Principes fondamentaux du circuit électrique Magnabend

MAGNABEND - FONCTIONNEMENT DU CIRCUIT
La plieuse de tôles Magnabend est conçue comme un électro-aimant de serrage DC.
Le circuit le plus simple requis pour piloter la bobine électromagnétique se compose uniquement d'un interrupteur et d'un pont redresseur :
Figure 1 : Circuit minimal :

Circuit minimal

Il est à noter que l'interrupteur ON/OFF est connecté du côté AC du circuit.Cela permet au courant de la bobine inductive de circuler à travers les diodes dans le pont redresseur après la mise hors tension jusqu'à ce que le courant décroisse de façon exponentielle jusqu'à zéro.
(Les diodes du pont agissent comme des diodes "fly-back").

Pour un fonctionnement plus sûr et plus pratique, il est souhaitable d'avoir un circuit qui fournit un verrouillage à 2 mains et également un serrage en 2 étapes.Le verrouillage à 2 mains aide à garantir que les doigts ne peuvent pas être coincés sous la barre de serrage et le serrage par étapes donne un démarrage plus doux et permet également à une main de maintenir les choses en place jusqu'à ce que le pré-serrage soit activé.

Figure 2 : Circuit avec verrouillage et serrage en 2 étapes :

Lorsque le bouton START est enfoncé, une petite tension est fournie à la bobine de l'aimant via le condensateur CA, produisant ainsi un léger effet de serrage.Cette méthode réactive de limitation du courant vers la bobine n'implique aucune dissipation de puissance significative dans le dispositif de limitation (le condensateur).
Le serrage complet est obtenu lorsque le commutateur actionné par le faisceau de flexion et le bouton START sont actionnés ensemble.
En règle générale, le bouton START serait enfoncé en premier (avec la main gauche), puis la poignée de la poutre de flexion serait tirée avec l'autre main.Le serrage complet ne se produira pas à moins qu'il y ait un certain chevauchement dans le fonctionnement des 2 interrupteurs.Cependant, une fois le serrage complet établi, il n'est pas nécessaire de maintenir le bouton START enfoncé.

Magnétisme résiduel
Un petit mais important problème avec la machine Magnabend, comme avec la plupart des électro-aimants, est le problème du magnétisme résiduel.C'est la petite quantité de magnétisme qui reste après que l'aimant est éteint.Cela fait que les barres de serrage restent faiblement serrées sur le corps de l'aimant, ce qui rend difficile le retrait de la pièce.

L'utilisation de fer magnétiquement doux est l'une des nombreuses approches possibles pour surmonter le magnétisme résiduel.
Cependant, ce matériau est difficile à obtenir dans les tailles de stock et il est également physiquement mou, ce qui signifie qu'il serait facilement endommagé dans une machine à cintrer.

L'inclusion d'un entrefer non magnétique dans le circuit magnétique est peut-être le moyen le plus simple de réduire le magnétisme rémanent.Cette méthode est efficace et assez facile à réaliser dans un corps d'aimant fabriqué - il suffit d'incorporer un morceau de carton ou d'aluminium d'environ 0,2 mm d'épaisseur entre, par exemple, le pôle avant et la pièce centrale avant de boulonner les pièces de l'aimant ensemble.Le principal inconvénient de cette méthode est que l'entrefer non magnétique réduit le flux disponible pour un serrage complet.De plus, il n'est pas simple d'incorporer l'espace dans un corps d'aimant monobloc tel qu'utilisé pour la conception d'aimant de type E.

Un champ de polarisation inverse, produit par une bobine auxiliaire, est également une méthode efficace.Mais cela implique une complexité supplémentaire injustifiée dans la fabrication de la bobine et également dans le circuit de commande, bien qu'elle ait été utilisée brièvement dans une première conception de Magnabend.

Une oscillation décroissante ("sonnerie") est conceptuellement une très bonne méthode de démagnétisation.

Sonnerie amortie Forme d'onde de sonnerie

Ces photos d'oscilloscope représentent la tension (trace supérieure) et le courant (trace inférieure) dans une bobine Magnabend avec un condensateur approprié connecté à travers elle pour la faire auto-osciller.(L'alimentation CA a été coupée approximativement au milieu de l'image).

