Osnove električnega vezja Magnabend

MAGNABEND - DELOVANJE VEZJA
Zgibanka za pločevino Magnabend je zasnovana kot DC vpenjalni elektromagnet.
Najenostavnejše vezje, potrebno za pogon elektromagnetne tuljave, je sestavljeno samo iz stikala in mostičnega usmernika:
Slika 1: Minimalno vezje:

Minimalno vezje

Upoštevati je treba, da je stikalo za VKLOP/IZKLOP priključeno na AC stran vezja.To omogoča, da tok induktivne tuljave kroži skozi diode v mostičnem usmerniku po izklopu, dokler tok eksponentno ne pade na nič.
(Diode v mostu delujejo kot "fly-back" diode).

Za varnejše in priročnejše delovanje je zaželeno imeti vezje, ki omogoča 2-ročno zaporo in tudi 2-stopenjsko vpenjanje.Dvoročna zapora pomaga zagotoviti, da prstov ni mogoče ujeti pod vpenjalno palico, stopenjsko vpenjanje pa omogoča mehkejši začetek in tudi omogoča, da ena roka drži stvari na mestu, dokler se ne aktivira predvpenjanje.

Slika 2: Vezje z zaporo in 2-stopenjskim vpenjanjem:

Ko pritisnete gumb START, se magnetna tuljava preko kondenzatorja izmeničnega toka napaja z majhno napetostjo, kar povzroči lahek učinek vpenjanja.Ta reaktivna metoda omejevanja toka na tuljavo ne vključuje pomembnega odvajanja moči v omejevalni napravi (kondenzatorju).
Popolno vpenjanje je doseženo, ko hkrati upravljate stikalo, ki ga upravlja upogibni nosilec, in gumb START.
Običajno bi najprej pritisnili gumb START (z levo roko), nato pa bi z drugo roko potegnili ročaj upogibnega nosilca.Do popolnega vpenjanja ne bo prišlo, razen če pride do prekrivanja v delovanju 2 stikal.Ko pa je vzpostavljeno popolno vpetje, ni treba še naprej držati gumba START.

Preostali magnetizem
Majhen, a pomemben problem pri stroju Magnabend, tako kot pri večini elektromagnetov, je problem preostalega magnetizma.To je majhna količina magnetizma, ki ostane po izklopu magneta.Povzroča, da vpenjalne palice ostanejo šibko vpete na telo magneta, kar oteži odstranitev obdelovanca.

Uporaba magnetno mehkega železa je eden od mnogih možnih pristopov za premagovanje preostalega magnetizma.
Vendar pa je ta material težko dobiti v velikostih na zalogi, poleg tega pa je fizično mehak, kar pomeni, da bi ga zlahka poškodovali v upogibnem stroju.

Vključitev nemagnetne vrzeli v magnetno vezje je morda najpreprostejši način za zmanjšanje ostankov magnetizma.Ta metoda je učinkovita in jo je dokaj enostavno doseči v izdelanem ohišju magneta - preprosto vstavite kos kartona ali aluminija debeline približno 0,2 mm med, recimo, sprednji pol in jedro, preden pritrdite dele magneta skupaj.Glavna pomanjkljivost te metode je, da nemagnetna reža zmanjša pretok, ki je na voljo za popolno vpenjanje.Prav tako ni enostavno vključiti vrzeli v ohišje magneta iz enega kosa, kot se uporablja za zasnovo magneta tipa E.

Učinkovita metoda je tudi povratno pristransko polje, ki ga ustvari pomožna tuljava.Vendar vključuje neupravičeno dodatno zapletenost pri izdelavi tuljave in tudi v krmilnem vezju, čeprav je bil na kratko uporabljen v zgodnji zasnovi Magnabend.

Upadajoče nihanje ("zvonjenje") je konceptualno zelo dobra metoda za razmagnetenje.

Dušeno zvonjenje Valovna oblika zvonjenja

Te fotografije osciloskopa prikazujejo napetost (zgornja sled) in tok (spodnja sled) v tuljavi Magnabend z ustreznim kondenzatorjem, priključenim čez njo, da omogoča samonihanje.(Izmenični tok je bil izklopljen približno na sredini slike).

Prva slika je za odprto magnetno vezje, to je brez sponke na magnetu.Druga slika je za zaprto magnetno vezje, to je s polno dolžino sponke na magnetu.
Na prvi sliki napetost kaže pojemajoče nihanje (zvonjenje) in prav tako tok (spodnja sled), na drugi sliki pa napetost ne niha in se tok sploh ne uspe obrniti.To pomeni, da ne bi prišlo do nihanja magnetnega pretoka in s tem do preklica preostalega magnetizma.
Težava je v tem, da je magnet premočno dušen, predvsem zaradi izgub na vrtinčne tokove v jeklu, zato ta metoda na žalost ne deluje pri Magnabendu.

