MAGNABEND - PROVOZ OKRUHU
Plechový skládací stroj Magnabend je řešen jako DC upínací elektromagnet.
Nejjednodušší obvod potřebný k pohonu elektromagnetické cívky se skládá pouze ze spínače a můstkového usměrňovače:
Obrázek 1: Minimální obvod:
Je třeba poznamenat, že vypínač ON/OFF je zapojen na AC straně obvodu.To umožňuje, aby proud indukční cívky cirkuloval přes diody v můstkovém usměrňovači po vypnutí, dokud proud neklesne exponenciálně k nule.
(Diody v můstku fungují jako "fly-back" diody).
Pro bezpečnější a pohodlnější ovládání je žádoucí mít obvod, který zajišťuje 2ruční blokování a také 2stupňové upínání.2-ruční blokování pomáhá zajistit, že prsty nemohou být zachyceny pod upínací lištou a stupňovité upínání poskytuje měkčí začátek a také umožňuje jednou rukou držet věci na místě, dokud není aktivováno předběžné upnutí.
Obrázek 2: Obvod s blokováním a dvoustupňovým upínáním:
Po stisknutí tlačítka START je do magnetické cívky přivedeno malé napětí přes střídavý kondenzátor, čímž se vytvoří lehký svěrný efekt.Tento reaktivní způsob omezení proudu do cívky nezahrnuje žádné významné ztráty výkonu v omezovacím zařízení (kondenzátoru).
Úplného sevření dosáhnete, když současně stisknete spínač ovládaný ohýbacím nosníkem a tlačítko START.
Obvykle se nejprve stiskne tlačítko START (levou rukou) a poté se druhou rukou zatáhne za rukojeť ohýbacího nosníku.K úplnému sevření nedojde, pokud nedojde k určitému překrývání činnosti 2 spínačů.Jakmile je však dosaženo úplného upnutí, není nutné držet tlačítko START.
Zbytkový magnetismus
Malý, ale významný problém u stroje Magnabend, stejně jako u většiny elektromagnetů, je problém zbytkového magnetismu.Toto je malé množství magnetismu, který zůstane po vypnutí magnetu.Způsobuje to, že upínací lišty zůstávají slabě upnuty k tělu magnetu, což ztěžuje odstranění obrobku.
Použití magneticky měkkého železa je jedním z mnoha možných přístupů k překonání zbytkového magnetismu.
Tento materiál je však obtížně dostupný ve skladových velikostech a také je fyzicky měkký, což znamená, že by se v ohýbačce snadno poškodil.
Začlenění nemagnetické mezery do magnetického obvodu je možná nejjednodušší způsob, jak snížit zbytkový magnetismus.Tato metoda je účinná a je poměrně snadné ji dosáhnout ve vyrobeném těle magnetu - stačí začlenit kus lepenky nebo hliníku o tloušťce asi 0,2 mm mezi řekněme přední pól a jádro, než sešroubujete části magnetu dohromady.Hlavní nevýhodou této metody je, že nemagnetická mezera snižuje tok dostupný pro plné upnutí.Také není přímočaré začlenit mezeru do jednodílného těla magnetu, jak se používá pro konstrukci magnetu typu E.
Účinnou metodou je také pole zpětného předpětí, vytvářené pomocnou cívkou.Zahrnuje to však neopodstatněnou extra složitost při výrobě cívky a také v řídicích obvodech, ačkoli se krátce používaly v raném designu Magnabend.
Doznívající kmitání („zvonění“) je koncepčně velmi dobrou metodou pro demagnetizaci.
Tyto fotografie osciloskopu zobrazují napětí (horní stopa) a proud (spodní stopa) v Magnabendově cívce s vhodným kondenzátorem připojeným přes ni, aby sama oscilovala.(Přibližně uprostřed obrazu bylo vypnuto AC napájení).
První obrázek je pro otevřený magnetický obvod, to znamená bez svorky na magnetu.Druhý obrázek je pro uzavřený magnetický obvod, to znamená s celodélkovou svorkou na magnetu.
Na prvním obrázku napětí vykazuje doznívající kmitání (zvonění) a proud také (spodní stopa), ale na druhém obrázku napětí nekmitne a proud se ani nestíhá obrátit.To znamená, že by nedocházelo k oscilacím magnetického toku, a tudíž k žádnému zrušení zbytkového magnetismu.
