Патент на изобретение №2349978

(54) УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОМ

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике, в частности к форсированным электромагнитным приводам, и может быть использовано для форсированного питания катушки электромагнита коммутационного аппарата от источника постоянного и переменного напряжения. Технический результат заключается в повышении надежности работы в широком диапазоне напряжения управления и расширении области применения устройства. 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. В основу работы устройства положен инвариантный принцип импульсной стабилизации напряжения на катушке как в режиме форсированного включения, так и в режиме удержания. Устройство управления электромагнитом содержит транзисторный ключ, согласующий ключевой элемент в цепи его управления, диод, шунтирующий катушку электромагнита, таймер, генератор импульсов, два коммутатора, токозадающую цепь, два интегрирующих конденсатора и вспомогательный источник питания. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

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 l₁ 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 l₁ 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.

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.

РИСУНКИ