Fondamenti del circuito elettrico Magnabend

MAGNABEND - FUNZIONAMENTO DEL CIRCUITO
La piegatrice per lamiere Magnabend è progettata come un elettromagnete di bloccaggio CC.
Il circuito più semplice necessario per pilotare la bobina elettromagnetica è costituito solo da un interruttore e da un ponte raddrizzatore:
Figura 1: circuito minimo:

Minimal circuit

Va notato 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 non 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 staffa di bloccaggio e il bloccaggio graduale offre un avvio più morbido e consente anche a una mano di tenere le cose in posizione fino a quando non viene attivato il pre-bloccaggio.

Figura 2: Circuito con interblocco e bloccaggio a 2 stadi:

Quando viene premuto il pulsante START, viene fornita una piccola tensione alla bobina magnetica 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 di limitazione (il condensatore).
Il bloccaggio completo si ottiene quando sia l'interruttore azionato dalla trave di piegatura che il pulsante START vengono azionati insieme.
Tipicamente si preme prima il pulsante START (con la mano sinistra) e poi si tira la maniglia della trave di flessione 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 lo spegnimento del magnete.Fa sì che le barre di bloccaggio rimangano debolmente fissate al corpo del magnete rendendo così difficile la rimozione del pezzo.

L'uso di ferro magneticamente dolce è uno dei tanti possibili approcci per superare il magnetismo residuo.
Tuttavia questo materiale è difficile da ottenere a stock ed è anche fisicamente morbido, il che significa che sarebbe 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 nucleo centrale prima di avvitare 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 vuoto in un corpo magnetico in un unico pezzo come utilizzato per il design del magnete di tipo E.

Un metodo efficace è anche un campo di polarizzazione inversa, prodotto da una bobina ausiliaria.Ma comporta una complessità aggiuntiva ingiustificata nella produzione della bobina e anche nei circuiti di controllo, sebbene sia stato utilizzato brevemente in un primo progetto Magnabend.

Un'oscillazione in decadimento ("ringing") è concettualmente un ottimo metodo per smagnetizzare.

Damped ringing Ringing waveform

Queste foto dell'oscilloscopio raffigurano la tensione (traccia in alto) e la corrente (traccia in basso) in una bobina Magnabend con un condensatore adatto collegato attraverso di essa per farlo oscillare automaticamente.(L'alimentazione CA è stata disattivata all'incirca al centro dell'immagine).

La prima immagine è per un circuito magnetico aperto, cioè senza clampbar sul magnete.La seconda immagine è per un circuito magnetico chiuso, cioè con un morsetto a tutta lunghezza sul magnete.
Nella prima immagine la tensione mostra un'oscillazione decrescente (ringing) e così fa la corrente (traccia inferiore), ma nella seconda immagine la tensione non oscilla e la corrente non riesce nemmeno a invertire affatto.Ciò significa che non ci sarebbero oscillazioni 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.Questo è stato anche studiato a fondo per il Magnabend.Il suo principale svantaggio è che coinvolge circuiti eccessivamente complicati.

La smagnetizzazione a impulso inverso 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 IMPULSO INVERSO
L'essenza di questa idea è immagazzinare energia in un condensatore e poi rilasciarla nella bobina subito dopo lo spegnimento del magnete.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 uno smagnetizzazione molto veloce e un rilascio quasi istantaneo della staffa 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 è 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 impulso inverso

Basic Demag Cct

Ora, normalmente, posizionare un contatto di commutazione tra il raddrizzatore e la bobina magnetica è "giocare con il fuoco".
Questo perché una corrente induttiva non può essere interrotta improvvisamente.In tal caso, i contatti dell'interruttore si arcueranno e l'interruttore sarà danneggiato o addirittura completamente distrutto.(L'equivalente meccanico sarebbe il tentativo di fermare improvvisamente un volano).
Pertanto, qualunque circuito sia ideato, deve fornire in ogni momento un percorso efficace per la corrente della bobina, anche per i pochi millisecondi in cui un contatto di commutazione commuta..
Il circuito di cui sopra, che consiste di soli 2 condensatori e 2 diodi (più un contatto del relè), svolge le funzioni di caricare il condensatore di accumulo ad una tensione negativa (relativa 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 generale D1 e C2 agiscono come una pompa di carica per C1 mentre D2 è un diodo a pinza che impedisce al punto B di diventare positivo.
Mentre il magnete è acceso, 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 si caricherà completamente entro circa 1/2 secondo.
Rimane quindi in quello stato fino allo spegnimento della macchina.
Immediatamente dopo lo spegnimento il relè resta in posizione 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 inizierà a caricare anche C2.

Il valore di C2 deve essere sufficientemente grande per 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 che viene controllata da C2 è ben visibile sulla traccia rossa al centro della figura, è etichettata "Relè di contatto al volo".(Da questa traccia si può dedurre il tempo di sorvolo effettivo; è di circa 1,5 ms).
Non appena l'armatura del relè atterra sul suo terminale NC, il condensatore di accumulo caricato negativamente viene collegato alla bobina magnetica.Ciò non inverte immediatamente la corrente della bobina, ma la corrente ora scorre "in salita" e quindi viene rapidamente forzata a 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 staffa di bloccaggio e il pezzo verranno rilasciati rapidamente.

