Способ регулирования времени срабатывания электромагнита и устройство для его осуществления

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано для управления приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов и применяться преимущественно при решении задачи одновременного управления несколькими коммутационными аппаратами или клапанами, когда важно обеспечить их синхронную работу.

Технический результат состоит в расширении функциональных возможностей и повышении эффективности. Способ основан на регулировании времени срабатывания ЭМ за счет автоматического изменения и стабилизации напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ в течение цикла срабатывания. Величину времени срабатывания измеряют в каждом цикле срабатывания ЭМ, по окончании которого определяют отклонение полученного времени срабатывания от заданного значения, и перед началом следующего цикла изменяют и стабилизируют новое постоянное на цикле значение напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ при его последующем включении, обеспечивая изменение длительности интервала времени, необходимого для достижения током обмотки значения, при превышении которого начинается движение якоря. Изменение значения напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ при его включении, перед каждым новым циклом срабатывания производят автоматически до тех пор, пока время срабатывания электромагнита не достигнет заданного значения с требуемой точностью. Значение напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ при его включении в каждом следующем цикле срабатывания, изменяют путем добавления к его текущему значению приращения, величину которого определяют путем умножения значения отклонения полученного времени срабатывания от заданного значения на коэффициент, характеризующий влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, который переопределяют автоматически перед началом каждого цикла срабатывания путем деления приращения напряжения, подававшегося на обмотку на предыдущем цикле срабатывания, на величину полученного приращения времени срабатывания. Для реализации заявляемого способа предложена электрическая принципиальная схема ее возможного исполнения. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для управления приводными электромагнитами (ЭМ) клапанов и коммутационных аппаратов. Данное техническое решение может применяться преимущественно при решении задачи одновременного управления несколькими коммутационными аппаратами или клапанами, когда важно обеспечить их синхронную работу.

Известны способы регулирования времени срабатывания ЭМ, описанные в [1] на с. 142-144 или в [2] на с. 232-233. Эти решения предусматривают установку дополнительных элементов (индуктивностей, емкостей или сопротивлений) для снижения скорости нарастания тока в обмотке ЭМ при включении. Такие решения значительно увеличивают габариты устройства, так как требует установки элементов, рассчитанных на рабочие токи ЭМ. Кроме того, такое регулирование требует замены установленных ранее элементов и не позволяет обеспечить автоматическое регулирование времени срабатывания. Обычно, регулирование времени срабатывания ЭМ не допускает изменения этого времени как в сторону увеличения, так и уменьшения, а сводится либо к замедлению срабатывания, либо к форсированию.

Для задержки времени срабатывания ЭМ используется также и гидравлическое замедление, описанное в [3]. Такое техническое решение должно быть заложено при изготовлении ЭМ и требует наличия в конструкции герметизированной трубки, заполненной вязкой жидкостью, с размещенным в ней подвижным сердечником. Это конструктивное решение нельзя использовать для ЭМ, работающих в сложных условиях эксплуатации. Кроме того, оно не позволяет обеспечивать корректировку ухода времени срабатывания в процессе эксплуатации.

Более гибким решением являются способы регулирования времени срабатывания за счет электрического управления параметрами электронных элементов. Например, устройство, описанное в [4], позволяет снизить время срабатывания электромагнита за счет использования повышенного напряжения питания ЭМ и импульсной стабилизации напряжения на его катушке в процессе срабатывания. Такое решение свободно от описанных выше недостатков, но не позволяет регулировать время срабатывания ЭМ, изменяющееся при воздействии на него в процессе эксплуатации дестабилизирующих факторов (изменение температуры, противодействующей силы, рабочего хода).

За прототип предполагаемого изобретения принят способ регулирования времени срабатывания, реализованный в [5]. Этот способ предполагает измерение напряжения питания и шунтирование дополнительным ключом обмотки ЭМ, подключенной к источнику питания, через последовательно включенный резистор. Данное решение позволяет регулировать время срабатывания ЭМ в широких пределах, но при этом в каждом цикле срабатывания ЭМ затрачивается дополнительная энергия, значительно превышающая реально необходимую для его срабатывания.

