MAGNABEND - OPERAÇÃO DO CIRCUITO
A dobradeira de chapa Magnabend é projetada como um eletroímã de fixação DC.
O circuito mais simples necessário para acionar a bobina eletromagnética consiste apenas em uma chave e uma ponte retificadora:
Figura 1: Circuito Mínimo:
Deve-se notar que o interruptor ON/OFF está conectado no lado AC do circuito.Isso permite que a corrente da bobina indutiva circule pelos diodos na ponte retificadora após o desligamento até que a corrente decaia exponencialmente para zero.
(Os diodos na ponte estão agindo como diodos "fly-back").
Para uma operação mais segura e conveniente, é desejável ter um circuito que forneça um intertravamento de 2 mãos e também uma fixação de 2 estágios.O bloqueio de 2 mãos ajuda a garantir que os dedos não fiquem presos sob a barra de fixação e a fixação escalonada proporciona um início mais suave e também permite que uma mão segure as coisas no lugar até que a pré-fixação seja ativada.
Figura 2: Circuito com Intertravamento e Fixação em 2 Estágios:
Quando o botão START é pressionado, uma pequena voltagem é fornecida à bobina magnética através do capacitor AC, produzindo assim um leve efeito de fixação.Este método reativo de limitar a corrente para a bobina não envolve dissipação de energia significativa no dispositivo limitador (o capacitor).
A fixação total é obtida quando a chave operada pela viga de dobra e o botão START são operados juntos.
Normalmente, o botão START seria pressionado primeiro (com a mão esquerda) e, em seguida, a alça da viga de flexão seria puxada com a outra mão.A fixação total não ocorrerá a menos que haja alguma sobreposição na operação dos 2 interruptores.No entanto, uma vez estabelecida a fixação total, não é necessário manter pressionado o botão START.
Magnetismo residual
Um problema pequeno, mas significativo, com a máquina Magnabend, como com a maioria dos eletroímãs, é o problema do magnetismo residual.Esta é a pequena quantidade de magnetismo que permanece depois que o ímã é desligado.Isso faz com que as barras de fixação permaneçam fracamente presas ao corpo do ímã, dificultando a remoção da peça de trabalho.
O uso de ferro magneticamente macio é uma das muitas abordagens possíveis para superar o magnetismo residual.
No entanto, este material é difícil de obter em tamanhos de estoque e também é fisicamente macio, o que significa que seria facilmente danificado em uma máquina de dobra.
A inclusão de um intervalo não magnético no circuito magnético é talvez a maneira mais simples de reduzir o magnetismo remanescente.Este método é eficaz e é bastante fácil de conseguir em um corpo de ímã fabricado - basta incorporar um pedaço de papelão ou alumínio com cerca de 0,2 mm de espessura entre, digamos, o pólo frontal e a peça central antes de aparafusar as partes do ímã.A principal desvantagem deste método é que a lacuna não magnética reduz o fluxo disponível para fixação total.Além disso, não é direto incorporar a lacuna em um corpo de ímã de peça única, como usado para o projeto de ímã do tipo E.
Um campo de polarização reversa, produzido por uma bobina auxiliar, também é um método eficaz.Mas envolve complexidade extra injustificada na fabricação da bobina e também no circuito de controle, embora tenha sido usado brevemente em um projeto inicial da Magnabend.
Uma oscilação decrescente ("ringing") é conceitualmente um método muito bom para desmagnetizar.
Essas fotos do osciloscópio mostram a tensão (traço superior) e a corrente (traço inferior) em uma bobina Magnabend com um capacitor adequado conectado através dela para fazê-la oscilar automaticamente.(A alimentação CA foi desligada aproximadamente no meio da imagem).
A primeira foto é de um circuito magnético aberto, ou seja, sem clampbar no imã.A segunda imagem é para um circuito magnético fechado, ou seja, com uma barra de fixação de comprimento total no ímã.
Na primeira foto, a tensão exibe oscilação decrescente (ringing) e também a corrente (traço inferior), mas na segunda foto a tensão não oscila e a corrente nem consegue se inverter.Isso significa que não haveria oscilação do fluxo magnético e, portanto, nenhum cancelamento do magnetismo residual.