Figura 4: forme d'onda espanse

Expanded waveforms

Figura 5: Forme d'onda di tensione e corrente sulla bobina magnetica

Waveforms 1

La figura 5 sopra illustra le forme d'onda di tensione e corrente sulla bobina magnetica durante la fase di pre-serraggio, la fase di bloccaggio completo e la fase di smagnetizzazione.

Si pensa che la semplicità e l'efficacia di questo circuito di smagnetizzazione dovrebbero significare che troverà 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 rapidamente e quindi dare un rilascio rapido.
Pratico circuito Magnabend:

I concetti di circuito discussi sopra possono essere combinati in un circuito completo sia con un interblocco a 2 mani che con smagnetizzazione dell'impulso inverso come mostrato di seguito (Figura 6):

Figura 6: circuito combinato

Full Circuit Simplified

Questo circuito funzionerà ma sfortunatamente è alquanto 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

Magnabend full cct (1)

SW1:
Questo è un interruttore di isolamento a 2 poli.Viene aggiunto per comodità e per rispettare gli standard elettrici.È inoltre auspicabile che questo interruttore incorpori un indicatore luminoso al neon per mostrare lo stato ON/OFF del circuito.

D3 e C4:
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 del fascio di flessione.D3 introduce un ritardo (tipicamente 30 millisecondi) nella caduta del relè.Ciò risolve il problema del blocco ed è anche vantaggioso avere un ritardo di abbandono 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 si aprirà se il magnete si surriscalda (>70 C).Mettendolo in serie con la bobina del relè significa che deve solo commutare la piccola corrente attraverso la bobina del relè piuttosto che la corrente del magnete completo.

R2:
Quando viene premuto 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 tenuto premuto in quel momento, quindi C3 sarebbe stato effettivamente cortocircuitato e, a seconda di quanta tensione c'era su C3, questo potrebbe danneggiare SW2.Tuttavia, ancora una volta R2 limiterebbe questa corrente di cortocircuito a un valore sicuro.R2 necessita solo di un valore di resistenza basso (tipicamente 2 ohm) per fornire una protezione sufficiente.

Varistore:
Il varistore, che è collegato tra i terminali AC del raddrizzatore, normalmente non fa nulla.Ma se c'è una sovratensione sulla rete (dovuta, ad esempio, a un fulmine nelle vicinanze), il varistore assorbirà l'energia nella sovratensione e impedirà che il picco di tensione danneggi il raddrizzatore a ponte.

R1:
Se il pulsante START dovesse essere premuto durante un impulso di smagnetizzazione, ciò causerebbe probabilmente un arco sul contatto del relè che a sua volta praticamente cortocircuiterebbe C1 (il condensatore di accumulo).L'energia del condensatore verrebbe scaricata nel circuito costituito da C1, il ponte raddrizzatore 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 eventualità (piuttosto insolita).

Nota speciale sulla scelta di R1:
Se si verifica l'eventualità sopra descritta, R1 assorbirà praticamente tutta l'energia che è stata 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).Un valore compreso tra 5 e 10 ohm sarebbe adatto, ma che potenza dovrebbe avere R1?Quello che dobbiamo davvero 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 generalmente a filo avvolto e abbiamo stabilito che il fattore critico da cercare in questo resistore è la quantità di filo effettivo 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 una resistenza 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 bit di circuito che non è stato ancora discusso.Questo risolve un problema relativamente minore:
Se si preme il pulsante START e non si tira la maniglia (che altrimenti darebbe il bloccaggio completo), il condensatore di accumulo non sarà completamente carico e l'impulso di smagnetizzazione che si ottiene al rilascio del pulsante START non smagnetizzare completamente la macchina .La staffa di fissaggio rimarrebbe quindi attaccata alla macchina e ciò sarebbe un fastidio.
L'aggiunta di D4 e R3, mostrata in blu nella Figura 8 di seguito, alimenta una forma d'onda adeguata 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 si adatterebbero alla maggior parte delle macchine).
Figura 8: Circuito con Smagnetizzazione solo dopo "START":

Demagnetise after 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 delle macchine Magnabend nel 2003 quando l'attività è stata ceduta.

650E Circuit

1250E Circuit

2500E Circuit

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 allo stato solido di questo circuito che utilizzavano IGBT invece di un relè per commutare la corrente.
Il circuito allo stato solido non è mai stato utilizzato in nessuna macchina Magnabend ma è stato utilizzato per speciali magneti che abbiamo prodotto per le linee di produzione.Queste linee di produzione producevano in genere 5.000 articoli (come una porta del frigorifero) al giorno.

Magnetic Engineering ha cessato la produzione delle macchine Magnabend nel 2003 quando l'attività è stata ceduta.

Per ulteriori informazioni, utilizzare il collegamento Contatta Alan su questo sito.