Електричні пристрої контролю навантаження, зусиль і моментів у верстатах

У процесі використання автоматичного обладнання з`являється необхідність контролю навантаження, т. Е. Зусиль і моментів, що діють в елементах верстатів і машин. Це запобігає поломку окремих деталей або неприпустиму перевантаження електродвигунів, дозволяє вибрати оптимальний режим роботи верстатів, зробити статистичний аналіз умов експлуатації і т. П.

Механічні пристрої контролю навантаження

Дуже нерідко пристрої контролю навантаження грунтуються на механічному принципі. У кінематичну ланцюг верстата включають гнучкий елемент, деформація якого пропорційна прикладеному навантаженню. Перевищення певного рівня навантаження призводить до спрацьовування мікроперемикача, пов`язаного з пружним елементом кінематичної зв`язком. У верстатобудуванні набули широкого поширення пристрої контролю навантаження з кулачковими, кульковими або роликовими муфтами. Їх використовують в затискних пристроях, гайковерти та інших випадках, коли електропривод працює на жорсткий упор.

Електронні пристрої контролю навантаження

Наявність чутливого пружного елемента в кінематичного ланцюга знижує загальну твердість електромеханічного приводу і посилює його динамічні властивості. Тому інформацію про величину навантаження (в цьому випадку обертального моменту) намагаються отримати електронними способами, контролюючи споживаний приводним електродвигуном струм, потужність, ковзання, кут зсуву фази і т. П.

На рис. 1, а показана схема контролю навантаження по струму статора асинхронного електродвигуна. Напруга, пропорційне току I статора електродвигуна, знімається з вторинної обмотки трансформатора струму ТА, випрямляється і подається на слабкострумове електричне реле К, уставка якого регулюється потенціометром R2. Низькоомним резистор R1 потрібен для шунтування вторинної обмотки трансформатора, який повинен працювати в режимі короткого замикання.

Малюнок 1. Схема контролю навантаження електродвигуна по току статора

Для контролю струму статора використовують також швидкодіючі захисні реле струму, описані в гл. 7. Струм статора пов`язаний з моментом навантаження на валу електродвигуна нелінійної залежністю виду

де Iн - номінальний струм статора, Мн - номінальний момент, βо = Iо / Iн-кратність струму холостого ходу.

Графічно ця залежність зображена на рис. 1, б (крива 1). З графіка видно, що при малих навантаженнях струм статора електродвигуна змінюється дуже незначно, і регулювати навантаження в цій зоні нереально. Крім того, струм статора залежить не тільки від моменту, та й від напруги мережі. При зниженні напруги мережі залежність 1 (М) змінюється (крива 2), що заносить похибка в роботу схеми.

Струм статора електродвигуна являє собою геометричну суму струму холостого ходу і наведеного струму ротора:

При зміні навантаження змінюється струм I2 `Струм холостого ходу фактично від навантаження не залежить. Тому для зростання чутливості пристроїв контролю малих навантажень потрібно заповнити струм холостого ходу, який має в головному індуктивний характер.

У електродвигунах малої потужності в ланцюг статора включають батарею конденсаторів З (штрихові лінії на рис. 1, а), яка виробляє випереджаюче струм. В результаті електродвигун споживає з мережі струм, рівний наведеним току ротора, а залежність 1 (М) стає практично лінійною (крива 3 ні рис. 1, б). Деяким недоліком даного способу є більш сильна залежність властивості навантаження від коливань напруги мережі.

У електродвигунах більшої потужності конденстаторная батарея стає масивною і дорогий. В даному випадку компенсацію струму холостого ходу доцільніше проводити в колі вторинної обмотки трансформатора струму (рис. 2).

Малюнок 2. Реле контролю навантаження з компенсацією струму холостого ходу

У схемі вживають трансформатор, який має дві первинні обмотки: струму W1 і напруги W2. У ланцюг обмотки напруги включений конденсатор С, зсувний фазу струму на 90 ° в бік випередження. Характеристики трансформатора підібрані так, що сила, що намагнічує обмотки W2 компенсує ту складову сили, що намагнічує обмотки W1, котораясвязана з струмом холостого ходу електродвигуна. В результаті напруга на виході вторинної обмотки W3 пропорційно току ротора і моменту навантаження. Ця напруга випрямляється і подається на електричне реле К.

