MAGNABEND - FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO
La piegatrice per lamiere Magnabend è progettata come elettromagnete di bloccaggio CC.
Il circuito più semplice richiesto per pilotare la bobina elettromagnetica è costituito solo da un interruttore e da un raddrizzatore a ponte:
Figura 1: circuito minimo:
Si noti che l'interruttore ON/OFF è collegato sul lato CA del circuito.Ciò consente alla corrente della bobina induttiva di circolare attraverso i diodi nel raddrizzatore a ponte dopo lo spegnimento fino a quando la corrente decade esponenzialmente a zero.
(I diodi nel ponte agiscono come diodi "fly-back").
Per un funzionamento più sicuro e conveniente è desiderabile avere un circuito che fornisca un interblocco a 2 mani e anche un bloccaggio a 2 stadi.L'interblocco a 2 mani aiuta a garantire che le dita non possano essere intrappolate sotto la barra di bloccaggio e il bloccaggio graduale offre un avvio più morbido e consente inoltre a una mano di tenere le cose in posizione fino all'attivazione del pre-bloccaggio.
Figura 2: Circuito con interblocco e bloccaggio a 2 stadi:
Quando si preme il pulsante START, viene fornita una piccola tensione alla bobina del magnete tramite il condensatore CA, producendo così un leggero effetto di bloccaggio.Questo metodo reattivo per limitare la corrente alla bobina non comporta una significativa dissipazione di potenza nel dispositivo limitatore (il condensatore).
Il bloccaggio completo si ottiene quando l'interruttore azionato dalla trave piegatrice e il pulsante START vengono azionati insieme.
Tipicamente il pulsante START viene premuto per primo (con la mano sinistra) e poi la maniglia della trave di flessione viene tirata con l'altra mano.Il bloccaggio completo non si verificherà a meno che non vi sia una certa sovrapposizione nel funzionamento dei 2 interruttori.Tuttavia, una volta stabilito il bloccaggio completo, non è necessario continuare a tenere premuto il pulsante START.
Magnetismo residuo
Un piccolo ma significativo problema con la macchina Magnabend, come con la maggior parte degli elettromagneti, è il problema del magnetismo residuo.Questa è la piccola quantità di magnetismo che rimane dopo che il magnete è stato spento.Fa sì che le barre di bloccaggio rimangano debolmente serrate al corpo del magnete, rendendo così difficile la rimozione del pezzo.
L'uso del ferro magneticamente dolce è uno dei tanti possibili approcci per superare il magnetismo residuo.
Tuttavia questo materiale è difficile da ottenere in dimensioni standard ed è anche fisicamente morbido, il che significa che verrebbe facilmente danneggiato in una piegatrice.
L'inclusione di un gap non magnetico nel circuito magnetico è forse il modo più semplice per ridurre il magnetismo residuo.Questo metodo è efficace ed è abbastanza facile da ottenere in un corpo magnetico fabbricato: basta incorporare un pezzo di cartone o alluminio di circa 0,2 mm di spessore tra, ad esempio, il polo anteriore e il pezzo centrale prima di imbullonare insieme le parti del magnete.Lo svantaggio principale di questo metodo è che il traferro non magnetico riduce il flusso disponibile per il bloccaggio completo.Inoltre, non è semplice incorporare lo spazio in un corpo del magnete in un unico pezzo come utilizzato per il design del magnete di tipo E.
Anche un campo di polarizzazione inversa, prodotto da una bobina ausiliaria, è un metodo efficace.Ma comporta una complessità extra ingiustificata nella fabbricazione della bobina e anche nei circuiti di controllo, sebbene sia stato utilizzato brevemente in un primo progetto Magnabend.
Un'oscillazione in decadimento ("squillo") è concettualmente un ottimo metodo per la smagnetizzazione.
Queste foto dell'oscilloscopio raffigurano la tensione (traccia superiore) e la corrente (traccia inferiore) in una bobina Magnabend con un condensatore adatto collegato attraverso di essa per farla oscillare automaticamente.(L'alimentazione CA è stata interrotta all'incirca al centro dell'immagine).
La prima immagine è per un circuito magnetico aperto, cioè senza morsetto sul magnete.La seconda immagine è per un circuito magnetico chiuso, cioè con una barra di bloccaggio a tutta lunghezza sul magnete.
Nella prima immagine la tensione mostra un'oscillazione in decadimento (squillo) e così anche la corrente (traccia inferiore), ma nella seconda immagine la tensione non oscilla e la corrente non riesce nemmeno a invertirsi.Ciò significa che non ci sarebbe alcuna oscillazione del flusso magnetico e quindi nessuna cancellazione del magnetismo residuo.