Problém je v tom, že magnet je příliš silně tlumený, hlavně kvůli ztrátám vířivými proudy v oceli, a tak bohužel tato metoda u Magnabend nefunguje.
Nucená oscilace je další nápad.Pokud je magnet příliš tlumený, aby se sám rozkmital, mohl by být nucen k oscilaci aktivními obvody dodávajícími energii podle potřeby.To bylo také důkladně prozkoumáno pro Magnabend.Jeho hlavní nevýhodou je, že zahrnuje příliš komplikované obvody.
Reverzní pulzní demagnetizace je metoda, která se pro Magnabend ukázala jako nejhospodárnější.Podrobnosti tohoto návrhu představují původní práci provedenou Magnetic Engineering Pty Ltd. Následuje podrobná diskuse:
REVERZNÍ PULZNÍ DEMAGNETIZACE
Podstatou této myšlenky je uložit energii do kondenzátoru a následně ji uvolnit do cívky těsně po vypnutí magnetu.Polarita musí být taková, aby kondenzátor indukoval v cívce zpětný proud.Množství energie uložené v kondenzátoru lze upravit tak, aby bylo právě dostatečné pro zrušení zbytkového magnetismu.(Příliš mnoho energie by to mohlo přehnat a magnet znovu zmagnetizovat v opačném směru).
Další výhodou reverzní pulzní metody je, že poskytuje velmi rychlé odmagnetování a téměř okamžité uvolnění svěrky od magnetu.Před připojením zpětného impulsu totiž není nutné čekat na pokles proudu cívky na nulu.Při aplikaci impulsu je proud cívky nucen na nulu (a poté zpětný chod) mnohem rychleji, než by byl jeho normální exponenciální pokles.
Obrázek 3: Základní obvod reverzního pulzu
Nyní si normálně umístění spínacího kontaktu mezi usměrňovač a magnetickou cívku „hraje s ohněm“.
Je to proto, že indukční proud nemůže být náhle přerušen.Pokud ano, dojde k obloukovému oblouku kontaktů spínače a spínač bude poškozen nebo dokonce zcela zničen.(Mechanický ekvivalent by se pokusil náhle zastavit setrvačník).
Ať je tedy navržen jakýkoli obvod, musí vždy poskytovat účinnou cestu pro proud cívky, včetně několika milisekund, kdy se spínací kontakt přepne.
Výše uvedený obvod, který se skládá pouze ze 2 kondenzátorů a 2 diod (plus reléový kontakt), dosahuje funkce nabíjení akumulačního kondenzátoru na záporné napětí (vzhledem k referenční straně cívky) a také poskytuje alternativní cestu pro cívku proudu, když je kontakt relé v chodu.
Jak to funguje:
Obecně D1 a C2 fungují jako nábojová pumpa pro C1, zatímco D2 je svorková dioda, která drží bod B v kladném stavu.
Když je magnet ZAPNUTÝ, kontakt relé bude připojen ke své "normálně otevřené" (NO) svorce a magnet bude dělat svou normální práci při upínání plechu.Nabíjecí čerpadlo bude nabíjet C1 směrem k špičkovému zápornému napětí rovnému maximálnímu napětí cívky.Napětí na C1 se zvýší exponenciálně, ale bude plně nabito během asi 1/2 sekundy.
V tomto stavu pak zůstane, dokud se stroj nevypne.
Ihned po vypnutí relé krátce drží.Během této doby bude vysoce indukční proud cívky pokračovat v recirkulaci diodami v můstkovém usměrňovači.Nyní, po zpoždění asi 30 milisekund, se kontakt relé začne oddělovat.Proud cívky již nemůže procházet přes usměrňovací diody, ale místo toho najde cestu přes C1, D1 a C2.Směr tohoto proudu je takový, že dále zvýší záporný náboj na C1 a začne nabíjet také C2.
Hodnota C2 musí být dostatečně velká, aby řídila rychlost nárůstu napětí na rozpínacím reléovém kontaktu, aby se zajistilo, že se nevytvoří oblouk.Pro typické relé je adekvátní hodnota asi 5 mikrofaradů na ampér proudu cívky.
Obrázek 4 níže ukazuje podrobnosti o křivkách, které se vyskytují během první půl sekundy po vypnutí.Napěťová rampa, která je řízena C2, je jasně viditelná na červené značce uprostřed obrázku, je označena jako "Reléový kontakt za běhu".(Z této stopy lze odvodit skutečnou dobu přeletu; je to asi 1,5 ms).
