MAGNABEND - DZIAŁANIE OBWODU
Zaginarka do blachy Magnabend została zaprojektowana jako elektromagnes mocujący na prąd stały.
Najprostszy obwód wymagany do napędzania cewki elektromagnetycznej składa się tylko z przełącznika i mostka prostowniczego:
Rysunek 1: Minimalny obwód:
Należy zauważyć, że włącznik/wyłącznik jest podłączony po stronie AC obwodu.Umożliwia to krążenie prądu cewki indukcyjnej przez diody w mostku prostowniczym po wyłączeniu, aż prąd spadnie wykładniczo do zera.
(Diody w mostku działają jak diody „fly-back”).
Dla bezpieczniejszej i wygodniejszej obsługi pożądane jest posiadanie obwodu, który zapewnia dwuręczną blokadę, a także 2-stopniowe mocowanie.Blokada oburęczna zapobiega przytrzaśnięciu palców pod listwą zaciskową, a stopniowe mocowanie zapewnia łagodniejszy start, a także umożliwia trzymanie rzeczy jedną ręką do momentu aktywacji zacisku wstępnego.
Rysunek 2: Obwód z blokadą i 2-stopniowym mocowaniem:
Po naciśnięciu przycisku START małe napięcie jest dostarczane do cewki magnesu przez kondensator prądu przemiennego, co powoduje efekt lekkiego zaciskania.Ta reaktywna metoda ograniczania prądu do cewki nie wiąże się ze znacznym rozpraszaniem mocy w urządzeniu ograniczającym (kondensator).
Pełne zaciśnięcie uzyskuje się, gdy zarówno przełącznik sterowany belką gnącą, jak i przycisk START są obsługiwane jednocześnie.
Zwykle przycisk START był najpierw wciskany (lewą ręką), a następnie drugą ręką pociągany za uchwyt belki gnącej.Pełne zaciśnięcie nie nastąpi, chyba że działanie 2 przełączników będzie się częściowo pokrywać.Jednak po ustaleniu pełnego zaciśnięcia nie ma potrzeby dalszego trzymania przycisku START.
Resztkowy magnetyzm
Małym, ale znaczącym problemem związanym z maszyną Magnabend, podobnie jak w przypadku większości elektromagnesów, jest problem magnetyzmu szczątkowego.Jest to niewielka ilość magnetyzmu, która pozostaje po wyłączeniu magnesu.Powoduje to, że pręty dociskowe pozostają słabo dociśnięte do korpusu magnesu, co utrudnia usunięcie przedmiotu obrabianego.
Użycie magnetycznie miękkiego żelaza jest jednym z wielu możliwych podejść do przezwyciężenia magnetyzmu szczątkowego.
Jednak materiał ten jest trudny do zdobycia w rozmiarach magazynowych, a także jest fizycznie miękki, co oznacza, że łatwo uległby uszkodzeniu na giętarce.
Włączenie niemagnetycznej szczeliny do obwodu magnetycznego jest prawdopodobnie najprostszym sposobem na zmniejszenie pozostałości magnetyzmu.Ta metoda jest skuteczna i dość łatwa do wykonania w gotowym korpusie magnesu - wystarczy umieścić kawałek tektury lub aluminium o grubości około 0,2 mm między, powiedzmy, przednim biegunem a rdzeniem przed skręceniem części magnesu.Główną wadą tej metody jest to, że szczelina niemagnetyczna zmniejsza strumień dostępny do pełnego mocowania.Nie jest również proste uwzględnienie szczeliny w jednoczęściowym korpusie magnesu, jak w przypadku konstrukcji magnesu typu E.
Skuteczną metodą jest również odwrotne pole polaryzacji, wytwarzane przez cewkę pomocniczą.Ale wiąże się to z nieuzasadnioną dodatkową złożonością w produkcji cewki, a także w obwodach sterujących, chociaż był używany krótko we wczesnym projekcie Magnabend.
Zanikająca oscylacja („dzwonienie”) jest koncepcyjnie bardzo dobrą metodą rozmagnesowania.
