Urządzenia elektryczne do monitorowania obciążeń, sił i momentów w maszynach do obróbki skrawaniem metali

Podczas eksploatacji zautomatyzowanych urządzeń konieczna staje się kontrola obciążenia, czyli sił i momentów działających w elementach maszyn i maszyn. Zapobiega to uszkodzeniom poszczególnych części lub niedopuszczalnemu przeciążeniu silników elektrycznych, pozwala wybrać optymalny tryb pracy maszyn, dokonać analizy statystycznej warunków pracy itp.

Mechaniczne urządzenia do kontroli obciążenia

Bardzo często urządzenia do kontroli obciążenia działają na zasadzie mechanicznej. W łańcuchu kinematycznym maszyny zawarty jest element sprężysty, którego odkształcenie jest proporcjonalne do przyłożonego obciążenia. Przekroczenie określonego poziomu obciążenia powoduje zadziałanie mikroprzełącznika połączonego z elementem elastycznym za pomocą ogniwa kinematycznego. Urządzenia do kontroli obciążenia ze sprzęgłami krzywkowymi, kulowymi lub rolkowymi są szeroko stosowane w przemyśle obrabiarek.Stosowane są w urządzeniach mocujących, kluczach i innych przypadkach, w których napęd elektryczny pracuje na twardym ograniczniku.

Urządzenia do kontroli obciążenia elektrycznego

Obecność czułego elementu elastycznego w łańcuchu kinematycznym zmniejsza ogólną sztywność napędu elektromechanicznego i pogarsza jego charakterystykę dynamiczną. Dlatego próbują uzyskać informacje o wielkości obciążenia (w tym przypadku momentu obrotowego) metodami elektrycznymi, kontrolując prąd, moc, poślizg, kąt fazowy itp. Pobierany przez silnik napędowy.

na ryc. 1 i pokazuje obwód do monitorowania aktualnego obciążenia stojana silnika indukcyjnego. Napięcie proporcjonalne do prądu I stojana silnika elektrycznego, usuniętego z uzwojenia wtórnego przekładnika prądowego TA, wyprostowanego i doprowadzonego do niskoprądowego przekaźnik elektromagnetyczny K, którego wartość zadaną reguluje się potencjometrem R2. Rezystor o niskiej rezystancji R1 jest wymagany do obejścia uzwojenia wtórnego transformatora, które musi działać w trybie zwarciowym.

Rysunek 1. Schemat monitorowania obciążenia silnika elektrycznego prądem stojana

Do sterowania prądem stojana służą szybko działające przekaźniki prądowe opisane w rozdz. 7. Prąd stojana jest powiązany z momentem obrotowym wału silnika za pomocą nieliniowej zależności kształtu

gdzie Azn — prąd znamionowy stojana, Mn — znamionowy moment obrotowy, βo =AzO/Azn-krotność prądu biegu jałowego.

Zależność ta jest graficznie pokazana na rys. 1, b (krzywa 1). Wykres pokazuje, że przy małych obciążeniach prąd stojana silnika elektrycznego zmienia się bardzo nieznacznie i nie ma możliwości regulacji obciążenia w tym obszarze.Ponadto prąd stojana zależy nie tylko od momentu obrotowego, ale także od napięcia sieciowego. Wraz ze spadkiem napięcia sieciowego zmienia się zależność 1(M) (krzywa 2), co wprowadza błąd w działaniu układu.

Prąd stojana silnika elektrycznego jest sumą geometryczną prądu jałowego i zredukowanego prądu wirnika:

Kiedy zmienia się obciążenie, zmienia się prąd I2 ' Prąd jałowy jest praktycznie niezależny od obciążenia. Dlatego, aby zwiększyć czułość urządzeń sterujących małym obciążeniem, konieczna jest kompensacja prądu jałowego, który w większości ma charakter indukcyjny.

W silnikach elektrycznych małej mocy grupa kondensatorów C jest zawarta w obwodzie stojana (linie przerywane na ryc. 1, a), który generuje prąd wiodący. W rezultacie silnik elektryczny pobiera z sieci prąd równy zmniejszonemu prąd wirnika, a zależność 1 (M) staje się prawie liniowa (krzywa 3 na ryc. 1, b). Wadą tej metody jest silniejsza zależność charakterystyk obciążenia od wahań napięcia w sieci.

W silnikach elektrycznych o większej mocy bateria kondensatorów staje się nieporęczna i kosztowna. W takim przypadku bardziej celowe jest skompensowanie prądu jałowego w obwodzie wtórnym przekładnika prądowego (ryc. 2).

Rysunek 2. Przekaźnik kontroli obciążenia z kompensacją prądu jałowego

W obwodzie zastosowano transformator, który ma dwa uzwojenia pierwotne: prądowe W1 i napięciowe W2. W obwodzie uzwojenia napięciowego znajduje się kondensator C, który przesuwa fazę prądu o 90° względem przewodu.Parametry transformatora dobiera się tak, aby siła magnesująca uzwojenia W2 kompensowała tę składową siły magnesującej uzwojenia W1, która jest związana z prądem biegu jałowego silnika elektrycznego. W rezultacie napięcie na wyjściu uzwojenia wtórnego W3 jest proporcjonalne do prądu wirnika i momentu obciążenia. To napięcie jest prostowane i przykładane do przekaźnika elektromagnetycznego K.