Задачами предполагаемого изобретения являются расширение функциональных возможностей способа и повышение энергоэффективности.

Предлагаемое техническое решение основано на регулировании времени срабатывания ЭМ за счет автоматического изменения напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ в течение цикла срабатывания. Известно [1, 2], что время срабатывания ЭМ (интервал времени от момента подачи напряжения на обмотку до достижения якорем его крайнего положения, соответствующего срабатыванию ЭМ) является суммой времени трогания и времени движения якоря. Время движения якоря определяется равнодействующей действующих на него при движении сил и массой подвижных частей. А время трогания (интервал времени от момента подачи напряжения на обмотку до начала движения якоря) является функцией параметров электрической и магнитной цепей ЭМ и определяется соотношением

где Т_е=L_эм/R_эм - электромагнитная постоянная обмотки ЭМ;

L_эм и R_эм - соответственно индуктивность и сопротивление обмотки ЭМ;

U_тр=I_трR_эм - напряжение трогания;

I_тр - ток трогания (значение тока в обмотке ЭМ, при котором начинается движение якоря);

U_эм=I_эмR_эм - значение напряжения, которое подается на обмотку ЭМ при его включении;

I_эм - установившееся значение тока в обмотке ЭМ, после его срабатывания.

Приведенное соотношение показывает, что время трогания напрямую зависит от величины напряжения, подаваемого на обмотку ЭМ, а значит, его можно регулировать, изменяя подаваемое напряжение. Соответственно, регулируя время трогания, можно одновременно регулировать и время срабатывания.

Для решения задачи предполагаемого изобретения величину времени срабатывания измеряют в каждом цикле срабатывания электромагнита, по окончании которого определяют отклонение полученного времени срабатывания от заданного значения, и перед началом следующего цикла изменяют и стабилизируют новое постоянное на цикле значение напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его последующем включении. Тем самым обеспечивают изменение длительности интервала времени, необходимого для достижения током обмотки значения, при превышении которого начинается движение якоря. Причем изменение значения напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его включении, перед каждым новым циклом срабатывания производят автоматически до тех пор, пока время срабатывания электромагнита не достигнет заданного значения с требуемой точностью.

Значение напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его включении в каждом следующем цикле срабатывания, изменяют путем добавления к его текущему значению приращения, величину которого определяют путем умножения значения отклонения полученного времени срабатывания от заданного значения на коэффициент, характеризующий влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания. Начальное значение коэффициента, характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, определяют экспериментально или методом компьютерного моделирования до начала работы. Для повышения помехозащищенности способа значение коэффициента, характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, переопределяют автоматически перед началом каждого цикла срабатывания путем деления приращения напряжения, подававшегося на обмотку на предыдущем цикле срабатывания, на величину полученного приращения времени срабатывания.

Для реализации предлагаемого способа регулирования времени срабатывания ЭМ разработано устройство, прототипом которого является устройство управления электромагнитом постоянного напряжения по патенту RU 2636052 С1 [6]. В устройстве-прототипе напряжение питания измеряется посредством подачи на аналоговый вход 15 (см. фиг. 4 [6]) микроконтроллера 9 напряжения с резистивного делителя R11 - R12, которое пропорционально напряжению питания. Примененный в данном устройстве способ регулирования напряжения на обмотке ЭМ использует схему понижающего стабилизатора напряжения, которая не позволяет установить напряжение на обмотке ЭМ, превышающее напряжение питания. Кроме того, измеряемое напряжение питания не учитывает потерь на ключе, что снижает точность данного способа. Для решения задачи изобретения в устройство дополнительно введены преобразователь напряжения, фильтр питания, преобразователь интерфейса и датчик срабатывания электромагнита, связанный с его якорем. Причем плюсовой и минусовой выводы преобразователя напряжения соединены с соответствующими клеммами питания, его управляющий вход соединен с аналоговым выходом микроконтроллера. Выход преобразователя напряжения соединен с плюсовыми выводами управляемого ключа и фильтра питания, минусовой вывод которого соединен со второй клеммой питания. Выход датчика срабатывания соединен с аналоговым входом компаратора микроконтроллера, вход данных которого соединен с выходом данных преобразователя интерфейса, чей вход данных соединен с выходом данных микроконтроллера. Двунаправленные выводы преобразователя интерфейса и дискретный вход микроконтроллера являются внешними сигнальными входами для управления электромагнитом. В качестве микроконтроллера используется микросхема PIC16F1778-I/SO, у которой вывод 3 является аналоговым выходом, выводы 8 и 19 - минусовым выводом питания, вывод 11 - дискретным выходом, вывод 13 - аналоговым входом компаратора, вывод 14 - входом аналогово-цифрового преобразователя, вывод 15 - дискретным входом, вывод 16 - входом данных, вывод 18 - выходом данных, а вывод 20 - плюсовым выводом питания.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами.

