Устройство управления электромагнитом
APPARATUS FOR CONTROLLING AN ELECTROMAGNET

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой электронике.
Известны устройства управления электромагнитом, содержащие последовательно включенные источник постоянного напряжения 1 или входную выпрямительную цепь 2, обмотку электромагнита 3 и электронный ключ 4, а также цепь сброса энергии 5, накопленной в обмотке электромагнита, формирователь управляющих импульсов 6 для электронного ключа 4 и приемник команд 7 на включение и выключение электромагнита (см. фиг. 1, 2) [1, 2].
В этих устройствах электронный ключ 4 замыкается при поступлении на приемник команд 7 команды на включение электромагнита. При этом ток в обмотке электромагнита нарастает до момента срабатывания электромагнита, а затем с помощью регулируемого ключа 4 может быть снижен до значения, достаточного для удержания электромагнита во включенном состоянии. При поступлении на приемник 7 команды на выключение электромагнита ключ 4 запирается и цепь сброса 5 обеспечивает снижение тока в обмотке электромагнита до нуля. Существуют устройства с более сложной цепью сброса 5, чем на фиг. 1 и 2.
Недостатками данного решения являются:
1) необходимость обязательного наличия обоих выводов обмотки электромагнита, что снижает универсальность устройства;
2
2) отсутствие регулирования тока в обмотке электромагнита при его выключении, что повышает мощность потерь в цепи сброса из-за рассеяния энергии, накопленной в обмотке электромагнита, равной LI/2, за сравнительно короткое время (здесь L - индуктивность обмотки, I - значение тока в обмотке в момент начала выключения электромагнита).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип, является повышающий импульсный преобразователь с синхронным выпрямителем, представленный на фиг. 3 [4]. Преобразователь содержит последовательную цепь 8 из источника постоянного напряжения 1 и обмотки 3, в качестве которой, очевидно, может служить и обмотка электромагнита, имеющую два внешних вывода 9 и 10, к которым подключены положительный 11 и отрицательный 12 выводы первого электронного ключа 4 (в нормальном режиме ключа ток втекает в вывод 11 и вытекает из вывода 12), цепь сброса энергии 5, накопленной в обмотке электромагнита, состоящую из последовательно включенных второго электронного ключа 13 и накопительного конденсатора 14, параллельно которому присоединен разрядный резистор 15. Управляющие выводы первого 4 и второго 13 электронных ключей присоединены к выходным выводам соответственно первого 6 и второго 16 формирователей управляющих импульсов, входные выводы которых подсоединены соответственно к первому 17 и второму 18 выходным выводам приемника команд 7. В состав приемника команд 7 входят задающий генератор и логическая схема. Здесь импульс на выходе 17 приемника команд 7 обеспечивает формирование на выходе формирователя 6 импульса, поддерживающего электронный ключ 4 в открытом состоянии периодически в течение регулируемого времени γТ (T=1/ƒ, ƒ - частота переключений), а импульсы на выходе 18 - формирование на выходе формирователя 16 импульса, поддерживающего электронный ключ 13 в открытом состоянии в течение времени (1-γ) Τ, где 0 ≤γ<1.
Работа прототипа происходит следующим образом. Возможны режимы непрерывного и прерывистого тока i в обмотке 3 (фиг. 3). Обеспечивается противофазное переключение электронных ключей 4 и 13 с частотой ƒ задающего генератора. Когда электронный ключ 4 включен, транзистор ключа 13 выключен управляющим импульсом, подаваемым на его управляющий вывод от формирователя 16, а диод ключа 13 закрыт обратным напряжением, подаваемым с конденсатора 14, ток i нарастает. При выключении электронного ключа 4 включается ключ 13, играющий роль диода. Ток i убывает, замыкаясь через ключ 13 и конденсатор 14. Падение напряжения на включенном МДП-транзисторе с каналом р-типа, входящим в состав ключа 13, существенно меньше, чем на диоде, включенном параллельно транзистору, что обеспечивает снижение потерь мощности в ключе 13. Отметим, что даже при отсутствии внешнего диода в ключе 13 в структуре самого МДП-транзистора (MOSFETa) существует паразитный диод, включенный встречно-параллельно транзисторной структуре.
Прототип может быть использован для управления током в обмотке электромагнита 3. Для этого при поступлении на приемник 7 команды на включение электромагнита управляющим импульсом с входа формирователя 6 включается ключ 4, а при поступлении команды на выключение электромагнита ключ 4 выключается прерыванием импульса на выходе формирователя 6, а ключ 13 включается импульсом на выходе формирователя 16. Такое состояние ключей сохраняется до полного спада тока i в обмотке электромагнита. Попеременное включение электронного ключа 4 и выключение ключа 13 для регулирования тока i в процессе его спада нецелесообразно, так как при каждом включении ключа 4 происходит увеличение тока i и поступление дополнительной энергии в обмотку электромагнита 3 от источника 1.