Te zdjęcia oscyloskopowe przedstawiają napięcie (górny ślad) i prąd (dolny ślad) w cewce Magnabenda z odpowiednim kondensatorem podłączonym w poprzek cewki, aby wywołać samoczynne oscylacje.(Zasilanie AC zostało wyłączone mniej więcej na środku zdjęcia).
Pierwsze zdjęcie przedstawia otwarty obwód magnetyczny, czyli bez zacisku na magnesie.Drugie zdjęcie przedstawia zamknięty obwód magnetyczny, to znaczy z pełną listwą zaciskową na magnesie.
Na pierwszym obrazie napięcie wykazuje zanikające oscylacje (dzwonienie) i prąd (dolny ślad), ale na drugim obrazie napięcie nie oscyluje, a prąd nawet nie ma możliwości cofnięcia się.Oznacza to, że nie wystąpią oscylacje strumienia magnetycznego, a tym samym żadne zniesienie magnetyzmu szczątkowego.
Problem polega na tym, że magnes jest zbyt mocno wytłumiony, głównie z powodu strat prądów wirowych w stali, przez co niestety ta metoda nie działa w przypadku Magnabenda.
Wymuszona oscylacja to kolejny pomysł.Jeśli magnes jest zbyt wytłumiony, aby mógł samoczynnie oscylować, może zostać zmuszony do oscylacji przez aktywne obwody dostarczające energię zgodnie z wymaganiami.Zostało to również dokładnie zbadane w przypadku Magnabend.Jego główną wadą jest to, że zawiera zbyt skomplikowane obwody.
Rozmagnesowanie z odwróconym impulsem to metoda, która okazała się najbardziej opłacalna w przypadku Magnabend.Szczegóły tego projektu przedstawiają oryginalną pracę wykonaną przez Magnetic Engineering Pty Ltd. Poniżej znajduje się szczegółowe omówienie:
DEMAGNETYZACJA ODWROTNYM IMPULSEM
Istotą tego pomysłu jest magazynowanie energii w kondensatorze, a następnie uwalnianie jej do cewki zaraz po wyłączeniu magnesu.Polaryzacja musi być taka, aby kondensator indukował prąd wsteczny w cewce.Ilość energii zmagazynowanej w kondensatorze można dostosować tak, aby była wystarczająca do zlikwidowania magnetyzmu szczątkowego.(Zbyt dużo energii może przesadzić i ponownie namagnesować magnes w przeciwnym kierunku).
Kolejną zaletą metody odwróconego impulsu jest to, że powoduje ona bardzo szybkie rozmagnesowanie i niemal natychmiastowe zwolnienie listwy zaciskowej z magnesu.Dzieje się tak dlatego, że nie trzeba czekać, aż prąd cewki spadnie do zera przed podłączeniem impulsu wstecznego.Po przyłożeniu impulsu prąd cewki jest wymuszany do zera (a następnie do tyłu) znacznie szybciej niż jego normalny zanik wykładniczy.
Rysunek 3: Podstawowy obwód z odwróconym impulsem
Teraz normalnie umieszczanie styku przełączającego między prostownikiem a cewką magnesu to „igranie z ogniem”.
Dzieje się tak, ponieważ prąd indukcyjny nie może zostać nagle przerwany.Jeśli tak, to styki przełącznika wyładują łuk elektryczny, a przełącznik zostanie uszkodzony lub nawet całkowicie zniszczony.(Mechaniczny odpowiednik próbowałby nagle zatrzymać koło zamachowe).
Tak więc, niezależnie od tego, jaki obwód zostanie opracowany, musi zapewniać skuteczną ścieżkę dla prądu cewki przez cały czas, w tym przez kilka milisekund, gdy styk przełącznika się przełącza.
Powyższy obwód, który składa się tylko z 2 kondensatorów i 2 diod (plus styk przekaźnika), realizuje funkcje ładowania kondensatora magazynującego do napięcia ujemnego (względem strony odniesienia cewki), a także zapewnia alternatywną ścieżkę dla cewki prąd, gdy styk przekaźnika jest w ruchu.