O problema é que o ímã é muito amortecido, principalmente devido às perdas por correntes parasitas no aço e, portanto, infelizmente, esse método não funciona para o Magnabend.
A oscilação forçada é outra ideia.Se o ímã for muito amortecido para auto-oscilar, ele pode ser forçado a oscilar por circuitos ativos que fornecem energia conforme necessário.Isso também foi exaustivamente investigado para o Magnabend.Sua principal desvantagem é que envolve circuitos excessivamente complicados.
A desmagnetização por pulso reverso é o método que se mostrou mais econômico para o Magnabend.Os detalhes deste projeto representam o trabalho original realizado pela Magnetic Engineering Pty Ltd. Uma discussão detalhada segue:
DESMAGNETIZAÇÃO DE PULSO REVERSO
A essência dessa ideia é armazenar energia em um capacitor e liberá-la na bobina logo após o desligamento do ímã.A polaridade precisa ser tal que o capacitor induza uma corrente reversa na bobina.A quantidade de energia armazenada no capacitor pode ser ajustada para ser apenas suficiente para cancelar o magnetismo residual.(Muita energia pode exagerar e remagnetizar o ímã na direção oposta).
Outra vantagem do método de pulso reverso é que ele produz uma desmagnetização muito rápida e uma liberação quase instantânea da pinça do ímã.Isso ocorre porque não é necessário esperar que a corrente da bobina caia para zero antes de conectar o pulso reverso.Na aplicação do pulso, a corrente da bobina é forçada a zero (e depois ao contrário) muito mais rápido do que teria sido seu decaimento exponencial normal.
Figura 3: Circuito Básico de Pulso Reverso
Agora, normalmente, colocar um contato de comutação entre o retificador e a bobina magnética é "brincar com fogo".
Isso ocorre porque uma corrente indutiva não pode ser interrompida repentinamente.Se for, os contatos do interruptor irão arquear e o interruptor será danificado ou até mesmo completamente destruído.(O equivalente mecânico seria tentar parar repentinamente um volante).
Assim, qualquer que seja o circuito planejado, ele deve fornecer um caminho eficaz para a corrente da bobina em todos os momentos, inclusive por alguns milissegundos enquanto um contato do interruptor muda.
O circuito acima, que consiste em apenas 2 capacitores e 2 diodos (mais um contato de relé), realiza as funções de carregar o capacitor de armazenamento para uma tensão negativa (em relação ao lado de referência da bobina) e também fornece um caminho alternativo para a bobina corrente enquanto o contato do relé está ativo.
Como funciona:
Em geral, D1 e C2 atuam como uma bomba de carga para C1, enquanto D2 é um diodo de fixação que impede que o ponto B fique positivo.
Enquanto o imã estiver LIGADO, o contato do relé será conectado ao seu terminal "normalmente aberto" (NO) e o imã fará seu trabalho normal de prender chapas metálicas.A bomba de carga carregará C1 em direção a uma tensão negativa de pico igual em magnitude à tensão de pico da bobina.A tensão em C1 aumentará exponencialmente, mas estará totalmente carregada em cerca de 1/2 segundo.
Em seguida, permanece nesse estado até que a máquina seja desligada.
Imediatamente após o desligamento, o relé retém por um curto período de tempo.Durante este tempo, a corrente altamente indutiva da bobina continuará a recircular através dos diodos na ponte retificadora.Agora, após um atraso de cerca de 30 milissegundos, o contato do relé começará a se separar.A corrente da bobina não pode mais passar pelos diodos retificadores, mas encontra um caminho através de C1, D1 e C2.A direção dessa corrente é tal que aumentará ainda mais a carga negativa em C1 e começará a carregar C2 também.
O valor de C2 precisa ser grande o suficiente para controlar a taxa de aumento de tensão no contato do relé de abertura para garantir que não se forme um arco.Um valor de cerca de 5 microfarads por ampere de corrente da bobina é adequado para um relé típico.
