Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления приводными электромагнитами коммутационных аппаратов.

Известно устройство управления электромагнитом [1], которое используется для форсировки приводных электромагнитов коммутационных аппаратов, а также для управления электромагнитами различных устройств автоматики, питающихся от источника постоянного напряжения. В устройство 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-C 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. При использовании такого устройства снижается мощность тепловых потерь в обмотке электромагнита и увеличивается срок службы. Однако оно не обеспечивает эффективного управления в широком диапазоне изменения напряжения питания динамическими параметрами электромагнита при его срабатывании из-за несогласованности переходного процесса изменения тока в обмотке электромагнита с алгоритмом управления по причине независимости длительности первой паузы от напряжения питания.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению является устройство форсированного управления электромагнитом постоянного напряжения [2], принятое за прототип. Устройство содержит генератор 1 источник тока 2, зависимый от уровня напряжения источника питания таймер 3, выходы которых подключены к входу интегратора 4 с двумя ступенями постоянной интегрирования; источник тока 2 соединен с источником питания, выход интегратора 4 подсоединен к входу компаратора с внутренним опорным напряжением 5, выход которого подключен к управляющему входу транзисторного ключа 8, первый силовой вывод которого подсоединен к отрицательной шине источника питания, второй силовой вывод транзисторного ключа подключен к первому выводу токоограничивающего резистора 7, второй вывод которого подсоединен к аноду защитного диода 6, катод защитного диода подсоединен к положительной шине источника питания, выводы 9, 10 для подключения обмотки электромагнита подсоединены к аноду и катоду защитного диода 6.

Недостатком устройства является неэффективное в широком диапазоне изменение напряжения питания динамическими параметрами электромагнита при его срабатывании из-за несогласованности переходного процесса изменения тока в обмотке электромагнита с алгоритмом управления по причине постоянства длительности пускового периода (форсировки), задаваемого таймером. Кроме того, применение в устройстве широтно-импульсной модуляции напряжения питания в период трогания электромагнита снижает его быстродействие.

Первый недостаток определяется тем, что при увеличении напряжения питания время переходного процесса уменьшается, а при уменьшении напряжения питания - увеличивается. При этом, если длительность пускового периода достаточна для надежного срабатывания электромагнита при минимальном напряжении, то при максимальном напряжении в течение времени форсировки электромагнит будет потреблять неоправданно большую мощность и это может привести к перегреву обмотки, особенно при работе в повторно-кратковременном режиме. Если время форсировки выбрать из условия обеспечения срабатывания при максимальном напряжения питания, то при пониженном напряжении электромагнит может не сработать вообще.

Второй недостаток определяется тем, что применение широтно-импульсной модуляции в течение всего периода срабатывания приводит к уменьшению среднего напряжения на обмотке по сравнению с номинальным напряжением, вследствие чего время срабатывания будет больше, чем без широтно-импульсной модуляции.

Техническим результатом изобретения является улучшение качества управления приводным электромагнитом в широком диапазоне изменения напряжения питания путем формирования в процессе управления широтно-импульсной модуляции со скважностью, необходимой для достаточного торможения якоря и снижения кинетической энергии подвижных частей к моменту соударения главных контактов на второй ступени управления и, как следствие, повышение быстродействия, увеличение срока службы электромагнита и приводимых им в движение главных контактов.

Этот технический результат достигается тем, что в устройстве управления электромагнитами постоянного напряжения, содержащем первую и вторую клеммы питания, связанные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, две клеммы для подсоединения обмотки электромагнита, одна из которых соединена с резистором, диод, полупроводниковый ключ, в соответствии с заявляемым изобретением, второй вывод резистора подключен ко второй клемме питания и к аноду диода, другая клемма для подсоединения обмотки электромагнита соединена с катодом диода и через полупроводниковый ключ с первой клеммой питания, причем устройство дополнительно содержит микроконтроллер с аналогоцифровым преобразователем, аналоговыми и дискретными входами, дискретным выходом, первый аналоговый вход которого подключен к выводу резистора, соединенного с клеммой для подсоединения обмотки электромагнита, стабилизированный блок для питания микроконтроллера, резистивный делитель, соединенный с вторым аналоговым входом микроконтроллера для стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита в режиме удержания при изменении напряжения питания, дискретный выход микроконтроллера соединен с полупроводниковым ключом.

На фиг. 4 изображено заявляемое устройство управления электромагнитом; на фиг. 5 - временные диаграммы изменения тока в обмотке электромагнита и напряжения на обмотке: фиг. 5а - временные диаграммы изменения тока в процессе срабатывания электромагнита при повышенном напряжении питания u_п1 (кривая О-А₁-Б₁-Г₁) и пониженном напряжении питания u_п2 кривая (О-А₂-Б₂-Г₂) без применения широтно-импульсной модуляции напряжения питания; фиг. 5в - временные диаграммы изменения тока в процессе срабатывания электромагнита при повышенном напряжении питания u_п1 (кривая О-А₁-Б₁-Г₁) и пониженном напряжении питания u_п2 кривая (О-А₂-Б₂-Г₂) по трехступенчатому алгоритму управления с применением широтно-импульсной модуляции на второй и третьей ступенях управления; фиг. 5б и 5г - временные диаграммы изменения напряжения по трехступенчатому алгоритму управления соответственно при повышенном и пониженном напряжении питания.