Недостатками прототипа, препятствующими его использованию для управления током в обмотке электромагнита в процессе выключения электромагнита, являются:
1) прототип может работать лишь при показанной на фиг. 3 полярности напряжения источника постоянного напряжения 1, что снижает его универсальность;
C
C
2
2) при включенном электронном ключе 13 и выключенном ключе 4 конденсатор 14 может током i обмотки 3 зарядиться до недопустимо большого напряжения u, что вызывает недопустимые перенапряжения на выключенном ключе 4, накопление на конденсаторе 14 недопустимой энергии Cu/2, потребует чрезмерного увеличения емкости С конденсатора 14 и чрезмерного уменьшения сопротивления разрядного резистора 15.
Технический результат заявляемого решения заключается в повышении универсальности, уменьшении массы, габаритов, потерь мощности в цепи сброса и обеспечении оптимального режима переключений в схеме.
пор2
пор1
пор1
пор2
Технический результат достигается тем, что введением выпрямительного диодного моста повышается универсальность, поскольку схема становится работоспособной при произвольной полярности источника постоянного напряжения; введением третьего электронного ключа, периодически включаемого на время разряда накопительного конденсатора от верхнего порогового напряжения U до нижнего порогового напряжения U и выключаемого на время заряда накопительного конденсатора током i от напряжения U до напряжения U, поддержанием включенного состояния второго электронного ключа в течение всего времени уменьшения тока i в обмотке электромагнита до заданного малого значения исключаются перенапряжения, уменьшаются масса, габариты и потери мощности. Реализованное построение системы управления электронными ключами обеспечивает наиболее целесообразный и оптимальный режим переключений электронных ключей.
Отличительной особенностью изобретения является то, что повышение универсальности достигается за счет подключения к выводам 9 и 10 последовательной цепи 8 выводов диагонали переменного тока выпрямительного моста 19, общей точке катодов диодов и общей точке анодов которого присоединены соответственно положительный 11 и отрицательный 12 выводы первого электронного ключа 4. Последовательно со вторым электронным ключом введен датчик тока 20, контролирующий моменты спада этого тока до заданного малого значения, а разрядный резистор 15 подключен к накопительному конденсатору через третий электронный ключ 21, управляющий вывод которого присоединен к выходному выводу третьего формирователя управляющих импульсов 22. В первый 6 и второй 16 формирователи управляющих импульсов введены дополнительные входные выводы 23 и 24, определяющие моменты выключения первого и второго электронных ключей, подключенные соответственно к второму выходному выводу приемника команд 18 и выходному выводу датчика тока 20, а третий формирователь управляющих импульсов 22 содержит первый 25 и второй 26 пороговые элементы (компараторы), вход третьего формирователя образуется соединением инвертирующего входа первого компаратора 25 с неинвертирующим входом второго компаратора 26, неинвертирующий вход первого компаратора 25 и инвертирующий вход второго компаратора 26 присоединены соответственно к первому и второму источнику опорных напряжений, пропорциональных (с одинаковым коэффициентом пропорциональности) нижнему и верхнему пороговым напряжениям накопительного конденсатора 14, к выходам компараторов присоединен триггер 27, выходной вывод которого образует выходной вывод третьего формирователя.
На фиг. 4 приведен вариант заявляемого устройства управления электромагнитом, где приняты следующие обозначения:
1 - источник постоянного напряжения;
3 - обмотка электромагнита;
4 - первый электронный ключ;
5 - цепь сброса;
6 - первый формирователь управляющих импульсов;
7 - приемник команд;
8 - последовательная цепь, состоящая из последовательно соединенных источника постоянного напряжения и обмотки электромагнита;
9 - вывод последовательной цепи;
10 - вывод последовательной цепи;
11 - положительный вывод первого электронного ключа;
12 - отрицательный вывод первого электронного ключа;
13 - второй электронный ключ;
14 - накопительный конденсатор;
15 - разрядный резистор;
16 - второй формирователь управляющих импульсов;
17 - первый выходной вывод приемника команд;
18 - второй выходной вывод приемника команд
19 - выпрямительный диодный мост;
20 - датчик тока;
21 - третий электронный ключ;
22 - третий формирователь управляющих импульсов;
23 - второй входной вывод первого формирователя управляющих импульсов;
24 - второй входной вывод второго формирователя управляющих импульсов;
25 - первый компаратор;
26 - второй компаратор;
27 - триггер.