Jakmile kotva relé přistane na své NC svorce, záporně nabitý akumulační kondenzátor je připojen k cívce magnetu.Tím se okamžitě nezmění proud cívky, ale proud nyní běží „do kopce“, a proto je rychle vytlačen přes nulu a směrem k záporné špičce, která nastává asi 80 ms po připojení akumulačního kondenzátoru.(Viz obrázek 5).Záporný proud vyvolá v magnetu záporný tok, který zruší zbytkový magnetismus a upínací lišta a obrobek se rychle uvolní.
Obrázek 4: Rozšířené průběhy
Obrázek 5: Průběhy napětí a proudu na magnetické cívce
Obrázek 5 výše znázorňuje průběhy napětí a proudu na cívce magnetu během fáze předběžného upnutí, fáze úplného sevření a fáze demagnetizace.
Má se za to, že jednoduchost a účinnost tohoto demagnetizačního obvodu by měla znamenat, že najde uplatnění v jiných elektromagnetech, které potřebují demagnetizaci.I když zbytkový magnetismus nepředstavuje problém, tento obvod může být stále velmi užitečný pro velmi rychlou komutaci proudu cívky na nulu, a tedy pro rychlé uvolnění.
Praktický obvod Magnabend:
Výše diskutované koncepty obvodů lze zkombinovat do úplného obvodu s obouručním blokováním a reverzní pulzní demagnetizací, jak je znázorněno níže (obrázek 6):
Obrázek 6: Kombinovaný obvod
Tento obvod bude fungovat, ale bohužel je poněkud nespolehlivý.
Pro zajištění spolehlivého provozu a delší životnosti spínače je nutné přidat do základního obvodu nějaké další komponenty, jak je znázorněno níže (obrázek 7):
Obrázek 7: Kombinovaný obvod s vylepšeními
SW1:
Jedná se o 2-pólový oddělovací spínač.Je přidán pro pohodlí a v souladu s elektrickými normami.Je také žádoucí, aby tento spínač obsahoval neonovou kontrolku, která ukazuje stav obvodu ZAPNUTO/VYPNUTO.
D3 a C4:
Bez D3 je aretace relé nespolehlivá a závisí poněkud na fázování síťového průběhu v době činnosti spínače ohybového paprsku.D3 zavádí zpoždění (obvykle 30 milisekund) při vypadnutí relé.Tím se překonává problém s aretací a je také výhodné mít zpoždění výpadku těsně před začátkem demagnetizačního impulsu (později v cyklu).C4 zajišťuje střídavou vazbu obvodu relé, která by jinak byla při stisknutí tlačítka START půlvlnným zkratem.
THERM.PŘEPÍNAČ:
Tento spínač má své pouzdro v kontaktu s tělem magnetu a přeruší obvod, pokud se magnet příliš zahřeje (>70 C).Zapojení do série s reléovou cívkou znamená, že musí spínat pouze malý proud přes cívku relé a nikoli plný proud magnetu.
R2:
Po stisku tlačítka START relé přitáhne a poté dojde k nárazovému proudu, který nabije C3 přes můstkový usměrňovač, C2 a diodu D2.Bez R2 by v tomto obvodu nebyl žádný odpor a výsledný vysoký proud by mohl poškodit kontakty ve spínači START.
Existuje také další podmínka obvodu, kde R2 poskytuje ochranu: Pokud se spínač ohybového paprsku (SW2) přesune ze svorky NO (kde by vedl plný proud magnetu) ke svorce NC, pak by se často vytvořil oblouk a pokud Spínač START byl v tuto chvíli stále držen, potom by C3 byl ve skutečnosti zkratován a v závislosti na tom, jaké napětí bylo na C3, by to mohlo poškodit SW2.R2 by však opět omezil tento zkratový proud na bezpečnou hodnotu.R2 potřebuje pouze nízkou hodnotu odporu (obvykle 2 ohmy), aby poskytl dostatečnou ochranu.
Varistor:
Varistor, který je zapojen mezi AC svorky usměrňovače, normálně nic nedělá.Ale pokud dojde k přepětí v síti (například kvůli blízkému úderu blesku), varistor absorbuje energii přepětí a zabrání napěťové špičce v poškození můstkového usměrňovače.
