ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ФОРСИРОВКОЙ Российский патент 2002 года по МПК H01F7/18 H01H47/32 

Изобретение относится к электроаппаратостроению и может быть использовано для форсированного включения исполнительных электромагнитных устройств систем автоматики в нефтедобывающей, энергетической и других отраслях промышленности, в частности, в приводах электромагнитных клапанов.

Известно "Устройство для форсировки электромагнита" (а.с. СССР 612290, H 01 F 7/18, опубликованное 25.06.78., бюллетень 23). Устройство обеспечивает форсированное включение электромагнита при питании от сети переменного тока. Устройство содержит трансформатор с высоковольтной и низковольтной обмотками, пусковой тиристор, схему управления пусковым тиристором.

Недостатками устройства являются:
- высокая сложность схемы форсировки;
- необходимость использования в схеме питания электромагнита специального трансформатора и включающего контакта, ограничивающих область использования подобных устройств форсировки.

Известно "Устройство для форсировки электромагнита" (а.с. СССР 838764, H 01 F 7/18, опубликованное 15.06.81, бюллетень 22). Устройство предназначено для управления электромагнитными приводами в цепях переменного тока. Устройство содержит управляемый ключ - механически включаемый контактор, два диода, основной и дополнительный конденсаторы. Режим форсировки в устройстве достигается за счет энергии, запасаемой в основном конденсаторе, которая подается к электромагниту при замыкании контактора.

Достоинством устройства является простота его схемы.

К недостаткам устройства относятся:
- необходимость использования включающего контакта, ограничивающего область использования устройства форсировки;
- большие габариты устройства, обусловленные необходимостью использования основного конденсатора большой емкости с высоким рабочим напряжением;
- необходимость применения дополнительного конденсатора увеличенной емкости в связи с тем, что питание электромагнита в установившемся режиме осуществляется однополупериодным напряжением.

Известно "Устройство для управления электромагнитом" (а.с. СССР 845183, H 01 F 7/18, опубликованное 07.07.81, бюллетень 25). Устройство предназначено для форсированного включения электромагнитов в системах автоматики. Питание электромагнита от сети переменного тока осуществляется напряжением однополупериодного выпрямителя: либо через открытый тиристор (в режиме форсировки), либо через дополнительный конденсатор (в установившемся режиме).

Известны "Устройство для управления электромагнитом" (а.с. СССР 926730, Н 01 F 7/18, опубликованное 07.05.82, бюллетень 17), "Электромагнит с форсировкой" (а.с. СССР 1141456, Н 01 F 7/18, опубликованное 23.02.85, бюллетень 7).

Устройства предназначены для форсированного включения электромагнитных устройств систем автоматики.

Питание электромагнита от сети переменного тока в этих устройствах осуществляется напряжением однополупериодного выпрямителя: либо через полностью открытый тиристор (в режиме форсировки), либо через этот же, но частично открытый тиристор (в установившемся режиме). Режим частичного открывания тиристора устанавливается изменением фазы переменного напряжения на его управляющем электроде.

К достоинствам устройств следует отнести простоту схемы и отсутствие коммутационных элементов.

Недостатком устройств является низкая эффективность использования электромагнитов как в режиме форсировки, так и в установившемся режиме по причине питания электромагнита напряжением однополупериодного выпрямителя. Это обстоятельство ограничивает возможность использования устройств форсировки при управлении мощными электромагнитами.

Наиболее близким к заявляемому является "Электромагнит с форсировкой" (патент РФ 2037219, H 01 F 7/18, опубликованный 09.06.95, бюллетень 16).

Устройство предназначено для управления электромагнитными приводами систем автоматики. Устройство содержит конденсатор, включенный последовательно с обмоткой электромагнита, оптоэлектронный ключ переменного тока, выполненный на базе тиристорного оптрона, установленного параллельно конденсатору, резисторный оптрон, выполняющий функцию схемы задержки и включенный последовательно с входной цепью тиристорного оптрона, тиристор, установленный параллельно резисторному оптрону и входной цепи тиристорного оптрона, элементы источника питания: входной цепи тиристорного оптрона, резисторного оптрона, тиристора.

