MAGNABEND - FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO
La plegadora de chapa Magnabend está diseñada como un electroimán de sujeción de CC.
El circuito más simple requerido para accionar la bobina electromagnética consta únicamente de un interruptor y un puente rectificador:
Figura 1: Circuito mínimo:
Cabe señalar que el interruptor de ENCENDIDO/APAGADO está conectado en el lado de CA del circuito.Esto permite que la corriente de la bobina inductiva circule a través de los diodos en el puente rectificador después del apagado hasta que la corriente decae exponencialmente a cero.
(Los diodos en el puente actúan como diodos de "retroceso").
Para una operación más segura y conveniente, es deseable tener un circuito que proporcione un enclavamiento de 2 manos y también una sujeción de 2 etapas.El enclavamiento de 2 manos ayuda a garantizar que los dedos no queden atrapados debajo de la barra de sujeción y la sujeción por etapas brinda un comienzo más suave y también permite que una mano sostenga las cosas en su lugar hasta que se activa la sujeción previa.
Figura 2: Circuito con enclavamiento y sujeción de 2 etapas:
Cuando se presiona el botón START, se suministra un pequeño voltaje a la bobina magnética a través del capacitor de CA, lo que produce un ligero efecto de sujeción.Este método reactivo de limitar la corriente a la bobina no implica una disipación de potencia significativa en el dispositivo limitador (el condensador).
La sujeción total se obtiene cuando tanto el interruptor operado por la viga de flexión como el botón de INICIO se operan juntos.
Por lo general, el botón de INICIO se presiona primero (con la mano izquierda) y luego se tira de la manija de la viga de flexión con la otra mano.La sujeción completa no ocurrirá a menos que haya cierta superposición en la operación de los 2 interruptores.Sin embargo, una vez que se establece la sujeción total, no es necesario mantener presionado el botón INICIO.
Magnetismo Residual
Un problema pequeño pero significativo con la máquina Magnabend, como con la mayoría de los electroimanes, es el problema del magnetismo residual.Esta es la pequeña cantidad de magnetismo que queda después de que se apaga el imán.Hace que las barras de sujeción permanezcan débilmente sujetas al cuerpo del imán, lo que dificulta la extracción de la pieza de trabajo.
El uso de hierro suave magnéticamente es uno de los muchos enfoques posibles para superar el magnetismo residual.
Sin embargo, este material es difícil de obtener en tamaños estándar y también es físicamente blando, lo que significa que se dañaría fácilmente en una máquina dobladora.
La inclusión de un espacio no magnético en el circuito magnético es quizás la forma más sencilla de reducir el magnetismo remanente.Este método es efectivo y es bastante fácil de lograr en un cuerpo de imán fabricado: simplemente incorpore un trozo de cartón o aluminio de aproximadamente 0,2 mm de espesor entre, digamos, el polo frontal y la pieza central antes de atornillar las partes del imán.El principal inconveniente de este método es que el espacio no magnético reduce el flujo disponible para la sujeción completa.Además, no es sencillo incorporar el espacio en un cuerpo de imán de una pieza como se usa para el diseño de imán de tipo E.
Un campo de polarización inversa, producido por una bobina auxiliar, también es un método eficaz.Pero implica una complejidad adicional injustificada en la fabricación de la bobina y también en el circuito de control, aunque se usó brevemente en un diseño temprano de Magnabend.
Una oscilación decreciente ("ringing") es conceptualmente un muy buen método para desmagnetizar.
Estas fotografías de osciloscopio muestran el voltaje (traza superior) y la corriente (traza inferior) en una bobina Magnabend con un condensador adecuado conectado a través de ella para que oscile por sí misma.(El suministro de CA se ha apagado aproximadamente en el medio de la imagen).
La primera imagen es para un circuito magnético abierto, es decir, sin abrazadera en el imán.La segunda imagen es para un circuito magnético cerrado, es decir, con una barra de sujeción de longitud completa en el imán.
En la primera imagen, el voltaje exhibe una oscilación decreciente (timbre) y también lo hace la corriente (traza inferior), pero en la segunda imagen, el voltaje no oscila y la corriente ni siquiera logra invertirse en absoluto.Esto significa que no habría oscilación del flujo magnético y, por lo tanto, no se cancelaría el magnetismo residual.
