Grunnleggende om Magnabend elektriske krets

MAGNABEND - KRETSDRIFT
Magnabend platemappen er utformet som en DC-klemmende elektromagnet.
Den enkleste kretsen som kreves for å drive den elektromagnetiske spolen består kun av en bryter og en brolikeretter:
Figur 1: Minimal krets:

Minimal circuit

Det skal bemerkes at PÅ/AV-bryteren er koblet til AC-siden av kretsen.Dette gjør at den induktive spolestrømmen kan sirkulere gjennom diodene i brolikeretteren etter avslåing til strømmen avtar eksponentielt til null.
(Diodene i broen fungerer som "fly-back" dioder).

For sikrere og mer praktisk drift er det ønskelig å ha en krets som gir en 2-hånds forrigling og også 2-trinns klemme.2-håndslåsen bidrar til å sikre at fingrene ikke kommer i klem under klemmestangen og den trinnvise klemmen gir en mykere start og lar også en hånd holde ting på plass til forklemmen aktiveres.

Figur 2: Krets med forrigling og 2-trinns klemme:

Når START-knappen trykkes inn, tilføres en liten spenning til magnetspolen via AC-kondensatoren og gir dermed en lett klemeffekt.Denne reaktive metoden for å begrense strømmen til spolen innebærer ingen betydelig effekttap i begrensningsanordningen (kondensatoren).
Full klemme oppnås når både den bøyebjelkebetjente bryteren og START-knappen betjenes sammen.
Vanligvis vil START-knappen bli trykket først (med venstre hånd) og deretter vil håndtaket på bøyebjelken bli trukket med den andre hånden.Full innspenning vil ikke skje med mindre det er en viss overlapping i driften av de 2 bryterne.Men når full klemme er etablert, er det ikke nødvendig å fortsette å holde START-knappen inne.

Restmagnetisme
Et lite, men betydelig problem med Magnabend-maskinen, som med de fleste elektromagneter, er problemet med restmagnetisme.Dette er den lille mengden magnetisme som gjenstår etter at magneten er slått AV.Det får klemmestengene til å forbli svakt fastklemt til magnetlegemet og gjør fjerning av arbeidsstykket vanskelig.

Bruk av magnetisk mykt jern er en av mange mulige tilnærminger for å overvinne gjenværende magnetisme.
Imidlertid er dette materialet vanskelig å få tak i i lagerstørrelser, og det er også fysisk mykt, noe som betyr at det lett vil bli skadet i en bøyemaskin.

Inkluderingen av et ikke-magnetisk gap i den magnetiske kretsen er kanskje den enkleste måten å redusere restmagnetisme.Denne metoden er effektiv og er ganske enkel å oppnå i en fabrikkert magnetkropp - bare inkorporer et stykke papp eller aluminium som er omtrent 0,2 mm tykt mellom for eksempel frontstangen og kjernestykket før du bolter magnetdelene sammen.Hovedulempen med denne metoden er at det ikke-magnetiske gapet reduserer fluksen som er tilgjengelig for full fastspenning.Det er heller ikke rett frem å innlemme gapet i en magnetkropp i ett stykke som brukt for E-type magnetdesign.

Et omvendt forspenningsfelt, produsert av en hjelpespole, er også en effektiv metode.Men det innebærer uberettiget ekstra kompleksitet i produksjonen av spolen og også i kontrollkretsen, selv om den ble brukt kort i en tidlig Magnabend-design.

En råtnende oscillasjon ("ringing") er konseptuelt en veldig god metode for avmagnetisering.

Damped ringing Ringing waveform

Disse oscilloskopbildene viser spenningen (toppsporet) og strømmen (bunnsporet) i en Magnabend-spole med en passende kondensator koblet over den for å få den til å oscillere selv.(AC-tilførselen er slått av omtrent midt på bildet).

Det første bildet er for en åpen magnetisk krets, det vil si uten klemmestang på magneten.Det andre bildet er for en lukket magnetisk krets, det vil si med en klemmestang i full lengde på magneten.
På det første bildet viser spenningen avtagende oscillasjon (ringing) og det samme gjør strømmen (lavere spor), men på det andre bildet svinger ikke spenningen og strømmen klarer ikke engang å reversere i det hele tatt.Dette betyr at det ikke ville være noen oscillasjon av den magnetiske fluksen og dermed ingen kansellering av gjenværende magnetisme.
Problemet er at magneten er for kraftig dempet, hovedsakelig på grunn av virvelstrømstap i stålet, og dermed fungerer dessverre ikke denne metoden for Magnabend.