Jak to działa:
Zasadniczo D1 i C2 działają jako pompa ładująca dla C1, podczas gdy D2 jest diodą zaciskową, która powstrzymuje punkt B przed przejściem do dodatniego.
Gdy magnes jest WŁĄCZONY, styk przekaźnika zostanie podłączony do zacisku „normalnie otwartego” (NO), a magnes będzie wykonywał swoją normalną pracę polegającą na zaciskaniu blachy.Pompa ładująca będzie ładowała C1 w kierunku szczytowego napięcia ujemnego równego wielkości szczytowemu napięciu cewki.Napięcie na C1 wzrośnie wykładniczo, ale zostanie w pełni naładowane w ciągu około 1/2 sekundy.
Następnie pozostaje w tym stanie, dopóki maszyna nie zostanie WYŁĄCZONA.
Bezpośrednio po wyłączeniu przekaźnik trzyma krótko.W tym czasie wysoce indukcyjny prąd cewki będzie nadal krążył przez diody w mostku prostowniczym.Teraz, po około 30 milisekundach, styk przekaźnika zacznie się rozdzielać.Prąd cewki nie może już przepływać przez diody prostownicze, ale zamiast tego znajduje ścieżkę przez C1, D1 i C2.Kierunek tego prądu jest taki, że jeszcze bardziej zwiększy ujemny ładunek na C1 i zacznie ładować również C2.
Wartość C2 musi być wystarczająco duża, aby kontrolować szybkość narastania napięcia na otwierającym się styku przekaźnika, aby zapewnić, że łuk nie powstanie.Wartość około 5 mikrofaradów na amper prądu cewki jest odpowiednia dla typowego przekaźnika.
Rysunek 4 poniżej pokazuje szczegóły przebiegów, które pojawiają się w ciągu pierwszej połowy sekundy po wyłączeniu.Rampa napięciowa, którą steruje C2, jest wyraźnie widoczna na czerwonym śladzie pośrodku rysunku, jest oznaczona jako „Styk przekaźnika w locie”.(Rzeczywisty czas przelotu można wywnioskować z tego śladu; wynosi on około 1,5 ms).
Gdy tylko zwora przekaźnika wyląduje na swoim zacisku NC, ujemnie naładowany kondensator jest podłączony do cewki magnesu.Nie powoduje to natychmiastowego odwrócenia prądu cewki, ale prąd płynie teraz „pod górę”, a zatem jest szybko wymuszany przez zero i w kierunku ujemnego szczytu, który pojawia się około 80 ms po podłączeniu kondensatora magazynującego.(Patrz rysunek 5).Ujemny prąd będzie indukował ujemny strumień w magnesie, który zniweluje magnetyzm szczątkowy, a listwa zaciskowa i obrabiany przedmiot zostaną szybko zwolnione.
Rysunek 4: Rozszerzone przebiegi
Rysunek 5: Przebiegi napięcia i prądu na cewce magnetycznej
Rysunek 5 powyżej przedstawia przebiegi napięcia i prądu na cewce magnesu podczas fazy wstępnego mocowania, fazy pełnego mocowania i fazy rozmagnesowywania.
Uważa się, że prostota i skuteczność tego układu rozmagnesowującego powinna sprawić, że znajdzie on zastosowanie w innych elektromagnesach wymagających rozmagnesowania.Nawet jeśli magnetyzm szczątkowy nie stanowi problemu, obwód ten może być bardzo przydatny do bardzo szybkiego przełączania prądu cewki do zera, a tym samym do szybkiego uwalniania.
Praktyczny obwód Magnabend:
Koncepcje obwodów omówione powyżej można połączyć w pełny obwód z blokadą dwuręczną i rozmagnesowaniem impulsu zwrotnego, jak pokazano poniżej (Rysunek 6):
Rysunek 6: Obwód złożony
Ten obwód będzie działał, ale niestety jest nieco zawodny.