У системах управління верстатами використовують високочутливі реле навантаження, мають явно виражену релейний залежність напруги виходу від моменту навантаження (рис. 3, б). Схема такого реле (рис. 3, а) має трансформатор струму ТА і трансформатор напруги TV, вихідні напруги яких включені зустрічно.

Малюнок 3. Високочутливе реле контролю навантаження

Якщо струм холостого ходу компенсований, наприклад, за допомогою батареї конденсаторів С, вихідна напруга схеми

де КТА, КТV-коефіцієнти перетворення трансформаторів струму і напруги, U1 - напруга на фазі електродвигуна.

Змінюючи КТА або Ktv, можна налаштувати схему так, щоб при цьому моменті навантаження Мср напруга на виході було найменшим. Тоді будь-яке відхилення режиму від даного призведе до різкої зміни U вих і викличе спрацьовування реле К.

Подібні схеми використовують для контролю моменту торкання шліфувального круга з деталлю при переході від швидкого підведення шліфувальної бабки до робочої подачі.

Більш точно працюють реле навантаження, засновані на контролі потужності, споживаної асинхронним електродвигуном з мережі. Такі реле .імеют лінійну характеристику, яка не змінюється при коливаннях напруги мережі.

Напруга, пропорційне споживаної потужності, отримують перемножением напруги і струму статора асинхронного електродвигуна. Для цього вживають реле навантаження, засновані на нелінійних елементах з квадратичною вольт-амперної характеристикою - квадратор. Принцип дії таких реле заснований на тотожність (a + b) 2 - (a - b) 2 = 4ab.

Схема реле навантаження зображена на рис. 4.

Малюнок 4. Реле споживаної потужності

Трансформатор струму ТА, навантажений на резистор RT і трансформатор напруги TV утворюють на вторинних обмотках напруги, пропорційні струму і фазній напрузі електродвигуна. Трансформатор напруги має дві вторинні обмотки, на яких утворюються рівні напруги -Uн і + Uн, зсунуті по фазі на 180 °.

Сума і різниця напруги випрямляється фазочуттєві схемою, що складається з узгоджувальних трансформаторів Т1 і Т2 і діодного моста, і подається на квадратори А1 і А2, виконані за принципом кусочно-лінійної апроксимації.

Квадратори містять резистори R1 - R4 і R5 - R8 і вентилі, замкнені опорним напругою, що знімається з подільників R9, R10. У міру зростання вхідної напруги вентилі поперемінно відкриваються і в роботу вводяться нові резистори, включені паралельно резисторам R1 або R5. В результаті вольт-амперна риса квадратора має форму параболи, що забезпечує квадратичную залежність струму від вхідної напруги. Вихідна електромеханічне реле До включено на різницю струмів 2-ух квадраторов, і відповідно до головним тотожністю ток в його обмотці пропорційний потужності, споживаної електродвигуном з мережі. При правильному налаштуванні квадраторов реле потужності має похибку менше 2%.

Особливий клас утворюють час-імпульсні реле потужності з подвійною модуляцією, які набувають все більшого поширення. У схожих реле напруга, пропорційне току електродвигуна, подається на широтно-імпульсний модулятор, що виробляє імпульси, тривалість яких пропорційна вимірюваному току: τ = К1I. Ці імпульси надходять на амплітудний модулятор, керований напругою мережі.

В результаті амплітуда імпульсів виявляється пропорційною напрузі на статорі електродвигуна: Um = K2U. Середнє значення напруги після подвійної модуляції пропорційно про наведення струму і напруги: Uср = fK1K2TU, де f - частота модуляції. Подібні реле потужності мають похибку менше 1,5%.

Зміна механічного навантаження на валу асинхронного електродвигуна призводить до зміни фази струму статора щодо напруги мережі. У міру зростання навантаження фазовий кут зменшується. Це дозволяє вибудувати реле навантаження на фазовому способі. У більшості випадків реле реагують на косинус кута зсуву фази або коефіцієнт потужності. За своїми характеристиками такі реле близькі до реле потужності, але конструкція їх значно простіше.

Якщо зі схеми (див. Рис. 4) виключити квадратори А1 і А2, а погоджують трансформатори T1 і T2 в ній поміняти резисторами, то напруга між точками а і b буде пропорційно cosфі, який також змінюється в функції навантаження електродвигуна. Електромеханічне реле К, приєднане в точках а і b схеми, дозволяє тримати під контролем цей рівень навантаження електродвигуна. Недоліком спрощення схеми є завищена похибка, пов`язана з конфігурацією напруги мережі.