Elektrická zařízení pro sledování zatížení, sil a momentů v obráběcích strojích

Při provozu automatizovaného zařízení je nutné řídit zátěž, tedy síly a momenty působící v prvcích strojů a strojů. Předchází se tak poškození jednotlivých dílů nebo nepřijatelnému přetěžování elektromotorů, umožňuje volit optimální režim provozu strojů, provádět statistický rozbor provozních stavů atd.

Mechanická zařízení pro kontrolu zátěže

Zařízení pro regulaci zátěže jsou velmi často založena na mechanickém principu. Do kinematického řetězce stroje je zařazen pružný prvek, jehož deformace je úměrná působícímu zatížení. Při překročení určité úrovně zatížení se spustí mikrospínač spojený s elastickým prvkem prostřednictvím kinematické vazby. Zařízení pro řízení zátěže s vačkovými, kulovými nebo válečkovými spojkami jsou široce používána v průmyslu obráběcích strojů.Používají se v upínacích zařízeních, klíčích a dalších případech, kdy elektrický pohon pracuje na pevný doraz.

Zařízení pro ovládání elektrické zátěže

Přítomnost citlivého elastického prvku v kinematickém řetězci snižuje celkovou tuhost elektromechanického pohonu a zhoršuje jeho dynamické vlastnosti. Proto se snaží elektrickými metodami získat informace o velikosti zátěže (v tomto případě točivého momentu) řízením proudu, výkonu, skluzu, fázového úhlu atd. spotřebovaného hnacím motorem.

Na Obr. 1 a znázorňuje obvod pro sledování proudového zatížení statoru indukčního motoru. Napětí úměrné proudu I stator elektromotoru, vyjmutý ze sekundárního vinutí proudového transformátoru TA, usměrněn a napájen na slaboproud elektromagnetické relé K, jehož nastavená hodnota se upravuje potenciometrem R2. K obejití sekundárního vinutí transformátoru, které musí pracovat ve zkratovém režimu, je zapotřebí nízkoodporový rezistor R1.

Obrázek 1. Schéma sledování zatížení elektromotoru proudem statoru

K řízení proudu statoru slouží rychločinná ochranná proudová relé popsaná v kap. 7. Proud statoru souvisí s momentem hřídele hřídele motoru nelineární tvarovou závislostí

kde Azn — jmenovitý proud statoru, Mn — jmenovitý moment, βo =AzO/Azn-násobek proudu naprázdno.

Tato závislost je graficky znázorněna na Obr. 1, b (křivka 1). Z grafu je patrné, že při nízkém zatížení se statorový proud elektromotoru mění velmi nepatrně a zatížení v této oblasti nelze upravit.Proud statoru navíc závisí nejen na kroutícím momentu, ale také na síťovém napětí. Při poklesu síťového napětí se mění závislost 1(M) (křivka 2), což vnáší chybu do činnosti obvodu.

Proud statoru elektromotoru je geometrický součet proudu naprázdno a redukovaného proudu rotoru:

Při změně zátěže se proud mění I2 ' Proud naprázdno je prakticky nezávislý na zátěži. Pro zvýšení citlivosti zařízení pro regulaci malé zátěže je proto nutné kompenzovat proud naprázdno, který je většinou induktivní.

U elektromotorů s nízkým výkonem je v obvodu statoru zahrnuta kondenzátorová skupina C (tečkované čáry na obr. 1, a), která generuje vedoucí proud. V důsledku toho elektromotor odebírá ze sítě proud rovný redukovanému proudu. rotorového proudu a závislost 1 (M) se stává téměř lineární (křivka 3 na obr. 1, b). Nevýhodou této metody je silnější závislost charakteristiky zátěže na kolísání síťového napětí.

U elektromotorů s vyšším výkonem se kondenzátorová baterie stává objemnou a drahou. V tomto případě je účelnější kompenzovat proud naprázdno v sekundárním obvodu proudového transformátoru (obr. 2).

Obrázek 2. Relé řízení zátěže s kompenzací proudu naprázdno

Obvod používá transformátor, který má dvě primární vinutí: proud W1 a napětí W2. V obvodu napěťového vinutí je zařazen kondenzátor C, který posouvá fázi proudu o 90° k drátu.Parametry transformátoru jsou voleny tak, aby magnetizační síla vinutí W2 kompenzovala tu složku magnetizační síly vinutí W1, která souvisí s proudem elektromotoru naprázdno. Výsledkem je, že napětí na výstupu sekundárního vinutí W3 je úměrné proudu rotoru a zatěžovacímu momentu. Toto napětí se usměrní a přivede na elektromagnetické relé K.