В момент форсированного включения электромагнитного привода тиристорный оптрон шунтирует конденсатор, обеспечивая тем самым большой ток форсировки. Через время, определяемое схемой задержки, тиристор шунтирует вход оптотиристора, в результате чего последний выключается и устройство переходит в установившийся режим, при котором электромагнитный привод удерживается в рабочем состоянии за счет тока, протекающего через конденсатор.

К достоинствам устройства следует отнести простоту схемы и отсутствие в ней коммутационных элементов.

Недостатками устройства являются:
1. Питание электромагнитного привода напряжением однополупериодного выпрямителя как в режиме форсировки, так и в установившемся режиме, которое снижает эффективность устройства форсировки, ограничивает возможность применения устройства для управления мощными электромагнитами.

2. Отсутствует возможность регулирования длительности импульса форсировки, поскольку она определяется характеристиками резисторного оптрона и не поддается регулировке. При управлении электромагнитами с разным временем включения такая возможность желательна, т.к. позволяет подобрать наилучший режим управления электромагнитным приводом.

Задачами заявляемого устройства являются:
1. Повышение эффективности электромагнита с форсировкой.

2. Обеспечение возможности регулирования длительности импульса форсировки.

Выполнение поставленных задач достигается тем, что предлагаемый электромагнит с форсировкой, содержащий два входных вывода для подключения к сети переменного тока, обмотку электромагнита, первый и второй конденсаторы, первый и второй выпрямители, стабилитрон, первый резистор, оптоэлектронный ключ переменного тока, причем первый и второй выпрямители подключены к входным выводам через соответственно первый и второй конденсаторы, выходные выводы оптоэлектронного ключа переменного тока подсоединены параллельно второму конденсатору, стабилитрон подсоединен к выходным выводам первого выпрямителя, а анод стабилитрона соединен через первый резистор с первым входом оптоэлектронного ключа переменного тока, отличающийся тем, что в состав электромагнита с форсировкой введены второй резистор и третий конденсатор; при этом первый и второй выпрямители выполнены по схеме двухполупериодного выпрямления, а оптоэлектронный ключ переменного тока выполнен с использованием симметричных тиристоров; второй вход оптоэлектронного ключа соединен с вторым резистором и третьим конденсатором, катод стабилитрона и второй вывод первого источника питания соединены с вторым резистором и третьим конденсатором, выходы второго выпрямителя соединены с выводами обмотки электромагнита.

При этом:
1) повышение эффективности заявляемого устройства достигается за счет использования:
- оптоэлектронного ключа с симметричными тиристорами;
- двухполупериодных выпрямителей для питания электромагнита и входной цепи оптоэлектронного ключа, которые в совокупности обеспечивают двухполупериодное питание электромагнита как в режиме форсировки, так и в установившемся режиме;
2) возможность регулирования длительности импульса форсировки достигается использованием третьего конденсатора и второго резистора.

Известно, что при использовании напряжения однополупериодного выпрямителя через электромагнит протекают импульсы тока длительностью не более 0,01 с, в то время как время срабатывания большинства электромагнитов лежит в пределах 0,05-0,25 с и более (см., например, А.Г. Сливская, "Электромагниты и постоянные магниты", М., "Энергия", 1972 г., с.218). Соответственно время форсировки для надежного срабатывания электромагнитного привода должно быть не менее 0,25 с. При этом питание электромагнита в режиме форсировки импульсами тока снижает тяговое усилие электромагнита и его быстродействие. Для того, чтобы компенсировать снижение тягового усилия необходимо увеличивать амплитуду импульсов тока, что, в свою очередь, требует увеличения диаметра провода катушки электромагнита. Результатом этого будет рост массы, габаритов, стоимости и соответственно снижение эффективности электромагнита с форсировкой.

Питание электромагнита в установившемся режиме импульсами тока однополупериодного выпрямителя, также как и d режиме форсировки, снижает тяговое усилие электромагнита, является причиной дополнительного нагрева магнитопровода вследствие появления высокочастотных гармоник.