Il problema è che il magnete è troppo smorzato, principalmente a causa delle perdite di correnti parassite nell'acciaio, e quindi sfortunatamente questo metodo non funziona per il Magnabend.
L'oscillazione forzata è un'altra idea.Se il magnete è troppo smorzato per auto-oscillare, potrebbe essere costretto a oscillare da circuiti attivi che forniscono energia come richiesto.Anche questo è stato studiato a fondo per il Magnabend.Il suo principale svantaggio è che coinvolge circuiti eccessivamente complicati.
La smagnetizzazione a impulsi inversi è il metodo che si è dimostrato più conveniente per il Magnabend.I dettagli di questo progetto rappresentano il lavoro originale eseguito da Magnetic Engineering Pty Ltd. Segue una discussione dettagliata:
SMAGNETIZZAZIONE AD IMPULSI INVERSI
L'essenza di questa idea è immagazzinare energia in un condensatore e quindi rilasciarla nella bobina subito dopo che il magnete è stato spento.La polarità deve essere tale che il condensatore induca una corrente inversa nella bobina.La quantità di energia immagazzinata nel condensatore può essere adattata per essere appena sufficiente per annullare il magnetismo residuo.(Troppa energia potrebbe esagerare e rimagnetizzare il magnete nella direzione opposta).
Un ulteriore vantaggio del metodo dell'impulso inverso è che produce una smagnetizzazione molto rapida e un rilascio quasi istantaneo della barra di bloccaggio dal magnete.Questo perché non è necessario attendere che la corrente della bobina decada a zero prima di collegare l'impulso inverso.All'applicazione dell'impulso, la corrente della bobina viene forzata a zero (e quindi all'inversione) molto più velocemente di quanto sarebbe stato il suo normale decadimento esponenziale.
Figura 3: Circuito di base a impulsi inversi
Ora, normalmente, posizionare un contatto di commutazione tra il raddrizzatore e la bobina del magnete è "giocare con il fuoco".
Questo perché una corrente induttiva non può essere interrotta improvvisamente.In tal caso, i contatti dell'interruttore creeranno un arco e l'interruttore verrà danneggiato o addirittura completamente distrutto.(L'equivalente meccanico proverebbe a fermare improvvisamente un volano).
Pertanto, qualunque sia il circuito progettato, deve fornire un percorso efficace per la corrente della bobina in ogni momento, anche per i pochi millisecondi durante i quali un contatto di commutazione cambia.
Il circuito di cui sopra, che consiste di soli 2 condensatori e 2 diodi (più un contatto relè), svolge le funzioni di caricare il condensatore di accumulo a una tensione negativa (rispetto al lato di riferimento della bobina) e fornisce anche un percorso alternativo per la bobina corrente mentre il contatto del relè è al volo.
Come funziona:
In linea di massima D1 e C2 fungono da pompa di carica per C1 mentre D2 è un diodo a pinza che impedisce al punto B di diventare positivo.
Mentre il magnete è attivo, il contatto del relè sarà collegato al suo terminale "normalmente aperto" (NO) e il magnete svolgerà il suo normale lavoro di bloccaggio della lamiera.La pompa di carica caricherà C1 verso una tensione negativa di picco uguale in grandezza alla tensione di picco della bobina.La tensione su C1 aumenterà in modo esponenziale ma sarà completamente caricata entro circa 1/2 secondo.
Quindi rimane in tale stato fino a quando la macchina non viene spenta.
Immediatamente dopo lo spegnimento, il relè rimane attivo per un breve periodo.Durante questo periodo la corrente della bobina altamente induttiva continuerà a circolare attraverso i diodi nel raddrizzatore a ponte.Ora, dopo un ritardo di circa 30 millisecondi, il contatto del relè inizierà a separarsi.La corrente della bobina non può più passare attraverso i diodi raddrizzatori ma trova invece un percorso attraverso C1, D1 e C2.La direzione di questa corrente è tale che aumenterà ulteriormente la carica negativa su C1 e comincerà a caricare anche C2.
Il valore di C2 deve essere sufficientemente grande da controllare la velocità di aumento della tensione attraverso il contatto del relè di apertura per garantire che non si formi un arco.Un valore di circa 5 microfarad per ampere di corrente della bobina è adeguato per un tipico relè.
La Figura 4 di seguito mostra i dettagli delle forme d'onda che si verificano durante il primo mezzo secondo dopo lo spegnimento.La rampa di tensione controllata da C2 è chiaramente visibile sulla traccia rossa al centro della figura, è etichettata "Relay contact on the fly".(Il tempo di sorvolo effettivo può essere dedotto da questa traccia; è di circa 1,5 ms).
