Dispositivi elettrici per il monitoraggio di carichi, forze e momenti nelle macchine per il taglio dei metalli

Durante il funzionamento di apparecchiature automatizzate, diventa necessario controllare il carico, ovvero gli sforzi e i momenti che agiscono negli elementi di macchine e macchine. Ciò previene danni a singole parti o sovraccarichi inaccettabili di motori elettrici, consente di scegliere la modalità ottimale di funzionamento delle macchine, effettuare un'analisi statistica delle condizioni operative, ecc.

Dispositivi meccanici di controllo del carico

Molto spesso i dispositivi di controllo del carico si basano su un principio meccanico. Nella catena cinematica della macchina è compreso un elemento elastico la cui deformazione è proporzionale al carico applicato. Il superamento di un certo livello di carico fa scattare un microinterruttore collegato all'elemento elastico tramite un cinematismo. I dispositivi di controllo del carico con accoppiamento a camma, a sfera oa rulli sono largamente utilizzati nell'industria delle macchine utensili.Sono utilizzati in dispositivi di bloccaggio, chiavi e altri casi in cui l'azionamento elettrico funziona su un arresto duro.

Dispositivi di controllo del carico elettrico

La presenza di un elemento elastico sensibile nella catena cinematica riduce la rigidezza complessiva dell'azionamento elettromeccanico e ne peggiora le caratteristiche dinamiche. Pertanto, cercano di ottenere informazioni sull'entità del carico (in questo caso, la coppia) attraverso metodi elettrici controllando la corrente, la potenza, lo scorrimento, l'angolo di fase, ecc. consumati dal motore di azionamento.

Nella fig. 1 e mostra un circuito per monitorare il carico di corrente sullo statore del motore asincrono. Tensione proporzionale alla corrente I lo statore del motore elettrico, rimosso dall'avvolgimento secondario del trasformatore di corrente TA, rettificato e alimentato a bassa corrente relè elettromagnetico K, il cui valore impostato è regolato dal potenziometro R2. È necessario un resistore a bassa resistenza R1 per bypassare l'avvolgimento secondario del trasformatore, che deve funzionare in modalità di cortocircuito.

Figura 1. Schema per il monitoraggio del carico del motore elettrico in base alla corrente dello statore

Per controllare la corrente dello statore, i relè di corrente di protezione ad azione rapida descritti nel cap. 7. La corrente dello statore è correlata alla coppia dell'albero motore mediante una dipendenza dalla forma non lineare

dove Azn — corrente nominale dello statore, Mn — coppia nominale, βo =AzO/Azn-molteplicità della corrente a vuoto.

Questa dipendenza è rappresentata graficamente in Fig. 1, b (curva 1). Il grafico mostra che a bassi carichi la corrente dello statore del motore elettrico cambia molto leggermente ed è impossibile regolare il carico in quest'area.Inoltre, la corrente dello statore dipende non solo dalla coppia, ma anche dalla tensione di rete. Quando la tensione di rete diminuisce, la dipendenza 1(M) cambia (curva 2), che introduce un errore nel funzionamento del circuito.

La corrente di statore di un motore elettrico è la somma geometrica della corrente a vuoto e della corrente di rotore ridotta:

Quando il carico cambia, la corrente cambia I2 ' La corrente a vuoto è praticamente indipendente dal carico. Pertanto, per aumentare la sensibilità dei dispositivi di controllo di piccoli carichi, è necessario compensare la corrente a vuoto, che è per lo più induttiva.

Nei motori elettrici a bassa potenza, il gruppo di condensatori C è incluso nel circuito dello statore (linee tratteggiate in Fig. 1, a), che genera corrente principale... Di conseguenza, il motore elettrico consuma dalla rete una corrente pari alla ridotta corrente del rotore e la dipendenza 1 (M) diventa quasi lineare (curva 3 in Fig. 1, b). Uno svantaggio di questo metodo è la forte dipendenza delle caratteristiche del carico dalle fluttuazioni della tensione di rete.

Nei motori elettrici di maggiore potenza la batteria di condensatori diventa ingombrante e costosa. In questo caso è più opportuno compensare la corrente a vuoto nel circuito secondario del trasformatore di corrente (Fig. 2).

Figura 2. Relè di controllo del carico con compensazione della corrente a vuoto

Il circuito utilizza un trasformatore che ha due avvolgimenti primari: corrente W1 e tensione W2. Un condensatore C è incluso nel circuito di avvolgimento di tensione, che sposta la fase della corrente di 90° rispetto al filo.I parametri del trasformatore sono scelti in modo che la forza magnetizzante dell'avvolgimento W2 compensi quella componente della forza magnetizzante dell'avvolgimento W1 che è correlata alla corrente a vuoto del motore elettrico. Di conseguenza, la tensione all'uscita dell'avvolgimento secondario W3 è proporzionale alla corrente del rotore e alla coppia di carico. Questa tensione viene rettificata e applicata al relè elettromagnetico K.