La première image concerne un circuit magnétique ouvert, c'est-à-dire sans pince sur l'aimant.La deuxième image concerne un circuit magnétique fermé, c'est-à-dire avec une barre de serrage pleine longueur sur l'aimant.
Dans la première image, la tension présente une oscillation décroissante (sonnerie) ainsi que le courant (trace inférieure), mais dans la deuxième image, la tension n'oscille pas et le courant ne parvient même pas à s'inverser du tout.Cela signifie qu'il n'y aurait pas d'oscillation du flux magnétique et donc pas d'annulation du magnétisme résiduel.
Le problème est que l'aimant est trop fortement amorti, principalement en raison des pertes de courant de Foucault dans l'acier, et donc malheureusement cette méthode ne fonctionne pas pour le Magnabend.

L'oscillation forcée est encore une autre idée.Si l'aimant est trop amorti pour s'auto-osciller, il pourrait être forcé d'osciller par des circuits actifs fournissant de l'énergie selon les besoins.Cela a également été étudié en profondeur pour le Magnabend.Son principal inconvénient est qu'il implique des circuits trop compliqués.

La démagnétisation par impulsion inverse est la méthode qui s'est avérée la plus rentable pour le Magnabend.Les détails de cette conception représentent le travail original effectué par Magnetic Engineering Pty Ltd. Une discussion détaillée suit :

DÉMAGNÉTISATION À IMPULSION INVERSE
L'essence de cette idée est de stocker de l'énergie dans un condensateur, puis de la libérer dans la bobine juste après l'arrêt de l'aimant.La polarité doit être telle que le condensateur induise un courant inverse dans la bobine.La quantité d'énergie stockée dans le condensateur peut être adaptée pour être juste suffisante pour annuler le magnétisme résiduel.(Trop d'énergie pourrait en faire trop et re-magnétiser l'aimant dans la direction opposée).

Un autre avantage de la méthode d'impulsion inverse est qu'elle produit une démagnétisation très rapide et une libération presque instantanée de la barre de serrage de l'aimant.En effet, il n'est pas nécessaire d'attendre que le courant de la bobine tombe à zéro avant de connecter l'impulsion inverse.Lors de l'application de l'impulsion, le courant de la bobine est forcé à zéro (puis à l'inverse) beaucoup plus rapidement que ne l'aurait été sa décroissance exponentielle normale.

Figure 3 : Circuit d'impulsion inverse de base

Demag de base Cct

Maintenant, normalement, placer un contact de commutation entre le redresseur et la bobine de l'aimant, c'est "jouer avec le feu".
En effet, un courant inductif ne peut pas être brusquement interrompu.Si c'est le cas, les contacts de l'interrupteur formeront un arc et l'interrupteur sera endommagé ou même complètement détruit.(L'équivalent mécanique serait d'essayer d'arrêter soudainement un volant d'inertie).
Ainsi, quel que soit le circuit conçu, il doit fournir un chemin efficace pour le courant de la bobine à tout moment, y compris pendant les quelques millisecondes pendant lesquelles un contact de commutation change.
Le circuit ci-dessus, qui se compose de seulement 2 condensateurs et 2 diodes (plus un contact de relais), réalise les fonctions de charge du condensateur de stockage à une tension négative (par rapport au côté de référence de la bobine) et fournit également une voie alternative pour la bobine courant pendant que le contact de relais est à la volée.

Comment ça fonctionne:
En gros, D1 et C2 agissent comme une pompe de charge pour C1 tandis que D2 est une diode de blocage qui empêche le point B de devenir positif.
Pendant que l'aimant est allumé, le contact du relais sera connecté à sa borne "normalement ouverte" (NO) et l'aimant fera son travail normal de serrage de la tôle.La pompe de charge chargera C1 vers une tension négative de crête égale en amplitude à la tension de crête de la bobine.La tension sur C1 augmentera de façon exponentielle mais elle sera complètement chargée en environ 1/2 seconde.
Il reste ensuite dans cet état jusqu'à ce que la machine soit éteinte.
Immédiatement après l'arrêt, le relais s'enclenche pendant un court instant.Pendant ce temps, le courant de bobine hautement inductif continuera de circuler à travers les diodes du pont redresseur.Maintenant, après un délai d'environ 30 millisecondes, le contact du relais commencera à se séparer.Le courant de la bobine ne peut plus passer par les diodes de redressement mais trouve à la place un chemin à travers C1, D1 et C2.La direction de ce courant est telle qu'il augmentera encore la charge négative sur C1 et il commencera à charger C2 également.

La valeur de C2 doit être suffisamment grande pour contrôler le taux d'augmentation de la tension à travers le contact de relais d'ouverture pour s'assurer qu'un arc ne se forme pas.Une valeur d'environ 5 microfarads par ampère de courant de bobine est adéquate pour un relais typique.

