устройство управления электромагнитом

Формула изобретения

1. Устройство управления электромагнитом постоянного тока, содержащее последовательную цепь, подключенную между общей и положительной шинами питания, связанными непосредственно или через выпрямитель с первой и второй клеммами для подключения источника управляющего напряжения, и состоящую из транзисторного ключа и встречно включенного диода, выводы которого связаны с третьей и четвертой клеммами для подключения катушки электромагнита, согласующий ключевой элемент в цепи управления транзисторного ключа, таймер и генератор импульсов, подключенные к вспомогательному источнику питания, положительный полюс которого соединен через токоограничивающую цепь с положительной шиной питания, отличающееся тем, что вход согласующего ключевого элемента, выполненного с передаточной пороговой характеристикой, соединен через дополнительно введенную токозадающую цепь с положительной шиной питания и подключен к общей шине питания через дополнительно введенные и параллельно включенные первый коммутатор, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, последовательно соединенные первый конденсатор и второй коммутатор, вход которого соединен с выходом таймера, и второй конденсатор.

2. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что упомянутая токозадающая цепь выполнена в виде резистора.

3. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что упомянутая токозадающая цепь выполнена в виде последовательно соединенных двух резисторов, общая точка соединения которых подключена к общей шине питания через дополнительно введенный третий конденсатор.

4. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что упомянутая токозадающая цепь выполнена в виде транзисторного токового зеркала, одно из плеч которого подключено между положительной шиной питания и входом согласующего ключевого элемента, а второе плечо подключено через резистор между положительной и общей шинами питания.

5. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что упомянутая токозадающая цепь выполнена в виде последовательно соединенных двух транзисторных токовых зеркал, причем одно из плеч первого токового зеркала подключено между положительным полюсом вспомогательного источника питания и входом согласующего ключевого элемента, второе плечо первого токового зеркала подключено через одно из плеч второго токового зеркала между положительным полюсом вспомогательного источника и общей шиной питания, а второе плечо второго токового зеркала подключено через резистор между общей и положительной шинами питания.

6. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что вход первого коммутатора соединен с выходом генератора импульсов через дополнительно введенную дифференцирующую цепь.

7. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что токоограничивающая цепь, соединяющая положительный полюс вспомогательного источника с положительной шиной питания, выполнена в виде последовательно соединенных токоограничивающего резистора и дополнительно введенного транзистора, управляющий вход которого соединен через дополнительно введенные вспомогательный резистор с положительной шиной питания и четвертый конденсатор с выходом согласующего ключевого элемента.

8. Устройство управления электромагнитом по п.1, отличающееся тем, что выводы диода, включенного последовательно с транзисторным ключом, связаны с третьей и четвертой клеммами для подключения катушки электромагнита через дополнительно введенный LC-фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для форсированного управления приводными электромагнитами коммутационных аппаратов, а также управления электромагнитами различных устройств автоматики.

Известно устройство управления электромагнитным приводом, содержащее последовательно соединенные транзисторный ключ, подключенный к общей шине, и катушку электромагнита с шунтирующим ее диодом, другой вывод которой соединен с положительной шиной источника управляющего напряжения, таймер и генератор импульсов, выходы которых подключены к управляющему входу транзисторного ключа через согласующий двухпозиционный переключатель [1]. В режиме включения электромагнита его обмотка находится под действием управляющего напряжения в течение длительности импульса, фиксируемого таймером, обеспечивающего форсированное управление электромагнитом, а в режиме удержания к обмотке прикладываются короткие импульсы управляющего напряжения, скважность которых задается генератором.

Недостатками такого устройства являются повышенная чувствительность к отклонению напряжения источника от номинального уровня: с повышением уровня напряжения источника потребляемая мощность возрастает, нарушается нормальный режим форсированного включения, что приводит к ускоренному износу приводного механизма коммутационного аппарата и снижению надежности его работы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному решению является устройство управления электромагнитом, содержащее генератор импульсов, рабочая частота и скважность которого зависят от уровня управляющего напряжения, и таймер, формирующий первые импульсы отпирания, длительность которого зависит от уровня управляющего напряжения, и запирания (первая пауза), длительность которого неизменна, транзисторного ключа в цепи катушки электромагнита [2]. В этом устройстве генератор и таймер питаются от вспомогательного источника, собранного на параметрическом стабилизаторе, и подключены к входу ключевого транзистора через согласующий логический элемент «И».