El problema es que el imán está demasiado amortiguado, principalmente debido a las pérdidas por corrientes de Foucault en el acero y, por lo tanto, desafortunadamente, este método no funciona para el Magnabend.
La oscilación forzada es otra idea.Si el imán está demasiado amortiguado para auto-oscilar, entonces podría verse obligado a oscilar mediante circuitos activos que suministren energía según sea necesario.Esto también se ha investigado a fondo para Magnabend.Su principal inconveniente es que implica un circuito demasiado complicado.
La desmagnetización por impulsos inversos es el método que ha demostrado ser más rentable para el Magnabend.Los detalles de este diseño representan el trabajo original realizado por Magnetic Engineering Pty Ltd. A continuación se presenta una discusión detallada:
DESMAGNETIZACIÓN POR IMPULSO INVERSO
La esencia de esta idea es almacenar energía en un capacitor y luego liberarla en la bobina justo después de que se apague el imán.La polaridad debe ser tal que el capacitor induzca una corriente inversa en la bobina.La cantidad de energía almacenada en el capacitor se puede adaptar para que sea suficiente para cancelar el magnetismo residual.(Demasiada energía podría excederse y volver a magnetizar el imán en la dirección opuesta).
Otra ventaja del método de pulso inverso es que produce una desmagnetización muy rápida y una liberación casi instantánea de la barra de sujeción del imán.Esto se debe a que no es necesario esperar a que la corriente de la bobina decaiga a cero antes de conectar el pulso inverso.Al aplicar el pulso, la corriente de la bobina se fuerza a cero (y luego a la inversa) mucho más rápido de lo que hubiera sido su decaimiento exponencial normal.
Figura 3: Circuito básico de pulso inverso
Ahora, normalmente, colocar un contacto de interruptor entre el rectificador y la bobina magnética es "jugar con fuego".
Esto se debe a que una corriente inductiva no puede interrumpirse repentinamente.Si es así, los contactos del interruptor formarán un arco y el interruptor se dañará o incluso se destruirá por completo.(El equivalente mecánico sería intentar detener repentinamente un volante).
Por lo tanto, cualquiera que sea el circuito que se diseñe, debe proporcionar una ruta efectiva para la corriente de la bobina en todo momento, incluso durante los pocos milisegundos mientras cambia el contacto de un interruptor.
El circuito anterior, que consta de solo 2 condensadores y 2 diodos (más un contacto de relé), cumple las funciones de cargar el condensador de almacenamiento a un voltaje negativo (en relación con el lado de referencia de la bobina) y también proporciona una vía alternativa para la bobina. corriente mientras el contacto del relé está sobre la marcha.
Cómo funciona:
En términos generales, D1 y C2 actúan como una bomba de carga para C1, mientras que D2 es un diodo de abrazadera que evita que el punto B se vuelva positivo.
Mientras el imán está ENCENDIDO, el contacto del relé se conectará a su terminal "normalmente abierto" (NO) y el imán realizará su trabajo normal de sujeción de láminas de metal.La bomba de carga cargará C1 hacia un voltaje negativo máximo igual en magnitud al voltaje máximo de la bobina.El voltaje en C1 aumentará exponencialmente pero se cargará por completo en aproximadamente 1/2 segundo.
Luego permanece en ese estado hasta que la máquina se apaga.
Inmediatamente después de la desconexión, el relé se mantiene durante un tiempo breve.Durante este tiempo, la corriente de bobina altamente inductiva continuará recirculando a través de los diodos en el puente rectificador.Ahora, después de un retraso de unos 30 milisegundos, el contacto del relé comenzará a separarse.La corriente de la bobina ya no puede atravesar los diodos rectificadores, sino que encuentra un camino a través de C1, D1 y C2.La dirección de esta corriente es tal que aumentará aún más la carga negativa en C1 y comenzará a cargar también C2.
El valor de C2 debe ser lo suficientemente grande para controlar la tasa de aumento de voltaje a través del contacto del relé de apertura para garantizar que no se forme un arco.Un valor de aproximadamente 5 microfaradios por amperio de corriente de bobina es adecuado para un relé típico.