Non appena l'armatura del relè atterra sul suo terminale NC, il condensatore di accumulo caricato negativamente è collegato alla bobina del magnete.Ciò non inverte immediatamente la corrente della bobina, ma la corrente ora scorre "in salita" e quindi viene rapidamente forzata attraverso lo zero e verso un picco negativo che si verifica circa 80 ms dopo il collegamento del condensatore di accumulo.(Vedi Figura 5).La corrente negativa indurrà un flusso negativo nel magnete che annullerà il magnetismo residuo e la pinza e il pezzo verranno rilasciati rapidamente.
Figura 4: Forme d'onda espanse
Figura 5: Forme d'onda di tensione e corrente sulla bobina magnetica
La Figura 5 mostra le forme d'onda di tensione e corrente sulla bobina del magnete durante la fase di pre-bloccaggio, la fase di bloccaggio completo e la fase di smagnetizzazione.
Si pensa che la semplicità e l'efficacia di questo circuito di smagnetizzazione facciano sì che possa trovare applicazione in altri elettromagneti che necessitano di smagnetizzazione.Anche se il magnetismo residuo non è un problema, questo circuito potrebbe comunque essere molto utile per commutare la corrente della bobina a zero molto velocemente e quindi dare un rapido rilascio.
Circuito pratico Magnabend:
I concetti di circuito discussi sopra possono essere combinati in un circuito completo con interblocco a 2 mani e smagnetizzazione a impulso inverso, come mostrato di seguito (Figura 6):
Figura 6: Circuito combinato
Questo circuito funzionerà ma sfortunatamente è in qualche modo inaffidabile.
Per ottenere un funzionamento affidabile e una maggiore durata dell'interruttore è necessario aggiungere alcuni componenti extra al circuito di base come mostrato di seguito (Figura 7):
Figura 7: circuito combinato con perfezionamenti
SW1:
Questo è un sezionatore a 2 poli.Viene aggiunto per comodità e per rispettare gli standard elettrici.È anche auspicabile che questo interruttore incorpori una spia al neon per mostrare lo stato ON/OFF del circuito.
RE3 e DO4:
Senza D3 l'aggancio del relè è inaffidabile e dipende in qualche modo dalla fasatura della forma d'onda di rete al momento dell'azionamento dell'interruttore della trave curva.D3 introduce un ritardo (tipicamente 30 millisecondi) nella caduta del relè.Ciò risolve il problema dell'aggancio ed è anche vantaggioso avere un ritardo di diseccitazione appena prima dell'inizio dell'impulso di smagnetizzazione (più avanti nel ciclo).C4 fornisce l'accoppiamento CA del circuito del relè che altrimenti sarebbe un cortocircuito a semionda quando viene premuto il pulsante START.
TERM.INTERRUTTORE:
Questo interruttore ha il suo alloggiamento a contatto con il corpo del magnete e andrà in circuito aperto se il magnete si surriscalda (>70 C).Metterlo in serie con la bobina del relè significa che deve solo commutare la piccola corrente attraverso la bobina del relè piuttosto che l'intera corrente del magnete.
R2:
Quando si preme il pulsante START, il relè si inserisce e quindi ci sarà una corrente di spunto che carica C3 tramite il raddrizzatore a ponte, C2 e il diodo D2.Senza R2 non ci sarebbe resistenza in questo circuito e l'elevata corrente risultante potrebbe danneggiare i contatti nell'interruttore START.
Inoltre, esiste un'altra condizione del circuito in cui R2 fornisce protezione: se l'interruttore del raggio di flessione (SW2) si sposta dal terminale NO (dove trasporterebbe l'intera corrente del magnete) al terminale NC, spesso si formerebbe un arco e se il L'interruttore START era ancora premuto in questo momento, quindi C3 sarebbe effettivamente in cortocircuito e, a seconda di quanta tensione c'era su C3, questo potrebbe danneggiare SW2.Tuttavia ancora una volta R2 limiterebbe questa corrente di cortocircuito ad un valore sicuro.R2 necessita solo di un basso valore di resistenza (tipicamente 2 ohm) per fornire una protezione sufficiente.
Varistore:
Il varistore, che è collegato tra i terminali CA del raddrizzatore, normalmente non fa nulla.Ma se c'è un picco di tensione sulla rete (dovuto ad esempio a un fulmine nelle vicinanze), il varistore assorbirà l'energia del picco e impedirà al picco di tensione di danneggiare il raddrizzatore a ponte.