Prisilno nihanje je še ena ideja.Če je magnet preveč dušen za samoosciliranje, ga lahko k nihanju prisilijo aktivna vezja, ki dovajajo potrebno energijo.To je bilo tudi temeljito raziskano za Magnabend.Njegova glavna pomanjkljivost je, da vključuje preveč zapleteno vezje.

Razmagnetenje z povratnim impulzom je metoda, ki se je izkazala za najbolj stroškovno učinkovito za Magnabend.Podrobnosti tega dizajna predstavljajo izvirno delo, ki ga je izvedlo podjetje Magnetic Engineering Pty Ltd. Podrobna razprava sledi:

RAZMAGNETIZACIJA REVERZNEGA IMPULZA
Bistvo te ideje je shranjevanje energije v kondenzatorju in nato sprostitev v tuljavo takoj po izklopu magneta.Polarnost mora biti taka, da bo kondenzator induciral povratni tok v tuljavi.Količino energije, shranjene v kondenzatorju, je mogoče prilagoditi tako, da zadostuje za izničenje preostalega magnetizma.(Preveč energije bi lahko pretiravalo in ponovno magnetiziralo magnet v nasprotni smeri).

Nadaljnja prednost metode povratnega impulza je, da povzroči zelo hitro razmagnetenje in skoraj takojšnjo sprostitev sponke od magneta.To je zato, ker ni treba čakati, da tok tuljave upade na nič, preden priključite povratni impulz.Ob uporabi impulza je tok tuljave prisiljen na nič (in nato v vzvratno smer) veliko hitreje, kot bi bil njegov običajni eksponentni upad.

Slika 3: Osnovno vezje povratnega impulza

Osnovni Demag Cct

Zdaj je običajno postavitev preklopnega kontakta med usmernikom in magnetno tuljavo "igranje z ognjem".
To je zato, ker induktivnega toka ni mogoče nenadoma prekiniti.Če je, potem pride do obloka stikala in stikalo se poškoduje ali celo popolnoma uniči.(Mehanski ekvivalent bi poskušal nenadoma ustaviti vztrajnik).
Torej, ne glede na to, katero vezje je zasnovano, mora zagotavljati učinkovito pot za tok tuljave ves čas, vključno z nekaj milisekundami, ko se kontakt stikala spremeni.
Zgornje vezje, ki je sestavljeno samo iz 2 kondenzatorjev in 2 diod (plus kontakt releja), dosega funkcije polnjenja pomnilniškega kondenzatorja na negativno napetost (glede na referenčno stran tuljave) in zagotavlja tudi alternativno pot za tuljavo tok, medtem ko je kontakt releja v teku.

Kako deluje:
Na splošno D1 in C2 delujeta kot polnilna črpalka za C1, medtem ko je D2 objemna dioda, ki preprečuje, da bi točka B postala pozitivna.
Medtem ko je magnet VKLOPLJEN, bo kontakt releja povezan s svojim "normalno odprtim" (NO) priključkom in magnet bo opravljal svojo običajno nalogo vpenjanja pločevine.Polnilna črpalka bo polnila C1 proti najvišji negativni napetosti, ki je po velikosti enaka najvišji napetosti tuljave.Napetost na C1 se bo eksponentno povečala, vendar bo popolnoma napolnjen v približno 1/2 sekunde.
Nato ostane v tem stanju, dokler stroja ne IZKLOPITE.
Takoj po izklopu rele kratek čas zadrži.V tem času bo visoko induktivni tok tuljave še naprej krožil skozi diode v mostičnem usmerniku.Sedaj, po zakasnitvi približno 30 milisekund, se bo kontakt releja začel ločevati.Tok tuljave ne more več iti skozi usmerniške diode, temveč najde pot skozi C1, D1 in C2.Smer tega toka je takšna, da bo še povečal negativni naboj na C1 in bo začel polniti tudi C2.

Vrednost C2 mora biti dovolj velika, da nadzoruje stopnjo naraščanja napetosti na kontaktu odpiralnega releja, da zagotovi, da oblok ne nastane.Vrednost približno 5 mikrofaradov na amper toka tuljave je primerna za tipičen rele.

