DE1922955B2 - Schaltungsanordnung zum Betrieb von Elektromagneten - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Elektromagneten, dessen Erregerwicklung über einen gesteuerten Leistungsschalter. der jeweils für eine kurze Einschaltzeit geschlossen wird, mit einer Betriebsspannungsquelle, deren Gleichspannung höher ist als die zum Erreichen des Betriebsstromes erforderliche Spannung, verbunden ist, wobei die Dauer von Einschaltzeit und Schaltpause klein ist gegenüber der Zeitkonstanten des Elektromagneten und der Mittelwert des Betriebsstromes über das Verhältnis der Einschaltzeit zur Dauer eines Schaltspiels (Tastverhältnis) einstellbar ist. Eine derartige Schaltungsanordnung ist in dem Patent 1 613 145 vorgeschlagen worden.

Bei Elektromagneten wird die Anzugszeit neben den mechanischen Eigenschaften des beweglichen Ankers maßgeblich durch die Zeit bestimmt, in der der Strom in der Erregerspule nach dem Einschalten den zum Anziehen des Ankers erforderlichen Schwellwert, den Anzugstrom, erreicht. Die Abfallzeit wird dementsprechend durch die Zeit bestimmt, in der der Strom in der Erregerspule nach dem Abschalten den mindestens zum Halten des Ankers erforderlichen Wert, den Haltestrom, unterschreitet. Der Strom in der Erregerspule ändert sich bei gleichbleibender Induktivität nach einem Exponentialgesetz proportional der angelegten Spannung mit der Zeitkonstanten UR. wobei L die Induktivität und R den Widerstand des Stromkreises angibt.

Es sind bereits mehrere Methoden zur Verkürzung der Anzugs- und/oder Abfallzeit von Elektromagneten bekannt: Neben der Einfügung eines zusätzlichen Ohmschen Widerstandes in den Stromkreis, was eine hohe anteilmäßige Verlustleistung zur Folge hat, beruhen diese darauf, den Magneten zunächst an eine höhere Spannung anzuschalten als zum Dauerbetrieb erforderlich und zulässig ist (USA.-Patentschnft 3 158 791), deutsche Auslegeschrift 1 219 977, Patent 1 613 145).

Die anschließend erforderliche Begrenzung des Betriebsstromes erfolgt entweder durch Reduzierung der Spannung (Entladen eines Kondensators, Umschalten auf eine andere Spannungsquelle) oder im Falle des Patentes 1 613 145 durch Tasten der Betriebsspannung. Im letzteren Falle wird der Strom des Magneten" in den Tastpausen wegen der relativ niedrig gewählten Tastfrequenz durch eine Freilaufdiode 19" aufrechterhalten. Mit einere solchen Schaltungsanordnung sind deshalb kurze Abfallzeiten nicht zu erreichen.

Es sind ferner Schaltungsanordnungen bekannt, die es gestatten, die beim Abschalten eines Magneten freiwerdende magnetische Energie als elektrische Energie zum Teil zurückgewinnen, um sie z. B. bei einem späteren Wiedereinschalten wieder in den Magneten einspeisen zu können (USA.-Patentschrift 3 158 791, deutsche Auslegeschrift 1 219 977). Diese Schaltungen erfordern jedoch jeweils eine größere Anzahl von Leistungsschaltern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit nur zwei Leistungsschalter^ wovon einer ungesteuen sein kann, einen Elektromagneten so an- und abzuschalten, daß im zeitlichen Mittelwert nur die zum Betrieb des Elektromagneten erforderliche elektrische Leistung verbraucht wird und trotzdem kurze Anzug- und Abfallzeiten erreicht werden und außerdem die beim Abschalten des Magneten freiwerdendc Energie zum Teil als elektrische Energie zurückgewonnen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besieht darin, daß bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art ein Ende der Erregerwicklung oder ein Ende mit der Erregerwicklung induktiv gekoppelten zweiten Wicklung des Elektromagneten über eine Diode mit einer Gleichspannungsquelle mit einer von Null wesentlich verschiedenen Spannung verbunden ist.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird in den Schaltpausen die in der Erregerspule erzeugte Gegenspannung über die Diode auf die von Null wesentlich verschiedene Spannung t/2 der Gleichspannungsquelle begrenzt. Wählt man die Dauer von Schaltzeit und Schaltpause klein gegenüber der Zeitkonstanten des Magneten, so ändert sich während eines Schaltspiels der Strom in der Erregerspule nur wenig. Sein mittlerer Wert läßt sich bei sonst konstanten Bedingungen durch das Verhältnis von Schaltzeit des gesteuerten Leistungsschalters zu der Dauer eines Schaltspiels, dem Tastverhältnis, einstellen. Wählt man beim Einschalten das Tastverhältnis möglichst groß, im allgemeinen eins, so bekommt man einen schnellen Stromanstieg. Wenn der Strom den gewünschten Spitzenwert erreicht hat, wird das Tastverhältnis verringert, so daß sich der ge-

