Електричний вал і його застосування в електроприводі верстатів

У статті розглянуті пристрій, принцип дії і приклади використання електронних систем синхронного обертання (електронний вал) в верстатах і установках.

Припустимо, що два вала, що не мають механічного зв`язку разом, повинні крутитися з подібними швидкостями, не роблячи поворот один щодо одного. Для забезпечення такого синхронного і синфазного обертання з двигунами Д1 і Д2, які крутять відповідно вали I і II (рис. 1), пов`язують допоміжні асинхронні машини А1 і А2 з фазними роторами. Роторні обмотки цих машин з`єднують разом зустрічно.

Якщо частоти обертання обох машин і положення їх роторів одноманітні, то електрорушійні сили, наведені в обмотках роторів машин А1 і А2, рівні і орієнтовані назустріч один одному (рис. 2, а), і струм в ланцюзі роторів не протікає.

Уявімо, що напрямок обертання поля допоміжних машин збігається з напрямком обертання їх роторів. При уповільненні обертання машини А2 її ротор відстане від ротора А1, внаслідок чого е. д. з. Ер2, наведена в обмотці ротора, зміститься по фазі в сторону випередження (рис. 2, б), і в ланцюзі роторів машин А1 і А2 під дією векторної суми е. д. з. Е з`явиться зрівняльний струм I.

Мал. 1. Схема синхронного зв`язку

Мал. 2. Векторні діаграми системи синхронного зв`язку

Вектор струму I буде відставати від вектора е. д. з. Е на кут φ. Проекція вектора струму I на вектор е. д. з. Ер2 збігається з цим вектором у напрямку. Проекція вектора струму на вектор е. д. з. ЕР1 орієнтована назустріч йому. З цього випливає, що машина А2 буде працювати в режимі мотора, а машина А1 - в режимі генератора. При цьому вал машини А2 отримає прискорення, а вал машини A1 - уповільнення. Таким чином, машини розвинуть моменти, що відновлюють синхронне обертання валів I і II і колишнє узгоджене положення в просторі роторів машин А1 і А2. Ротори цих машин можуть крутитися як у напрямку обертання поля, так і в зворотному напрямку.

Дана система носить назву електронної системи синхронного обертання. Її називають також електронним валом. Система синхронного обертання може поміняти, наприклад, ходові гвинти у токарно-гвинторізних верстатів.

Тому що ланцюга подачі металорізальних верстатів в порівнянні з ланцюгами головного руху споживають зазвичай малу потужність, то для синхронізації головного руху з подачею може бути використана простіша схема синхронного обертання (рис. 3). В даному випадку неминуче незмінне неузгодженість між положеннями роторів машин А1 і А2, без чого в ланцюзі ротора машини А2 не було б струму і вона не змогла б подолати момент сил опору ланцюга подачі. Тому що машина А2 отримує харчування від статора і ротора, то при даній системі електронного вала потрібно шестіпроводних підводка до движку, встановленому в багатьох випадках на пересувається вузлі верстата, умовно показаному на малюнку штриховою лінією.

Мал. 3. Системи синхронного зв`язку томного токарно-гвинторізного верстата

В межах кутового неузгодженості, які не перевершує 90 °, електронний синхронізуючий момент зростає. Для забезпечення значимого синхронизирующего моменту машини синхронного зв`язку при всіх можливих кутових частотах обертання повинні працювати з великими ковзаннями (більше 0,3 - 0,5). Тому щоб уникнути неприпустимого нагрівання ці машини повинні бути досить великих розмірів.

Потужність машин додатково нарощують, прагнучи виключити вплив коливань навантаження і сил тертя. Використовують також механічні передачі, що знижують частоту обертання валів верстата, а як слід, і величину кутовий помилки, наведеної до валу верстата. До роботи електронного вала асинхронні машини А1 і А2 включають на однофазовий харчування. При цьому ротор машини А2 займає початкове положення, узгоджене з положенням ротора машини А1.

Системи синхронного обертання правильно використовувати для важких верстатів, тому що виготовлення довгих ходових гвинтів пов`язане зі значними труднощами. Крім того, з підвищенням довжини гвинтів або валів, внаслідок їх скручування, точність узгодження взаємного розташування частин верстата зменшується. В системі електронного вала відстань між валами ніякого впливу на точність роботи надати не може.

При використанні електронного вала виключаються, механічні зв`язку супортів зі шпинделем і дуже спрощується кінематична схема. Істотним недоліком систем електронного вала в важких верстатах є можливість псування дорогої заготовки при перерві в електропостачанні, тому що при цьому відразу з`являється неузгодженість. У деяких випадках при такій аварії псування заготовки може бути відвернена методом швидкого автоматичного відведення інструменту.

Для верстатобудування інтерес представляє схема з 2-ма схожими асинхронними двигунами з фазними роторами (рис. 4). Тому що ланцюг обох роторів замкнута на реостат R, то при підключенні движків до мережі змінного струму обидва ротора починають крутитися.

Мал. 4. Схема синхронного зв`язку з роторним реостатом

Крім струмів, що протікають в обмотках роторів і реостате, в ланцюзі роторів обох машин тече зрівняльний струм. Наявність цього струму обумовлює виникнення синхронизирующего моменту, внаслідок чого машини крутяться синхронно. Така система може бути застосована для підйому і опускання поперечок великих стругальних, поздовжньо-фрезерних і карусельних верстатів.

Завдяки системі електронного вала вирішується проблема узгодженого руху конвеєрів, що входять в єдиний виробничий комплекс. Найбільше практичне застосування в даному випадку отримав варіант синхронного обертання двигунів із загальним перетворювачем частоти.

Крім розглянутих систем електронного вала для верстатобудування розроблялися і застосовувалися і інші системи з машинами змінного струму, в тому числі однофазовий системи і системи з синхронними двигунами спеціальної конструкції.