ИМПУЛЬСНАЯ НАМАГНИЧИВАЮЩАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области импульсной техники.
Известна импульсная намагничивающая установка (ИНУ) (далее по тексту - установка) УИН-2000 [1], выполненная в виде шкафа. На панели управления, расположенной на передней стенке, расположены кнопки «Заряд», «Разряд», «Сброс», вольтметр, переключатель режимов работы коммутатора, задатчик уровня заряда емкостного накопителя энергии (ЕНЭ). В кассете панели управления размещена плата управления, которая вместе с вышеприведенными приборами и управляющими элементами представляет собой блок управления (БУ). Внутри шкафа размещена батарея конденсаторов, служащая емкостным накопителем энергии. Кроме того, в шкафу отдельными блоками расположены блок питания (БП), блок диодов (БД), коммутирующее устройство (КУ), блок игнитрона (тиристора) или блок коммутации (БК).
з
i
i
в
в
в
Недостатком этого аналога является то, что ступенчатое изменение величины напряжения заряда U в ЕНЭ производится с большим шагом - 10 В, пропорционально этому значению изменяется и импульсное магнитное поле Н в рабочей зоне индуктора, то есть точность при задании Н является недостаточно высокой. Напряжение заряда U (U - заданное напряжение) задается задающим устройством (ЗУ) с помощью галетных переключателей, которые имеют большое количество подвижных контактов и ограниченный ресурс эксплуатации, из-за чего установка имеет невысокую надежность. Кроме того, переключатели неудобны в пользовании, т.к. для введения напряжения U требуется сделать большое количество переключении (максимальное - 20 переключении).
Наиболее близкой и взятой за прототип является импульсная намагничивающая установка с емкостным накопителем энергии, описанная в
з
источнике [2]. В этом устройстве ЕНЭ, представляющий собой батарею конденсаторов емкостью С, заряжается до необходимого уровня напряжения U от блока питания. БП состоит из повышающего трансформатора, выпрямителя и регулятора зарядного тока, подключается и отключается от сети с помощью коммутирующего устройства, представляющего собой в простейшем случае автоматический выключатель электромагнитного типа. Процессы включения и отключения БП от сети, а также самого разряда ЕНЭ управляются и контролируются системой управления (СУ), работающей либо в автоматическом, либо в ручном режиме. Разряд ЕНЭ на нагрузку (индуктор) с сопротивлением R и индуктивностью L происходит после подачи отпирающего импульса от СУ на управляемый вентиль.
Недостатком прототипа является то, что в установке используется сложная в плане реализации схема автоматического управления (приведена в источнике [3]). Схема содержит большое количество элементов, что снижает надежность ее работы и приводит к большим габаритам СУ. Кроме того, прототип имеет все приведенные недостатки описанной конструкции установки из источника [1].
Технический результат заявленного решения - повышение точности регулирования импульсного поля, а также надежности работы установки и удобство в управлении.
Технический результат достигается тем, что в известную импульсную намагничивающую установку введено встроенное программируемое устройство, соединенное с блоком управления и содержащее микропроцессор, подключенный к цифроаналоговому преобразователю, знакосинтезирующему индикатору и клавиатуре. При этом ЕНЭ подключен к блоку питания, коммутирующему устройству с группой контакторов и делителем напряжения, и через него же к питающей сети. Одновременно ЕНЭ подключен через блок диодов к блоку коммутации с силовым коммутирующим прибором (игнитроном или тиристором) и через него к индуктору. Блок питания подключается к сети через коммутирующее
устройство по сигналу с блока управления и отключается от сети по достижении необходимого напряжения благодаря наличию обратной связи в этой цепи. На выходе делителя, расположенного в коммутирующем устройстве и подключенного к ЕНЭ, формируется сигнал обратной связи, далее он поступает на блок управления. Управление установкой может быть ручным с помощью кнопок на панели управления или автоматическим с помощью персонального компьютера (ПК), подключаемого к внешнему разъему.
