ЭЛЕКТРОМАГНИТ С ФОРСИРОВКОЙ Российский патент 2004 года по МПК H01F7/18 

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, при питании их от сети переменного тока.

Известно “Устройство для форсировки электромагнита” (А.С. СССР N 612290, H 01 F 7/18, опубликованное 25.06.78., бюллетень N 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.

Недостатком устройства является необходимость использования в схеме питания электромагнита специального трансформатора, ограничивающего область использования подобных устройств форсировки.

Известно “Устройство для форсировки электромагнита” (А.С. СССР N 838764, H 01 F 7/18, опубликованное 15.06.81, бюллетень N 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:

- большие габариты устройства, обусловленные необходимостью использования основного конденсатора большой емкости с высоким рабочим напряжением;

- невозможность управления мощными электромагнитными приводами по причине малой длительности и мощности импульса форсировки. Известны: “Устройство для управления электромагнитом” (А.С. СССР N 845183, H 01 F 7/18, опубликованное 07.07.81, бюл. N25); “Устройство для управления электромагнитом” (А.С. СССР, N 926730, Н 01 F 7/18, опубликованное 07.05.82, бюл. N 17 ); “Электромагнит с форсировкой” (А.С. СССР, N 1141456, H 01 F 7/18, опубликованное 23.02.85., бюллетень. N 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 таристор (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.

Недостатком устройств является низкий коэффициент форсировки (отношение мощностей, подводимых к электромагниту в режимах форсировки и удержании электромагнита в рабочем состоянии).

Это обстоятельство ограничивает возможность использования устройств форсировки с фазовым управлением для мощных электромагнитов.

Наиболее близким к заявляемому является “Электромагнит с форсировкой” (Патент РФ N 2037219, Н 01 F 7/18, опубликованный 09.06.95., бюллетень N16).

Устройство предназначено для управления электромагнитными приводами систем автоматики. Устройство содержит конденсатор, включенный последовательно с обмоткой электромагнита; оптоэлектронный ключ переменного тока, выполненный на базе таристорного оптрона, установленный 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 установившейся режим, при котором электромагнитный привод удерживается в рабочем состоянии за счет тока, протекающего через конденсатор.

К достоинствам устройства следует отнести простоту схемы.

Недостатком устройства является малая длительность импульса форсировки. В рассматриваемом устройстве длительность импульса форсировки определяется инерцией резисторного оптрона и не превышает 0,1 с. Указанной длительности импульса форсировки недостаточно для управления мощными электромагнитами с большим ходом подвижного элемента (якоря).

Задачей заявляемого устройства является увеличение длительности импульса форсировки.

Выполнение поставленной задачи достигается тем, что предлагаемый электромагнит с форсировкой, содержащий два входных вывода для подключения к сети переменного тока, первый и второй выпрямители, подключенные к входным выводам соответственно через первый и второй конденсаторы, коммутирующий элемент, выходы которого соединены параллельно второму конденсатору, стабилитрон и третий конденсатор, установленные параллельно выходам первого выпрямителя, обмотку электромагнита, подсоединенную к выходам второго выпрямителя, отличается тем, что в состав устройства введены: первый и второй резисторы, четвертый конденсатор, усилитель.

При этом:

- параллельно выходам первого выпрямителя подсоединены первый резистор, последовательно соединенные второй резистор и четвертый конденсатор;

- вход усилителя соединен с вторым резистором и четвертым конденсатором. Кроме того, первый выход первого выпрямителя соединен с первым входом коммутирующего элемента, а второй резистор - с общим выводом усилителя, второй вход коммутирующего элемента с выходом усилителя.

Возможность увеличения длительности импульса форсировки достигается использованием в составе устройства схемы, состоящей из первого и второго резисторов, четвертого конденсатора и усилителя. При этом четвертый конденсатор и второй резистор выполняют функцию времязадающей цепочки. Заряд четвертого конденсатора через второй резистор используется для формирования импульса тока во входной цепи коммутирующего элемента. Изменяя номиналы четвертого конденсатора и второго резистора, можно в широких пределах менять постоянную времени RC-цепочки и соответственно длительность импульса форсировки. Первый резистор используется для разряда четвертого конденсатора и соответственно приведения схемы устройства форсировки в исходное состояние после отключения напряжения сети. При этом использование усилителя, с одной стороны, позволяет заряжать четвертый конденсатор током малой величины и тем самым существенно расширить пределы возможной регулировки длительности импульса, с другой - пропустить через входную цепь коммутирующего элемента ток, достаточный для изменения его состояния в режиме форсировки.