Aby uzyskać niezawodne działanie i dłuższą żywotność przełącznika, konieczne jest dodanie kilku dodatkowych elementów do podstawowego obwodu, jak pokazano poniżej (Rysunek 7):
Rysunek 7: Układ mieszany z udoskonaleniami
SW1:
Jest to 2-biegunowy wyłącznik izolacyjny.Jest dodawany dla wygody i zgodności z normami elektrycznymi.Pożądane jest również, aby ten przełącznik zawierał neonową lampkę kontrolną pokazującą stan WŁ./WYŁ. obwodu.
D3 i C4:
Bez D3 zatrzaśnięcie przekaźnika jest zawodne i zależy w pewnym stopniu od fazowania przebiegu sieci w momencie zadziałania przełącznika belki zginanej.D3 wprowadza opóźnienie (zwykle 30 milisekund) w opadaniu przekaźnika.Pozwala to przezwyciężyć problem zatrzaskiwania i jest również korzystne zastosowanie opóźnienia odpadania tuż przed początkiem impulsu rozmagnesowania (później w cyklu).C4 zapewnia sprzężenie prądu przemiennego obwodu przekaźnika, które w innym przypadku byłoby zwarciem półfalowym po naciśnięciu przycisku START.
THERM.PRZEŁĄCZNIK:
Obudowa tego przełącznika styka się z korpusem magnesu i spowoduje otwarcie obwodu, jeśli magnes stanie się zbyt gorący (>70 C).Umieszczenie go szeregowo z cewką przekaźnika oznacza, że musi on przełączać tylko mały prąd przez cewkę przekaźnika, a nie pełny prąd magnesu.
R2:
Gdy przycisk START jest wciśnięty, przekaźnik się włącza, a następnie pojawi się prąd rozruchowy, który ładuje C3 przez mostek prostowniczy, C2 i diodę D2.Bez R2 nie byłoby rezystancji w tym obwodzie, a wynikający z tego duży prąd mógłby uszkodzić styki w wyłączniku START.
Istnieje również inny stan obwodu, w którym R2 zapewnia ochronę: jeśli przełącznik belki zginanej (SW2) przesunie się z zacisku NO (gdzie przewodziłby pełny prąd magnesu) do zacisku NC, wówczas często powstanie łuk i jeśli Przełącznik START był nadal trzymany w tym czasie, co w efekcie spowodowałoby zwarcie C3 i, w zależności od tego, ile napięcia było na C3, mogłoby to spowodować uszkodzenie SW2.Jednak ponownie R2 ograniczy ten prąd zwarciowy do bezpiecznej wartości.R2 potrzebuje tylko niskiej wartości rezystancji (zwykle 2 omy), aby zapewnić wystarczającą ochronę.
warystor:
Warystor, który jest podłączony między zaciskami prądu przemiennego prostownika, normalnie nie robi nic.Ale jeśli w sieci występuje przepięcie (na przykład z powodu pobliskiego uderzenia pioruna), warystor pochłonie energię przepięcia i zapobiegnie uszkodzeniu mostka prostowniczego przez skok napięcia.
R1:
Jeśli przycisk START miałby zostać naciśnięty podczas impulsu rozmagnesowującego, prawdopodobnie spowodowałoby to łuk elektryczny na styku przekaźnika, co z kolei praktycznie spowodowałoby zwarcie C1 (kondensator magazynujący).Energia kondensatora zostałaby zrzucona do obwodu składającego się z C1, mostka prostowniczego i łuku w przekaźniku.Bez R1 rezystancja w tym obwodzie jest bardzo mała, więc prąd byłby bardzo duży i wystarczyłby do zespawania styków w przekaźniku.R1 zapewnia ochronę w tej (nieco nietypowej) ewentualności.