La figure 4 ci-dessous montre les détails des formes d'onde qui se produisent pendant la première demi-seconde après la mise hors tension.La rampe de tension qui est commandée par C2 est bien visible sur la trace rouge au milieu de la figure, elle est repérée "Contact relais à la volée".(Le temps de survol réel peut être déduit de cette trace ; il est d'environ 1,5 ms).
Dès que l'armature du relais atterrit sur sa borne NC, le condensateur de stockage chargé négativement est connecté à la bobine de l'aimant.Cela n'inverse pas immédiatement le courant de la bobine, mais le courant circule maintenant "en montée" et il est donc rapidement forcé à passer par zéro et vers un pic négatif qui se produit environ 80 ms après la connexion du condensateur de stockage.(Voir Figure 5).Le courant négatif induira un flux négatif dans l'aimant qui annulera le magnétisme résiduel et la barre de serrage et la pièce seront rapidement libérées.

Figure 4 : Formes d'onde étendues

Formes d'onde étendues

Figure 5 : Formes d'onde de tension et de courant sur la bobine magnétique

Formes d'onde 1

La figure 5 ci-dessus illustre les formes d'onde de tension et de courant sur la bobine magnétique pendant la phase de pré-bridage, la phase de serrage complète et la phase de démagnétisation.

On pense que la simplicité et l'efficacité de ce circuit de démagnétisation devraient signifier qu'il trouvera une application dans d'autres électroaimants nécessitant une démagnétisation.Même si le magnétisme résiduel n'est pas un problème, ce circuit pourrait toujours être très utile pour commuter très rapidement le courant de la bobine à zéro et donc donner une libération rapide.
Circuit pratique de Magnabend :

Les concepts de circuit décrits ci-dessus peuvent être combinés en un circuit complet avec à la fois un verrouillage à 2 mains et une démagnétisation par impulsion inverse, comme indiqué ci-dessous (Figure 6) :

Figure 6 : Circuit combiné

Circuit complet simplifié

Ce circuit fonctionnera mais malheureusement il est quelque peu peu fiable.
Pour obtenir un fonctionnement fiable et une durée de vie plus longue du commutateur, il est nécessaire d'ajouter des composants supplémentaires au circuit de base, comme indiqué ci-dessous (Figure 7) :
Figure 7 : Circuit combiné avec raffinements

CCT complet Magnabend (1)

SW1 :
Il s'agit d'un interrupteur d'isolement à 2 pôles.Il est ajouté pour plus de commodité et pour se conformer aux normes électriques.Il est également souhaitable que cet interrupteur intègre un voyant lumineux au néon pour indiquer l'état ON/OFF du circuit.

D3 et C4 :
Sans D3, le verrouillage du relais n'est pas fiable et dépend quelque peu de la mise en phase de la forme d'onde du secteur au moment du fonctionnement du commutateur de faisceau de flexion.D3 introduit un retard (typiquement 30 millisecondes) dans la désactivation du relais.Cela surmonte le problème de verrouillage et il est également avantageux d'avoir un délai de désactivation juste avant le début de l'impulsion de démagnétisation (plus tard dans le cycle).C4 fournit un couplage AC du circuit de relais qui serait autrement un court-circuit demi-onde lorsque le bouton START a été enfoncé.

THERMIE.CHANGER:
Cet interrupteur a son boîtier en contact avec le corps de l'aimant et il se mettra en circuit ouvert si l'aimant devient trop chaud (>70 C).Le mettre en série avec la bobine de relais signifie qu'il n'a qu'à commuter le petit courant à travers la bobine de relais plutôt que le courant de l'aimant complet.

R2 :
Lorsque le bouton START est enfoncé, le relais s'enclenche et il y aura alors un courant d'appel qui charge C3 via le pont redresseur, C2 et la diode D2.Sans R2, il n'y aurait pas de résistance dans ce circuit et le courant élevé résultant pourrait endommager les contacts du commutateur START.
En outre, il existe une autre condition de circuit où R2 fournit une protection : si le commutateur de faisceau de flexion (SW2) se déplace de la borne NO (où il transporterait le courant d'aimant complet) à la borne NC, alors souvent un arc se formerait et si le L'interrupteur START était toujours maintenu à ce moment-là, alors C3 serait en fait court-circuité et, selon la tension sur C3, cela pourrait endommager SW2.Cependant, encore une fois, R2 limiterait ce courant de court-circuit à une valeur sûre.R2 n'a besoin que d'une faible valeur de résistance (généralement 2 ohms) pour fournir une protection suffisante.