Nei sistemi di controllo della macchina vengono utilizzati relè di carico altamente sensibili, che hanno una pronunciata dipendenza del relè della tensione di uscita dalla coppia del carico (Fig. 3, b). Il circuito di tale relè (Fig. 3, a) ha un trasformatore di corrente TA e un trasformatore di tensione TV, la cui tensione di uscita è attivata in direzioni opposte.

Figura 3. Relè di controllo del carico ad alta sensibilità

Se la corrente a vuoto è compensata ad esempio dal banco di condensatori C, la tensione di uscita del circuito è

dove Kta, Ktv- fattori di conversione dei trasformatori di corrente e tensione, U1 - tensione nella fase del motore.

Modificando Kta o Ktv è possibile configurare il circuito in modo che per una data coppia Mav la tensione di uscita sia minima. Quindi qualsiasi deviazione della modalità da quella data causerà un brusco cambiamento U out e attiverà il relè K.

Schemi simili vengono utilizzati per controllare il momento di contatto della mola con il pezzo durante il passaggio dall'avvicinamento rapido della testa di molatura all'avanzamento di lavoro.

I relè di carico, basati sul controllo della potenza consumata dal motore elettrico asincrono dalla rete, funzionano in modo più preciso. Tali relè hanno una caratteristica lineare che non cambia con le fluttuazioni della tensione di rete.

La tensione proporzionale alla potenza assorbita si ottiene moltiplicando la tensione e la corrente dello statore del motore asincrono. A tale scopo vengono utilizzati relè di carico basati su elementi non lineari con quadratori caratteristici volt-ampere quadratici. Il principio di funzionamento di tali relè si basa sull'identità (a + b)2 — (a — b)2 = 4ab.

Il relè di carico è mostrato in fig. 4.

Figura 4. Relè di consumo energetico

Il trasformatore di corrente TA caricato sulla resistenza RT e il trasformatore di tensione TV forma sugli avvolgimenti secondari tensioni proporzionali alla corrente e alla tensione di fase del motore elettrico. Il trasformatore di tensione ha due avvolgimenti secondari sui quali si formano tensioni uguali -Un e +Un, sfasate di 180°.

La somma e la differenza delle tensioni vengono rettificate da un circuito sensibile alla fase costituito dai trasformatori di adattamento T1 e T2 e da un ponte a diodi, e vengono alimentate agli squadratori A1 e A2 realizzati secondo il principio dell'approssimazione lineare.

Gli squadratori contengono resistori R1 — R4 e R5 — R8 e valvole bloccate dalla tensione di riferimento prelevata dai divisori R9, R10. All'aumentare della tensione di ingresso, le valvole si aprono a loro volta e vengono attivate nuove resistenze collegate in parallelo con le resistenze R1 o R5. Di conseguenza, la caratteristica corrente-tensione del quadrilatero ha la forma di una parabola, che garantisce la dipendenza quadratica della corrente dalla tensione di ingresso.Il relè elettromeccanico di uscita K è correlato alla differenza tra le correnti dei due quadrati, e secondo l'identità di base, la corrente nella sua bobina è proporzionale alla potenza assorbita dal motore elettrico dalla rete.Con la corretta impostazione dei quadranti il ​​relè di potenza ha un errore inferiore al 2%.

Una classe speciale è formata dai relè impulsivi a tempo di impulso con doppia modulazione, che stanno diventando sempre più comuni. In tali relè, una tensione proporzionale alla corrente del motore viene inviata a un modulatore di ampiezza dell'impulso, che genera impulsi la cui durata è proporzionale alla corrente misurata: τ = K1Az ... Questi impulsi vengono inviati a un modulatore di ampiezza controllato dalla tensione di rete .

Di conseguenza, l'ampiezza degli impulsi risulta essere proporzionale alla tensione sullo statore del motore elettrico: Um = K2U. Il valore medio della tensione dopo doppia modulazione è proporzionale all'induzione di corrente e tensione: Ucf = fK1К2TU, dove f è la frequenza di modulazione. Tali relè di potenza hanno un errore non superiore all'1,5%.

Una variazione del carico meccanico sull'albero del motore a induzione comporta una variazione della fase della corrente dello statore rispetto alla tensione di rete. All'aumentare del carico, l'angolo di fase diminuisce. Ciò consente di costruire un relè di carico basato sul metodo delle fasi. Nella maggior parte dei casi, i relè rispondono al coseno o al fattore dell'angolo di fase. Per le loro caratteristiche, tali relè sono vicini ai relè di potenza, ma il loro design è molto più semplice.

Se escludiamo i quadranti A1 e A2 dal circuito (vedi Fig. 4) e i corrispondenti trasformatori T1 e T2 in esso, sostituiamo con resistori, quindi la tensione tra i punti a e b sarà proporzionale al cosfi, che cambia anche a seconda il carico del motore. Il relè elettromeccanico K, collegato nei punti aeb del circuito, consente di controllare un determinato livello di carico sul motore elettrico.Lo svantaggio della semplificazione del circuito è l'aumento dell'errore associato a un cambiamento nella tensione di linea.