Фиг. 1. Экспериментальная и расчетные зависимости времени срабатывания ЭМ от напряжения, подаваемого на его обмотку.

Фиг. 2. Графическая иллюстрация работы предлагаемого технического решения.

Фиг. 3. Возможная блок-схема алгоритма работы устройства, реализующего предлагаемый способ.

Фиг. 4. Функциональная схема устройства для регулирования времени срабатывания электромагнита.

Фиг. 5. Структурная схема ядра и конфигурации внутренних модулей микроконтроллера.

Фиг. 6. Электрическая принципиальная схема возможного исполнения устройства для регулирования времени срабатывания электромагнита.

Фиг. 7. Результаты компьютерного моделирования срабатывания электромагнита в разных условиях.

Предлагаемый способ регулирования времени срабатывания ЭМ основан на измерении времени срабатывания ЭМ по сигналу датчика срабатывания, контролирующего перемещение штока ЭМ, и напряжения на его обмотке и последующей коррекции напряжения на обмотке ЭМ для изменения времени срабатывания ЭМ до достижения требуемой точности регулирования.

На фиг. 1 приведены экспериментальная (показанные кружочками экспериментально снятые точки соединены ломаной линией) и расчетные зависимости времени срабатывания ЭМ от напряжения, подаваемого на его обмотку. Расчетные зависимости получены методом компьютерного моделирования для номинального (сплошная линия), минимально возможного в допустимых условиях эксплуатации (штрихпунктирная линия) и максимально возможного (прерывистая линия) значений сопротивления обмотки и номинальных значений всех остальных параметров электрических и магнитных цепей ЭМ. Полученные кривые (см. фиг. 1) показывают, что качественно зависимость времени срабатывания от приложенного к обмотке напряжения напоминает обратно-пропорциональную, т.е. с увеличением приложенного напряжения к обмотке время срабатывания ЭМ уменьшается, и, соответственно, с уменьшением приложенного напряжения - увеличивается. Из приведенных графиков также видно, что на рассматриваемую зависимость влияет, например, и значение сопротивления обмотки ЭМ. Кроме того, на данную зависимость будут оказывать влияние также конкретные значения параметров электрических и магнитных цепей и величина нагрузки, действующей на шток ЭМ. Поэтому точный вид зависимости времени срабатывания ЭМ от напряжения, подаваемого на его обмотку, в реальных условиях его эксплуатации заранее не известен, хотя качественный характер этой зависимости по известным авторам данным не меняется. Предлагаемый способ регулирования времени срабатывания ЭМ позволяет учесть все описанные факторы.

Процесс автоматического регулирования времени срабатывания осуществляется следующим образом. На фиг. 2 приведена поясняющая его графическая иллюстрация. Для осуществления некоторого k-го цикла срабатывания ЭМ к его обмотке прикладывается напряжение U_эм(k), что в результате срабатывания позволяет получить значение времени срабатывания t_сраб(k). Этой ситуации соответствует точка А₀ на координатной плоскости t_сраб(U_эм) (см. график на фиг. 2). Поскольку известно заданное значение времени срабатывания t_{сраб зад} и текущее значение коэффициента k_в(k), характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, можно рассчитать новое требуемое значение напряжения, которое будет подаваться на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания:

где Δt_сраб(k)=t_{сраб зад}-t_сраб(k).