La figura 4 a continuación muestra los detalles de las formas de onda que ocurren durante la primera mitad de segundo después del apagado.La rampa de voltaje que está siendo controlada por C2 es claramente visible en el trazo rojo en el medio de la figura, está etiquetada como "Contacto de relé sobre la marcha".(El tiempo real de sobrevuelo se puede deducir de este trazo; es de aproximadamente 1,5 ms).
Tan pronto como la armadura del relé aterriza en su terminal NC, el capacitor de almacenamiento cargado negativamente se conecta a la bobina magnética.Esto no invierte inmediatamente la corriente de la bobina, pero la corriente ahora corre "cuesta arriba" y, por lo tanto, se fuerza rápidamente a través de cero y hacia un pico negativo que ocurre aproximadamente 80 ms después de la conexión del capacitor de almacenamiento.(Ver Figura 5).La corriente negativa inducirá un flujo negativo en el imán que cancelará el magnetismo residual y la barra de sujeción y la pieza de trabajo se soltarán rápidamente.
Figura 4: Formas de onda expandidas
Figura 5: Formas de onda de voltaje y corriente en bobina magnética
La figura 5 anterior muestra las formas de onda de voltaje y corriente en la bobina del imán durante la fase de sujeción previa, la fase de sujeción completa y la fase de desmagnetización.
Se cree que la simplicidad y eficacia de este circuito de desmagnetización debería significar que encontrará aplicación en otros electroimanes que necesiten desmagnetización.Incluso si el magnetismo residual no es un problema, este circuito podría ser muy útil para conmutar la corriente de la bobina a cero muy rápidamente y, por lo tanto, proporcionar una liberación rápida.
Circuito Magnabend Práctico:
Los conceptos de circuito discutidos anteriormente se pueden combinar en un circuito completo con un enclavamiento de 2 manos y desmagnetización de pulso inverso como se muestra a continuación (Figura 6):
Figura 6: Circuito Combinado
Este circuito funcionará, pero desafortunadamente es algo poco confiable.
Para obtener un funcionamiento confiable y una vida útil más prolongada del interruptor, es necesario agregar algunos componentes adicionales al circuito básico, como se muestra a continuación (Figura 7):
Figura 7: Circuito Combinado con Refinamientos
SW1:
Este es un interruptor de aislamiento de 2 polos.Se agrega por conveniencia y para cumplir con los estándares eléctricos.También es deseable que este interruptor incorpore una luz indicadora de neón para mostrar el estado ON/OFF del circuito.
D3 y C4:
Sin D3, el enganche del relé no es fiable y depende en cierta medida de la fase de la forma de onda de la red en el momento de la operación del interruptor de haz de flexión.D3 introduce un retraso (típicamente 30 milisegundos) en la caída del relé.Esto supera el problema de enganche y también es beneficioso tener un retraso de desconexión justo antes del inicio del pulso de desmagnetización (más adelante en el ciclo).C4 proporciona un acoplamiento de CA del circuito del relé que, de lo contrario, sería un cortocircuito de media onda cuando se presiona el botón INICIO.
TERMIA.CAMBIAR:
Este interruptor tiene su carcasa en contacto con el cuerpo del imán y se abrirá en circuito si el imán se calienta demasiado (>70 C).Ponerlo en serie con la bobina del relé significa que solo tiene que cambiar la corriente pequeña a través de la bobina del relé en lugar de la corriente magnética completa.
R2:
Cuando se presiona el botón START, el relé se activa y luego habrá una corriente de entrada que carga C3 a través del puente rectificador, C2 y el diodo D2.Sin R2 no habría resistencia en este circuito y la alta corriente resultante podría dañar los contactos en el interruptor de ARRANQUE.
Además, existe otra condición del circuito en la que R2 proporciona protección: si el interruptor del haz de flexión (SW2) se mueve del terminal NO (donde transportaría la corriente completa del imán) al terminal NC, entonces a menudo se formaría un arco y si el El interruptor de ARRANQUE todavía estaba presionado en este momento, entonces C3 estaría en efecto cortocircuitado y, dependiendo de cuánto voltaje había en C3, esto podría dañar SW2.Sin embargo, nuevamente, R2 limitaría esta corriente de cortocircuito a un valor seguro.R2 solo necesita un valor de resistencia bajo (típicamente 2 ohmios) para brindar suficiente protección.
varistor:
El varistor, que está conectado entre los terminales de CA del rectificador, normalmente no hace nada.Pero si hay una sobretensión en la red (debido, por ejemplo, a un rayo cercano), el varistor absorberá la energía de la sobretensión y evitará que el pico de tensión dañe el puente rectificador.
