Устройство управления электромагнитом Российский патент 2022 года по МПК H01F7/18 

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) 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 LI²/2, 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;

2) при включенном электронном ключе 13 и выключенном ключе 4 конденсатор 14 может током i обмотки 3 зарядиться до недопустимо большого напряжения u_C, что вызывает недопустимые перенапряжения на выключенном ключе 4, накопление на конденсаторе 14 недопустимой энергии Cu_C²/2, 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.

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_пор2 до нижнего порогового напряжения U_пор1 и выключаемого на время заряда накопительного конденсатора током i от напряжения U_пор1 до напряжения U_пор2, 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.

Как показано на фиг.6, дальнейшая работа устройства до момента спада тока обмотки 3 до заданного минимального значения i_min происходит при остающимся включенным ключе 13 и при периодическом включении ключа 21 на время t₁ заряда конденсатора 14 до верхнего порогового напряжения U_пор2 и выключении ключа 21 на время t₂ разряда конденсатора 14 от напряжения U_пор2 до нижнего порогового напряжения U_пор1. Переключения ключа 21 импульсами управления u_y21 происходят с переменным периодом Т=t₁+t₂. При этом среднее значение напряжения на конденсаторе 14, примерно равное u_Ccp=0,5(U_пор1+U_пор2), должно превышать напряжение Ε источника 1. Тогда ток i обмотки 3 будет постепенно убывать. В момент снижения тока i до значения i_min на выходе датчика тока 20 формируется короткий импульс, поступающий на второй вход 24 второго формирователя 16. Ключ 21 отпирается импульсом u_y21, поступающим на его управляющий вывод с третьего формирователя 22.

Справедливы формулы

где C₁₄ - емкость конденсатора 14; R₁₅ - сопротивление разрядного резистора 15; i - постепенно уменьшающееся среднее значение тока в обмотке 3 за время Т=t₁+t₂, определяемое выражением

r₃ - активное сопротивление цепи обмотки 3; T_L=L/r₃ - постоянная времени цепи.

Время спада тока t_сп определяется из уравнения, полученного при подстановке t=t_сп, i=0 в последнее выражение

где i(0) - значение тока в момент начала выключения электромагнита.

Датчик тока 20 фиксирует значение тока i_min, 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+R₂/R₁)R_шi, подается на инвертирующий вход компаратора DA2, на выходе которого появляется положительный импульс в момент выполнения равенства

где U_пор⁼R₄U_п/(R₃+R₄), U_п - напряжение питания.

Отсюда найдем требуемое отношение

значением i_min и R_ш 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.

Устройство управления электромагнитом, содержащее последовательную цепь из обмотки электромагнита и источника постоянного напряжения, имеющую два внешних вывода, к которым подключены положительный и отрицательный силовые выводы первого электронного ключа и цепь сброса энергии, накопленной в обмотке электромагнита, состоящая из последовательно включенных второго электронного ключа и накопительного конденсатора, параллельно которому присоединен разрядный резистор, в котором управляющие выводы первого и второго электронных ключей присоединены соответственно к выходным выводам первого и второго формирователя управляющих импульсов, выходные выводы которых подсоединены к первому и второму выходным выводам приемника команд, определяющим моменты включения соответственно первого и второго электронных ключей. Отличительной особенностью изобретения является то, что повышение универсальности достигается за счет подключения к выводам 4 и 5 последовательной цепи 1 выводов диагонали переменного тока выпрямительного моста 18, общей точке катодов диодов и общей точке анодов которого присоединены соответственно положительный 6 и отрицательный 7 выводы первого электронного ключа 8. Последовательно со вторым электронным ключом введен датчик тока, контролирующий моменты спада этого тока до заданного малого значения, а разрядный резистор подключен к накопительному конденсатору через третий электронный ключ, управляющий вывод которого присоединен к выходному выводу третьего формирователя управляющих импульсов. В первый и второй формирователи управляющих импульсов введены дополнительные входные выводы, определяющие моменты выключения первого и второго электронных ключей, подключенные соответственно к второму выходному выводу приемника команд и выходному выводу датчика тока, а третий формирователь управляющих импульсов содержит два компаратора, фиксирующие моменты перехода напряжения на накопительном конденсаторе через верхний и нижний пороговые значения и определяющие соответственно моменты включения и выключения третьего электронного ключа, к выходным выводам которых присоединен триггер. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство управления электромагнитом, содержащее последовательную цепь из обмотки электромагнита и источника постоянного напряжения, имеющую два внешних вывода, к которым подключены положительный и отрицательный силовые выводы первого электронного ключа и цепь сброса энергии, накопленной в обмотке электромагнита, состоящая из последовательно включенных второго электронного ключа и накопительного конденсатора, параллельно которому присоединен разрядный резистор, в котором управляющие выводы первого и второго электронных ключей присоединены соответственно к выходным выводам первого и второго формирователя управляющих импульсов, выходные выводы которых подсоединены к первому и второму выходным выводам приемника команд, определяющим моменты включения соответственно первого и второго электронных ключей, отличающееся тем, что к внешним выводам указанной последовательной цепи подключены выводы диагонали переменного тока выпрямительного диодного моста, к общей точке катодов и общей точке анодов диодов этого моста присоединены соответственно положительный и отрицательный силовые выводы первого электронного ключа.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что последовательно с вторым электронным ключом введен датчик тока, контролирующий моменты времени спада тока до заданного малого значения, а разрядный резистор подключен к накопительному конденсатору через третий электронный ключ, управляющий вывод которого присоединен к выходному выводу третьего формирователя управляющих импульсов.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что в первый и второй формирователи управляющих импульсов введены вторые входные выводы, определяющие моменты выключения первого и второго электронного ключей, подключенные соответственно к второму выходу приемника команд и выходу датчика тока, а третий формирователь управляющих импульсов содержит первый и второй пороговые элементы (компараторы), вход третьего формирователя образуется соединением инвертирующего входа первого компаратора с неинвертирующим входом второго компаратора, неинвертирующий вход первого компаратора и инвертирующий вход второго компаратора присоединены соответственно к первому и второму источнику опорных напряжений, пропорциональных (с одинаковым коэффициентом пропорциональности) нижнему и верхнему пороговым напряжениям накопительного конденсатора, к выходам компараторов присоединен триггер, выходной вывод которого образует выходной вывод третьего формирователя.