В первом цикле срабатывания в качестве значений U_эм(k), k_в(k) и t_сраб(k) используются или заводские настройки, или значение, полученное в информационном пакете по последовательному каналу: U_эм(k)=U_{эм ном} - номинальное расчетное значение напряжения, при подаче которого на обмотку в идеальных условиях эксплуатации ЭМ с номинальными значениями всех параметров достигается расчетное время срабатывания t_сраб(k)=t_{сраб ном}; k_в(k)=k_{в расч} - номинальное расчетное значение коэффициента, полученное для номинальных условий, например, экспериментально или методом компьютерного моделирования.

При осуществлении следующего (k+1)-го цикла срабатывания к обмотке ЭМ прикладывается напряжение U_эм(k+1). Значение времени срабатывания t_cpaб(k+l), которое будет получено в этом цикле, будет отличаться от t_{cpaб зад} в силу нелинейности зависимости t_cpaб(U_эм) и отличия условий эксплуатации и параметров ЭМ и цепей управления от номинальных. Таким образом, после срабатывания мы получаем на координатной плоскости t_cpaб(U_эм) точку А₂, а не прогнозируемую точку А₁. По результатам, полученным на текущем цикле срабатывания, может быть автоматически скорректировано значение коэффициента k_в в соответствии с соотношением:

и по формуле (2) рассчитано значение напряжения, которое будет подаваться на обмотку ЭМ в следующем цикле. Изменение значений напряжения обмотки и коэффициента k_в для следующего цикла срабатывания производится до тех пор, пока полученное в текущем цикле время срабатывания не удовлетворяет требуемой точности его регулирования, т.е. пока не станет справедливым неравенство:

где δt_cpаб - требуемая точность регулирования времени срабатывания.

На фиг. 3 приведена блок-схема примерного алгоритма, выполнение которого при работе устройства, реализующего предлагаемый способ, позволит обеспечить решение задачи изобретения.

Функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ регулирования времени срабатывания ЭМ, приведена на фиг. 4. Устройство содержит первую 1 и вторую 2 клеммы питания, соединенные соответственно с положительным и отрицательным выводами источника постоянного напряжения, две клеммы 3 и 4 для подключения обмотки электромагнита 5, делитель напряжения 6, диод 7, управляемый ключ 8, стабилизатор напряжения 9 и микроконтроллер 10. Причем анод диода, отрицательные выводы делителя напряжения, стабилизатора напряжения и управляемого ключа соединены со второй клеммой питания. Катод диода и положительный вывод управляемого ключа соединены с плюсовой клеммой 3 электромагнита 5. Вход стабилизатора напряжения соединен с первой клеммой питания, а его выход с плюсовым выводом питания микроконтроллера. Управляющий вход управляемого ключа соединен с дискретным выходом DO микроконтроллера 10, вход AInl аналогово-цифрового преобразователя которого соединен с выходом делителя напряжения 6. Минусовая клемма 4 электромагнита 5 и минусовой вывод питания микроконтроллера 10 соединены со второй клеммой питания 2. Устройство также содержит преобразователь напряжения 11, фильтр питания 12, преобразователь интерфейса 13 и датчик срабатывания 14 электромагнита 5, связанный с его якорем. Причем плюсовой и минусовой выводы преобразователя напряжения соединены с соответствующими клеммами питания, его управляющий вход с аналоговым выходом микроконтроллера, а выход с плюсовыми выводами управляемого ключа и фильтра питания. Минусовой вывод фильтра питания 12 соединен со второй клеммой питания. Выход датчика срабатывания 14 соединен с аналоговым входом AIn2 компаратора микроконтроллера 10, вход данных которого соединен с выходом данных преобразователя интерфейса 13, чей вход данных соединен с выходом данных Si микроконтроллера 10. Двунаправленные выводы преобразователя интерфейса 13 и дискретный вход DI микроконтроллера 10 являются внешними сигнальными входами для управления электромагнитом 5.