wünschte mittlere Betriebsstrom einstellt. Beim Ausschalten des Elektromagneten wird das Tastverhältnis 0. Die Geschwindigkeit ist hierbei von der Größe der Spannung 1/2 abhängig. Ein Teil der in dem Magneten gespeicherten magnetischen Eneigie wird dabei wie auch während der Schaltpausen als elektrische Energie an die Quelle der Spannung U 2 abgegeben, die entsprechend aufnahmefähig sein muß. Die Aufnahmefähigkeit dieser Spannungsquelle für die rückgespeiste Energie kann z. B. kurzzeitig durch entsprechend große Kondensatoren, langzeitig dadurch sichergestellt werden, daß die Betriebsspannung U1 durch Spannungswandler aus der Spannung U2 oder aus der Summe der Spannungen i/l und C/2 gewonnen wird, da der Elektromagnet im zeitliehen Mittel eine höhere elektrische Leistung aufnimmt als er abgibt.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, mit nur einem gesteuerten Leistungsschalter und einer Diode den im jeweiligen Betriebsfall eines Elektromagneten benötigten Strom durch Ändern des Tastverhältnisses schnell und verlustarm einstellen zu können und gleichzeitig die beim Abschalten freiwerdende magnetische Energie ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand zurückgewinnen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Auswahlmagneten eines schnellen elektromechanischen Druckers. Die Erregerwicklung M wird über den gesteuerten Leistungsschalter SL (hier ein Leistungstransistor) an die Betriebsspannung C/l angeschaltet. Wird SL gesperrt, so kann der Erregerstrom zunächst über die Diode D zur Quelle der Spannung U 2 weiterfiießen, bis die im Magneten gespeicherte Energie aufgebraucht ist. Die erforderliche Steuerung des Tastverhältnisses T von SL übernimmt die Schaltung mit den Transistoren Sl und 52. Im hier angeführten Beispiel kann T die Werte 0, Betriebsmaß b und 1 annehmen.

Eine Pulsfolge mit dem Tastverhältnis T = b liefert ein Taktgenerator, der von mehreren Schaltungsanordnungen zum Betrieb von Elektromagneten gemeinsam benutz; wird. (Hier nicht gezeigt.) Liegt an der Eingangsklemme E eine positive Spannung, so ist S 2 über Ä2 leitend. Damit sind 53 und SL gesperrt (T = 0). Ändert man die Eingangsspannung an £ plötzlich auf Null, so wird 52 gesperrt. 51 wird über den Kondensator C ebenfalls gesperrt, da dieser noch aufgeladen ist. Damit werden 53 und SL durchgesteuert, am Magneten M liegt die Spannung i/l dauernd an (T = 1). Der Strom in der Erregerwicklung M steigt entsprechend der Höhe von U1 schnell an. Der Kondensator C entlädt sich nun über R1 und A3. Ist dieser Vorgang weit genug fortgeschritten, so wird die vom Taktgenerator gelieferte und am Emitter von 51 anliegende Pulsfolge wirksam. 51 wirkt als Verstärker in Blockbasis-Schaltung. Die verstärkte Pulsfolge steuert über 53 den Leistungsschalter SL.

Die Spannung an der Erregerwicklung M wird im durchgesteuerten Zustand von SL gleich C/l und im gesperrten Zustand von SL gleich — C/2. Bei genügend hoher Pulsfrequenz schwankt der Strom in der Erregerwicklung nur geringfügig um seinen Mittelwert. Wird die Spannung an Punkt £ wieder genügend positiv, so wird 52 leitend. Damit werden 53 und 5L wieder gesperrt. Der Strom in der Erregerwicklung M klingt entsprechend der Höhe der Gegenspannung U 2 schnell ab. Die Spannung U 3 von 51, 52 und 53 ist in diesem Ausführungsbeispiel kleiner als L/1: sie kann auch z. B. mit Ul identisch sein.

Der Widerstand R 5 begrenzt den Steuerstrom von SL, R6 nimmt die Restströme von 53 und SL auf.

F i g. 2 zeigt eine etwas abweichende Schaltungsanordnung. Hier wird die in den Schaltpausen induzierte Gegenspannung an einer mit der Erregerwicklung M des Magneten fest gekoppelten gegensinnig geschalteten Wicklung Ml abgegriffen und über die Diode D an die Spannung U1 geschaltet. Die freiwerdende magnetische Energie wird dadurch als elektrische Energie an die Quelle der Spannung Vl weitgehend zurückgeführt.

Wählt man das Übersetzungsverhältnis der Erregerwicklung M des Magneten zu der Wicklung Ml gleich dem Verhältnis der Spannungen Ul zu U 2 in F i g. 1, so erhält man die gleichen Anzug- und Abfallzeiten wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Elektromagneten, dessen Erregerwicklung über einen gesteuerten Leistungsschalter, der jeweils für eine kurze Einschaltzeit geschlossen wird, mit einer Betriebsspannungsquelle, deren Gleichspannung höher ist als die zum Erreichen des Betriebsstromes erforderliche Spannung, verbunden ist, wobei die Dauer von Einschaltzeit und Schaltpause klein ist gegenüber der Zeitkonstanten des Elektromagneten und der Mittelwert des Betriebsstromes über das Verhältnis der Einschaltzeit zur Dauer eines Schaltspiels (Tastverhältnis) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende der Erregerwicklung^/) oder ein Ende einer mit der Erregerwicklung (M) induktiv gekoppelten zweiten Wicklung (Ml) des Elektromagneten über eine Diode (D) mit einer Gleichspannungsquelle mit einer von Null wesentlich verschiedenen Spannung (U2) verbunden ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (t/l) durch Wandler aus der Gleichspannungsquelle mit der von Null wesentlich verschiedenen Spannung (t/2) gewonnen wird.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (t/2) der Gleichspannungsquelle gleich der Betriebsspannung (t/l) ist und daß die zweite Wicklung (Ml) über die Diode (D) mit der Betriebsspannungsquelle verbunden ist.

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