A Figura 4 abaixo mostra detalhes das formas de onda que ocorrem durante o primeiro meio segundo após o desligamento.A rampa de tensão que está sendo controlada por C2 é claramente visível no traço vermelho no meio da figura, é rotulada como "Relay contact on the fly".(O tempo de sobrevoo real pode ser deduzido deste traço; é cerca de 1,5 ms).
Assim que a armadura do relé pousa em seu terminal NC, o capacitor de armazenamento carregado negativamente é conectado à bobina magnética.Isso não reverte imediatamente a corrente da bobina, mas a corrente agora está "subindo" e, portanto, é rapidamente forçada a zero e em direção a um pico negativo que ocorre cerca de 80 ms após a conexão do capacitor de armazenamento.(Ver Figura 5).A corrente negativa induzirá um fluxo negativo no ímã que cancelará o magnetismo residual e a pinça e a peça de trabalho serão liberadas rapidamente.
Figura 4: Formas de onda expandidas
Figura 5: Formas de onda de tensão e corrente na bobina magnética
A Figura 5 acima mostra as formas de onda de tensão e corrente na bobina magnética durante a fase de pré-fixação, a fase de fixação completa e a fase de desmagnetização.
Pensa-se que a simplicidade e a eficácia deste circuito de desmagnetização devem significar que encontrará aplicação noutros eletroímanes que necessitem de desmagnetização.Mesmo que o magnetismo residual não seja um problema, este circuito ainda pode ser muito útil para comutar a corrente da bobina para zero muito rapidamente e, portanto, fornecer uma liberação rápida.
Circuito Magnabend Prático:
Os conceitos de circuito discutidos acima podem ser combinados em um circuito completo com um intertravamento de 2 mãos e desmagnetização de pulso reverso, conforme mostrado abaixo (Figura 6):
Figura 6: Circuito Combinado
Este circuito funcionará, mas infelizmente não é confiável.
Para obter operação confiável e maior vida útil da chave é necessário adicionar alguns componentes extras ao circuito básico conforme mostrado abaixo (Figura 7):
Figura 7: Circuito Combinado com Refinamentos
SW1:
Este é um interruptor de isolamento de 2 polos.É adicionado por conveniência e para cumprir com os padrões elétricos.Também é desejável que este interruptor incorpore uma luz indicadora de néon para mostrar o estado ON/OFF do circuito.
D3 e C4:
Sem D3, o travamento do relé não é confiável e depende um pouco da fase da forma de onda da rede elétrica no momento da operação do interruptor do feixe de flexão.D3 introduz um atraso (tipicamente 30 milissegundos) no drop out do relé.Isso supera o problema de travamento e também é benéfico ter um atraso de queda logo antes do início do pulso de desmagnetização (mais tarde no ciclo).C4 fornece acoplamento CA do circuito do relé que, de outra forma, seria um curto-circuito de meia onda quando o botão START fosse pressionado.
TERM.TROCAR:
Esta chave tem seu invólucro em contato com o corpo do imã e entrará em circuito aberto se o imã ficar muito quente (>70 C).Colocá-lo em série com a bobina do relé significa que ele só precisa alternar a pequena corrente através da bobina do relé, em vez da corrente total do ímã.
R2:
Quando o botão START é pressionado, o relé puxa e, em seguida, haverá uma corrente de pico que carrega C3 através da ponte retificadora, C2 e diodo D2.Sem R2, não haveria resistência neste circuito e a alta corrente resultante poderia danificar os contatos da chave START.
Além disso, há outra condição de circuito em que R2 fornece proteção: se o interruptor do feixe de flexão (SW2) se mover do terminal NO (onde estaria transportando toda a corrente do ímã) para o terminal NC, geralmente um arco se formaria e se o O interruptor START ainda estava sendo pressionado neste momento, então C3 estaria em curto-circuito e, dependendo de quanta tensão estava em C3, isso poderia danificar o SW2.No entanto, novamente R2 limitaria essa corrente de curto-circuito a um valor seguro.R2 precisa apenas de um valor de resistência baixo (normalmente 2 ohms) para fornecer proteção suficiente.