Регулирование напряжения на обмотке ЭМ обеспечивается преобразователем напряжения. С целью расширения допустимого диапазона напряжений питания предлагается использовать DC/DC-преобразователь, построенный по топологии с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью (Single-Ended Primary-Inductor Converter - SEPIC) [7]. Такой преобразователь способен работать при входном напряжении как выше, так и ниже стабилизируемого выходного напряжения. Предложенное решение позволит эффективнее использовать источник тока в случае применения в качестве первичного источника электроэнергии аккумуляторной батареи. Схема такого преобразователя приведена на рис. 5 в статье [7] на с. 127. Корректировка выходного напряжения преобразователя для регулирования времени срабатывания ЭМ выполняется суммированием на входе FB микросхемы LM3478 (см. рис. 5 в статье [7]) напряжения обратной связи, поступающего с делителя, образованного резисторами R1 и R2, и напряжения с аналогового выхода (АО) микроконтроллера (МК) 10 (см. схему фиг. 4), соединенного с управляющим входом преобразователя напряжения 11 (средней точкой его делителя напряжения R1 и R2).

К выходу преобразователя подключен фильтр питания, предназначенный для снижения влияния переходных процессов при включении ЭМ. В отличие от прототипа устройства, выходное напряжение преобразователя постоянно подано на управляемый ключ, а подача напряжения на ЭМ выполняется по сигналу с цифрового выхода (DO) микроконтроллера (см. схему фиг. 4) по команде, поступающей либо на цифровой вход DI МК, либо по последовательному интерфейсу (Si) через преобразователь интерфейса. После приема сигнала на включение ЭМ начинается отсчет времени его срабатывания. В модуль микроконтроллера EUSART (Enhanced Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) с приемопередатчиком RS485/RS422 в качестве преобразователя интерфейса. При поступлении команды на включение ЭМ стабилизированное напряжение через управляемый ключ поступает на обмотку электромагнита и через делитель напряжения на аналоговый вход микроконтроллера (AInl), где производится его измерение. Контроль напряжения после управляемого ключа позволяет учесть потери напряжения на нем, вызванные его нагревом. После подачи напряжения на обмотку ЭМ через определенное время происходит его срабатывание, которое фиксирует датчик срабатывания. В качестве такого датчика может быть использован оптоэлектронный сенсор, например EE-SPX301 [8] производства OMRON CORPORATION. При поступлении сигнала с датчика срабатывания оканчивается отсчет времени срабатывания ЭМ. Питание микроконтроллера, управляемого ключа и датчика срабатывания осуществляется от стабилизатора напряжения, имеющего выходное напряжение +5 вольт.

Управление работой устройства осуществляется микроконтроллером PIC16F1778 Microchip Technology Inc. [9]. Структурная схема ядра и конфигурации внутренних модулей микроконтроллера (МК) приведена на фиг. 5.

