УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ Российский патент 2002 года по МПК H01F7/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для форсировки приводных электромагнитов коммутационных аппаратов, а также для управления электромагнитами различных устройств автоматики, питающихся от источника постоянного напряжения.

Известно устройство форсированного управления электромагнитом [1], питающимся от источника постоянного напряжения через транзисторный ключ, содержащее коммутирующие и управляющие транзисторы, мультивибратор, одновибратор. В режиме включения электромагнита его обмотка находится под действием напряжения источника в течение длительности форсирующего импульса, обеспечивающего форсированное управление электромагнитом, а в режиме удержания якоря электромагнита в притянутом положении к его обмотке, шунтированной диодом, прикладываются в отрезки времени открытого состояния транзисторного ключа "короткие" импульсы напряжения источника.

Недостатком устройства является то, что оно не обеспечивает эффективного управления динамическими параметрами электромагнита и потребляет повышенную мощность в режиме удержания при питании его обмотки от нестабилизированного источника напряжения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является устройство (фиг.1) для форсированного управления электромагнитом постоянного напряжения [2], принятое за прототип, содержащее первую 1 и вторую 2 клеммы питания, связанные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника напряжения, две клеммы 3 и 4 для подключения обмотки электромагнита, транзисторный ключ 6, включенный последовательно и встречно с первым диодом 7 между первой 1 и второй 2 клеммами питания, генератора прямоугольных импульсов 8, реализованного по схеме мультивибратора, обеспечивающего циклическое кратковременное отпирание транзисторного ключа 6 в режиме удержания якоря и питающегося от параметрического стабилизатора напряжения, собранного на стабилитроне 11 и резисторе 12 и подключенного между первой 1 и второй 2 клеммами питания, второй диод 15, включенный между выходом 27 генератора 8 и входом 34 транзисторного ключа 6, между которым и первой клеммой 1 питания подсоединена цепь формирования длительности форсирующего импульса включения электромагнита, выполненная в виде последовательно включенных резистора 13 и конденсатора 14.

Недостатками устройства являются повышенная мощность тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания, ограниченные возможности обеспечения квазиоптимального управления приводным электромагнитом. Первый недостаток определяется тем, что частота следования и скважность управляющих импульсов, поступающих на вход 34 транзисторного ключа 6, не связана с величиной напряжения на клеммах питания 1 и 2 и мощность потерь в обмотке возрастает с увеличением напряжения от своего минимально допустимого до максимального значения в процессе эксплуатации. Второй недостаток обусловлен тем, что в случае, когда на характер переходного процесса при включении электромагнита преобладающее влияние оказывает электромагнитная постоянная времени обмотки 5, то для обеспечения эффективного торможения якоря электромагнита и связанных с ним масс механизма должна быть предусмотрена возможность регулирования длительности первой паузы напряжения на обмотке. Отсутствие такой возможности в устройстве [2] увеличивает износ, например, контактов коммутационного аппарата, элементов конструкции электромагнита, механизма, приводимого им в движение механизма.

Техническим результатом изобретения является снижение мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита и увеличение срока службы электромагнита и приводимого им в движение механизма.