Varistor:
O varistor, que é conectado entre os terminais CA do retificador, normalmente não faz nada.Mas se houver um surto de tensão na rede elétrica (devido, por exemplo, a um raio próximo), o varistor absorverá a energia do surto e evitará que o pico de tensão danifique a ponte retificadora.
R1:
Se o botão START fosse pressionado durante um pulso de desmagnetização, isso provavelmente causaria um arco no contato do relé que, por sua vez, causaria um curto-circuito virtual em C1 (o capacitor de armazenamento).A energia do capacitor seria despejada no circuito que consiste em C1, a ponte retificadora e o arco no relé.Sem R1 há muito pouca resistência neste circuito e assim a corrente seria muito alta e seria suficiente para soldar os contatos no relé.R1 fornece proteção nesta eventualidade (um tanto incomum).
Nota especial sobre a escolha de R1:
Se a eventualidade descrita acima ocorrer, R1 absorverá praticamente toda a energia que foi armazenada em C1, independentemente do valor real de R1.Queremos que R1 seja grande em comparação com outras resistências do circuito, mas pequeno em comparação com a resistência da bobina Magnabend (caso contrário, R1 reduziria a eficácia do pulso de desmagnetização).Um valor de cerca de 5 a 10 ohms seria adequado, mas qual potência R1 deve ter?O que realmente precisamos especificar é a potência do pulso ou a classificação de energia do resistor.Mas essa característica geralmente não é especificada para resistores de potência.Resistores de potência de baixo valor geralmente são enrolados em fio e determinamos que o fator crítico a ser procurado nesse resistor é a quantidade de fio real usado em sua construção.Você precisa abrir um resistor de amostra e medir o calibre e o comprimento do fio usado.A partir disso, calcule o volume total do fio e escolha um resistor com pelo menos 20 mm3 de fio.
(Por exemplo, um resistor de 6,8 ohm/11 watts da RS Components tem um volume de fio de 24 mm3).
Felizmente, esses componentes extras são pequenos em tamanho e custo e, portanto, adicionam apenas alguns dólares ao custo geral da parte elétrica da Magnabend.
Há um circuito adicional que ainda não foi discutido.Isso supera um problema relativamente menor:
Se o botão START for pressionado e não for puxado pela alça (o que de outra forma daria travamento total), o capacitor de armazenamento não será totalmente carregado e o pulso de desmagnetização que resulta na liberação do botão START não desmagnetizará totalmente a máquina .A pinça permaneceria então presa à máquina e isso seria um incômodo.
A adição de D4 e R3, mostrada em azul na Figura 8 abaixo, alimenta uma forma de onda adequada no circuito da bomba de carga para garantir que C1 seja carregado mesmo se a fixação total não for aplicada.(O valor de R3 não é crítico - 220 ohms/10 watts seria adequado para a maioria das máquinas).
Figura 8: Circuito com Desmagnetização somente após "START":
Para obter mais informações sobre os componentes do circuito, consulte a seção Componentes em "Construa seu próprio Magnabend"
Para fins de referência, os diagramas de circuitos completos das máquinas Magnabend tipo E de 240 Volt CA fabricadas pela Magnetic Engineering Pty Ltd são mostrados abaixo.
Observe que, para operação em 115 VAC, muitos valores de componentes precisariam ser modificados.
A Magnetic Engineering cessou a produção de máquinas Magnabend em 2003, quando o negócio foi vendido.
Nota: A discussão acima destina-se a explicar os principais princípios da operação do circuito e nem todos os detalhes foram abordados.Os circuitos completos mostrados acima também estão incluídos nos manuais Magnabend que estão disponíveis em outras partes deste site.
Também deve ser notado que desenvolvemos versões totalmente em estado sólido deste circuito que usava IGBTs em vez de um relé para alternar a corrente.
O circuito de estado sólido nunca foi usado em nenhuma máquina Magnabend, mas foi usado para ímãs especiais que fabricamos para linhas de produção.Essas linhas de produção normalmente produziam 5.000 itens (como uma porta de geladeira) por dia.
A Magnetic Engineering cessou a produção de máquinas Magnabend em 2003, quando o negócio foi vendido.
Use o link Contactar Alan neste site para obter mais informações.