Tvunget oscillasjon er enda en idé.Hvis magneten er for dempet til å selvsvinge seg, kan den bli tvunget til å oscillere av aktive kretser som leverer energi etter behov.Dette er også grundig undersøkt for Magnabend.Den største ulempen er at den involverer altfor kompliserte kretser.

Omvendt puls avmagnetisering er metoden som har vist seg mest kostnadseffektiv for Magnabend.Detaljene i dette designet representerer originalt arbeid utført av Magnetic Engineering Pty Ltd. En detaljert diskusjon følger:

REVERS-PULSE DEMAGNETISERING
Essensen av denne ideen er å lagre energi i en kondensator og deretter slippe den inn i spolen like etter at magneten er slått av.Polariteten må være slik at kondensatoren vil indusere en omvendt strøm i spolen.Mengden energi som er lagret i kondensatoren kan skreddersys til å være akkurat tilstrekkelig til å kansellere restmagnetismen.(For mye energi kan overdrive og re-magnetisere magneten i motsatt retning).

En ytterligere fordel med revers-puls-metoden er at den gir svært rask avmagnetisering og en nesten umiddelbar frigjøring av klemmestangen fra magneten.Dette er fordi det ikke er nødvendig å vente på at spolestrømmen avtar til null før du kobler til reverspulsen.Ved påføring av pulsen tvinges spolestrømmen til null (og deretter i revers) veldig mye raskere enn dens normale eksponentielle forfall ville ha vært.

Figur 3: Grunnleggende omvendt pulskrets

Basic Demag Cct

Nå er det normalt å "leke med ilden" å plassere en bryterkontakt mellom likeretteren og magnetspolen.
Dette er fordi en induktiv strøm ikke kan plutselig avbrytes.Hvis det er det, vil bryterkontaktene bue og bryteren vil bli skadet eller til og med fullstendig ødelagt.(Den mekaniske ekvivalenten ville være å prøve å plutselig stoppe et svinghjul).
Derfor, uansett hvilken krets som er utviklet, må den gi en effektiv vei for spolestrømmen til enhver tid, inkludert i noen få millisekunder mens en bryterkontakt skifter.
Kretsen ovenfor, som kun består av 2 kondensatorer og 2 dioder (pluss en relékontakt), oppnår funksjonene med å lade lagringskondensatoren til en negativ spenning (i forhold til referansesiden av spolen) og gir også en alternativ vei for spolen strøm mens relékontakten er på farten.

Hvordan det fungerer:
Stort sett fungerer D1 og C2 som en ladepumpe for C1 mens D2 er en klemdiode som holder punkt B fra å gå positivt.
Mens magneten er PÅ vil relékontakten være koblet til sin "normalt åpne" (NO) terminal og magneten vil gjøre sin vanlige jobb med å klemme metallplater.Ladepumpen vil lade C1 mot en topp negativ spenning som er lik spolespenningen.Spenningen på C1 vil øke eksponentielt, men den vil være fulladet i løpet av omtrent 1/2 sekund.
Den forblir i den tilstanden til maskinen slås AV.
Umiddelbart etter utkobling holder releet inn en kort stund.I løpet av denne tiden vil den svært induktive spolestrømmen fortsette å resirkulere gjennom diodene i brolikeretteren.Nå, etter en forsinkelse på ca. 30 millisekunder, vil relékontakten begynne å skille seg.Spolestrømmen kan ikke lenger gå gjennom likeretterdiodene, men finner i stedet en vei gjennom C1, D1 og C2.Retningen til denne strømmen er slik at den vil øke den negative ladningen på C1 ytterligere, og den vil også begynne å lade C2.

Verdien av C2 må være stor nok til å kontrollere hastigheten på spenningsøkningen over åpningsrelékontakten for å sikre at det ikke dannes en lysbue.En verdi på omtrent 5 mikro-farad per ampere spolestrøm er tilstrekkelig for et typisk relé.