Такое устройство позволяет снизить потери в обмотке электромагнита и повысить изностойкость приводного механизма коммутационного аппарата. Однако этот эффект достигается лишь при согласовании длительностей первых импульсов отпирания и запирания (первой паузы) транзисторного ключа, которые, в свою очередь, связаны с массой и тяговой характеристикой подвижной части приводного механизма коммутационного аппарата. Примененный в устройстве генератор импульсов с полевым транзистором в частотно-задающей RC-цепи, вход которого подключен через резистивный делитель к источнику управляющего напряжения, с изменением уровня управляющего напряжения меняет не только длительность импульса, но и частоту, при этом скважность генератора изменяется не пропорционально изменению управляющего напряжения. В результате с ростом управляющего напряжения в режиме удержания возрастают тепловые потери в катушке электромагнита. Кроме того, режим работы генератора сильно зависит от разброса параметров полевого транзистора и температуры окружающей среды. Большие технологические разбросы электрических и механических параметров и неблагоприятные изменения тяговых характеристик при длительной эксплуатации коммутационных аппаратов обуславливают применение сложной процедуры контроля и настройки временных уставок, квалифицированного обслуживания и ограничивают применение такого устройства.

Целью изобретения является повышение надежности работы коммутационного аппарата в широком диапазоне управляющего напряжения и расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в устройство управления электромагнитом постоянного тока, содержащее последовательную цепь, подключенную между общей и положительной шинами питания, связанными непосредственно или через выпрямитель с первой и второй клеммами для подключения источника управляющего напряжения, и состоящую из транзисторного ключа и встречно включенного диода, выводы которого связаны с третьей и четвертой клеммами для подключения катушки электромагнита, согласующий ключевой элемент в цепи управления транзисторного ключа, таймер и генератор импульсов, подключенные к вспомогательному источнику питания, положительный полюс которого соединен через токоограничивающую цепь с положительной шиной питания, вход согласующего ключевого элемента, выполненного с передаточной пороговой характеристикой, соединен через дополнительно введенную токозадающую цепь с положительной шиной питания и подключен к общей шине питания через дополнительно введенные и параллельно включенные первый коммутатор, вход которого соединен с выходом генератора импульсов, последовательно соединенные первый конденсатор и второй коммутатор, вход которого соединен с выходом таймера, и второй конденсатор.

В первом варианте устройства упомянутая токозадающая цепь выполнена в виде резистора.

Во втором варианте устройства токозадающая цепь выполнена в виде последовательно соединенных двух резисторов, общая точка соединения которых подключена через дополнительно введенный третий конденсатор к общей шине питания.

В третьем варианте устройства токозадающая цепь выполнена в виде транзисторного токового зеркала, одно из плеч которого подключено между положительной шиной питания и входом согласующего ключевого элемента, а второе плечо подключено через резистор между положительной и общей шинами питания.

В четвертом варианте устройства токозадающая цепь выполнена в виде последовательно соединенных двух транзисторных токовых зеркал, причем одно из плеч первого токового зеркала подключено между положительным полюсом вспомогательного источника питания и входом согласующего ключевого элемента, второе плечо первого токового зеркала подключено через одно из плеч второго токового зеркала между положительным полюсом вспомогательного источника и общей шиной питания, а второе плечо второго токового зеркала подключено через резистор между общей и положительной шинами питания.

В пятом варианте устройства вход первого коммутатора соединен с выходом генератора импульсов через дополнительно введенную дифференцирующую цепь.

В шестом варианте устройства токоограничивающая цепь, соединяющая положительный полюс вспомогательного источника с положительной шиной питания, выполнена в виде последовательно соединенных токоограничивающего резистора и дополнительно введенного транзистора, управляющий вход которого соединен через дополнительно введенные вспомогательный резистор с положительной шиной питания и четвертый конденсатор с выходом согласующего ключевого элемента.

В седьмом варианте выводы диода, включенного последовательно с транзисторным ключом, связаны с третьей и четвертой клеммами для подключения катушки электромагнита через дополнительно введенный LC-фильтр.

С помощью первого коммутатора, управляемого короткими импульсами генератора, и второго конденсатора, включенных между входом согласующего ключевого элемента с пороговой передаточной характеристикой и общей шиной питания, и токозадающей цепи, включенной между положительной шиной управляющего напряжения и входом согласующего ключевого элемента, обеспечиваются широтно-импульсная модуляция и стабилизация напряжения на катушке электромагнита в режиме удержания. В данном устройстве рабочая частота неизменна. С ростом уровня управляющего напряжения ток в токозадающей цепи увеличивается пропорционально, при этом ширина импульса управления транзисторным ключом уменьшается, а скважность возрастает строго пропорционально росту управляющего напряжения. Таким образом, обеспечивается режим стабилизации напряжения удержания при многократном изменении уровня напряжения управления.