Кроме того, заявляемое устройство создает возможность для повышения эффективности электромагнита с форсировкой. Достигается это использованием в составе устройства коммутирующих элементов на базе электромагнитного реле либо оптоэлектронного ключа с симметричными тиристорами, позволяющими питать электромагнит двухполупериодным напряжением.

Таким образом, введение в состав устройства первого и второго резисторов, четвертого конденсатора и усилителя обеспечивают возможность регулирования длительности импульса форсировки в широких пределах (от десятых долей секунды до нескольких секунд)

На фиг.1 приведена схема электрическая электромагнита с форсировкой, на фиг.2 приведен вариант схемы коммутирующего элемента, использующего электромагнитное реле, на фиг.3 - вариант схемы с использованием оптоэлектронного ключа и симметричных тиристоров,

Электромагнит с форсировкой на фиг.1 содержит два входных вывода для подключения к сети переменного тока 1, 2, обмотку электромагнита 3, первый 4 и второй 5 выпрямители, подключенные к входным выводам соответственно через первый 6 и второй 7 конденсаторы, коммутирующий элемент 8, стабилитрон 9 и третий 10 и четвертый 13 конденсаторы, первый 11 и второй 12 резисторы, усилитель 14, элементы усилителя, в состав которого входят третий 15 и четвертый 16 резисторы, транзистор 17.

Варианты схем коммутирующих элементов, приведенные на фиг.2, 3, содержат электромагнитное реле 18, оптоэлектронный ключ 19, симметричный таристор 20, пятый 21 и шестой 22 резисторы.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при отсутствии напряжения на входных выводах 1, 2 выходы 3 и 4 коммутирующего элемента 8 разомкнуты, входная цепь второго выпрямителя 5, используемого для питания обмотки электромагнита 3, подключена к входным выводам 1 и 2 через второй конденсатор 7.

При подаче переменного напряжения на входные выводы 1 и 2 электромагнита с форсировкой оно одновременно поступает к:

- к первому выпрямителю 4 через первый конденсатор 6;

- к второму выпрямителю 5 через второй конденсатор 7

При этом величина первого конденсатора 6 выбирается из условия получения на выходе первого выпрямителя тока и напряжения, необходимых для управления работой коммутирующего элемента; величина второго конденсатора 7 выбирается из условия надежного удержания электромагнитного устройства в рабочем состоянии, но недостаточного для его включения.

Под действием напряжения на выходе первого выпрямителя 4, ограниченного стабилитроном 9, через четвертый конденсатор 13 протекает ток его заряда. Время заряда четвертого конденсатора 13 определяется величинами сопротивлений второго резистора 12 и сопротивления между входом и общим выводом усилителя. Падение напряжения, возникающее при этом на втором резисторе 12, поступает на вход усилителя. В результате по цепи выход 1 первого выпрямителя, первый 1 и второй 2 входы коммутирующего элемента, выход 3 и общий вывод 2 усилителя 14, выход 2 первого выпрямителя протекает ток. Под действием этого тока, если величина его достаточна для изменения состояния коммутирующего элемента 8, замыкаются его выходные выводы 3 и 4. Выходы коммутирующего элемента замыкаются либо контактами электромагнитного реле либо симметричными таристорами. При этом коммутирующий элемент 8 шунтирует второй конденсатор 7, обеспечивая протекание через входные выводы 1 и 2 устройства, второй выпрямитель 5 и обмотку электромагнита 3 тока форсировки. Величина тока форсировки определяется сопротивлением обмотки электромагнита 3. По мере заряда четвертого конденсатора 13 падает ток его заряда, уменьшается напряжение на входе усилителя 14. Соответственно снижается и ток управления между первым и вторым входами коммутирующего элемента 8. В момент, когда этот ток становится недостаточным для удержания выходов 3 и 4 коммутирующего элемента 8 в замкнутом состоянии, они размыкается. Режим форсировки заканчивается. Через входные выводы 1 и 2 устройства, второй конденсатор 7, второй выпрямитель 5, обмотку электромагнита 3 протекает ток удержания электромагнита в рабочем состоянии. Величина тока удержания определяется емкостным сопротивлением второго конденсатора 7. При отключении напряжения на входе устройства ток в цепи обмотки электромагнита становится равным нулю, исполнительное электромагнитное устройство возвращается в исходное состояние. Четвертый конденсатор 13 разряжается по цепи, образованной первым 11 и вторым 12 резисторами. После завершения процесса разряда устройство готово к новому включению электромагнита.