Технический результат достигается тем, что в устройство для управления электромагнитом, содержащее первую и вторую клеммы питания, связанные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, две клеммы для подсоединения обмотки электромагнита, одна из которых непосредственно соединена с первой клеммой питания, последовательную цепь, подключенную между первой и второй клеммами питания и состоящую из транзисторного ключа и встречно подсоединенного к нему первого диода, который включен между двумя клеммами для подключения обмотки электромагнита, R-C цепь, задающую длительность форсирующего импульса включения электромагнита и подсоединенную одним своим выводом к первой клемме питания, второй диод, соединенный своим одним электродом с резистором R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, генератор прямоугольных импульсов, выполненный на интегральной микросхеме и с задающей R-C цепью, параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне и резисторе и включенный между первой и второй клеммами питания, дополнительно введены: элементы логических функций повторения, эквивалентности, И; последовательная R-C цепь формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке; блок стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания, состоящий из входного резистивного делителя напряжения и выходной его цепи, состоящей из последовательно включенных исток-сток МОП-транзистора с индуцированным каналом проводимости n-типа и изолированным затвором, подсоединенным к выходу входного резистивного делителя напряжения, который подключен между первой и второй клеммами питания, и резистора и диода, причем вход повторителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, и к аноду второго диода, который катодом подключен к выходу параметрического стабилизатора напряжения, а выход повторителя соединен с первым входом элемента эквивалентности через резистор последовательной R-C цепи формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке, второй электрод конденсатора которой соединен с второй клеммой питания, с вторым входом элемента эквивалентности непосредственно, с входом блокировки генератора прямоугольных импульсов, выход элемента эквивалентности соединен с первым входом логического элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов с подключенным резистором задающей его R-C цепи, выход элемента И соединен с электродом управления транзисторного ключа, выходная цепь блока стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания включена параллельно резистору задающей R-C цепи генератора прямоугольных импульсов.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно введенные в устройство для управления электромагнитом элементы логических функций: повторения, эквивалентности, И; последовательная R-C цепь формирования длительности первой паузы напряжения, блока стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке в режиме удержания, соединенные так, что вход повторителя подключен к общей точке соединения резистора конденсатора R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, и к аноду второго диода, который катодом подключен к выходу параметрического стабилизатора напряжения, а выход повторителя соединен с первым входом элемента эквивалентности через резистор последовательной R-C цепи формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке, второй электрод конденсатора которой соединен второй клеммой питания, с вторым входом элемента эквивалентности непосредственно, с входом блокировки генератора прямоугольных импульсов, выход элемента эквивалентности соединен с первым входом элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов, с подключенным резистором задающей его R-C цепи, выход элемента И соединен с электродом управления транзисторного ключа, входной резистивный делитель напряжения блока стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке в режиме удержания подключен между первой и второй клеммами питания, а выходная цепь блока, содержащая последовательно включенные исток-сток МОП-транзистора с индуцированным каналом проводимости n-типа и изолированным затвором, подсоединенным к выходу входного резистивного делителя напряжения, и индуцированным каналом проводимости n-типа и последовательно соединенных с ним резистора, диода, включена параллельно резистору задающей R-C цепи генератора прямоугольных импульсов и позволяет обеспечить увеличение износостойкости, так как за счет выбора длительности первой паузы напряжения на обмотке достигается эффективное торможение якоря электромагнита и подвижных элементов механизма, связанных с ним, что уменьшает их кинетическую энергию в моменты соударения; снижение мощности тепловых потерь в обмотке за счет уменьшения коэффициентов запаса по МДС удержания, поскольку устройство позволяет изменять длительность коротких импульсов напряжения на обмотке в соответствии с величиной напряжения между первой и второй клеммами питания.

На фиг.2 изображено предлагаемое устройство управления электромагнитом; на фиг.3 - временная диаграмма изменения напряжения на его обмотке.

Устройство содержит первую 1 и вторую 2 клеммы питания, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника напряжения, две клеммы 3 и 4 для подключения обмотки 5 электромагнита, одна из которых непосредственно соединена с первой клеммой питания, транзисторный ключ 6, включенный последовательно и встречно с первым диодом 7 между первой 1 и второй 2 клеммами питания, генератор прямоугольных импульсов 8, выполненный на интегральной микросхеме с задающей его R(9)-C(10) цепью, параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне 11 и резисторе 12 и подключенный своими элементами соответственно к второй 2 и первой 1 клеммам питания, R(13)-C(14) цепь, задающую длительность форсирующего импульса включения электромагнита и подсоединенную своими элементами соответственно к первой 1 и второй 2 клеммам питания, второй диод 15, подключенный анодом к общей точке элементов R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, а катодом - к выходу параметрического стабилизатора напряжения, повторитель 16, элемент эквивалентности 17, логическое И 18, последовательная R(19)-C(20) цепь формирования длительности первой паузы t_п напряжения (фиг.3) на обмотке 5, блок 21 стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке в режиме удержания, содержащий входной резистивный 22, делитель напряжения, подсоединенный к первой 1 и второй 2 клеммам питания, и выходную цепь, состоящую из последовательно включенных исток-сток транзистора 24 с изолированным затвором, подсоединенным к выходу входного резистивного 22, 23 делителя напряжения, и индуцированным каналом проводимости n-типа, резистора 25, диода 26, которая включена параллельно резистору 9 задающей R-C цепи генератора прямоугольных импульсов 8.