W układach sterowania maszynami stosowane są bardzo czułe przekaźniki obciążenia, które mają wyraźną zależność przekaźnika napięcia wyjściowego od momentu obrotowego obciążenia (ryc. 3, b). Obwód takiego przekaźnika (ryc. 3, a) ma przekładnik prądowy TA i przekładnik napięciowy TV, którego napięcie wyjściowe jest włączane w przeciwnych kierunkach.

Rysunek 3. Przekaźnik kontroli obciążenia o wysokiej czułości

Jeśli prąd jałowy jest kompensowany na przykład przez baterię kondensatorów C, napięcie wyjściowe obwodu wynosi

gdzie Kta, Ktv- przeliczniki przekładników prądowych i napięciowych, U1 — napięcie w fazie silnika.

Zmieniając Kta lub Ktv można tak skonfigurować obwód, aby dla danego momentu Mav napięcie wyjściowe było minimalne. Wtedy każde odchylenie trybu od zadanego spowoduje gwałtowną zmianę U i wyzwolenie przekaźnika K.

Podobne schematy służą do sterowania momentem kontaktu tarczy szlifierskiej z przedmiotem obrabianym podczas przejścia od szybkiego zbliżania się głowicy szlifierskiej do posuwu roboczego.

Precyzyjniej działają przekaźniki obciążenia, oparte na kontroli mocy pobieranej przez asynchroniczny silnik elektryczny z sieci. Takie przekaźniki mają charakterystykę liniową, która nie zmienia się wraz z wahaniami napięcia sieciowego.

Napięcie proporcjonalne do poboru mocy uzyskuje się mnożąc napięcie i prąd stojana silnika indukcyjnego. W tym celu stosuje się przekaźniki obciążenia oparte na elementach nieliniowych o kwadratowej charakterystyce woltoamperowej. Zasada działania takich przekaźników opiera się na tożsamości (a + b)2 — (a — b)2 = 4ab.

Przekaźnik obciążenia pokazano na ryc. 4.

Rysunek 4. Przekaźnik zużycia energii

Przekładnik prądowy TA obciążony na rezystorze RT i przekładnik napięciowy TV wytwarzają na uzwojeniach wtórnych napięcia proporcjonalne do prądu i napięcia fazowego silnika elektrycznego. Przekładnik napięciowy ma dwa uzwojenia wtórne, na których powstają równe napięcia -Un i +Un, przesunięte fazowo o 180°.

Suma i różnica napięć są prostowane przez układ fazoczuły składający się z transformatorów dopasowujących T1 i T2 oraz mostka diodowego i podawane na kwadratory A1 i A2 wykonane zgodnie z zasadą aproksymacji liniowej.

Kwadraty zawierają rezystory R1 — R4 i R5 — R8 oraz zawory blokowane napięciem odniesienia pobranym z dzielników R9, R10. Wraz ze wzrostem napięcia wejściowego otwierają się kolejno zawory i uruchamiane są nowe rezystory połączone równolegle z rezystorami R1 lub R5. W rezultacie charakterystyka prądowo-napięciowa czworoboku ma kształt paraboli, co zapewnia kwadratową zależność prądu od napięcia wejściowego.Wyjściowy przekaźnik elektromechaniczny K jest związany z różnicą prądów obu kwadratów, i zgodnie z podstawową tożsamością prąd w jego cewce jest proporcjonalny do mocy pobieranej przez silnik elektryczny z sieci.Przy prawidłowym ustawieniu ćwiartek przekaźnik mocy ma błąd mniejszy niż 2%.

Specjalną klasę tworzą przekaźniki impulsowo-czasowe z podwójną modulacją, które stają się coraz bardziej powszechne. W takich przekaźnikach napięcie proporcjonalne do prądu silnika podawane jest na modulator szerokości impulsu, który generuje impulsy o czasie trwania proporcjonalnym do mierzonego prądu: τ = K1Az… Impulsy te podawane są do modulatora amplitudy sterowanego napięciem sieciowym .

W rezultacie amplituda impulsów okazuje się proporcjonalna do napięcia na stojanie silnika elektrycznego: Um = K2U. Średnia wartość napięcia po podwójnej modulacji jest proporcjonalna do indukcji prądu i napięcia: Ucf = fK1К2TU, gdzie f jest częstotliwością modulacji. Takie przekaźniki mocy mają błąd nie większy niż 1,5%.

Zmiana obciążenia mechanicznego wału silnika indukcyjnego prowadzi do zmiany fazy prądu stojana względem napięcia sieciowego. Wraz ze wzrostem obciążenia kąt fazowy maleje. Pozwala to na zbudowanie przekaźnika obciążenia w oparciu o metodę fazową. W większości przypadków przekaźniki reagują na współczynnik cosinus lub kąt fazowy. Ze względu na swoją charakterystykę takie przekaźniki są zbliżone do przekaźników mocy, ale ich konstrukcja jest znacznie prostsza.

Jeśli wykluczymy z obwodu ćwiartki A1 i A2 (patrz rys. 4) i odpowiednie w nim transformatory T1 i T2 zastąpimy rezystorami, to napięcie między punktami a i b będzie proporcjonalne do cosfi, które również zmienia się w zależności od obciążenie silnika. Przekaźnik elektromechaniczny K, podłączony w punktach aib obwodu, pozwala kontrolować zadany poziom obciążenia silnika elektrycznego.Wadą uproszczenia obwodu jest zwiększony błąd związany ze zmianą napięcia sieciowego.