Аналогичным образом обеспечивается стабилизация напряжения на катушке в режиме форсированного включения. Повышенный уровень напряжения форсированного включения задается подключением с помощью второго коммутатора на время форсировки дополнительной емкости к входу согласующего ключевого элемента. Номинальные режимы форсированного включения и удержания согласно данным производителя коммутационного аппарата выставляются простым подбором емкостей упомянутых двух конденсаторов. Эти режимы будут поддерживаться автоматически и при многократном изменении напряжения управления. Предложенное устройство позволяет эффективно использовать коммутационный аппарат с одним типономиналом катушки электромагнита при различных уровнях напряжения управления. Например, в коммутационных аппаратах с катушками на номинальные напряжения: 110 В; 220 В; 380 В можно использовать один типономинал катушки на 110 В. Устройство будет обеспечивать нормальный режим работы коммутационного аппарата в диапазоне напряжений управления 110 - 380 В. Потери мощности в устройстве управления электромагнитом, реализующий импульсный принцип регулирования, с ростом напряжения управления с 110 до 380 В практически не возрастают.

Режим стабилизации напряжения на катушке электромагнита зависит от точности передачи изменения напряжения управления в изменение тока в токозадающей цепи. При пониженных рабочих напряжениях могут найти применение более совершенные технические решения преобразователей напряжения в ток, выполненных на основе транзисторных схем токовых зеркал.

Высокая точность стабилизации напряжения на катушке электромагнита в широком диапазоне изменения управляющего напряжения достигается при использовании генератора стробирующих импульсов. В случае применения генератора прямоугольных импульсов необходимо использовать дополнительную дифференцирующую цепь в цепи управления первого коммутатора.

В устройстве управления электромагнитом с расширенным диапазоном рабочих управляющих напряжений эффективно использовать вспомогательный источник на основе параметрического стабилизатора с транзисторным ключом в токоограничивающей цепи, который управляется с выхода согласующего ключевого элемента. Этим достигается некоторое снижение тепловых потерь при повышенных уровнях напряжения управления.

Для снижения частотных потерь в коммутационном аппарате предусмотрен вариант технического решения с дополнительным LC-фильтром, благодаря которому можно выбрать рабочую частоту устройства, превышающую верхний уровень звукового диапазона.

При использовании на входе устройства выпрямителя катушка электромагнита может управляться переменным напряжением. В этом случае для обеспечения требуемых режимов стабилизации средних уровней напряжения форсированного включения и удержания необходимо использовать токозадающую цепь на основе двух последовательно соединенных резисторов и интегрирующего конденсатора.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет обеспечить надежную работу коммутационных аппаратов в широком диапазоне рабочих напряжений переменного и постоянного тока. Коммутационный аппарат с данным устройством может эффективно работать при 2- и 3-кратном повышении напряжения управления с одним типономиналом катушки электромагнита, что расширяет область его применения.

На фиг.1-5 приведены варианты схемного решения предлагаемого устройства, на фиг.6 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства.

Устройство управления электромагнитом, выполненного по схеме, приведенной на фиг.1, содержит клеммы 1 и 2 для подключения источника управляющего напряжения, связанные соответственно с положительной и общей шинами питания, клеммы 3 и 4 для подключения катушки электромагнита 5, транзисторный ключ 6, включенный между клеммой 4 и общей шиной, обратный диод 7, включенный между клеммами 3 и 4, согласующий ключевой элемент 8, включенный в цепь управления транзисторного ключа 6, таймер 9, генератор импульсов 10, вспомогательный источник питания 11 на основе стабилитрона, подключенного через токоограничивающую цепь 12 в виде резистора 12.1 к положительной шине питания, токозадающую цепь 13 в виде резистора 13.1, первый коммутатор 14, управляемый генератором импульсов 10, второй коммутатор 16, управляемый таймером 9, и конденсаторы 15 и 17.

В устройстве по схеме, приведенной на фиг.2, токозадающая цепь 13 реализована по схеме транзисторного токового зеркала на основе р-n-р-транзисторов, подключенных эмиттерами к положительной шине питания: выходной ток транзистора 13.4 соответствует величине тока транзистора 13.5 подключенного коллектором через резистор 13.1 к общей шине.

В устройстве на фиг.3 токозадающая цепь 13 выполнена в виде последовательно соединенных первого токового зеркала на основе р-n-р-транзисторов 13.4 и 13.5, подключенных эмиттерами к положительному полюсу вспомогательного источника, и второго токового зеркала на основе n-р-n-транзисторов, подключенных эмиттерами к общей шине питания. Выходной ток транзистора 13.4, обусловленный током в цепи последовательно включенных транзисторов 13.5 и 13.6, соответствует величине тока транзистора 13.7, подключенного коллектором через резистор 13.1 к положительной шине питания.

В устройстве, приведенном на фиг.4, генератор 10 подключен к входу коммутатора 14 через дифференцирующую цепь 18, укорачивающую длительность импульса, а токоограничивающая цепь 12 выполнена в виде последовательно соединенных токоограничивающего резистора 12.1 и транзистора 12.2, управляющий вход которого подключен через резистор 12.3 к положительной шине питания, а через конденсатор 12.4 к выходу согласующего элемента 8, При отсутствии в транзисторе 12.2 встроенного защитного стабилитрона должен быть предусмотрен внешний 12.5. В выходной цепи устройства включен Г-образный LC-фильтр 19.