Slika 4 spodaj prikazuje podrobnosti valovnih oblik, ki se pojavijo v prve pol sekunde po IZKLOPU.Napetostna rampa, ki jo krmili C2, je jasno vidna na rdeči sledi na sredini slike, označena je kot "Sprotni relejni kontakt".(Dejanski čas preleta je mogoče razbrati iz te sledi; znaša približno 1,5 ms).
Takoj, ko armatura releja pristane na svojem NC priključku, je negativno nabit kondenzator za shranjevanje priključen na magnetno tuljavo.To ne obrne takoj toka tuljave, ampak tok zdaj teče "navzgor" in je tako hitro prisiljen skozi ničlo in proti negativni konici, ki se pojavi približno 80 ms po priključitvi pomnilniškega kondenzatorja.(Glejte sliko 5).Negativni tok bo induciral negativni tok v magnetu, ki bo izničil preostali magnetizem, sponka in obdelovanec pa se bosta hitro sprostila.

Slika 4: Razširjene valovne oblike

Razširjene valovne oblike

Slika 5: Valovne oblike napetosti in toka na magnetni tuljavi

Valovne oblike 1

Slika 5 zgoraj prikazuje valovne oblike napetosti in toka na magnetni tuljavi med fazo pred vpenjanjem, fazo polnega vpenjanja in fazo razmagnetenja.

Menijo, da bi preprostost in učinkovitost tega vezja za razmagnetenje pomenila, da bo našel uporabo v drugih elektromagnetih, ki jih je treba razmagnetiti.Tudi če preostali magnetizem ni problem, je to vezje lahko še vedno zelo uporabno za zelo hitro komutacijo toka tuljave na nič in s tem omogoča hitro sprostitev.
Praktično vezje Magnabend:

Zgoraj obravnavane koncepte vezja je mogoče združiti v polno vezje z 2-ročno zaporo in razmagnetenjem povratnega impulza, kot je prikazano spodaj (slika 6):

Slika 6: Kombinirano vezje

Poenostavljeno celotno vezje

To vezje bo delovalo, vendar je na žalost nekoliko nezanesljivo.
Za zanesljivo delovanje in daljšo življenjsko dobo stikala je treba osnovnemu vezju dodati nekaj dodatnih komponent, kot je prikazano spodaj (slika 7):
Slika 7: Kombinirano vezje z izboljšavami

Magnabend full cct (1)

SW1:
To je 2-polno ločilno stikalo.Dodan je zaradi udobja in skladnosti z električnimi standardi.Zaželeno je tudi, da to stikalo vključuje neonsko indikatorsko lučko, ki prikazuje stanje VKLOP/IZKLOP vezja.

D3 in C4:
Brez D3 je zapah releja nezanesljiv in je nekoliko odvisen od faze omrežne valovne oblike v času delovanja stikala za upogibni žarek.D3 uvaja zakasnitev (običajno 30 milisekund) pri izpadu iz releja.To premaga težavo z zaklepanjem, prav tako pa je koristno imeti zakasnitev izpada tik pred začetkom razmagnetilnega impulza (pozneje v ciklu).C4 zagotavlja AC sklopko relejnega vezja, ki bi sicer pomenilo polvalovni kratek stik, ko bi pritisnili gumb START.

TERM.PREKLOP:
To stikalo ima ohišje v stiku s telesom magneta in bo odprlo tokokrog, če se magnet prevroče (>70 C).Postavitev v serijo s tuljavo releja pomeni, da mora preklopiti samo majhen tok skozi tuljavo releja in ne celotnega magnetnega toka.

R2:
Ko pritisnete gumb START, se rele vključi in nato pride do zagonskega toka, ki polni C3 preko mostičnega usmernika, C2 in diode D2.Brez R2 v tem vezju ne bi bilo upora in posledično visok tok bi lahko poškodoval kontakte v stikalu START.
Obstaja tudi drugo stanje vezja, pri katerem R2 zagotavlja zaščito: če se stikalo za upogibni žarek (SW2) premakne s priključka NO (kjer bi prenašal polni magnetni tok) na priključek NC, potem pogosto nastane oblok in če Stikalo START je bilo v tem času še vedno držano, potem bi bil C3 dejansko v kratkem stiku in, odvisno od napetosti na C3, bi to lahko poškodovalo SW2.Vendar bi ponovno R2 omejil ta tok kratkega stika na varno vrednost.R2 potrebuje le nizko vrednost upora (običajno 2 ohma), da zagotovi zadostno zaščito.

Varistor:
Varistor, ki je priključen med priključke AC usmernika, običajno ne dela nič.Toda če pride do udarne napetosti v omrežju (zaradi na primer - bližnjega udara strele), bo varistor absorbiral energijo v sunku in preprečil, da bi skok napetosti poškodoval mostični usmernik.

