ITRM20000380A1 - Perfezionato dispositivo di controllo per elettromagneti e simili, inparticolare per l'azionamento di pompe di dosaggio di liquidi. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per Invenzione Industriale avente per titolo:

“PERFEZIONATO DISPOSITIVO DI CONTROLLO PER ELETTROMAGNETI E SIMILI, IN PARTICOLARE PER L’AZIONAMENTO DI POMPE DI DOSAGGIO DI LIQUIDI “

La presente invenzione si riferisce in generate alle pompe elettromagnetiche per il dosaggio di liquidi e concerne in modo particolare un perfezionamento nei dispositivi di controllo dell'elettromagnete impiegato per l’azionamento di tali pompe.

Come è noto, pompe elettromagnetiche sono impiegate per la additlvazione di liquidi (detergenti, sanificanti, disinfettanti, ecc.) in soluzioni acquose, mediante dosaggio predeterminabile e ripetibile nel tempo. Le prestazioni di targa sono genericamente identificate con la portata massima fornita nell'unità di tempo (litri/ora), dichiarata in funzione della pressione massima (espressa in bar) del serbatoio in cui si effettua il dosaggio.

Sotto l’aspetto funzionale, si osserva che il liquido viene dosato nella soluzione mediante l’azione meccanica di una membrana di interposizione, mossa mediante l’azione di due forze contrapposte: - una forza di spinta, ottenuta mediante l’attrazione magnetica esercitata sul pistone da un elettromagnete, eccitato da un impulso generato da un circuito elettronico, e

- una forza di richiamo, ottenuta mediante l’azione repulsiva di una molla coassiale al pistone e caricata, quindi, dal pistone stesso durante la fase di spinta.

La pressione massima di dosaggio e la portata massima ottenibile sono funzione di svariati parametri, fra cui, ad esempio, la forza di spinta e la corsa del pistone.

In questo quadro, la ottimizzazione del l'azionamento si propone come obiettivo essenzialmente l’aumento del rendimento del sistema elettromagnete-circuito, al fine di conseguire i seguenti risultati pratici:

- il migliore compromesso fra il costo e le dimensioni fisiche del magnete, in rapporto alle prestazioni desiderate,

- la riduzione dell'energia dispersa (cioè trasformata in forza di spinta), in favore del calore dissipato,

- la riduzione della potenza elettrica richiesta alla rete di alimentazione, mediante un parziale recupero dell’energia restituita dall'elettromagnete in fase di richiamo.

Il susseguirsi delle azioni delle forze citate è ottenuto mediante un treno di impulsi a frequenza controllata, costituito da

un tempo di ON, detto ciclo, corrispondente alla fase di spinta, durante il quale l’elettromagnete viene eccitato da una corrente unidirezionale, corrispondente alla corrente di rete raddrizzata ad onda intera,

un tempo di OFF, corrispondente alla fase di richiamo, in cui la corrente viene interrotta e l’elettromagnete, subendo la forza di ritorno esercitata da una molla, ritorna nella posizione di riposo.

La frequenza del treno di impulsi è l'inverso del periodo formato dalla somma del tempo di ciclo (cioè il tempo di ON) più il tempo di OFF.

Il problema di base che si è incontrato nella tecnica precedente nella progettazione e nel funzionamento di tali azionamenti è dovuto al fatto che quando da uno stato di eccitazione dell’elettromagnete si passa ad uno stato di apertura del circuito di alimentazione, l elettromagnete tende ad opporsi alla cessazione della alimentazione con la generazione di una forza elettromotrice inversa che, oltre a scaricare l’energia accumulata nell’elettromagnete stesso, può causare, con interruttori di tipo meccanico, la instaurazione di archi - elettrici fra i terminale dell'interruttore oppure, nel caso di interruttori elettronici, quali transistori e simili, la instaurazione di una tensione diretta sul transistore che raggiunge solitamente valori superiori alla tensione massima di scarica del transistore stesso, demolendolo.

Inoltre, come ben comprendono gli esperti nel ramo, nei circuiti di azionamento di un elettromagnete assume particolare importanza la rete di spegnimento dello stesso, la quale deve dissipare nel più breve tempo possibile l’energia accumulata nell'elettromagnete nella fase di accensione facendo decadere la corrente di spegnimento il più velocemente possibile. In caso contrario, il magnetismo residuo dell' elettromagnete porterebbe ad una drastica riduzione del rendimento, a causa di effetti collaterali indesiderabili, quali la magnetizzazione permanente del materiale ferroso dei quale l'elettromagnete : è composto, con conseguente necessità di rafforzamento della molla antagonista di rilascio dell’equipaggio mobile e di aumento del traferro fra la parte fissa e la parte mobile.