R1:
Si se presionara el botón INICIO durante un pulso de desmagnetización, es probable que esto provoque un arco en el contacto del relé que, a su vez, prácticamente provocaría un cortocircuito en C1 (el condensador de almacenamiento).La energía del condensador se descargaría en el circuito que consta de C1, el puente rectificador y el arco en el relé.Sin R1 hay muy poca resistencia en este circuito, por lo que la corriente sería muy alta y sería suficiente para soldar los contactos del relé.R1 brinda protección en esta eventualidad (algo inusual).
Nota especial sobre la elección de R1:
Si ocurre la eventualidad descrita anteriormente, R1 absorberá prácticamente toda la energía almacenada en C1, independientemente del valor real de R1.Queremos que R1 sea grande en comparación con las resistencias de otros circuitos pero pequeño en comparación con la resistencia de la bobina Magnabend (de lo contrario, R1 reduciría la efectividad del pulso de desmagnetización).Un valor de alrededor de 5 a 10 ohmios sería adecuado, pero ¿qué potencia nominal debería tener R1?Lo que realmente necesitamos especificar es la potencia del pulso o la calificación energética de la resistencia.Pero esta característica no suele especificarse para las resistencias de potencia.Los resistores de potencia de bajo valor generalmente están bobinados con alambre y hemos determinado que el factor crítico que se debe buscar en este resistor es la cantidad de alambre real que se usa en su construcción.Debe abrir una resistencia de muestra y medir el calibre y la longitud del cable utilizado.A partir de esto, calcule el volumen total del cable y luego elija una resistencia con al menos 20 mm3 de cable.
(Por ejemplo, se encontró que una resistencia de 6,8 ohmios/11 vatios de RS Components tenía un volumen de cable de 24 mm3).
Afortunadamente, estos componentes adicionales son pequeños en tamaño y costo y, por lo tanto, agregan solo unos pocos dólares al costo total de los sistemas eléctricos Magnabend.
Hay un bit adicional de circuitos que aún no se ha discutido.Esto supera un problema relativamente menor:
Si se presiona el botón START y luego no se tira de la manija (lo que de otro modo proporcionaría una sujeción total), el capacitor de almacenamiento no se cargará por completo y el pulso de desmagnetización que resulta al soltar el botón START no desmagnetizará completamente la máquina. .La barra de sujeción quedaría entonces pegada a la máquina y eso sería una molestia.
La adición de D4 y R3, que se muestra en azul en la Figura 8 a continuación, alimenta una forma de onda adecuada en el circuito de la bomba de carga para garantizar que C1 se cargue incluso si no se aplica la sujeción total.(El valor de R3 no es crítico: 220 ohmios/10 vatios se adaptan a la mayoría de las máquinas).
Figura 8: Circuito con desmagnetización solo después de "INICIO":
Para obtener más información sobre los componentes del circuito, consulte la sección Componentes en "Construya su propio Magnabend".
A modo de referencia, a continuación se muestran los diagramas de circuito completos de las máquinas Magnabend tipo E de 240 voltios CA fabricadas por Magnetic Engineering Pty Ltd.
Tenga en cuenta que para el funcionamiento con 115 VCA, sería necesario modificar muchos valores de los componentes.
Magnetic Engineering cesó la producción de máquinas Magnabend en 2003 cuando se vendió la empresa.
Nota: La discusión anterior tenía por objeto explicar los principios fundamentales del funcionamiento del circuito y no se han cubierto todos los detalles.Los circuitos completos que se muestran arriba también están incluidos en los manuales de Magnabend que están disponibles en otras partes de este sitio.
También se debe tener en cuenta que desarrollamos versiones completamente de estado sólido de este circuito que usaban IGBT en lugar de un relé para cambiar la corriente.
El circuito de estado sólido nunca se usó en ninguna máquina Magnabend, pero se usó para imanes especiales que fabricamos para las líneas de producción.Estas líneas de producción generalmente producían 5000 artículos (como la puerta de un refrigerador) por día.
Magnetic Engineering cesó la producción de máquinas Magnabend en 2003 cuando se vendió la empresa.
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