Вход 27 повторителя 16 подключен к общей точке соединения резистора 13 и конденсатора 14 R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, а его выход соединен с первым входом 28 элемента эквивалентности 17 через резистор 19 последовательной R-C цепи формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке 5, второй электрод конденсатора 20 которой соединен с второй клеммой 2 питания, с вторым входом 29 элемента эквивалентности непосредственно, с входом 30 блокировки генератора прямоугольных импульсов 8. Выход элемента эквивалентности 17 соединен с первым входом 31 элемента И, второй вход 32 которого подсоединен к выходу 33 генератора прямоугольных импульсов 8, с подключенным резистором 9 задающей его R-C цепи. Выход элемента И соединен с электродом 34 управления транзисторного ключа 6.

Устройство работает следующим образом. В первый момент подачи напряжения на клеммы 1 и 2 напряжение на конденсаторе 14 равно нулю, на выходе повторителя 16 напряжение также равно логическому нулю. Этот сигнал поступает на вход 30 блокировки генератора 8 прямоугольных импульсов и вызывает на его выходе 33 сигнал логической единицы. На обоих входах 28 и 29 элемента эквивалентности 17 также присутствуют сигналы логического нуля и поэтому на его выходе имеет место сигнал логической единицы. Таким образом, на обоих входах 31, 32 элемента 18 И сигналы равны логической единице, поэтому на его выходе сигнал логической единицы, который поступает на управляющий электрод 34 транзисторного ключа 6 и обеспечивает подачу напряжения между клеммами 1 и 2, подается на обмотку 5 электромагнита, обеспечивая его срабатывание. Это состояние устройства будет сохраняться в течение времени форсировки t_ф (фиг. 3). В момент, когда напряжение на конденсаторе 14 достигнет напряжения переключения повторителя 16, на его выходе появится сигнал логической единицы. На конденсаторе 20 в этот момент напряжение равно нулю, поэтому на выходе элемента 17 эквивалентности сигнал становится равным логическому нулю, что вызывает нулевой сигнал на управляющем электроде 34 транзисторного ключа 6, который запирается. Это вызывает дополнительное уменьшение тока в обмотке 5, замыкающего через диод 7, и торможение подвижной системы электромагнита и уменьшение кинетической энергии соударения якоря с магнитопроводом и элементов механизма, приводимых в движение электромагнитом.

В начале первой паузы t_п напряжения на обмотке 5 генератор 8 начинает генерацию прямоугольных импульсов. Это состояние схемы будет сохраняться до момента времени, когда напряжение на конденсаторе 20 не станет равным напряжению переключения элемента эквивалентности 17. После этого на выходе элемента 17 появляется сигнал логической единицы, который, поступая на вход 31 элемента 18 И, вызывает на его выходе повторение импульсов генератора 8 и создает первый импульсный режим удержания, кратковременно на время t_н (фиг. 3), открывая транзисторный ключ 6.

Во многих случаях в условиях эксплуатации напряжение источника питания изменяется в достаточно широких пределах, что требует обеспечения большого запаса по току удержания и это повышает мощность тепловых потерь в обмотке 5. Длительность t_н (фиг.3) импульсов напряжения на обмотке 5 зависит от сопротивления на выходе 33 генератора 8, которое изменяется за счет сопротивления выходной цепи блока 21 стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке в режиме удержания. При уменьшении напряжения на клеммах 1 и 2 напряжение на затворе транзистора 24 уменьшается, а сопротивление цепи исток-сток транзистора 24 увеличивается и тем самым увеличивается длительность t_н импульса напряжения на обмотке в режиме удержания, обеспечивая постоянство мощности тепловых потерь в обмотке. Когда на выходе 33 генератора 8 формируется сигнал логического нуля, к выходной цепи блока 21 прикладывается обратное напряжение, при котором диод 26 закрывается, обеспечивая постоянство длительности t_п паузы напряжения на обмотке. Диод 15 ограничивает напряжение на конденсаторе 14.

