Пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (варіанти)

 

Винахід відноситься до області електричної та електронної автоматики і може бути використано в системах керування електромагнітними виконавчими органами (ЭМИО) для захисту від неконтрольованих перенапруг, що виникають в ланцюгах живлення при вимкненні ЭМИО, зниження електромагнітних перешкод і збільшення надійності роботи.

Відомі різні пристрої, призначені для керування електромагнітними виконавчими органами (ЭМИО), в яких для виключення утворення перенапруження в момент розмикання ланцюга з індуктивним навантаженням використовується або конденсатор (ємність), підключений паралельно навантаженні; або діод, підключений зустрічно навантаженні (для виключення струму через діод при включеній навантаженні); або підключені паралельно навантаженні діод і стабілітрон, сполучені між собою послідовно; або підключений паралельно навантаженні симетричний (двухполярний) стабілітрон та/або послідовна RC-ланцюжок та інших [1-5].

Будь-який з перерахованих пристроїв має недоліком або комплексом недоліків при використанні в конкретній системі. Так, конденсатор малої ємності не рятує від перенапруг при виключенні індуктивного навантаження, що женої�вих коливань, а конденсатор великої ємності призводить до неприпустимого зростання пускових струмів через комутатор і затримки на вимикання ЭМИО; послідовна RC-ланцюжок або слабо впливає на перенапруги і перешкоди або призводить до зростання пускових струмів; діод і стабілітрон, включені послідовно, або симетричний стабілітрон не впливають на пускові струми і практично не обмежують швидкодію ЭМИО, але не захищають від перенапруги на ЭМИО, на елементах його комутації і, тим самим, збільшують рівень перешкод у порівнянні з найпростішим доданими обмежувачем. Подібні відомі пристрої та їх ланцюга живлення можуть в ланцюгах інтерфейсних ліній зв'язку навести перешкоду, що спотворює прийняту інформацію і здатну призвести до збоїв в керуючої апаратури. Особливо чутлива до таких перешкод малогабаритна пересувна апаратура, в якій неможливо рознести на скільки-небудь значну відстань силові ланцюги живлення ЭМИО та інтерфейсні ланцюги управління системи. Перераховані недоліки знижують функціональну надійність таких систем управління.

Найбільш близьким з перерахованих технічних рішень до пропонованого пристрою, простим і ефективним щодо зниження перенапря�м (ЭМИО), містить транзисторний ключ поз.3 або релейний поз.5, включений в ланцюг живлення послідовно з обмоткою ЭМИО поз.2, і діод 4, підключений до ланцюгів живлення зустрічно паралельно ЭМИО [6].

Недоліком такого пристрою є непереборні імпульсні і високочастотні перешкоди, що виникають при розмиканні ланцюга живлення ЭМИО при його вимиканні. Перешкоди (електромагнітне випромінювання) виникають за рахунок ЕРС самоіндукції ЭМИО в моменти формування крутих фронтів напруги в ланцюгах живлення при вимкненні ЭМИО. Діод, підключений зустрічно навантаженні, не впливає на пускові струми і практично повністю знімає перенапруження при вимиканні, однак знижує швидкодію виконавчого органу при його вимиканні не знищує імпульсну і в. ч. перешкоди, що виникають при крутому фронті імпульсу в момент розмикання ключа і виключення ЭМИО. Затримка на вимикання ЭМИО після розмикання ключа виникає тому, що деякий час продовжує текти струм через обмотку і шунтувальний її діод, що утримує ЭМИО у включеному стані. При цьому відбувається перерегулювання в системі управління (стабілізації) і перевитрату енергоресурсів.

Завдання винаходу - зниження рівня перешкод і зменшення внту пристрою досягається тим, що в пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), містить ключ, включений в ланцюг джерела живлення послідовно з ЭМИО, і діод, підключений до ЭМИО паралельно зустрічно, введені другий діод, резистор і конденсатор, при цьому резистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів живлення паралельно ЭМИО, другий діод підключений паралельно резистору зустрічно ЭМИО.

Рішення поставленої задачі за другим варіантом досягається тим, що в пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), містить ключ, включений в ланцюг джерела живлення послідовно з ЭМИО, і діод, підключений до ЭМИО паралельно зустрічно, введені другий діод, резистор і конденсатор, при цьому резистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів живлення паралельно ЭМИО, другий діод з'єднаний послідовно з першим діодом і підключений зустрічно ЭМИО, загальна точка послідовно з'єднаних діодів з'єднана з загальною точкою резистора і конденсатора, з'єднаних послідовно.