Время протекания тока форсированного включения электромагнита определяется временем заряда четвертого конденсатора 13; коэффициентом передачи усилителя; величиной тока управления между первым и вторым входами коммутирующего элемента, необходимым для замыкания его выходных выводов 3 и 4. Возможны различные варианты исполнения коммутирующего элемента и усилителя. В примере практической реализации устройства использованы коммутирующие элементы, выполненные по схеме с электромагнитным реле 18, приведенной на фиг.2, и по схеме с оптоэлектронным ключом 19 и симметричными таристорами 20 на выходе, приведенной на фиг.3. Учитывая, что токи управления коммутирующим элементом для различных его исполнений различны, можно подбором схемы этого элемента изменять и длительность импульса форсировки.

Заявляемое устройство было использовано для управления запорным газовым клапаном типа СВМГ со следующими основными характеристиками:

- давление рабочей среды - 0,1 МПа;

- ход якоря – 14 мм;

- диаметр проходного сечения - 50 мм;

- мощность подводимая к клапану в момент включения - 135 Вт;

- мощность, потребляемая клапаном в установившемся режиме, менее 1 Вт.

Электромагнит с форсировкой при этом был выполнен с применением следующих комплектующих:

- электромагнит 3 выполнен проводом ПЭВ-1 диаметром 0,16 мм, число витков 6300, сопротивление обмотки 360 Ом;

- первый 6 и второй 7 конденсаторы - К73-17-400 В-0,47 мкФ,

- первый выпрямитель 6 - диодный мост RB 157;

- второй выпрямитель 7 - диодный мост RS205;

- стабилитрон 9 - стабилитрон Д814Д;

- третий 10 и четвертый 11 конденсаторы - К50-35-16В-10,0 мкФ;

- первый резистор 11 - резистор С2-33-0,125-510 кОм ±5%;

- второй резистор 12 - резистор С2-33Н-0,125-100 кOм±5%;

- усилитель 14 в составе: транзистор 17 - транзистор КТ 315, четвертый резистор 15 - резистор С2-33Н-0,125-10 ком±5%, четвертый резистор 16 - резистор С2-33Н-0,125-2 Ом;

- коммутирующий элемент 8 на базе оптоэлектронного ключа и симметричных тиристоров в составе: оптоэлектронный симистор 19-АОУ160А, пятый резистор 21-С2-33-0,25-510±5%, шестой резистор 22-С2-33-0,25-1ком.±5%, симметричный тиристор 20 - симистор ТС 106-10;

- коммутирующий элемент на базе электромагнитного реле 18 - реле IV12S-KT.

Заявляемое устройство 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 при питании их от сети переменного тока. Техническим результатом является увеличение длительности импульса форсировки. В электромагнит с форсировкой дополнительно введены первый и второй резисторы, четвертый конденсатор и усилитель. Параллельно выходам первого выпрямителя подсоединены первый резистор, последовательно соединенные второй резистор и четвертый конденсатор. Вход усилителя соединен с вторым резистором и четвертым конденсатором. Кроме того, первый выход первого выпрямителя соединен с первым входом коммутирующего элемента, второй резистор - с общим выводом усилителя, второй вход коммутирующего элемента соединен с выходом усилителя. 3 ил.

Электромагнит с форсировкой, содержащий два входных вывода для подключения к сети переменного тока, первый и второй выпрямители, подключенные к входным выводам соответственно через первый и второй конденсаторы, коммутирующий элемент, выходы которого соединены параллельно второму конденсатору, стабилитрон и третий конденсатор, установленные параллельно выходам первого выпрямителя, обмотку электромагнита, подсоединенную к выходам второго выпрямителя, отличающийся тем, что в состав устройства введены первый и второй резисторы, четвертый конденсатор, усилитель, параллельно выходам первого выпрямителя установлены первый резистор, последовательно соединенные второй резистор и четвертый конденсатор, вход усилителя соединен с вторым резистором и четвертым конденсатором, кроме того, первый выход первого выпрямителя соединен с первым входом коммутирующего элемента, а второй резистор - с общим выводом усилителя, второй вход коммутирующего элемента соединен с выходом усилителя.