Varistance :
La varistance, qui est connectée entre les bornes AC du redresseur, ne fait normalement rien.Mais s'il y a une surtension sur le secteur (due par exemple à un coup de foudre à proximité), la varistance absorbera l'énergie de la surtension et empêchera la pointe de tension d'endommager le pont redresseur.

R1 :
Si le bouton START devait être enfoncé pendant une impulsion de démagnétisation, cela provoquerait probablement un arc au contact du relais qui, à son tour, court-circuiterait virtuellement C1 (le condensateur de stockage).L'énergie du condensateur serait déversée dans le circuit composé de C1, du pont redresseur et de l'arc dans le relais.Sans R1, il y a très peu de résistance dans ce circuit et donc le courant serait très élevé et serait suffisant pour souder les contacts dans le relais.R1 offre une protection dans cette éventualité (quelque peu inhabituelle).

Remarque spéciale concernant le choix de R1 :
Si l'éventualité décrite ci-dessus se produit, R1 absorbera pratiquement toute l'énergie stockée dans C1, quelle que soit la valeur réelle de R1.Nous voulons que R1 soit grand par rapport aux autres résistances du circuit mais petit par rapport à la résistance de la bobine Magnabend (sinon R1 réduirait l'efficacité de l'impulsion de démagnétisation).Une valeur d'environ 5 à 10 ohms conviendrait mais quelle puissance R1 doit avoir ?Ce que nous devons vraiment spécifier, c'est la puissance d'impulsion ou la cote énergétique de la résistance.Mais cette caractéristique n'est généralement pas spécifiée pour les résistances de puissance.Les résistances de puissance de faible valeur sont généralement bobinées et nous avons déterminé que le facteur critique à rechercher dans cette résistance est la quantité de fil réelle utilisée dans sa construction.Vous devez ouvrir une résistance d'échantillon et mesurer la jauge et la longueur du fil utilisé.A partir de là, calculez le volume total du fil puis choisissez une résistance avec au moins 20 mm3 de fil.
(Par exemple, une résistance de 6,8 ohms/11 watts de RS Components s'est avérée avoir un volume de fil de 24 mm3).

Heureusement, ces composants supplémentaires sont de petite taille et de faible coût et n'ajoutent donc que quelques dollars au coût global de l'électricité Magnabend.
Il y a un circuit supplémentaire qui n'a pas encore été discuté.Cela résout un problème relativement mineur :
Si le bouton START est enfoncé et n'est pas suivi d'une traction sur la poignée (ce qui donnerait autrement un serrage complet), le condensateur de stockage ne sera pas complètement chargé et l'impulsion de démagnétisation qui résulte du relâchement du bouton START ne démagnétisera pas complètement la machine. .La barre de serrage resterait alors collée à la machine et cela serait une nuisance.
L'ajout de D4 et R3, illustré en bleu sur la figure 8 ci-dessous, alimente une forme d'onde appropriée dans le circuit de la pompe de charge pour garantir que C1 est chargé même si le serrage complet n'est pas appliqué.(La valeur de R3 n'est pas critique - 220 ohms/10 watts conviendraient à la plupart des machines).
Figure 8 : Circuit avec démagnétisation après "START" uniquement :

Démagnétiser après START

Pour plus d'informations sur les composants du circuit, veuillez vous référer à la section Composants dans "Construisez votre propre Magnabend"
À des fins de référence, les schémas de circuit complets des machines Magnabend de type E de 240 volts CA fabriquées par Magnetic Engineering Pty Ltd sont présentés ci-dessous.

Notez que pour un fonctionnement sur 115 VCA, de nombreuses valeurs de composants doivent être modifiées.

Magnetic Engineering a cessé la production de machines Magnabend en 2003 lorsque l'entreprise a été vendue.

Circuit 650E

Circuit 1250E

Circuit 2500E

Remarque : La discussion ci-dessus visait à expliquer les grands principes du fonctionnement du circuit et tous les détails n'ont pas été couverts.Les circuits complets illustrés ci-dessus sont également inclus dans les manuels Magnabend qui sont disponibles ailleurs sur ce site.

Il convient également de noter que nous avons développé des versions entièrement à semi-conducteurs de ce circuit qui utilisaient des IGBT au lieu d'un relais pour commuter le courant.
Le circuit à semi-conducteurs n'a jamais été utilisé dans les machines Magnabend, mais a été utilisé pour des aimants spéciaux que nous avons fabriqués pour les lignes de production.Ces lignes de production produisaient généralement 5 000 articles (comme une porte de réfrigérateur) par jour.

Magnetic Engineering a cessé la production de machines Magnabend en 2003 lorsque l'entreprise a été vendue.

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