Рішення поставленої задачі по третьому варіанту досягається тим, що в пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), � паралельно зустрічно, введені другий діод, два резистора і конденсатора, при цьому перший резистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ЭМИО, другий діод з'єднаний послідовно з першим діодом і підключений зустрічно ЭМИО, загальна точка послідовно з'єднаних діодів і з'єднана з загальною точкою першого резистора і конденсатора, з'єднаних послідовно, другий резистор з'єднаний послідовно з діодом, підключеним паралельно конденсатору.

На схемах фіг.1-3 прийняті наступні позначення:

1 - джерело напруги живлення з вихідною напругою u піт,

2 - електромагнітний виконавчий орган A1 (ЭМИО),

3 - ключ K-тумблер, контакт реле або транзистор,

4 - перший діод VD1

5 - перший резистор R1,

6 - конденсатор C1,

7 - другий діод VD2,

8 - другий резистор R2.

На фіг.1, 2 і 3 наведені варіанти виконання пристрою керування електромагнітним виконавчим органом (схеми електричні принципові), що містять елементи, які комплексно забезпечують істотне зменшення перешкод при включенні електромагнітного виконавчого органу, так і, особливо, при його вимиканні, а практично не впливають на швидкодію електромагнітних виконавчих органів.

<містить ключ K - 3 (замість контакту реле може використовуватися силовий транзистор; на схемі не показаний), включений в ланцюг джерела живлення 1 послідовно з ЭМИО 2 - A1, діод 4 - VD1, підключений зустрічно до ланцюгів харчування ЭМИО 2 - A1, другий діод 7 - VD2, перший резистор 5 - R1 і конденсатор 6 - C1, при цьому перший резистор R1 і конденсатор C1 з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів харчування ЭМИО 2, другий діод 7 - VD2 підключений паралельно резистору R1 і, у складі пристрою, зустрічно електромагнітному виконавчого органу ЭМИО 2 - A1 (Варіант 1).

На фіг.2 наведена схема пристрою керування електромагнітним виконавчим органом 2 (ЭМИО) - A1, яке містить ключ 3 - K (замість контакту реле може використовуватися силовий транзистор; на схемі не показаний), включений в ланцюг джерела живлення 1 послідовно з ЭМИО 2 - A1, діод 4 - VD1, підключений зустрічно до ланцюгів харчування ЭМИО 2, другий діод 7 - VD2, перший резистор 5 - R1 і конденсатор 6 - C1, при цьому перший резистор R1 і конденсатор C1 з'єднані послідовно і підключені паралельно до ланцюгів харчування ЭМИО 2 - A1, другий діод 7 - VD2 підключений паралельно резистору 5 - R1 і, у складі пристрою, що підключений зустрічно електромагнітному виконавчого органу (Варіант 2).

На фіг.3 наведено�енний в ланцюг живлення послідовно з ЭМИО 2 - A1, і діод 4 - VD1, підключений до ланцюга живлення зустрічно ЭМИО 2 - A1, другий діод 7 - VD2, два резистора 5 - R1, 8 - R2 і конденсатор 6 - С1, при цьому перший резистор 5 - R1 і конденсатор 6 - C1 з'єднані послідовно і підключені паралельно до ланцюгів харчування ЭМИО 2 - A1, другий діод 7-VD2 з'єднаний послідовно з першим діодом 4-VD1 і підключений зустрічно ЭМИО 2 - A1, загальна точка послідовно з'єднаних діодів 4 - VD1 і 7 - VD2 з'єднана з загальною точкою послідовно з'єднаних резистора 5 - R1 і конденсатора 6 - C1, другий резистор 8 - R2 з'єднаний послідовно з діодом, підключеним паралельно конденсатору 6 - C1 (Варіант 3).

Розглянемо докладно роботу пристрою, приведеного на фіг.1.

У вихідному стані пристрою в цілому, коли напруга живлення Uжив на пристрій управління подано, а керований ключ K (або транзистор) розімкнений (закритий), напруга на ЭМИО A1 і струм через нього, а також напруги на інших елементах пристрою дорівнюють нулю.