Figur 4 nedenfor viser detaljer om bølgeformene som oppstår i løpet av det første halve sekundet etter avslåing.Spenningsrampen som styres av C2 er godt synlig på den røde kurven i midten av figuren, den er merket "Relékontakt i farten".(Den faktiske fly-over-tiden kan utledes fra dette sporet; det er ca. 1,5 ms).
Så snart reléarmaturen lander på NC-terminalen, kobles den negativt ladede lagringskondensatoren til magnetspolen.Dette reverserer ikke spolestrømmen umiddelbart, men strømmen går nå "oppoverbakke" og dermed tvinges den raskt gjennom null og mot en negativ topp som oppstår ca. 80 ms etter tilkobling av lagringskondensatoren.(Se figur 5).Den negative strømmen vil indusere en negativ fluks i magneten som vil oppheve restmagnetismen og klemmestangen og arbeidsstykket vil raskt bli frigjort.

Figur 4: Utvidede bølgeformer

Expanded waveforms

Figur 5: Spenning og strømbølgeformer på magnetspole

Waveforms 1

Figur 5 ovenfor viser spennings- og strømbølgeformene på magnetspolen under forklemmingsfasen, den fulle klemfasen og avmagnetiseringsfasen.

Det antas at enkelheten og effektiviteten til denne avmagnetiseringskretsen burde bety at den vil finne anvendelse i andre elektromagneter som trenger avmagnetisering.Selv om restmagnetisme ikke er et problem, kan denne kretsen fortsatt være veldig nyttig for å kommutere spolestrømmen til null veldig raskt og dermed gi rask utløsning.
Praktisk Magnabend-krets:

Kretskonseptene diskutert ovenfor kan kombineres til en full krets med både en 2-hånds forrigling og omvendt pulsavmagnetisering som vist nedenfor (Figur 6):

Figur 6: Kombinert krets

Full Circuit Simplified

Denne kretsen vil fungere, men den er dessverre noe upålitelig.
For å oppnå pålitelig drift og lengre bryterlevetid er det nødvendig å legge til noen ekstra komponenter til grunnkretsen som vist nedenfor (Figur 7):
Figur 7: Kombinert krets med forbedringer

Magnabend full cct (1)

SW1:
Dette er en 2-polet skillebryter.Det er lagt til for enkelhets skyld og for å overholde elektriske standarder.Det er også ønskelig at denne bryteren har et neon-indikatorlys for å vise PÅ/AV-statusen til kretsen.

D3 og C4:
Uten D3 er låsingen av reléet upålitelig og avhenger noe av fasingen av nettbølgeformen på tidspunktet for bruk av bøyestrålebryteren.D3 introduserer en forsinkelse (vanligvis 30 millisekunder) i frafallet av reléet.Dette overvinner låseproblemet, og det er også fordelaktig å ha en utfallsforsinkelse rett før utbruddet av avmagnetiseringspulsen (senere i syklusen).C4 gir AC-kobling av relékretsen som ellers ville vært en halvbølge kortslutning når START-knappen ble trykket.

THERM.BYTTE OM:
Denne bryteren har huset i kontakt med magnetkroppen og den vil gå i åpen krets hvis magneten blir for varm (>70 C).Å sette den i serie med reléspolen betyr at den bare trenger å bytte den lille strømmen gjennom reléspolen i stedet for hele magnetstrømmen.

R2:
Når START-knappen trykkes inn trekker reléet inn og da blir det en innløpsstrøm som lader C3 via brolikeretteren, C2 og diode D2.Uten R2 ville det ikke vært motstand i denne kretsen og den resulterende høye strømmen kan skade kontaktene i START-bryteren.
Det er også en annen kretstilstand der R2 gir beskyttelse: Hvis bøyestrålebryteren (SW2) beveger seg fra NO-terminalen (hvor den vil føre hele magnetstrømmen) til NC-terminalen, vil det ofte dannes en bue og hvis START-bryteren ble fortsatt holdt på dette tidspunktet, da ville C3 faktisk kortsluttes, og avhengig av hvor mye spenning som var på C3, kan dette skade SW2.Imidlertid vil R2 igjen begrense denne kortslutningsstrømmen til en sikker verdi.R2 trenger kun en lav motstandsverdi (typisk 2 ohm) for å gi tilstrekkelig beskyttelse.

Varistor:
Varistoren, som er koblet mellom AC-terminalene på likeretteren, gjør normalt ingenting.Men hvis det er en overspenning på strømnettet (på grunn av for eksempel - et lynnedslag i nærheten) vil varistoren absorbere energien i overspenningen og forhindre at spenningsspissen skader brolikeretteren.