R1:
Če bi gumb START pritisnili med impulzom za razmagnetenje, bi to verjetno povzročilo oblok na kontaktu releja, kar bi posledično povzročilo skoraj kratek stik C1 (pomnilniški kondenzator).Energija kondenzatorja bi bila odložena v vezje, sestavljeno iz C1, mostičnega usmernika in obloka v releju.Brez R1 je v tem vezju zelo majhen upor, zato bi bil tok zelo visok in bi zadostoval za varjenje kontaktov v releju.R1 zagotavlja zaščito v tem (nekoliko nenavadnem) primeru.

Posebna opomba glede izbire R1:
Če se zgodi zgoraj opisana možnost, bo R1 absorbiral skoraj vso energijo, ki je bila shranjena v C1, ne glede na dejansko vrednost R1.Želimo, da je R1 velik v primerjavi z drugimi upornostmi vezja, a majhen v primerjavi z uporom tuljave Magnabend (sicer bi R1 zmanjšal učinkovitost impulza za razmagnetenje).Primerna bi bila vrednost okoli 5 do 10 ohmov, vendar kakšno moč bi moral imeti R1?Resnično moramo določiti moč impulza ali energijsko oceno upora.Vendar ta značilnost običajno ni določena za močnostne upore.Močnostni upori nizke vrednosti so običajno žično naviti in ugotovili smo, da je kritični dejavnik, ki ga je treba iskati pri tem uporu, količina dejanske žice, uporabljene pri njegovi konstrukciji.Odpreti morate vzorčni upor in izmeriti merilnik in dolžino uporabljene žice.Iz tega izračunajte skupno prostornino žice in nato izberite upor z najmanj 20 mm3 žice.
(Ugotovljeno je bilo, da ima na primer upor 6,8 ohmov/11 vatov podjetja RS Components prostornino žice 24 mm3).

Na srečo so te dodatne komponente majhne po velikosti in ceni ter tako skupnemu strošku elektrike Magnabend dodajo le nekaj dolarjev.
Obstaja še en del vezja, o katerem še nismo razpravljali.To premaga razmeroma majhno težavo:
Če pritisnete gumb START in temu ne sledi vlečenje ročaja (kar bi sicer povzročilo popolno vpetje), potem kondenzator za shranjevanje ne bo popolnoma napolnjen in impulz za razmagnetenje, ki nastane ob sprostitvi gumba START, ne bo popolnoma razmagnetil stroja. .Objemka bi potem ostala zataknjena na stroju in to bi bilo moteče.
Dodatek D4 in R3, prikazan modro na sliki 8 spodaj, dovaja ustrezno valovno obliko v vezje črpalke za polnjenje, da se zagotovi, da se C1 napolni, tudi če ni uporabljena popolna vpetost.(Vrednost R3 ni kritična - 220 ohmov/10 vatov bi ustrezalo večini strojev).
Slika 8: Vezje z razmagnetenjem samo po "START":

Razmagnetite po START-u

Za več informacij o komponentah vezja glejte razdelek Komponente v "Izdelajte svoj lasten Magnabend"
Za referenčne namene so spodaj prikazani celotni diagrami 240-voltnega izmeničnega toka, E-Type Magnabend strojev, ki jih proizvaja Magnetic Engineering Pty Ltd.

Upoštevajte, da bi bilo treba za delovanje na 115 VAC spremeniti številne vrednosti komponent.

Magnetic Engineering je prenehal s proizvodnjo strojev Magnabend leta 2003, ko je bilo podjetje prodano.

650E vezje

1250E vezje

2500E vezje

Opomba: Zgornja razprava je bila namenjena razlagi glavnih principov delovanja vezja in niso bile zajete vse podrobnosti.Celotna vezja, prikazana zgoraj, so vključena tudi v priročnike za Magnabend, ki so na voljo drugje na tem mestu.

Prav tako je treba omeniti, da smo razvili popolnoma polprevodniške različice tega vezja, ki je namesto releja uporabljalo IGBT za preklapljanje toka.
Polprevodniško vezje ni bilo nikoli uporabljeno v nobenem stroju Magnabend, ampak je bilo uporabljeno za posebne magnete, ki smo jih izdelovali za proizvodne linije.Te proizvodne linije običajno proizvedejo 5000 kosov (kot so vrata hladilnika) na dan.

Magnetic Engineering je prenehal s proizvodnjo strojev Magnabend leta 2003, ko je bilo podjetje prodano.

Za več informacij uporabite povezavo Kontakt z Alanom na tej strani.