Макетный образец устройства выполнен на интегральной микросхеме серии К561. Элемент эквивалентности построен на двух включенных последовательно элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и НЕ; в качестве транзистора 24 использован транзистор типа КП305Д.

Источники информации
1. Пат. США 3579052. Устройство для включения электромагнита постоянного тока. Опубл. 18.05.1971.

2. А.С. РФ 1372379. Устройство для форсированного управления электромагнитом постоянного тока с питанием от источника постоянного напряжения. Опубл. БИ 5. 1988.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для форсировки приводных электромагнитов коммутационных аппаратов, а также для управления электромагнитами различных устройств автоматики, питающихся от источника постоянного напряжения. Введены элементы логических функций повторения, эквивалентности, И, последовательная R-C цепь формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке, блок стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания, состоящий из входного резистивного делителя напряжения и выходной его цепи, содержащей МОП-транзистор, резистор, диод, причем вход повторителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора R-С цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, и к второму диоду, а выход повторителя соединен с входом элемента эквивалентности через резистор последовательной R-C цепи формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке, с входом элемента эквивалентности, с входом блокировки генератора прямоугольных импульсов. Выход элемента эквивалентности соединен с первым входом логического элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов с подключенным резистором задающей его R-C цепи, выход элемента И соединен с электродом управления транзисторного ключа, выходная цепь блока стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания включена параллельно резистору задающей R-C цепи генератора прямоугольных импульсов. В результате снижается мощность тепловых потерь в обмотке электромагнита и увеличивается срок службы. 3 ил.

Устройство управления электромагнитом, содержащее первую и вторую клеммы питания, связанные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, две клеммы для подсоединения обмотки электромагнита, одна из которых непосредственно соединена с первой клеммой питания, последовательную цепь, подключенную между первой и второй клеммами питания и состоящую из транзисторного ключа и встречно подсоединенного к нему первого диода, который включен между двумя клеммами для подсоединения обмотки электромагнита, R-C цепь, задающую длительность форсирующего импульса включения электромагнита и подсоединенную одним своим выводом к первой клемме питания, второй диод, соединенный одним своим электродом с резистором R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, генератор прямоугольных импульсов, выполненный на интегральной микросхеме и с задающей R-C цепью, параметрический стабилизатор напряжения, выполненный на стабилитроне и резисторе и включенный между первой и второй клеммами питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены элементы логических функций повторения, эквивалентности, И; последовательная R-C цепь формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке; блок стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания, состоящий из входного резистивного делителя напряжения и выходной его цепи, состоящей из последовательно включенных исток-сток МОП-транзистора с индуцированным каналом проводимости n-типа и изолированным затвором, подсоединенным к выходу входного резистивного делителя напряжения, который подключен между первой и второй клеммами питания, и резистора и диода, причем вход повторителя подключен к общей точке соединения резистора и конденсатора R-C цепи, задающей длительность форсирующего импульса включения электромагнита, и к аноду второго диода, который катодом подключен к выходу параметрического стабилизатора напряжения, а выход повторителя соединен с первым входом элемента эквивалентности через резистор последовательной R-C цепи формирования длительности первой паузы напряжения на обмотке, второй электрод конденсатора которой соединен со второй клеммой питания; со вторым входом элемента эквивалентности непосредственно; со входом блокировки генератора прямоугольных импульсов, выход элемента эквивалентности с первым входом логического элемента И, второй вход которого подсоединен к выходу генератора прямоугольных импульсов, с подключенным резистором задающей его R-C цепи, выход элемента И соединен с электродом управления транзисторного ключа, выходная цепь блока стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания включена параллельно резистору задающей R-C цепи генератора прямоугольных импульсов.