R1:
Se il pulsante START dovesse essere premuto durante un impulso di smagnetizzazione, probabilmente ciò provocherebbe un arco al contatto del relè che a sua volta potrebbe virtualmente cortocircuitare C1 (il condensatore di accumulo).L'energia del condensatore verrebbe scaricata nel circuito costituito da C1, il raddrizzatore a ponte e l'arco nel relè.Senza R1 c'è pochissima resistenza in questo circuito e quindi la corrente sarebbe molto alta e sarebbe sufficiente per saldare i contatti nel relè.R1 fornisce protezione in questa (alquanto insolita) eventualità.
Nota speciale sulla scelta di R1:
Se si verifica l'eventualità sopra descritta, R1 assorbirà virtualmente tutta l'energia immagazzinata in C1 indipendentemente dal valore effettivo di R1.Vogliamo che R1 sia grande rispetto ad altre resistenze del circuito ma piccolo rispetto alla resistenza della bobina Magnabend (altrimenti R1 ridurrebbe l'efficacia dell'impulso di smagnetizzazione).Sarebbe adatto un valore compreso tra 5 e 10 ohm, ma quale potenza dovrebbe avere R1?Quello che dobbiamo veramente specificare è la potenza dell'impulso o la classificazione energetica del resistore.Ma questa caratteristica non è solitamente specificata per i resistori di potenza.I resistori di potenza di basso valore sono solitamente a filo avvolto e abbiamo stabilito che il fattore critico da cercare in questo resistore è la quantità di filo effettivamente utilizzato nella sua costruzione.È necessario aprire un resistore campione e misurare il calibro e la lunghezza del filo utilizzato.Da questo calcolare il volume totale del filo e quindi scegliere un resistore con almeno 20 mm3 di filo.
(Ad esempio, è stato riscontrato che un resistore da 6,8 ohm/11 watt di RS Components ha un volume del filo di 24 mm3).
Fortunatamente questi componenti extra sono di dimensioni e costi ridotti e quindi aggiungono solo pochi dollari al costo complessivo dell'impianto elettrico Magnabend.
C'è un ulteriore pezzo di circuito che non è stato ancora discusso.Ciò risolve un problema relativamente minore:
Se il pulsante START viene premuto e non è seguito da una trazione della maniglia (che altrimenti darebbe il completo bloccaggio), il condensatore di accumulo non sarà completamente carico e l'impulso di smagnetizzazione che risulta al rilascio del pulsante START non smagnetizzerà completamente la macchina .La pinza rimarrebbe quindi attaccata alla macchina e questo sarebbe un fastidio.
L'aggiunta di D4 e R3, mostrata in blu nella Figura 8 di seguito, alimenta una forma d'onda adatta nel circuito della pompa di carica per garantire che C1 venga caricato anche se non viene applicato il bloccaggio completo.(Il valore di R3 non è critico - 220 ohm/10 watt andrebbero bene per la maggior parte delle macchine).
Figura 8: Circuito con Smagnetizzazione solo dopo "START":
Per ulteriori informazioni sui componenti del circuito, fare riferimento alla sezione Componenti in "Costruisci il tuo Magnabend"
A scopo di riferimento, di seguito sono riportati gli schemi elettrici completi delle macchine Magnabend di tipo E a 240 Volt CA prodotte da Magnetic Engineering Pty Ltd.
Si noti che per il funzionamento a 115 VAC è necessario modificare molti valori dei componenti.
Magnetic Engineering ha cessato la produzione di macchine Magnabend nel 2003 quando l'attività è stata venduta.
Nota: la discussione di cui sopra aveva lo scopo di spiegare i principi fondamentali del funzionamento del circuito e non tutti i dettagli sono stati trattati.I circuiti completi mostrati sopra sono inclusi anche nei manuali Magnabend che sono disponibili altrove su questo sito.
Va anche notato che abbiamo sviluppato versioni completamente a stato solido di questo circuito che utilizzavano IGBT invece di un relè per commutare la corrente.
Il circuito a stato solido non è mai stato utilizzato in nessuna macchina Magnabend, ma è stato utilizzato per magneti speciali che abbiamo prodotto per le linee di produzione.Queste linee di produzione in genere producevano 5.000 articoli (come una porta del frigorifero) al giorno.
Magnetic Engineering ha cessato la produzione di macchine Magnabend nel 2003 quando l'attività è stata venduta.
Si prega di utilizzare il collegamento Contatta Alan su questo sito per cercare ulteriori informazioni.