Срабатывание электромагнита при отсутствии широтно-импульсной модуляции напряжения питания, как правило, сопровождается сильным ударом в момент соприкосновения подвижных и неподвижных контактов, приводящим к вибрациям контактов, что, в свою очередь, приводит к повышенному их износу. В то же время, как видно из временных диаграмм на фиг. 5а, уменьшение напряжения питания приводит к уменьшению тока в обмотке и затягиванию процесса срабатывания. При этом диаграмма изменения тока смещается вправо и идет несколько ниже, чем при повышенном напряжении питания. Соответственно все характерные точки диаграммы: точка А, характеризующая момент трогания якоря; точка Б, характеризующая момент достижения током максимального в период движения якоря значения; точка Г, характеризующая в момент окончания движения якоря достижение током минимального значения смещаются вправо. Заявляемое устройство реагирует на экстремальные значения токов в точках Б и Г независимо от напряжения питания, тем самым происходит синхронизация процесса изменения тока в обмотке с процессом формирования алгоритма управления и процесс становится управляемым.

Устройство содержит первую 1 и вторую 2 клеммы питания, соединенные соответственно с положительным и отрицательным полюсами источника постоянного напряжения, две клеммы 3 и 4 для подключения обмотки 5 электромагнита, одна из которых соединена с резистором 7 и с аналоговым входом 16 микроконтроллера 9, второй вывод резистора 7 подключен к второй 2 клемме питания и аноду диода 8, катод которого подключен к другой клемме для подключения обмотки и через полупроводниковый ключ 6 к первой 1 клемме питания, микроконтроллер 9, программируемый в соответствии с необходимым алгоритмом управления для формирования управляющих импульсов заданной длительности и скважности, включающий аналогоцифровой(???) преобразователь, аналоговые 15, 16 и дискретные (не используются) входы, дискретный выход 17, стабилизированный блок 10 для питания микроконтроллера через его выводы 13 и 14, резистивный делитель R(11)-R(12), соединенный с аналоговым входом 15 микроконтроллера 9 для стабилизации мощности тепловых потерь в обмотке электромагнита при изменении напряжения питания в режиме удержания якоря.

Устройство работает следующим образом. При подаче повышенного напряжения питания u_п1 на клеммы 1 и 2 устройства начинается первая ступень управления, в течение времени t_ф1 которой полупроводниковый ключ 6, управляемый дискретным выводом 17 микроконтроллера 9, постоянно открыт для обеспечения максимального быстродействия. Характерные точки на фиг. 5в обозначены А₁, Б₁, Г₁. По цепи, состоящей из обмотки 5, подсоединенной к устройству через выводы 3, 4 и резистора 7, протекает ток, который создает пропорциональное ему падение напряжения на резисторе 7. Напряжение с резистора 7, приложенное к аналоговому входу 16 микроконтроллера 9 независимо от состояния полупроводникового ключа 6, обеспечивает синхронизацию процесса изменения тока с процессом формирования управляющего алгоритма, временная диаграмма которого представлена на фиг. 5б. Как следует из фиг. 5в величина тока в точке A₁ достигает значения тока трогания, при этом электромагнитное усилие превышает противодействующее и якорь (на схеме не показан) приводится в движение под действием разности электромагнитной и противодействующей сил. В результате движения якоря и механически связанных с ним подвижных контактов скорость изменения тока в обмотке электромагнита 5 уменьшается и становится равной нулю - точка Б₁ на диаграмме. Питающийся от стабилизированного блока 10 микроконтроллер 9, реагируя на экстремум тока, начинает формировать управляющие импульсы, которые с его выхода 17 поступают на полупроводниковый ключ 6, обеспечивая широтно-импульсную модуляцию напряжения на обмотке и, как следствие, приводит к уменьшению тока в обмотке. Длительность t_т1 и скважность которых задаются программно и зависят от массы подвижных частей аппарата и скорости их движения, обеспечивая оптимальное управление на второй ступени. Непрерывность протекания тока в обмотке 5 и резисторе 7 обеспечивается диодом 8, который в открытом состоянии полупроводникового ключа 6 закрыт и протекание тока в обмотке 5 происходит от источника питания. В закрытом состоянии полупроводникового ключа 6 диод 8 открывается электродвижущей силой самоиндукции обмотки 5 и ток в ней, не изменяя направление, поддерживается за счет действия этой силы. При этом происходит торможение якоря и механически связанных с ним подвижных контактов. Их кинетическая энергия уменьшается до значения, при котором происходит безвибрационное соударение подвижных и неподвижных контактов, что уменьшает их износ и повышает ресурс. В момент остановки якоря (этому соответствует точка Г₁ на фиг. 5в) микроконтроллер 9, реагируя на экстремум тока, начинает контролировать напряжение с резистивного делителя R(11)-R(12) и включает третью ступень управления. При этом длительность t_y1 удерживающих импульсов с дискретного выхода 17 зависит от напряжения питания. Происходит широтно-импульсная модуляция напряжения на обмотке 5, обеспечивая постоянство мощности тепловых потерь в обмотке 5 при изменении напряжения питания в режиме удержания, что обеспечивается посредством подачи на аналоговый вход 15 микроконтроллера 9 напряжения с резистивного делителя R(11)-R(12), которое пропорционально напряжению питания. При подаче пониженного напряжения питания процессы изменения тока и формирования управляющего алгоритма, временная диаграмма которого представлена на фиг. 5г, протекают аналогично за счет реагирования микроконтроллера 9 на токи в обмотке 5, соответствующие точкам Б₂ и Г₂.

Таким образом, в заявляемом устройстве процессы изменения тока и формирования управляющего алгоритма синхронизированы.

Источники информации

1. Пат. РФ №2187161. Устройство управления электромагнитом. Опубл. 10.08.2002.

2. Пат. РФ №2310938. Устройство форсированного управления электромагнитом постоянного тока. Опубл. 20.11.2007.