На фиг.5 приведена схема с мостовым выпрямителем 20 во входной цепи для работы от управляющего напряжения переменного тока и токозадающей цепью 13, состоящей из последовательно включенных резисторов 13.1, 13.2 и интегрирующего конденсатора 13.3 и предназначенной для формирования тока, пропорционального среднему уровню выпрямленного напряжения на шинах питания.

Устройство (см. фиг.1) работает следующем образом. В первый момент подачи напряжения управления на клеммы 1 и 2 устройства запускаются таймер 9 и генератор импульсов 10. Таймер 9 воздействует на коммутатор 16, при этом конденсатор 15 оказывается подключенным к входу согласующего элемента 8 параллельно с конденсатором 17 на время форсированного включения. Генератор импульсов 10, воздействуя на коммутатор 14, периодически закорачивает на очень короткое время конденсаторы 15 и 17, которые в период закрытого состояния коммутатора 14 заряжаются током, формируемым токозадающей цепью 13 под действием напряжения на шинах питания. При напряжении питания много больше опорного напряжения U _ОП согласующего элемента 8, которое обычно соизмеримо с напряжением U_СТ вспомогательного источника питания, конденсаторы 15 и 17 заряжаются практически постоянным током и напряжение на них U_С растет по линейному закону (см. фиг.6, г). При этом на выходе согласующего элемента 8 устанавливаются широкие импульсы управления транзисторным ключом 6. В результате к катушке электромагнита 5 на время форсированного включения t_ФОР прикладываются широкие импульсы t_И1 управляющего напряжения U _К с короткими паузами t_И1 (фиг.6, а), и ток l_К в катушке электромагнита 5 (фиг.6, б) нарастает, достигая максимального значения l ₁ к моменту окончания режима форсировки t _ФОР. Поскольку ток в токозадающей цепи 13 пропорционален напряжению на шинах питания U_ПИТ, скважность работы транзисторного ключа 6 оказывается пропорциональна изменению входного напряжения управления, при этом среднее значение напряжения на катушке электромагнита U₁ и тока l ₁ остается неизменным. Причем, чем короче длительность импульсов генератора 10, тем выше допустимый верхний уровень напряжения управления, при котором сохраняется заданный режим форсированного управления электромагнитом. Введение выходного LC-фильтра 19 позволяет повысить рабочую частоту и существенно снизить уровень пульсаций в кривой выходного тока (см. фиг.6, в).

Остановка якоря коммутационного аппарата происходит в момент времени t_ОЯ. Длительность форсирующего режима задается таймером 9 заведомо больше времени срабатывания коммутационного аппарата. Переход в режим удержания происходит с момента окончания этапа форсированного включения t _ФОР, когда таймер 9 снимает импульс управления коммутатором 16 и разрывает цепь конденсатора 15. С этого момента скорость нарастания напряжения на входе согласующего элемента 8 возрастает, причем во столько раз, во сколько емкость конденсатора 17 оказывается ниже суммарной емкости конденсаторов 15 и 17. При этом во столько же раз уменьшается ширина t_И2 импульса управления транзисторным ключом 6, определяющего длительность приложения к катушке электромагнита управляющего напряжения. Встроенный во входной цепи согласующего элемента 8 защитный диод ограничивает напряжение на конденсаторах 15, 17 на уровне напряжения U_CT вспомогательного источника питания 11. В режиме удержания на катушке электромагнита устанавливается пониженный уровень среднего напряжения U₂ , и ток l₂ в катушке поддерживается постоянным в широком диапазоне изменения управляющего напряжения.

Таким образом, предложенное устройство позволяет обеспечить требуемые режимы форсированного включения и удержания при номинальном напряжении управления электромагнитом и автоматически поддерживать эти режимы при многократном увеличении напряжения управления.

Точность стабилизации режима управления повышается в случае использования в устройстве в качестве токозадающей цепи более совершенных преобразователей напряжения в ток на основе транзисторных токовых зеркал (фиг.2 и 3).

При большом диапазоне изменения напряжения управления приходится считаться с увеличением потерь в токоограничивающей резистивной цепи 12. С помощью транзистора 12.2, включаемого последовательно с резистором 12.1 и управляемого как и транзисторный ключ 6 модулированными по ширине импульсами (см. фиг.4), обеспечивается ограничение роста потерь в токоограничивающей цепи, обусловленного повышением напряжения управления.

Источники информации

1. Пат. РФ 2195732. Устройство форсированного электромагнитного привода коммутационного аппарата. Опубл. 27.12.20002.

2. Пат. РФ 2187161 (прототип). Устройство управления электромагнитом. Опубл. 10.08.2002.