Tale problema è stato affrontato nella tecnica precedente essenzialmente con l'impiego di diodi in parallelo agli elettromagnèti, allo scopo di eliminare sia gli archi, sia lo sfondamento dei transistori.

Particolari accorgimenti e specifiche soluzioni sono stati adottati in un precedente brevetto della stessa Richiedente, depositato il 18 Maggio 1992, concernente un dispositivo di controllo per un elettromagnete comprendente un’ancora mobile ed un solenoide! di eccitazione alimentato da un generatore a cui l’elettromagnete è selettivamente connesso e staccato mediante un interruttore, in cui detto interruttore presenta una resistenza di modulo controllabile da mezzi di controllo per variare la costante di tempo del circuito.

Lo scopo generale delia presente invenzione ò di conseguire gli stessi obiettivi del brevetto precedente ed anche altri obiettivi a mezzo di particolari tecniche, attuabili mediante componenti di basso costo e di facile reperibilità, che permettano di estrarre il più velocemente possibile l’energia essenzialmente induttiva residua dall’elettromagnete durante la fase di diseccitazione (fase di richiamo) e di recuperare tale energia per restituirla all’elettromagnete nella successiva fase di spinta/eccitazione, per diminuire così il bilancio globale dell'energia richiesta.

Come si vedrà nel seguito, tali scopi vengono raggiunti dalla presente invenzione per mezzo di un circuito a doppio MOSFET (canale N e canale P) e mediante la trasformazione dell’energia recuperata in energia capacitiva, atta a ridurre le dispersioni di calore per effetto Joule e ad essere facilmente restituita all'elettromagnete.

Oggetto specifico della presente invenzione, quindi, è quello di realizzare un dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento per un elettromagnete comprendente, oltre ad una sorgente di alimentazione e detto elettromagnete, un primo ed un secondo interruttore, nonché un primo, un secondo ed un terzo diodo ed un condensatore di recupero di energia ed in cui detti diodi con opportune polarità, detto condensatore e detti due interruttori sono inseriti in un circuito simile a traliccio tale che, quando detti interruttori sono chiusi, si stabilisce una prima maglia di corrente o di eccitazione che comprende, nell'ordine, detta batterìa, detto primo diodo nel senso conduttore, detto secondo interruttore in condizione chiusa, Γ elettromagnete, detto primo interruttore in condizione chiusa, per chiudersi ancora su detta batteria.

Detto circuito simile a traliccio, inoltre, è tale che, quando detti interruttori sono aperti, detto elettromagnete è staccato dalla batteria di alimentazione e si forma una seconda maglia di corrente o maglia di spegnimento, che comprende, nell'ordine, detto elettromagnete, detto secando diodo nel senso conduttore, detto condensatore e detto primo diodo in senso conduttore, per chiudersi ancora su detto elettromagnete.

Nella preferita forma di realizzazione, detti interruttori sono interruttori a stato solido, realizzati a mezzo di transistori MOSFET.

Ulteriori particolarità e vantaggi della presente invenzione appariranno evidenti dal seguito della descrizione con riferimento ai disegni allegati, in cui è rappresentata a titolo illustrativo e non restrittivo la preferita forma di realizzazione.

Nei disegni:

le Figure 1 e 2 rappresentano due circuiti di alimentazione e spegnimento secondo la tecnica precedente, comprendenti uno e rispettivamente due diodi in parallelo all’elettromagnete,

la Figura 3 rappresenta un circuito di alimentazione e spegnimento secondo la presente invenzione,

le Figure 3A e 3B rappresentano l'andamento delle correnti nella fase di accensione e rispettivamente nella fase di spegnimento dell'elettromagnete nel circuito della Figura 3, e

la Figura 4 mostra uno schema temporale di funzionamento del detto elettromagnete.

Con riferimento alle figure 1 e 2, si vede che, in linea di principio, il circuito di alimentazione o eccitazione dell’elettromagnete L1 comprende essenzialmente una sorgente di alimentazione a batteria BT1 ed un interruttore S1 in serie all'elettromagnete L1. Come soluzione ai problemi sopra accennati, la tecnica precedente propone l’impiego di un diodo 01, in parallelo alj'elettromagnete, oppure di una combinazione di un diodo 01 insieme con un diodo Zener DZ1 tra loro in contropolarità ed ancora in parallelo all'elettromagnete. Ambedue queste soluzioni si sono dimostrate per qualche aspetto insufficienti, anche se la soluzione della Figura 2 è caratterizzata da una corrente di spegnimento con transitorio di decadimento più veloce e quindi preferibile.