з
з
i
Отличительной особенностью предлагаемой полезной модели является использование в программируемом устройстве (ПргУ) микропроцессора, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), знакосинтезирующего индикатора и клавиатуры для ввода напряжения заряда U на ЕНЭ, в совокупности выполняющих функции задающего устройства. Применение перечисленных элементов позволяет облегчить реализацию автоматического управления ИНУ благодаря имеющимся функциональным возможностям микропроцессора, блочному исполнению программируемого устройства, которое также имеет небольшие габариты. С помощью программного обеспечения для микропроцессора и имеющегося вывода на внешнее устройство - ПК, импульсная намагничивающая установка способна работать в автоматическом режиме по сигналам с ПК. При этом предусмотрено регулирование напряжения заряда U в ЕНЭ с шагом 1 В, благодаря чему значительно повышается точность при регулировании импульсного магнитного поля H в рабочей зоне индуктора. Для включения цепей заряда, разряда и сброса с помощью ПК в установку дополнительно введен блок реле, содержащий три реле электромагнитного или других типов, контакты которых подключены к кнопкам «Заряд», «Разряд» и «Сброс». Кнопки объединены в пульт управления (ПУ) и располагаются на панели управления ИНУ. Выводы обмоток реле соединены с внешним разъемом установки, к которому подключается ПК. Для согласования сигналов с ПК в него встраивается блок управляющих сигналов
(БУС), через который происходит подключение к блоку реле. В отсутствие ПК или при его отключении установка работает в ручном режиме.
в
i
Использование встроенной в ИНУ клавиатуры для задания напряжения заряда с выводом набираемых значений на знакосинтезирующий индикатор повышает надежность работы за счет меньшего количества подвижных элементов и контактных групп, чем у галетных переключателей, а также более длительного ресурса их эксплуатации. Кроме того, клавиатура удобнее в пользовании по сравнению с галетными переключателями, т.к. для задания напряжения U достаточно 1-5 нажатий кнопок. Благодаря схемному решению стало возможным введение напряжения заряда в программируемое устройство и изменение электрического заряда в ЕНЭ с шагом 1 В. Пропорционально этому значению изменяется также импульсное магнитное поле H в индукторе при разряде ЕНЭ.
2
з
з
Установка может иметь несколько типоисполнений по мощности, которая выбирается в зависимости от назначения установки. Расчет энергии, запасенной в импульсной намагничивающей установке осуществляется по формуле Q=CU/2, где видно, что значительного роста Q можно добиться увеличением напряжения заряда U в ЕНЭ. При этом конденсаторы в батарее ЕНЭ должны иметь соответствующее рабочее напряжение. Установку можно использовать как для намагничивания, так и для размагничивания любых, в т.ч. высококоэрцитивных постоянных магнитов (ПМ), например, из сплавов редкоземельных металлов (РЗМ) типа самарий-кобальт и типа неодим-железо-бор. Для намагничивания постоянных магнитов из сплавов РЗМ напряжение заряда в ЕНЭ U должно быть порядка 2-3 кВ, оно зависит от коэрцитивной силы, геометрических размеров и массы ПМ, а также конструкции индуктора. Дальнейшего повышения запасенной энергии Q в установке можно добиться увеличением количества конденсаторов в батарее, например, присоединением к ИНУ дополнительных конденсаторных батарей, расположенных в одном или нескольких шкафах.
На фиг.1 приведена схема заявляемой установки, где приняты следующие обозначения:
1 - блок управления (БУ);
2 - коммутирующее устройство (КУ);
3 - блок питания (БП);
4 - емкостной накопитель энергии (ЕНЭ);
5 - блок диодов (БД);
6 - блок коммутации (БК);
7 - индуктор;
8 - программируемое устройство (ПргУ);
9 - пульт управления (ПУ);
10 - блок реле (БР);
На фиг.2 приведена структура программируемого устройства (8), где приняты следующие обозначения:
11 - микропроцессор;
12 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП);
13 - знакосинтезирующий индикатор;
14 - клавиатура;
15 - персональный компьютер (ПК);
16 - блок управляющих сигналов (БУС).
в
в
В ручном режиме предлагаемая установка работает следующим образом. После включения установки в сеть, сигнал с блока управления 1 поступает на коммутирующее устройство 2, которое приводит зарядную цепь в рабочее состояние. В микропроцессор 11 с помощью клавиатуры 14 оператор вводит требуемый уровень напряжения заряда U на емкостной накопитель энергии 4. От микропроцессора поступает сигнал на знакосинтезирующий индикатор 13, где отображается заданное значение напряжения заряда U. Далее, нажатием кнопки «Заряд» на пульте управления 9 включается коммутирующее устройство, которое подключает к сети блок питания 3, и с помощью которого ЕНЭ набирает электрический
заряд. При этом в БУ поступают сигналы, первый - с выхода делителя, расположенного в КУ, пропорциональный возрастающему на ЕНЭ напряжению, второй - от микропроцессора через цифроаналоговый преобразователь 12. При равенстве значения сигнала с делителя со значением напряжения сигнала с микропроцессора, БУ с помощью коммутирующего устройства отключает блок питания от ЕНЭ и набор заряда прекращается.