Uwaga specjalna dotycząca wyboru R1:
Jeśli taka ewentualność opisana powyżej wystąpi, to R1 pochłonie praktycznie całą energię, która była zmagazynowana w C1, niezależnie od rzeczywistej wartości R1.Chcemy, aby R1 był duży w porównaniu z innymi rezystancjami obwodu, ale mały w porównaniu z rezystancją cewki Magnabenda (w przeciwnym razie R1 zmniejszyłby skuteczność impulsu rozmagnesowującego).Wartość około 5 do 10 omów byłaby odpowiednia, ale jaką moc znamionową powinien mieć R1?To, co naprawdę musimy określić, to moc impulsu lub ocena energetyczna rezystora.Ale ta cecha zwykle nie jest określana dla rezystorów mocy.Rezystory mocy o niskiej wartości są zwykle uzwojone drutem i ustaliliśmy, że krytycznym czynnikiem, którego należy szukać w tym rezystorze, jest ilość rzeczywistego drutu użytego w jego konstrukcji.Musisz otworzyć próbkę rezystora i zmierzyć miernik oraz długość użytego drutu.Na tej podstawie oblicz całkowitą objętość przewodu, a następnie wybierz opornik o przekroju co najmniej 20 mm3.
(Na przykład rezystor 6,8 omów/11 watów firmy RS Components miał przewód o objętości 24 mm3).
Na szczęście te dodatkowe komponenty są niewielkie i kosztują niewiele, a zatem dodają tylko kilka dolarów do całkowitego kosztu elektryki Magnabend.
Istnieje dodatkowy element obwodów elektrycznych, który nie został jeszcze omówiony.Rozwiązuje to stosunkowo niewielki problem:
Jeśli przycisk START zostanie wciśnięty i nie nastąpi pociągnięcie za uchwyt (co w przeciwnym razie zapewniłoby pełne zaciśnięcie), wówczas kondensator magazynujący nie zostanie w pełni naładowany, a impuls rozmagnesowania, który następuje po zwolnieniu przycisku START, nie spowoduje całkowitego rozmagnesowania maszyny .Zacisk pozostałby wówczas przyklejony do maszyny, co byłoby uciążliwe.
Dodatek D4 i R3, pokazany na niebiesko na rysunku 8 poniżej, dostarcza odpowiedni przebieg do obwodu pompy ładującej, aby zapewnić, że kondensator C1 zostanie naładowany, nawet jeśli nie zostanie zastosowane pełne mocowanie.(Wartość R3 nie jest krytyczna - 220 omów/10 watów będzie pasować do większości maszyn).
Rysunek 8: Obwód z rozmagnesowaniem tylko po „START”:
Aby uzyskać więcej informacji na temat komponentów obwodu, zapoznaj się z sekcją Komponenty w „Zbuduj własny Magnabend”
Dla celów porównawczych poniżej przedstawiono pełne schematy obwodów 240-woltowego prądu przemiennego, maszyn Magnabend typu E produkowanych przez Magnetic Engineering Pty Ltd.
Należy pamiętać, że w przypadku pracy z napięciem 115 V AC wiele wartości komponentów wymagałoby modyfikacji.
Firma Magnetic Engineering zaprzestała produkcji maszyn Magnabend w 2003 roku, kiedy firma została sprzedana.
Uwaga: Powyższe omówienie miało na celu wyjaśnienie głównych zasad działania obwodu i nie wszystkie szczegóły zostały omówione.Pełne obwody pokazane powyżej są również zawarte w podręcznikach Magnabend, które są dostępne w innym miejscu na tej stronie.
Należy również zauważyć, że opracowaliśmy w pełni półprzewodnikowe wersje tego obwodu, w których zastosowano tranzystory IGBT zamiast przekaźnika do przełączania prądu.
Obwód półprzewodnikowy nigdy nie był używany w żadnych maszynach Magnabend, ale był używany w specjalnych magnesach, które produkowaliśmy na linie produkcyjne.Te linie produkcyjne zwykle produkowały 5000 przedmiotów (takich jak drzwi lodówki) dziennie.
Firma Magnetic Engineering zaprzestała produkcji maszyn Magnabend w 2003 roku, kiedy firma została sprzedana.
Aby uzyskać więcej informacji, skorzystaj z łącza Skontaktuj się z Alanem na tej stronie.