Con riferimento alla Figura 3, è illustrata la soluzione proposta dalla presente invenzione comprendente, oltre detta sorgente di alimentazione BT1 e detto elettromagnete L1, un primo ed un secondo interruttore S1 ed S2, rispettivamente, nonché un primo, un secondo ed un terzo diodo D1 , D2 e D3, rispettivamente, nonché un condensatore C1 di recupero di energia. In particolare, si vede che I diodi D1, D2 e D3 con opportune polarità, il condensatore C1 ed i due interruttori S1 e S2 sono inseriti in un circuito simile a traliccio tale che, quando gli interruttori S1 e S2 sono chiusi, si stabilisce una prima maglia di corrente o maglia di eccitazione che comprende, nell'ordine detta batteria BT1, il primo diodo nei senso conduttore, detto secondo interruttore S2 in condizione chiusa, P elettromagnete L1, detto primo interruttore S1 in condizione chiusa, per chiudersi ancora su detta batteria BT1. Questa maglia di corrente è evidenziata nella Figura 3A dalle frecce di corrente. In essa è da notare, innanzi tutto, che, in questa situazione, P elettromagnete L1 viene eccitato. In secondo luogo, bisogna notare che il condensatore C1 risulta collegato in parallelo all' elettromagnete L1, per cui esso viene caricato, accumulando energia.

Quando gli interruttori S1 e S2 vengono aperti, come si vede nella Figura 3B, la descritta maglia di eccitazione viene aperta, per cui l elettromagnete L1 risulta staccato dalla batteria di alimentazione BT1, ma si forma una seconda maglia di corrente o maglia di spegnimento, che comprende, nell'ordine, detto elettromagnete L1, detto secondo diodo D2 nel senso conduttore, detto condensatore C1, detto primo diodo D1 in senso conduttore, per chiudersi ancora su détto elettromagnete L1. Questa maglia di corrente o di spegnimento è evidenziata nella Figura 3B dalle frecce di corrente. Bisogna notare che, in questa situazione, il condensatore C1 , che era carico, si scarica attraverso i' elettromagnete L1, restituendo l'energia in esso accumulata.

Sotto l'aspetto prettamente circuitale, si vede che le maglie sopra descritte sono realizzate grazie al fatto che detto primo diodo, D1 è collegato direttamente in serie a detta batterìa BT1, detto primo interruttore S1 è collegato direttamente in serie a detto elettromagnete L1, detto secondo interruttore S2 è inserito fra detto primo diodo D1 e detto elettromagnete L1, detto condensatore di recupero C1 è collegato tra il morsetto negativo della batteria BT1 ed il nodo intermedio tra detto primo diodo D1 e detto secondo interruttore S2. Inoltre, detto secondo diodo D2 è inserito tra il nodo intermedio fra detto elettromagnete L1 e detto primo interruttore S1 ed il nodo intermedio tra detto primo diodo D1 e detto secondo interruttore S2 e detto tèrzo diodo D3 è collegato in parallelo alla combinazione dell' elettromagnete L1 e del primo interruttore S1. La polarità di detto primo diodo 01 è tale da permettere alla corrente uscente dalla batteria BT1 di raggiungere Γ elettromagnete L1 e le polarità degli altri due diodi D2 e D3 sono tali da permettere a detto condensatore C1 di scaricarsi attraverso detto elettromagnete L1.

Un aspetto importantissimo della presente invenzione è da rilevarsi nel fatto che detti due interruttori S1 e S2 sono interruttori a stato solido, realizzati in particolare a mezzo di transistori MOSFET, in vista dei notevoli vantaggi che tali transistori interruttori offrono.

Coloro che sono esperti nel ramo comprenderanno facilmente che il circuito rappresentato nella Figura 3 ed operante nel modo rappresentato nelle Figure 3A e 3B presenta rispetto alle configurazioni della tecnica precedente i seguenti notevolissimi vantaggi:

- una corrente di spegnimento molto più veloce,

- una bassissima dissipazione nei componenti della rete di spegnimento, dovuta alla assenza di componenti resistivi, con conseguente bassissima generazione di calore,

- un parziale recupero dell'energia immagazzinata nel condensatore in fase di accensione.

Il vantaggio conseguente alla rapidità dello spegnimento comporta una ulteriore diminuzione della forza della molla di richiamo nonché dello spessore del traferro.

Il vantaggio conseguente alla bassa dissipazione resistiva è quello di evitare surriscaldamenti del circuito, permettendo una temperatura di lavoro ambientale più elevata, il tutto a beneficio della affidabilità.