Соответственно использование в заявляемом устройстве схем двухполупериодного питания электромагнита в установившемся режиме и режиме форсировки повышает эффективность форсировки с электромагнитом.

При этом оптоэлектронный ключ с симметричными тиристорами, первый и второй выпрямители, выполненные по схеме двухполупериодного выпрямления, обеспечивают в заявляемом устройстве двухполупериодное питание электромагнита с форсировкой.

Регулировка длительности импульса форсировки обеспечивается подбором номинала третьего конденсатора. В заявляемом устройстве заряд этого конденсатора используется для формирования импульса тока, во входной цепи оптоэлектронного ключа переменного тока. Изменяя номинал конденсатора, можно изменять время его заряда, длительность импульса тока во входной цепи оптоэлектронного ключа и соответственно длительность режима форсировки.

Второй резистор используется для разряда третьего конденсатора и соответственно приведения устройства форсировки в исходное состояние после отключения напряжения сети на входе устройства.

Таким образом, использование в заявляемом решении:
- оптоэлектронного ключа с симметричными тиристорами, двухполупериодных выпрямителей для питания электромагнита и входной цепи оптоэлектронного ключа, в совокупности обеспечивает питание электромагнита по двухполупериодной схеме как в режиме форсировки, так и в установившемся режиме и, соответственно, повышает эффективность электромагнита с форсировкой;
- третьего конденсатора и второго резистора обеспечивает возможность регулирования длительности импульса форсировки.

На чертеже приведена схема электромагнита с форсировкой.

Электромагнит с форсировкой содержит два входных вывода для подключения к сети переменного тока 1, 2; обмотку электромагнита 3; первый 4 и второй 5 конденсаторы; первый 6 и второй 7 выпрямители; стабилитрон 8; первый резистор 9; оптоэлектронный ключ переменного тока 10 с симметричными тиристорами на выходе; второй резистор 11 и третий конденсатор 12.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии, при отсутствии напряжения на входных выводах 1,2 оптоэлектронный ключ закрыт, третий конденсатор разряжен.

При подаче переменного напряжения на входные выводы 1,2 электромагнита с форсировкой оно одновременно поступает к:
- последовательно соединенным первому конденсатору 4 и первому выпрямителю 6;
- последовательно соединенным второму конденсатору 5 и второму выпрямителю 7.

При этом первый 4 и второй 5 конденсаторы ограничивают переменный ток в цепи первого 6 и второго 7 выпрямителей.

Под действием напряжения на выходе первого источника питания 6, ограниченного стабилитроном 8, через первый резистор 9, входную цепь оптоэлектронного ключа переменного тока 10 начинает протекать ток заряда третьего конденсатора 12. В результате оптоэлектронный ключ переменного тока 10 открывается, выходная цепь оптоэлектронного ключа, в которой использованы симметричные тиристоры, шунтирует второй конденсатор 5. Ток в цепи второго выпрямителя 7 и соответственно в цепи электромагнита резко возрастает, обеспечивая тем самым форсированное включение электромагнитного привода. Время протекания тока форсированного включения электромагнита определяется временем заряда третьего конденсатора 12. По мере его заряда ток во входной цепи оптоэлектронного ключа уменьшается до уровня, при котором последний закрывается, прекращается шунтирующее действие симметричных тиристоров, режим форсировки прекращается. В установившемся режиме ток через электромагнит резко уменьшается до величины, определяемой емкостью второго конденсатора 5.

При отключении напряжения питания на входных выводах 1,2 конденсатор 12 разряжается через резистор 11, в результате чего электромагнит с форсировкой возвращается в исходное состояние. Устройство готово к новому включению электромагнита.

Заявляемое устройство было использовано для управления запорным газовым клапаном со следующими основными характеристиками:
- давление рабочей среды - 0,3 МПа;
- ход якоря - 6 мм;
- диаметр проходного сечения - 25 мм;
- мощность, подводимая к клапану в момент включения - 135Вт; мощность, потребляемая клапаном в установившемся режиме - менее 1 Вт.