В предлагаемом устройстве к выводам 9 и 10 последовательной цепи 8 подключены выводы переменного тока выпрямительного диодного моста 19, к общей точке катодов диодов и общей точке анодов которого присоединены соответственно положительный 11 и отрицательный 12 выводы первого электронного ключа 4, к которым подсоединены первый и второй выводы цепи сброса 5. Кроме того, последовательно со вторым электронным ключом 13 введен датчик тока 20, контролирующий спад тока ключа 13 до заданного малого значения, а разрядный резистор 15 подключен к накопительному конденсатору 14 через третий электронный ключ 21, управляющий вывод которого присоединен к выходному выводу третьего формирователя управляющих импульсов 22.
В первый 6 и второй 16 формирователи управляющих импульсов введены дополнительные вторые входные выводы соответственно 23 и 24, определяющие соответственно моменты выключения первого 4 и второго 13 электронных ключей. Второй входной вывод 23 первого 6 формирователя подключен ко второму выходу 18 приемника команд 7, а второй входной вывод 24 второго 16 формирователя - к выходному выводу датчика тока 20.
Первые входные выводы и первого 6 и второго 16 формирователей подключены соответственно к первому 17 и второму 18 выходным выводам приемника команд.
Работа устройства происходит следующим образом.
При поступлении на приемник команд 7 команды на включение с первого выходного вывода 17 приемника на первый входной вывод первого формирователя 6 поступает импульс, который запускает формирователь 6, на выходе которого начинает формироваться импульс, отпирающий электронный ключ 4. Ток ключа 4 и включенной последовательно с ним обмотки 3 электромагнита нарастает, вызывая срабатывание электромагнита. При поступлении на приемник команд 7 команды на выключение электромагнита на втором выходном выводе 18 приемника команд 7 формируется импульс, поступающий на второй входной вывод 23 первого формирователя 6 и на первый входной вывод второго формирователя 16. Это вызывает прекращение на выходе формирователя 6 импульса, отпирающего ключ 4, и появление на выходе формирователя 16 импульса, отпирающего ключ 13. Ток i обмотки 3 переключается с ключа 4 на ключ 13 и накопительный конденсатор 14, заряжая конденсатор 14.
min
1
пор2
2
пор2
пор1
y21
1
2
Ccp
пор1
пор2
min
y21
Как показано на фиг.6, дальнейшая работа устройства до момента спада тока обмотки 3 до заданного минимального значения i происходит при остающимся включенным ключе 13 и при периодическом включении ключа 21 на время t заряда конденсатора 14 до верхнего порогового напряжения U и выключении ключа 21 на время t разряда конденсатора 14 от напряжения U до нижнего порогового напряжения U. Переключения ключа 21 импульсами управления u происходят с переменным периодом Т=t+t. При этом среднее значение напряжения на конденсаторе 14, примерно равное u=0,5(U+U), должно превышать напряжение Ε источника 1. Тогда ток i обмотки 3 будет постепенно убывать. В момент снижения тока i до значения i на выходе датчика тока 20 формируется короткий импульс, поступающий на второй вход 24 второго формирователя 16. Ключ 21 отпирается импульсом u, поступающим на его управляющий вывод с третьего формирователя 22.
Справедливы формулы
14
15
1
2
где C - емкость конденсатора 14; R - сопротивление разрядного резистора 15; i - постепенно уменьшающееся среднее значение тока в обмотке 3 за время Т=t+t, определяемое выражением
3
L
3
r - активное сопротивление цепи обмотки 3; T=L/r - постоянная времени цепи.
сп
сп
Время спада тока t определяется из уравнения, полученного при подстановке t=t, i=0 в последнее выражение
где i(0) - значение тока в момент начала выключения электромагнита.
min
2
1
ш
Датчик тока 20 фиксирует значение тока i, мало отличающееся от нуля. Схема датчика тока представлена на фиг.5. Она состоит из усилителя на операционном усилителе DA1, охваченном отрицательной обратной связью при помощи резисторов R1, R2, и компаратора DA2. Напряжение на выходе усилителя, равное (1+R/R)Ri, подается на инвертирующий вход компаратора DA2, на выходе которого появляется положительный импульс в момент выполнения равенства
пор
4
п
3
4
п
=
где URU/(R+R), U - напряжение питания.
Отсюда найдем требуемое отношение
min
ш
значением i и R необходимо задаваться.
Источники информации
[1] Устройство управления электромагнитом / В.Ф. Ильин, Н.В. Матвеев, Н.В. Данилов // Патент РФ №2349978 С2, Бюл. №8, 20.03.2009.
[2] Устройство управления электромагнитом / И.З. Ахазов, В.Г. Гришанов, Г.П. Свинцов, ОАО «ВНИИР» // Патент РФ №2187161 С2, Бюл. №22, 10.08.2002.
[3] Electromagnet coil drive device / Oyama et al. // US Patent №4878147, 31.10.1989.
[4] Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналого-цифровых электронных устройств. - М.: Додека, 2011, С. 272, фиг. 6-14.