Il vantaggio connesso al recupero dell'energia accumulata in un condensatore permette, rispetto alle configurazioni di tecnica precedente, a parità di lavoro, un risparmio dell'energia prelevata dalla rete di alimentazione: nella pratica, tale vantaggio si traduce nella possibilità di aumentare la corsa dell'equipaggio mobile, a tutto beneficio del rendimento della parte idraulica.

Come si comprenderà facilmente dalla precedente descrizione, gli scopi che la presente invenzione si proponeva sono stati pienamente raggiunti, in quanto

a parità di prestazioni, l'energia dissipata in calore e quindi l’energia globale prelevata dalla rete di alimentazione è diminuita rispetto alle soluzioni analoghe presenti nella tecnica precedente, in condizioni di potenza elettrica assorbita costante, le prestazioni ottenute sono indipendenti dalla tensione di alimentazione entro un ampio intervallo e

i componenti richiesti per l'azionamento sono di comune reperibilità e basso costo e non necessitano di specifici accorgimenti per la dissipazione di calore (alette metalliche etc.)

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, ma è da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle allegate.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1 Dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento per un elettromagnete caratterizzato dal fatto che comprende, oltre ad una sorgente di aiimentazione (BT1) e detto elettromagnete (L1), un primo ed un secondo interruttore (S1 ed S2), nonché un primo, un secondo ed un terzo diodo (D1, D2 e D3) ed un condensatore (C1) di recupero di energia e dal fatto che detti diodi (D1, D2 e D3) con opportune polarità, detto condensatore (C1) e detti due interruttori (S1 e S2) sono inseriti in un circuito simile a traliccio tale che, quando detti interruttori (S1 e S2) sono chiusi, si stabilisce una prima maglia di corrente o maglia di eccitazione che comprende, nell'ordine, detta batteria (BJ1), detto primo diodo (D1) nel senso conduttore, detto secondo interruttore (S2) in condizione chiusa, l elettromagnete (L1), detto primo interruttore (S1) in condizione chiusa, per chiudersi ancora su detta batteria (BT1). 2.- Dispositivo di controllo dì eccitazione e spegnimento per un elettromagnete caratterizzato dal fatto che comprende, oltre ad una sorgente di alimentazione (BT1) e detto elettromagnete (L1), un primo ed un secondo interruttore (S1 ed S2), nonché un primo, un secóndo ed un terzo diodo (Di, D2 e D3) ed un condensatore (C1) dì recupero di energia e dal fatto che deti diodi (D1, D2 e D3) con opportune polarità, detto condensatore (C1) e detti due interruttori (S1 e S2) sono inseriti in un circuito simile a traliccio tale che, quando detti interruttori (S1 e S2) sono aperti, detto elettromagnete (Li) è staccato dalla batteria di alimentazione (BT1), e si forma una seconda maglia di corrente o maglia di spegnimento, che comprende, nell’ordine, detto elettromagnete (L1), detto secondo diodo (D2) nel senso conduttore, detto condensatore (C1), detto primo diodo (D1) in senso conduttore, per chiudersi ancora su detto elettromagnete (L1 ). 3.- Dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento secondo la rivendicazione 1 o 2, caratterizzato dal fatto che detto primo diodo (D1) è collegato direttamente in serie a detta batterìa (BT1), detto primo interruttore (S1) è collegato direttamente in serie a detto elettromagnete (L1), detto secondo interruttore (S2) è inserito fra detto primo diodo (D1) e detto elettromagnete (L1), detto condensatore di recupero (C1) è collegato tra il morsetto negativo della batterìa (BT1) ed il nodo intermedio tra detto primo diodo (D1) e detto secondo interruttore (S2), detto secondo diodo (D2) è inserito tra il nodo intermedio fra detto elettromagnete (L1) e detto primo interruttore (S1) ed il nodo intermedio tra detto primo diodo (D1) e detto secondo interruttore (S2) e detto terzo diodo (D3) è collegato in parallelo alla combinazione dell' elettromagnete (L1) e del primo interruttore (S1). 4.- Dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che la polarità di detto primo diodo (D1) è tale da permettere alla corrente uscente dalla batteria (BT1) di raggiungere l elettromagnete (L1) e le polarità degli altri due diodi (D2 e D3) sono tali da permettere a detto condensatore (C1) di scaricarsi attraverso detto elettromagnete (L1). 5.- Dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento secondo una qualsiasi delle precèdenti rivendicazioni, caratterizzato dal fatto che detti interruttori (S1, S2) sono interruttori a stato solido, realizzati a mezzo di transistori MOSFET. 6.- Dispositivo di controllo di eccitazione e spegnimento per un elettromagnete secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni e sostanzialmente come descritto e rappresentato.