Электромагнит с форсировкой при этом был выполнен с применением следующих комплектующих:
1) электромагнит 3 выполнен проводом ПЭВ-1 диаметром 0,16 мм, число витков - 6300, сопротивление обмотки - 360 Ом;
2) конденсаторы 4, 5 - К73-17-630В-022 мкФ;
3) двухполупериодный выпрямитель 6 - диодный мост RB157;
4) двухполупериодный выпрямитель 7 - диодный мост RS205;
5) стабилитрон 8 - стабилитрон КС 156А;
6) резистор 9 - резистор С2-33-0,25-100±5%;
7) оптоэлектронный ключ 10 в составе:
- оптоэлектронный симистор 13-АОУ160А,
- резистор 14 С2-33-0,25-510±5%,
- резистор 15 С2-33-0,25-1ком.±5%,
- симметричный тиристор-симистор ТС 106-10;
8) резистор 11 С2-33-0,25-30 ком.±5%,
9) конденсатор К50-35-16В-100,0 мкФ.

Заявляемое устройство позволяет за счет применения двухполупериодного питания электромагнита:
- снизить ток в режиме форсировки по сравнению с прототипом не менее чем на 50%;
- снизить напряжение удержания и соответственно мощность, потребляемую электромагнитом в установившемся режиме не менее чем на 70%;
обеспечивает возможность изменения времени форсировки от 0,1 до 10 с.

Изобретение относится к электроаппаратостроению и может быть использовано для форсированного включения исполнительных электромагнитных устройств систем автоматики в нефтедобывающей, энергетической и других отраслях промышленности, в частности, в приводах электромагнитных клапанов. Техническим результатом является повышение эффективности электромагнита с форсировкой, обеспечение возможности регулирования длительности импульса форсировки. В электромагнит с форсировкой, содержащий два входных вывода для подключения к сети переменного тока, обмотку электромагнита, первый и второй конденсаторы, первый и второй выпрямители, стабилитрон, первый резистор, оптоэлектронный ключ переменного тока, причем первый и второй выпрямители подключены к входным выводам через соответственно первый и второй конденсаторы, выходные выводы оптоэлектронного ключа подсоединены параллельно второму конденсатору, стабилитрон подсоединен к выходным выводам первого выпрямителя, а анод стабилитрона соединен через первый резистор с первым входом оптоэлектронного ключа, введены второй резистор и третий конденсатор, при этом первый и второй выпрямители выполнены по двухполупериодной схеме выпрямления, а оптоэлектронный ключ переменного тока выполнен с использованием симметричных тиристоров, второй вход оптоэлектронного ключа соединен с вторым резистором и третьим конденсатором, катод стабилитрона и второй вывод первого источника питания соединены с вторым резистором и третьим конденсатором, выходы второго выпрямителя соединены с выводами обмотки электромагнита. 1 ил.

Электромагнит с форсировкой, содержащий два входных вывода для подключения к сети переменного тока, обмотку электромагнита, первый и второй конденсаторы, первый и второй выпрямители, стабилитрон, первый резистор, оптоэлектронный ключ переменного тока, причем первый и второй выпрямители подключены к входным выводам через соответственно первый и второй конденсаторы, выходные выводы оптоэлектронного ключа подсоединены параллельно второму конденсатору, стабилитрон подсоединен к выходным выводам первого выпрямителя, а анод стабилитрона соединен через первый резистор с первым входом оптоэлектронного ключа, отличающийся тем, что в состав электромагнита с форсировкой введены второй резистор и третий конденсатор, при этом первый и второй выпрямители выполнены по двухполупериодной схеме выпрямления, а оптоэлектронный ключ переменного тока выполнен с использованием симметричных тиристоров, второй вход оптоэлектронного ключа соединен с вторым резистором и третьим конденсатором, катод стабилитрона и второй вывод первого выпрямителя соединены с вторым резистором и третьим конденсатором, выходы второго выпрямителя соединены с выводами обмотки электромагнита.