V řídicích systémech strojů se používají vysoce citlivá zátěžová relé, která mají výraznou reléovou závislost výstupního napětí na momentu zátěže (obr. 3, b). Obvod takového relé (obr. 3, a) má proudový transformátor TA a napěťový transformátor TV, jehož výstupní napětí je zapnuto v opačných směrech.

Obrázek 3. Vysoce citlivé relé řízení zátěže

Pokud je proud naprázdno kompenzován např. kondenzátorovou baterií C, výstupní napětí obvodu je

kde Kta, Ktv- převodní faktory proudových a napěťových transformátorů, U1 — napětí ve fázi motoru.

Změnou Kta nebo Ktv je možné nakonfigurovat obvod tak, aby pro daný moment Mav bylo výstupní napětí minimální. Pak jakákoliv odchylka režimu od daného způsobí prudkou změnu U out a sepne relé K.

Podobná schémata se používají pro řízení momentu kontaktu brusného kotouče s obrobkem při přechodu z rychlého najetí brusné hlavy na pracovní posuv.

Přesněji pracují zátěžová relé, založená na řízení výkonu odebíraného asynchronním elektromotorem ze sítě. Taková relé mají lineární charakteristiku, která se nemění s kolísáním síťového napětí.

Napětí úměrné spotřebě energie se získá vynásobením napětí a proudu statoru indukčního motoru. K tomu se používají zátěžová relé založená na nelineárních prvcích s kvadratickými voltampérovými charakteristikami-kvadrátory. Princip činnosti těchto relé je založen na identitě (a + b)2 — (a — b)2 = 4ab.

Zátěžové relé je znázorněno na Obr. 4.

Obrázek 4. Relé spotřeby energie

Proudový transformátor TA naložený na rezistoru RT a napěťový transformátor TV tvoří na sekundárních vinutích napětí úměrná proudu a fázovému napětí elektromotoru. Napěťový transformátor má dvě sekundární vinutí, na kterých se tvoří stejná napětí -Un a +Un, fázově posunutá o 180°.

Součet a rozdíl napětí jsou usměrněny fázově citlivým obvodem sestávajícím z přizpůsobovacích transformátorů T1 a T2 a diodového můstku a jsou přiváděny do čtverců A1 a A2 vyrobených podle principu lineární aproximace.

Čtyřhrany obsahují odpory R1 — R4 a R5 — R8 a ventily uzamčené referenčním napětím převzatým z děličů R9, R10. Jak se vstupní napětí zvyšuje, ventily se postupně otevírají a uvádějí se do činnosti nové rezistory zapojené paralelně s odpory R1 nebo R5. V důsledku toho má proudově-napěťová charakteristika čtyřúhelníku tvar paraboly, která zajišťuje kvadratickou závislost proudu na vstupním napětí Výstupní elektromechanické relé K je vztaženo k rozdílu proudů obou čtverců, což má za následek, že proudová charakteristika čtyřúhelníku má tvar paraboly. a v souladu se základní identitou je proud v jeho cívce úměrný výkonu spotřebovanému elektromotorem ze sítě.Při správném nastavení kvadrantů má výkonové relé chybu menší než 2 %.

Zvláštní třídu tvoří pulsní pulsní relé s dvojitou modulací, která jsou stále častější. U takových relé je napětí úměrné proudu motoru přiváděno do pulzně šířkového modulátoru, který generuje pulzy, jejichž trvání je úměrné měřenému proudu: τ = K1Az ... Tyto pulzy jsou přiváděny do amplitudového modulátoru řízeného síťovým napětím. .

V důsledku toho se amplituda impulzů ukáže jako úměrná napětí na statoru elektromotoru: Um = K2U. Průměrná hodnota napětí po dvojité modulaci je úměrná indukci proudu a napětí: Ucf = fK1К2TU, kde f je modulační frekvence. Taková výkonová relé mají chybu ne větší než 1,5%.

Změna mechanického zatížení hřídele indukčního motoru vede ke změně fáze statorového proudu vůči síťovému napětí. S rostoucí zátěží se fázový úhel zmenšuje. To vám umožňuje sestavit zátěžové relé na základě fázové metody. Ve většině případů relé reagují na faktor kosinusového nebo fázového úhlu. Svou charakteristikou se taková relé blíží výkonovým relé, ale jejich konstrukce je mnohem jednodušší.

Pokud z obvodu vyloučíme kvadranty A1 a A2 (viz obr. 4) a v něm odpovídající transformátory T1 a T2, nahradíme odpory, pak bude napětí mezi body a a b úměrné cosfi, které se také mění v závislosti na zatížení motoru. Elektromechanické relé K, připojené v bodech a a b obvodu, umožňuje řídit danou úroveň zatížení elektromotoru.Nevýhodou zjednodušení obvodu je zvýšená chyba spojená se změnou síťového napětí.