При нажатии на кнопку «Разряд» сигнал с блока управления поступает на блок коммутации 6, при этом включается цепь управления игнитроном (тиристором), далее игнитрон (тиристор) замыкает силовую цепь, разряжая ЕНЭ через блок диодов 5 на индуктор 7.
При необходимости снятия набранного заряда с ЕНЭ без разряда на индуктор необходимо нажать на кнопку «Сброс», в этом случае к ЕНЭ с помощью коммутирующего устройства подключаются балластные резисторы, и накопленный в ЕНЭ электрический заряд сбрасывается через них. В случае внезапного исчезновения напряжения в питающей сети или отключении от сети ИНУ коммутирующее устройство автоматически размыкает цепь заряда и подключает балластные резисторы к ЕНЭ, таким образом, исключается сохранение электрического заряда в обесточенной установке и обеспечивается дополнительная безопасность при работе на ней.
в
В предлагаемой ИНУ микропроцессор 11, к которому подключен цифро-аналоговый преобразователь 12, знакосинтезирующий индикатор 13 и клавиатура 14 функционально объединены в программируемое устройство 8, соединенное с блоком управления 1. Основная функция программируемого устройства в ручном режиме - задание требуемого уровня напряжения заряда U, т.е. выполнение функции задающего устройства, приведенного в описании прототипа. При этом для обеспечения возможности автоматической работы ИНУ используется микропроцессор в ПргУ и введенный в установку блок реле 10. Контакты реле в БР подключаются к НУ, а обмотки реле - к внешнему разъему установки. При необходимости работы установки в автоматическом режиме к этому разъему подключается
персональный компьютер 15 через блок управляющих сигналов 16. Через этот же разъем ПК подключается к микропроцессору в ПргУ, а через него к ЦАП и к БУ.
Работа ИНУ в автоматическом режиме происходит следующим образом. При подключении к установке персонального компьютера 15, включении установки в сеть и загрузке ПК программой работы, оператор запускает программу. При этом сигнал уровня напряжения заряда поступает на микропроцессор 11 от ПК. Управление работой установки осуществляется с помощью блока реле 10, контакты которого подключены к кнопкам «Заряд», «Разряд» и «Сброс» пульта управления 9. Реле подключают цепи заряда, разряда и сброса в зависимости от команд с ПК, поступающих через блок управляющих сигналов 16, таким образом, обеспечивается автоматический режим соответствующих операций установки в соответствии с программой. БУС встраивается в ПК и является его составной частью, но может располагаться и вне компьютера.
i
Содержащийся в ПНУ блок диодов 5 представляет собой диодную цепь из одного или нескольких диодов, включаемых либо параллельно конденсаторам в ЕНЭ, либо параллельно игнитрону (тиристору) в БК, в зависимости от назначения установки. В случае параллельного подключения с конденсаторами блока диодов обеспечивается прохождение через индуктор только первой полуволны импульсного тока. При этом в рабочей зоне индуктора возникает однополярный импульс магнитного поля H, с помощью которого намагничиваются ПМ или магнитная система. В случае параллельного подключении БД с игнитроном (тиристором) в индукторе возникает двухполярный импульс, при этом происходит последовательно намагничивание, затем размагничивание и перемагничивание ПМ.
Наиболее эффективной областью применения импульсной намагничивающей установки является намагничивание однополярным магнитным импульсом ПМ из разнообразных материалов, включая высокоэнергетические постоянные магниты из сплавов РЗМ. С помощью
установки также возможно частичное размагничивание различных ПМ до заданного уровня намагниченности. Для этого регулируемое импульсное магнитное поле прикладывается встречно направлению магнитного поля ПМ до снижения значения намагниченности ПМ в требуемых пределах.
Другая область применения установки - последовательное намагничивание, размагничивание и перемагничивание постоянных магнитов двухполярным магнитным импульсом с целью определения их магнитных характеристик, например, при работе в составе измерительного устройства - импульсного коэрцитиметра или гистериографа.
Источники известности:
[1] Установка импульсная намагничивающая УИН-2000. Руководство по эксплуатации. БКЖИ.673813.001 РЭ.
[2] Нестерин В.А. Оборудование для импульсного намагничивания и контроля постоянных магнитов. - М.: Энергоатмиздат, 1986. - 88 С.: ил.
[3] Отчет о научно-исследовательской работе «Разработка и исследование намагничивающих устройств на основе применения микроЭВМ и микропроцессоров. № гос. регистрации 78027061. Чувашский государственный университет им И.Н.Ульянова, 1979.