отпускания.
Практическая схема Магнабенда:
Концепции схемы, рассмотренные выше, могут быть объединены в полную схему с двусторонней блокировкой и обратным импульсным размагничиванием, как показано ниже (рис. 6):
Рисунок 6: Комбинированная схема
Эта схема будет работать, но, к сожалению, она несколько ненадежна.
Для обеспечения надежной работы и увеличения срока службы переключателя необходимо добавить некоторые дополнительные компоненты в базовую схему, как показано ниже (Рисунок 7):
Рисунок 7: Комбинированная схема с уточнениями
SW1:
Это двухполюсный разъединитель.Он добавлен для удобства и соблюдения электрических стандартов.Также желательно, чтобы этот переключатель имел неоновый световой индикатор, показывающий состояние ВКЛ/ВЫКЛ цепи.
Д3 и С4:
Без D3 фиксация реле ненадежна и несколько зависит от фазировки сигнала сети во время срабатывания поворотного переключателя.D3 вводит задержку (обычно 30 миллисекунд) при отключении реле.Это устраняет проблему фиксации, а также выгодно иметь задержку отключения непосредственно перед началом размагничивающего импульса (позже в цикле).C4 обеспечивает связь по переменному току цепи реле, которая в противном случае была бы полупериодным коротким замыканием при нажатии кнопки ПУСК.
ТЕРМ.ВЫКЛЮЧАТЕЛЬ:
Корпус этого переключателя соприкасается с корпусом магнита, и цепь разомкнется, если магнит станет слишком горячим (>70°C).Включение его последовательно с катушкой реле означает, что ему нужно переключать только небольшой ток через катушку реле, а не полный ток магнита.
Р2:
Когда нажата кнопка СТАРТ, реле срабатывает, и возникает пусковой ток, который заряжает С3 через мостовой выпрямитель, С2 и диод D2.Без резистора R2 в этой цепи не было бы сопротивления, и возникающий в результате большой ток мог повредить контакты переключателя ПУСК.
Кроме того, есть еще одно условие цепи, при котором R2 обеспечивает защиту: если переключатель поворотной балки (SW2) перемещается от клеммы NO (где он будет проводить полный магнитный ток) к клемме NC, то часто будет образовываться дуга, и если Переключатель START в это время все еще удерживался, тогда C3 фактически замыкал бы накоротко, и, в зависимости от того, какое напряжение было на C3, это могло повредить SW2.Однако снова R2 ограничит этот ток короткого замыкания до безопасного значения.R2 требуется только низкое значение сопротивления (обычно 2 Ом), чтобы обеспечить достаточную защиту.
Варистор:
Варистор, подключенный между клеммами переменного тока выпрямителя, обычно ничего не делает.Но если в сети есть скачок напряжения (например, из-за близкого удара молнии), то варистор поглотит энергию скачка и предотвратит повреждение мостового выпрямителя скачком напряжения.
Р1:
Если бы кнопка ПУСК была нажата во время импульса размагничивания, это, вероятно, вызвало бы дугу на контакте реле, что, в свою очередь, привело бы к короткому замыканию С1 (накопительного конденсатора).Энергия конденсатора будет сброшена в цепь, состоящую из C1, мостового выпрямителя и дуги в реле.Без резистора R1 сопротивление в этой цепи очень мало, поэтому ток будет очень большим и его будет достаточно, чтобы спаять контакты в реле.R1 обеспечивает защиту в этом (несколько необычном) случае.
Особое примечание относительно выбора R1:
Если описанная выше возможность действительно произойдет, то R1 поглотит практически всю энергию, которая была сохранена в C1, независимо от фактического значения R1.Мы хотим, чтобы R1 было большим по сравнению с другими сопротивлениями цепи, но маленьким по сравнению с сопротивлением катушки Магнабенда (иначе R1 уменьшило бы эффективность размагничивающего импульса).Подходящим было бы значение от 5 до 10 Ом, но какая номинальная мощность должна быть у резистора R1?Что нам действительно нужно указать, так это мощность импульса или номинальная мощность резистора.Но для силовых резисторов эта характеристика обычно не указывается.Резисторы малой мощности обычно имеют проволочную обмотку, и мы определили, что критическим фактором, на который следует обращать внимание в этом резисторе, является количество фактического провода, используемого в его конструкции.Вам нужно взломать образец резистора и измерить калибр и длину используемого провода.Исходя из этого, рассчитайте общий объем провода, а затем выберите резистор с сечением провода не менее 20 мм3.
(Например, резистор 6,8 Ом/11 Вт от RS Components имеет объем провода 24 мм3).
К счастью, эти дополнительные компоненты имеют небольшие размеры и стоимость и, следовательно, добавляют всего несколько долларов к общей стоимости электрики Magnabend.
Есть дополнительная схема, которая еще не обсуждалась.Это решает относительно небольшую проблему:
Если нажать кнопку СТАРТ и не потянуть за ручку (что в противном случае привело бы к полному зажиму), то накопительный конденсатор не будет полностью заряжен, и импульс размагничивания, возникающий при отпускании кнопки СТАРТ, не полностью размагнитит машину. .В этом случае зажимная планка оставалась бы приклеенной к машине, что создавало бы неудобства.
Добавление D4 и R3, показанное синим цветом на рис. 8 ниже, подает сигнал подходящей формы в схему подкачки заряда, чтобы гарантировать, что C1 заряжается, даже если не применяется полное ограничение.(Значение R3 не критично - 220 Ом/10 Вт подойдет для большинства машин).
Рис. 8: Цепь с размагничиванием только после «ПУСК»:
Для получения дополнительной информации о компонентах схемы обратитесь к разделу «Компоненты» в «Создайте свой собственный Magnabend».
Для справки полные принципиальные схемы машин Magnabend 240 В переменного тока типа E производства компании Magnetic Engineering Pty Ltd показаны ниже.
Обратите внимание, что для работы на 115 В переменного тока потребуется изменить значения многих компонентов.
Компания Magnetic Engineering прекратила производство машин Magnabend в 2003 году, когда бизнес был продан.
Примечание. Приведенное выше обсуждение было предназначено для объяснения основных принципов работы схемы, и не все детали были рассмотрены.Полные схемы, показанные выше, также включены в руководства Magnabend, которые доступны в других местах на этом сайте.
Также следует отметить, что мы разработали полностью полупроводниковые версии этой схемы, в которых вместо реле для переключения тока использовались IGBT.
Твердотельная схема никогда не использовалась ни в каких машинах Magnabend, но использовалась для специальных магнитов, которые мы изготавливали для производственных линий.Эти производственные линии обычно выпускали 5000 изделий (например, дверцы холодильника) в день.
Компания Magnetic Engineering прекратила производство машин Magnabend в 2003 году, когда бизнес был продан.
Пожалуйста, используйте ссылку «Связаться с Аланом» на этом сайте, чтобы получить дополнительную информацию.