На вход AInl (вывод 14 МК) подается напряжение, пропорциональное напряжению на обмотке ЭМ, которое поступает на вход 10-и разрядного аналого-цифрового преобразователя ADC, выходной код которого Cui пропорционален входному напряжению. Измерения проводятся на интервале времени от момента подачи напряжения на обмотку ЭМ (по сигналу Start) до момента срабатывания ЭМ (появления сигнала Stop на выходе компаратора СМР5 при поступлении сигнала с выхода датчика срабатывания). Сигнал Start формируется или при поступлении дискретного сигнала на вход DI (вывод 15 МК), или по команде, полученной по последовательному интерфейсу EUSART (выводы 15, 16 МК). Сигнал Stop формируется на выходе компаратора СМР5 как результат сравнения сигнала с выхода датчика срабатывания ЭМ, поступающего на вход Ain2 (вывод 13 МК), с напряжением, поступающим с выхода цифро-аналогового преобразователя DAC2. Это позволяет использовать датчики срабатывания как с дискретным, так и с аналоговым выходом. Для повышения помехозащищенности выбран режим работы компаратора с гистерезисом. Интервал времени, соответствующий времени срабатывания ЭМ, измеряется таймером TMR. Результат Cti, полученный таймером, сравнивается с заданным значением времени срабатывания Cui, введенным в МК. Величина невязки используется для расчета поправки Cdi к напряжению на обмотке ЭМ. В результате формируется выходной сигнал на аналоговом выходе микроконтроллера (вывод 3 МК), который определяет значение напряжения, которое будет подано на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания. Полученный результат поправки к напряжению загружается в цифро-аналоговый преобразователь DAC1 и через буферный усилитель Op Amp поступает на аналоговый выход микроконтроллера АО (вывод 3 МК), с которого через нормирующий резистор поступает на вход FB преобразователя напряжения, изменяя значение напряжения, которое будет подано на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания.

Для обеспечения точности регулирования в широком диапазоне температур в качестве опорного для цифро-аналоговых и аналого-цифрового преобразователей используется одинаковое значение напряжения V_ref1, что делает получаемую поправку к напряжению инвариантной по отношению к величине опорного напряжения.

Пример принципиальной схемы возможного исполнения устройства для регулирования времени срабатывания электромагнита приведен на фиг. 6. На схеме использованы следующие обозначения:

Пр.Н - преобразователь напряжения;

ФП - фильтр питания;

СН - стабилизатор напряжения;

Пр.Инт.- преобразователь интерфейса;

МК - микроконтроллер;

ДН - делитель напряжения;

ДС - датчик срабатывания.

Работоспособность заявляемого технического решения подтверждается результатами компьютерного моделирования, которые приведены на фиг. 7 для разных условий работы ЭМ. На всех приведенных на этой фигуре графиках показаны переходные процессы моделирования одного цикла срабатывания, причем команда на включение ЭМ приходит в один и тот же момент времени t=0.005 с. Моделируется работа ЭМ с дисковым якорем, который в обесточенном состоянии находится под действием пружины на расстоянии 0.47 мм от сердечника. При срабатывании якорь прижимается к сердечнику.

На фиг. 7,а показан переходный процесс работы ЭМ для номинальных значений параметров. Здесь U_эм(k)=U_{эм ном}=28 В. В результате моделирования после срабатывания ЭМ получаем t_сраб(k)=6.11 мс. Предположим, что заданное значение времени срабатывания будет t_{сраб зад}=5.5 мс, а номинальное расчетное значение коэффициента k_{в расч} =-4.88 В/мс. Тогда, чтобы получить в следующем цикле время срабатывания ЭМ, приближающееся к заданному, нужно изменить значение напряжения, подаваемое на обмотку, воспользовавшись соотношением (2):

U_эм(k+1)=U_эм(k)+k_в(k)Δt_cpa6(k)=28+(-4.88)⋅(5.5-6.11)=30.98 В.

При подаче этого напряжения на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания получим переходный процесс, приведенный на фиг. 7,б. В этом случае, как видно из графика, мы получили t_сраб(k+1)=5.52 мс. Будем считать, что задана точность регулирования времени срабатывания δt=0,01 мс. Тогда неравенство (4) не выполняется, и на следующем цикле срабатывания требуется опять изменить значение напряжения, подаваемого на обмотку. Однако, в результате предыдущего цикла мы получили данные, позволяющие скорректировать величину коэффициента k_в. Воспользовавшись формулой (3), получим:

k_в(k+1)=(U_эм(k+1)-U_эм(k))/(t_cpa6(k+1)-t_cpa6(k))=(30.98-28)/(5.52-6.11)=-5.05 В/мс. Тогда в соответствии с соотношением (2) с точностью до 0.01 В получим:

U_эм(k+2)=30.98+(-5.05)⋅(5.5-5.52)=31.08 В.