R1:
Pokud by bylo tlačítko START stisknuto během demagnetizačního impulsu, pravděpodobně by to způsobilo oblouk na kontaktu relé, který by následně prakticky zkratoval C1 (akumulační kondenzátor).Energie kondenzátoru by byla vypuštěna do obvodu sestávajícího z C1, můstkového usměrňovače a oblouku v relé.Bez R1 je v tomto obvodu velmi malý odpor, takže proud by byl velmi vysoký a stačil by ke svaření kontaktů v relé.R1 poskytuje ochranu v této (poněkud neobvyklé) eventualitě.
Zvláštní poznámka k výběru R1:
Pokud nastane výše popsaná možnost, pak R1 pohltí prakticky veškerou energii, která byla uložena v C1, bez ohledu na skutečnou hodnotu R1.Chceme, aby R1 byl velký ve srovnání s odpory ostatních obvodů, ale malý ve srovnání s odporem Magnabendovy cívky (jinak by R1 snižoval účinnost demagnetizačního impulsu).Hodila by se hodnota kolem 5 až 10 ohmů, ale jaký výkon by měl mít R1?To, co opravdu potřebujeme specifikovat, je pulzní výkon, neboli energetické hodnocení rezistoru.Ale tato charakteristika není obvykle specifikována pro výkonové rezistory.Nízkohodnotné výkonové rezistory jsou obvykle vinuté a my jsme zjistili, že kritickým faktorem, který je třeba u tohoto rezistoru hledat, je množství skutečného vodiče použitého při jeho konstrukci.Musíte otevřít vzorový rezistor a změřit měřidlo a délku použitého drátu.Z toho vypočítejte celkový objem drátu a poté zvolte rezistor s minimálně 20 mm3 drátu.
(Například u rezistoru 6,8 ohm/11 watt od RS Components bylo zjištěno, že má objem vodiče 24 mm3).
Naštěstí jsou tyto dodatečné komponenty malé co do velikosti a ceny, a proto přidávají jen pár dolarů k celkovým nákladům na elektriku Magnabend.
Existuje další část obvodu, o které se ještě nemluvilo.To překonává relativně malý problém:
Pokud stisknete tlačítko START a nenásleduje zatažení za rukojeť (což by jinak umožnilo úplné sevření), nebude akumulační kondenzátor plně nabitý a demagnetizační impuls, který vznikne po uvolnění tlačítka START, neodmagnetizuje stroj úplně .Svěrka by pak zůstala přilepená ke stroji a to by bylo nepříjemné.
Přidání D4 a R3, znázorněné modře na obrázku 8 níže, přivádí vhodný tvar vlny do obvodu nabíjecího čerpadla, aby se zajistilo, že se C1 nabije, i když není aplikováno úplné sevření.(Hodnota R3 není kritická - 220 ohmů/10 wattů by vyhovovalo většině strojů).
Obrázek 8: Obvod s demagnetizací pouze po "START":
Další informace o součástech obvodů naleznete v části Komponenty v "Sestavte si svůj vlastní Magnabend"
Pro referenční účely jsou níže uvedena úplná schémata zapojení 240 V AC, E-Type Magnabend strojů vyrobených Magnetic Engineering Pty Ltd.
Všimněte si, že pro provoz na 115 VAC by bylo nutné upravit mnoho hodnot komponent.
Společnost Magnetic Engineering ukončila výrobu strojů Magnabend v roce 2003, kdy byl podnik prodán.
Poznámka: Výše uvedená diskuse měla za cíl vysvětlit hlavní principy fungování obvodu a nebyly zde uvedeny všechny podrobnosti.Úplné výše uvedené obvody jsou také zahrnuty v příručkách Magnabend, které jsou k dispozici jinde na této stránce.
Je třeba také poznamenat, že jsme vyvinuli plně polovodičové verze tohoto obvodu, které ke spínání proudu používaly IGBT místo relé.
Polovodičový obvod nebyl nikdy použit v žádném stroji Magnabend, ale byl použit pro speciální magnety, které jsme vyráběli pro výrobní linky.Tyto výrobní linky obvykle vyráběly 5 000 položek (jako jsou dveře chladničky) denně.
Společnost Magnetic Engineering ukončila výrobu strojů Magnabend v roce 2003, kdy byl podnik prodán.
Chcete-li získat další informace, použijte odkaz Kontaktujte Alana na této stránce.