При включенні ЭМИО A1 замиканням ключа K напруга на ЭМИО A1 стає рівним напрузі живлення Uжив, а струм i через обмотку ЭМИО A1 за рахунок індуктивної складової ЭМИО A1 плавно (по експоненті) наростає до максимального значення I=u піт/Rэм, де Rэм - активне (омічний) сопротика живлення +u піт, а сам конденсатор С1 через резистор R1 заряджається до напруги, рівної напрузі живлення Uжив. При цьому діоди VD1 і VD2 струм не проводять, оскільки діод VD1, підключений зустрічно ЭМИО A1, постійно знаходиться під зворотною напругою, що дорівнює напрузі живлення, а між катодом і анодом діода VD2 після закінчення заряду конденсатора C1 напруга встановлюється рівним нулю. Під час заряду конденсатора C1 діод VD2 струм також не проводить, оскільки знаходиться під зворотною напругою, зменшуваним від напруги живлення Uжив до нуля.

При закритті ключа K (при розмиканні ланцюга) і при відсутності якої-небудь ланцюга искрогашения за рахунок ЕРС самоіндукції обмотки напруга на ЭМИО A1 змінює знак і при цьому може багаторазово перевищувати напруга живлення Uжив. В цей час і виникають імпульсні і високочастотні інтенсивні перешкоди. При цьому в процесі формування спектра частот цієї перешкоди беруть участь і ланцюга живлення ЭМИО, зазвичай мають досить велику протяжність і розподілену індуктивність навіть в малогабаритних пересувних пристроях.

При наявності ланцюга искрогашения (фіг.1) в момент розмикання ключа K на нижньому за схемою виведення конденсатора C1 виникає стрибок напруги ЕРС самоіндукції за сміо починає текти через резистор R1 і діод VD2 і починає розряджати конденсатор C1 зі швидкістю зміни напруги, залежить від співвідношення ток/ємність (якщо струм 1А, а ємність конденсатора 1 мкФ, то швидкість розряду конденсатора дорівнює 1 В/1 мкс, а час повного розряду конденсатора становить десятки-сотні мікросекунд; збільшення часу розряду конденсатора C1 значною мірою сприяє ще і зменшення струму протягом часу). Напруга на конденсаторі C1 зменшується, потенціал на його нижньому виведення зростає і, нарешті, потенціал на нижньому висновку конденсатора C1 стає вище потенціалу джерела живлення Uжив. Коли це перевищення сягає 1 (округлене значення), відкривається діод VD1 і подальше зміна напруги на нижньому за схемою фіг.1 виведенні конденсатора C1 не відбувається, хоча індуктивний струм від ЭМИО A1 деякий час продовжує текти.

На такому ж рівні виникає обмеження напруги і при відсутності якої-небудь ланцюга искрогашения (без елементів R1, C1, VD2). Але різниця полягає в тому, що в прототипі стрибок напруги при виключенні ЭМИО має крутий фронт (зазвичай менше 1 мкс) при амплітуді імпульсу напруги не менше напруги живлення, в той час як в запропонованому пристрої стрибок напруги з крутим фронтом якщо і можливий, то становить приблизно 1 В - поки не почне пропу� розряду конденсатора C1 зі швидкістю зміни напруги не більш 1 В/1 мкс (див. вище - у якості реального параметра; а якщо конденсатор C1 має ємність, наприклад, 10 мкФ, то швидкість зміни напруги буде 0,1 В/мкс і час перезаряду конденсатора може досягати мілісекунди і більше). Крім того, швидкість зміни напруги істотно зменшується по мірі зменшення індуктивного струму від ЭМИО A1. При відкритті діода VD1 відбувається обмеження подальшого зростання напруги на нижньому за схемою фіг.1 виведенні конденсатора C1. В цей час на ключі K утримується максимальна напруга з перевищенням порівняно з напругою живлення приблизно на 1 (падіння напруги на діоді VD1). Потім, після розсіювання індуктивної енергії ЭМИО, діод закривається і відбувається плавний розряд конденсатора C1 (зарядженого приблизно до 1 В) через резистор R1 і активний опір ЭМИО A1.