R1:
Hvis START-knappen skulle trykkes inn under en avmagnetiseringspuls, ville dette sannsynligvis forårsake en lysbue ved relékontakten som i sin tur praktisk talt ville kortslutt C1 (lagringskondensatoren).Kondensatorenergien ville bli dumpet inn i kretsen bestående av C1, brolikeretteren og lysbuen i reléet.Uten R1 er det svært liten motstand i denne kretsen, og derfor vil strømmen være veldig høy og være tilstrekkelig til å sveise kontaktene i reléet.R1 gir beskyttelse i dette (noe uvanlige) tilfellet.

Spesiell merknad til valg av R1:
Hvis eventualiteten beskrevet ovenfor inntreffer, vil R1 absorbere praktisk talt all energien som ble lagret i C1 uavhengig av den faktiske verdien av R1.Vi vil at R1 skal være stor sammenlignet med andre kretsmotstander, men liten sammenlignet med motstanden til Magnabend-spolen (ellers ville R1 redusere effektiviteten til avmagnetiseringspulsen).En verdi på rundt 5 til 10 ohm ville være passende, men hvilken effekt skal R1 ha?Det vi virkelig trenger å spesifisere er pulsstyrken, eller energiklassifiseringen til motstanden.Men denne egenskapen er vanligvis ikke spesifisert for kraftmotstander.Effektmotstander med lav verdi er vanligvis trådviklet, og vi har bestemt at den kritiske faktoren å se etter i denne motstanden er mengden faktisk ledning som brukes i konstruksjonen.Du må åpne en prøvemotstand og måle måleren og lengden på ledningen som brukes.Regn ut det totale volumet av ledningen og velg deretter en motstand med minst 20 mm3 ledning.
(For eksempel ble en 6,8 ohm/11 watt motstand fra RS Components funnet å ha et ledningsvolum på 24 mm3).

Heldigvis er disse ekstra komponentene små i størrelse og pris, og legger derfor bare noen få dollar til den totale kostnaden for Magnabend-elektrikken.
Det er en ekstra bit av kretser som ennå ikke er diskutert.Dette løser et relativt lite problem:
Hvis START-knappen trykkes inn og ikke etterfølges av å trekke i håndtaket (som ellers ville gitt full fastspenning) vil ikke lagringskondensatoren være fulladet og avmagnetiseringspulsen som oppstår når START-knappen slippes, vil ikke demagnetisere maskinen fullstendig. .Klemstangen ville da forbli fast til maskinen, og det ville være en plage.
Tilsetningen av D4 og R3, vist i blått i figur 8 nedenfor, mater en passende bølgeform inn i ladepumpekretsen for å sikre at C1 blir ladet selv om full klemme ikke påføres.(Verdien av R3 er ikke kritisk - 220 ohm/10 watt ville passet de fleste maskiner).
Figur 8: Krets med avmagnetisering kun etter "START":

Demagnetise after START

For mer informasjon om kretskomponenter, se delen Komponenter i "Bygg din egen Magnabend"
For referanseformål er de fullstendige kretsdiagrammene for 240 Volt AC, E-Type Magnabend-maskiner produsert av Magnetic Engineering Pty Ltd vist nedenfor.

Merk at for drift på 115 VAC må mange komponentverdier endres.

Magnetic Engineering stoppet produksjonen av Magnabend-maskiner i 2003 da virksomheten ble solgt.

650E Circuit

1250E Circuit

2500E Circuit

Merk: Diskusjonen ovenfor var ment å forklare hovedprinsippene for kretsoperasjonen, og ikke alle detaljer er dekket.De fullstendige kretsene vist ovenfor er også inkludert i Magnabend-manualene som er tilgjengelige andre steder på denne siden.

Det skal også bemerkes at vi utviklet fullstendig solid state-versjoner av denne kretsen som brukte IGBT-er i stedet for et relé for å bytte strømmen.
Solid state-kretsen ble aldri brukt i noen Magnabend-maskiner, men ble brukt til spesielle magneter som vi produserte for produksjonslinjer.Disse produksjonslinjene leverte vanligvis 5000 varer (som en kjøleskapsdør) per dag.

Magnetic Engineering stoppet produksjonen av Magnabend-maskiner i 2003 da virksomheten ble solgt.

Vennligst bruk Kontakt Alan-lenken på denne siden for å søke mer informasjon.