Если в следующем цикле срабатывания подать на обмотку ЭМ это напряжение, то будет получен переходный процесс, показанный на фиг. 7,в. В этом случае будет получено время срабатывания t_cpaб(k+2)=5.495 мс, при котором неравенство (4) выполняется. А значит, в следующем цикле срабатывания изменять значение напряжения, подаваемого на обмотку, не требуется.

Предположим теперь, что в некотором n-м цикле срабатывания ЭМ уменьшилась на 10% нагрузка, действующая на шток ЭМ. Это приведет к уменьшению тока трогания и, следовательно, времени срабатывания (значение тока, при котором начинается движение якоря ЭМ, будет достигаться быстрее). При моделировании в этом цикле срабатывания имеем t_сраб(n)=5.3 мс, что приводит к нарушению условия, описанного неравенством (4), а. значит, требуется изменение значения напряжения Uэм(n+1), которое будет подано на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания. Для расчета значения U_эм(n+1) принимаем U_эм(n)=U_эм(k+2)=31.08 В, k_в(n)=k_в(k+1)=-5.05 В/мс и получаем: U_эм(n+1)=U_эм(n)+k_B(n)Δt_cpa6(n)=31.08+(-5.05)⋅(5.5-5.3)=30.095 В.

Подав это значение напряжения на обмотку ЭМ в следующем цикле срабатывания, получим переходный процесс, показанный на фиг. 7,д. При этом достигается время срабатывания t_cpаб(n+1)=5.47 мс, для которого неравенство (4) не выполняется, т.е. потребуется очередное изменение значения напряжения, подаваемого на обмотку в следующем цикле срабатывания. Выполним коррекцию коэффициента k_в. Воспользовавшись формулой (3), получим:

k_в(n+1)=(U_эм(n+1)-U_эм(n))/(t_сра6(n+1)-t_сраб(n))=(30.095-31.08)/(5.47-5.3)=-5.794 В/мс.

Тогда в соответствии с соотношением (2) с точностью до 0.01 В получим:

U_эм(n+2)=30.095+(-5.794)⋅(5.5-5.47)=29.92 В.

Если в следующем цикле срабатывания подать на обмотку ЭМ это значение напряжения, то, если условия работы по сравнению с предыдущим циклом не изменились, получим переходный процесс, показанный на фиг. 7,е. Ему соответствует время срабатывания (t_сраб(n+2)=5.500 мс, для которого выполняется неравенство (4).

Приведенные результаты компьютерного моделирования подтверждают работоспособность заявляемого технического решения и демонстрируют его устойчивую и надежную работу в разных ситуациях при регулировании времени срабатывания ЭМ для любого знака отклонения от заданного значения, что позволяет решать задачу расширения функциональных возможностей предполагаемого изобретения. Повышение эффективности использования электроэнергии достигается за счет того, при применении предлагаемой функциональной схемы устройства практически отсутствуют потери в стали.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Родштейн Л.А. Электрические аппараты: Учебник для техникумов. - 4-е изд., перераб. и доп.- Л. Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние 1989. - 304 с. с ил. ISBN 5-283-04389-4 стр. 142-144.

2. Сливинская А.Г. Электромагниты и постоянные магниты. Учебное пособие для студентов вузов. М. Энергия, 1972, 248 с. с ил.

3. Электромагнит с задержкой времени при срабатывании. RU 2246774 С1, 2005, бюл. №5.

4. Устройство управления электромагнитом. RU 2349978 С2, 2009, бюл. №8.

5. Устройство для регулирования времени срабатывания привода высоковольтного выключателя. RU 2285309 С1, 2006, бюл. №28.

6. Устройство управления электромагнитом постоянного напряжения. RU 2636052 С1, 2017, бюл. №32.

7. Разработка преобразователя SEPIC. КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ №9, 2008, с. 125-128.