Пристрій згідно фіг.2 працює аналогічно, а саме: при включеному ключі K конденсатор C1 заряджається до напруги живлення Uжив через резистор R1. В момент вимкнення ключа K на нижньому виведення ЭМИО A1 напруга почне підвищуватися і індуктивний струм ЭМИО потече паралельно через діод VD2 і резистор R1, розряджаючи конденсатор C1. При цьому напруга на самому конденсаторі зменшується, а потенціал на його нижньому в�ленне значення), відкривається діод VD1 і подальше збільшення напруги на нижньому за схемою фіг.2 виведенні конденсатора C1 припиниться. При відкритому діоді VD1 відбувається обмеження подальшого зростання напруги на нижньому за схемою фіг.2 виведенні конденсатора C1. В цей час на ключі K утримується максимальна напруга з перевищенням порівняно з напругою живлення приблизно на 2 (падіння напруги на діодах VD1 і VD2). Потім, після розсіювання індуктивної енергії ЭМИО, діоди закриваються і відбувається плавний розряд конденсатора C1 (зарядженого приблизно до 1 В) через резистор R1 і активний опір ЭМИО A1.

Пристрій згідно фіг.3 працює аналогічно, а саме: при включеному ключі K конденсатор C1 заряджається до напруги живлення Uжив через резистор R1. В момент вимкнення ключа K на нижньому виведення ЭМИО A1 напруга почне підвищуватися і індуктивний струм ЭМИО потече паралельно через діод VD2 і резистор R1, розряджаючи конденсатор C1. При цьому напруга на самому конденсаторі зменшується, а потенціал на його нижньому виведення зростає і, нарешті, стає вище напруги живлення Uжив. Коли це перевищення сягає 1 (округлене значення), діод VD1 починає пропускати струм, при цьому індуктивний струм ЭМИО буде протек�ор C1) і через послідовно з'єднані діод VD1 і резистор R2 (друга ланцюг). Друга ланцюг розсіює енергію, що залишилася до цього моменту в ЭМИО A1, і прискорює процес зменшення струму через ЭМИО, що зводить до мінімуму затримку на вимикання ЭМИО. Після розсіяння індуктивної енергії ЭМИО діоди закриваються, на конденсаторі C1 при цьому залишається додаткове напруження, яке зменшується до нуля в процесі розряду через резистор R1 і активний опір ЭМИО A1. Разом з тим, при зарядженому сумарна напруга на конденсаторі ключі K зростає.

Цю обставину слід враховувати при проектуванні системи управління для того, щоб при всіх допустимих разбросах напруги живлення Uжив, опору обмотки ЭМИО та інших істотних параметрів елементів пристрою і блоків системи управління фактичне значення напруги на ключі під час перевищення завжди було менше гранично допустимого напруги на ключі K і був істотний запас. Додаткове напруга на конденсаторі C1 має вигляд імпульсу з плавними фронтами вже при багаторазово зменшення струмі від ЭМИО. Такий імпульс не може сформувати скільки-небудь помітну перешкоду.

Вибір (розрахунок) конкретних значення ємності конденсатора C1 і опору резистора R1 залежать від парамеѰвления можна сформулювати наступним чином. Після включення ключа K під час дії керуючого імпульсу на ЭМИО A1 конденсатор С1 через резистор R1 встигнути плавно зарядитися від нуля до напруги живлення, а після вимикання ключа (з моменту початку формування паузи між імпульсами) конденсатор C1 за рахунок струму від ЭМИО A1 повинен плавно перезарядитися від напруги, рівного напрузі живлення, приблизно до напруги 1 В іншій полярності. Потім, після розсіювання індуктивної енергії ЭМИО, повинен відбутися плавний розряд конденсатора C1 (зарядженого приблизно до 1 В) через резистор R1 і активний опір ЭМИО A1. При виконанні цих умов забезпечується ефективне придушення рівня імпульсних і високочастотних перешкод, а їх спектр частот переміщується в область більш низьких частот, принаймні на два-три порядки, і зберігається швидкодію системи ЭМИО вироби.

Слід додатково зазначити, що перший резистор R1 і конденсатор C1, включені послідовно, спільно з реальною індуктивністю L обмотки ЭМИО A1 і його омічного опором Rэм, сполучені еквівалентно також послідовно (на малюнку не показані) утворюють певний паралельний контур, який при певному співвідношенні параметрів його элемИсходя з цієї передумови і проводиться розрахунок параметрів резисторів і конденсатора. В цьому випадку всі перехідні процеси заряду/розряду конденсатора C1 протікають за експоненціальним законом або близькому до нього.

На закінчення слід зазначити, що пропоновані пристрої необхідно розташовувати поблизу комутатора K з тим, щоб індуктивна складова ланцюгів живлення, з'єднана послідовно з індукцією ЭМИО A1 також була охоплена захистом від перенапруги. В якості елементів для реалізації пристроїв можуть бути використані стандартні діоди, резистори і конденсатори.

Пропоновані пристрої підвищують надійність роботи систем управління за рахунок ефективного зниження рівня перешкод, що виникають при роботі потужнострумових електромагнітних виконавчих органів і ланцюгів живлення. Крім того, запропоновані пристрої, особливо по фіг.3, практично не впливають на швидкодію електромагнітних виконавчих органів.

Пропонована сукупність ознак у розглянутих автором рішеннях не зустрічалася для вирішення поставленого завдання і не випливає явно з рівня техніки, що дозволяє зробити висновок про відповідність технічного рішення критеріям "новизна" і "винахідницький рівень".

Література

1. Довідник. Джерела электропособ й контур захисту від перенапруг, викликаних перехідними процесами. Патент 2208290, МПК H03K 17/08.

3. Пристрій захисту від негативних викидів при відключенні індуктивного навантаження. Патент 2158476, МПК H03K 17/695, H03K 17/08.

4. Пристрій захисту від негативних викидів при відключенні індуктивного навантаження. Заявка 98118541, МПК H03K 17/695, H03K 17/08.

5. Спосіб захисту від імпульсних перенапруг. Патент №2264015, МПК H02H 3/20.

6. Електромагнітний привід. Патент РФ 2343580, МПК H01F 7/18, H01H 47/32 (прототип).

1. Пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), містить ключ, включений послідовно з ЭМИО, і діод, підключений зустрічно до електромагнітного виконавчого органу ЭМИО, що відрізняється тим, що воно забезпечене другим діодом, резистором і конденсатором, при цьому резистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів живлення паралельно електромагнітному виконавчого органу ЭМИО, другий діод підключений паралельно резистору і в складі пристрою підключено зустрічно електромагнітному виконавчого органу.

2. Пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), містить ключ, включений послідовно з ЭМИО, і діод, підключений зустрічно до електромагнітного виконає�зистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів живлення паралельно ЭМИО, другий діод з'єднаний послідовно з першим діодом, загальна точка послідовно з'єднаних діодів з'єднана з загальною точкою послідовно з'єднаних резистора і конденсатора.

3. Пристрій керування електромагнітним виконавчим органом (ЭМИО), містить ключ, включений послідовно з ЭМИО, і діод, підключений зустрічно до електромагнітного виконавчого органу ЭМИО, відрізняється тим, що воно додатково забезпечений другим діодом, двома резисторами і конденсатором, при цьому перший резистор і конденсатор з'єднані послідовно і підключені до ланцюгів живлення паралельно ЭМИО, другий діод з'єднаний послідовно з першим діодом, загальна точка послідовно з'єднаних діодів з'єднана з загальною точкою з'єднаних послідовно резистора і конденсатора, другий резистор з'єднаний послідовно з діодом, підключеним паралельно конденсатору.



 

Схожі патенти:

Пристрій для дистанційного керування

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використане в пристроях для дистанційного керування шахтними вибухобезпечними магнітними пускачами від винесених кнопкових постів керування із захистом від втрати керованості при обриві або замиканні жив кабельного управління

Електромагнітний привід

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використане в складі швидкодіючих автоматичних вимикачів

Електромагнітний привід

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використано, наприклад, у складі швидкодіючих автоматичних вимикачів

Електромагніт постійного струму з форсировкой

Винахід відноситься до області електротехніки і може бути використане у виробах, що містять електромагніт постійного струму, наприклад в електромагнітних реле, контакторах тощо

Модуль відключення швидкодіючого вимикача

Винахід відноситься до електротехніки

Пристрій форсованого управління електромагнітним приводом постійного струму

Винахід відноситься до електромагнітних приводів пристроїв автоматики

Пристрій керування електроприводами постійного струму споживання

Винахід відноситься до машинобудування, зокрема до пристроїв керування електроприводами постійного струму споживання

Вторинний комутатор

Винахід відноситься до релейної автоматики і може бути використане при автоматизації процесу водопідготовки теплових електростанцій

Реле статичне потужності

Винахід відноситься до електротехніки і може бути використане в пристроях релейного захисту в якості реле напрямку потужності
Up!