8. www.ia.omron.com/product/item/2168/

9. DS40001819B.pdf www.microchip.com/

1. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита, заключающийся в измерении времени срабатывания после подачи напряжения на обмотку электромагнита и изменении параметра цепи питания, влияющего на длительность интервала времени, необходимого для достижения током обмотки значения, при превышении которого начинается движение якоря, отличающийся тем, что величину времени срабатывания измеряют в каждом цикле срабатывания электромагнита, по окончании которого определяют отклонение полученного времени срабатывания от заданного значения, и перед началом следующего цикла изменяют и стабилизируют новое постоянное на цикле значение напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его последующем включении, обеспечивая изменение длительности интервала времени, необходимого для достижения током обмотки значения, при превышении которого начинается движение якоря, причем изменение значения напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его включении, перед каждым новым циклом срабатывания производят автоматически до тех пор, пока время срабатывания электромагнита не достигнет заданного значения с требуемой точностью.

2. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита по п. 1, отличающийся тем, что значение напряжения, подаваемого на обмотку электромагнита при его включении в каждом следующем цикле срабатывания, изменяют путем добавления к его текущему значению приращения, величину которого определяют путем умножения значения отклонения полученного времени срабатывания от заданного значения на коэффициент, характеризующий влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания.

3. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что начальное значение коэффициента, характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, определяют экспериментально до начала работы.

4. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита по п. 2, отличающийся тем, что начальное значение коэффициента, характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, определяют методом компьютерного моделирования.

5. Способ регулирования времени срабатывания электромагнита по п. 3 или 4, отличающийся тем, что значение коэффициента, характеризующего влияние изменения напряжения на величину времени срабатывания, переопределяют автоматически перед началом каждого цикла срабатывания путем деления приращения напряжения, подававшегося на обмотку на предыдущем цикле срабатывания, на величину полученного приращения времени срабатывания.

6. Устройство для регулирования времени срабатывания электромагнита, содержащее первую и вторую клеммы питания, соединенные соответственно с положительным и отрицательным выводами источника постоянного напряжения, две клеммы для подключения обмотки электромагнита, делитель напряжения, диод, управляемый ключ, стабилизатор напряжения и микроконтроллер, причем анод диода, отрицательные выводы делителя напряжения, стабилизатора напряжения и управляемого ключа соединены со второй клеммой питания, катод диода и положительный вывод управляемого ключа соединены с плюсовой клеммой электромагнита, вход стабилизатора напряжения соединен с первой клеммой питания, а его выход - с плюсовым выводом питания микроконтроллера, управляющий вход управляемого ключа соединен с дискретным выходом микроконтроллера, вход аналогово-цифрового преобразователя которого соединен с выходом делителя напряжения, а минусовая клемма электромагнита и минусовой вывод питания микроконтроллера соединены со второй клеммой питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены преобразователь напряжения, фильтр питания, преобразователь интерфейса и датчик срабатывания электромагнита, связанный с его якорем, причем плюсовой и минусовой выводы преобразователя напряжения соединены с соответствующими клеммами питания, его управляющий вход соединен с аналоговым выходом микроконтроллера, а выход - с плюсовыми выводами управляемого ключа и фильтра питания, минусовой вывод которого соединен со второй клеммой питания, выход датчика срабатывания соединен с аналоговым входом компаратора микроконтроллера, вход данных которого соединен с выходом данных преобразователя интерфейса, чей вход данных соединен с выходом данных микроконтроллера, а двунаправленные выводы преобразователя интерфейса и дискретный вход микроконтроллера являются внешними сигнальными входами для управления электромагнитом.

7. Устройство для регулирования времени срабатывания электромагнита по п. 6, отличающееся тем, что в качестве микроконтроллера используется микросхема PIC16F1778-I/SO, у которой вывод 3 является аналоговым выходом, выводы 8 и 19 - минусовым выводом питания, вывод 11 - дискретным выходом, вывод 13 - аналоговым входом компаратора, вывод 14 - входом аналогово-цифрового преобразователя, вывод 15 - дискретным входом, вывод 16 - входом данных, вывод 18 - выходом данных, а вывод 20 - плюсовым выводом питания.