В процессе использования автоматического оборудования появляется необходимость контроля нагрузки, т. е. усилий и моментов, действующих в элементах станков и машин. Это предутверждает поломку отдельных деталей либо недопустимую перегрузку электродвигателей, позволяет избрать лучший режим работы станков, произвести статистический анализ критерий эксплуатации и т. п.

Механические устройства контроля нагрузки

Очень нередко устройства контроля нагрузки основываются на механическом принципе. В кинематическую цепь станка включают гибкий элемент, деформация которого пропорциональна приложенной нагрузке. Превышение определенного уровня нагрузки приводит к срабатыванию микропереключателя, связанного с упругим элементом кинематической связью. В станкостроении получили обширное распространение устройства контроля нагрузки с кулачковыми, шариковыми либо роликовыми муфтами. Их используют в зажимных устройствах, гайковертах и других случаях, когда электропривод работает на жесткий упор.

Электронные устройства контроля нагрузки

Наличие чувствительного упругого элемента в кинематической цепи понижает общую твердость электромеханического привода и усугубляет его динамические свойства. Потому информацию о величине нагрузки (в этом случае вращающего момента) стараются получить электронными способами, контролируя потребляемый приводным электродвигателем ток, мощность, скольжение, угол сдвига фазы и т. п.

На рис. 1, а показана схема контроля нагрузки по току статора асинхронного электродвигателя. Напряжение, пропорциональное току I статора электродвигателя, снимается со вторичной обмотки трансформатора тока ТА, выпрямляется и подается на слаботочное электрическое реле К, уставка которого регулируется потенциометром R2. Низкоомный резистор R1 нужен для шунтирования вторичной обмотки трансформатора, который должен работать в режиме недлинного замыкания.

Набросок 1. Схема контроля нагрузки электродвигателя по току статора

Для контроля тока статора используют также быстродействующие защитные реле тока, описанные в гл. 7. Ток статора связан с моментом нагрузки на валу электродвигателя нелинейной зависимостью вида

где Iн — номинальный ток статора, Мн — номинальный момент, βо=Iо/Iн—кратность тока холостого хода.

Графически эта зависимость изображена на рис. 1, б (кривая 1). Из графика видно, что при малых нагрузках ток статора электродвигателя меняется очень некординально, и регулировать нагрузку в этой зоне нереально. Не считая того, ток статора зависит не только лишь от момента, да и от напряжения сети. При снижении напряжения сети зависимость 1(М) меняется (кривая 2), что заносит погрешность в работу схемы.

Ток статора электродвигателя представляет собой геометрическую сумму тока холостого хода и приведенного тока ротора:

При изменении нагрузки изменяется ток I2′ Ток холостого хода фактически от нагрузки не зависит. Потому для роста чувствительности устройств контроля малых нагрузок нужно восполнить ток холостого хода, имеющий в главном индуктивный нрав.

В электродвигателях малой мощности в цепь статора включают батарею конденсаторов С (штриховые полосы на рис. 1, а), которая производит опережающий ток. В итоге электродвигатель потребляет из сети ток, равный приведенному току ротора, а зависимость 1(М) становится практически линейной (кривая 3 ни рис. 1, б). Неким недочетом данного способа является более мощная зависимость свойства нагрузки от колебаний напряжения сети.

В электродвигателях большей мощности конденстаторная батарея становится массивной и дорогой. В данном случае компенсацию тока холостого хода целесообразнее проводить в цепи вторичной обмотки трансформатора тока (рис. 2).

Набросок 2. Реле контроля нагрузки с компенсацией тока холостого хода

В схеме употребляют трансформатор, имеющий две первичные обмотки: тока W1 и напряжения W2. В цепь обмотки напряжения включен конденсатор С, сдвигающий фазу тока на 90° в сторону опережения. Характеристики трансформатора подобраны так, что намагничивающая сила обмотки W2 компенсирует ту составляющую намагничивающей силы обмотки W1, котораясвязана с током холостого хода электродвигателя. В итоге напряжение на выходе вторичной обмотки W3 пропорционально току ротора и моменту нагрузки. Это напряжение выпрямляется и подается на электрическое реле К.

В системах управления станками используют высокочувствительные реле нагрузки, имеющие очевидно выраженную релейную зависимость напряжения выхода от момента нагрузки (рис. 3, б). Схема такового реле (рис. 3, а) имеет трансформатор тока ТА и трансформатор напряжения TV, выходные напряжения которых включены встречно.

Набросок 3. Высокочувствительное реле контроля нагрузки

Если ток холостого хода компенсирован, к примеру, при помощи батареи конденсаторов С, выходное напряжение схемы

где Кта, Ктv—коэффициенты преобразования трансформаторов тока и напряжения, U1 — напряжение на фазе электродвигателя.

Изменяя Кта либо Ktv, можно настроить схему так, чтоб при данном моменте нагрузки Мср напряжение на выходе было наименьшим. Тогда всякое отклонение режима от данного приведет к резкому изменению Uвых и вызовет срабатывание реле К.

Подобные схемы используют для контроля момента касания шлифовального круга с деталью при переходе от резвого подвода шлифовальной бабки к рабочей подаче.

Более точно работают реле нагрузки, основанные на контроле мощности, потребляемой асинхронным электродвигателем из сети. Такие реле .имеют линейную характеристику, которая не меняется при колебаниях напряжения сети.

Напряжение, пропорциональное потребляемой мощности, получают перемножением напряжения и тока статора асинхронного электродвигателя. Для этого употребляют реле нагрузки, основанные на нелинейных элементах с квадратичной вольт-амперной чертой — квадраторах. Принцип деяния таких реле основан на тождестве (a + b)² — (a — b)² = 4ab.

Схема реле нагрузки изображена на рис. 4.

Набросок 4. Реле потребляемой мощности

Трансформатор тока ТА, нагруженный на резистор RT и трансформатор напряжения TV образуют на вторичных обмотках напряжения, пропорциональные току и фазному напряжению электродвигателя. Трансформатор напряжения имеет две вторичные обмотки, на которых образуются равные напряжения -Uн и +Uн, сдвинутые по фазе на 180°.

Сумма и разность напряжений выпрямляется фазочувствительной схемой, состоящей из согласующих трансформаторов Т1 и Т2 и диодного моста, и подается на квадраторы А1 и А2, выполненные по принципу кусочно-линейной аппроксимации.

Квадраторы содержат резисторы R1 — R4 и R5 — R8 и вентили, запертые опорным напряжением, снимаемым с делителей R9, R10. По мере роста входного напряжения вентили попеременно открываются и в работу вводятся новые резисторы, включенные параллельно резисторам R1 либо R5. В итоге вольт-амперная черта квадратора имеет форму параболы, что обеспечивает квадратичную зависимость тока от входного напряжения. Выходное электромеханическое реле К включено на разность токов 2-ух квадраторов, и в согласовании с главным тождеством ток в его обмотке пропорционален мощности, потребляемой электродвигателем из сети. При правильной настройке квадраторов реле мощности имеет погрешность наименее 2%.

Особенный класс образуют время-импульсные реле мощности с двойной модуляцией, которые получают все большее распространение. В схожих реле напряжение, пропорциональное току электродвигателя, подается на широтно-импульсный модулятор, вырабатывающий импульсы, продолжительность которых пропорциональна измеряемому току: τ = К₁I . Эти импульсы поступают на амплитудный модулятор, управляемый напряжением сети.

В итоге амплитуда импульсов оказывается пропорциональной напряжению на статоре электродвигателя: Um = K₂U. Среднее значение напряжения после двойной модуляции пропорционально про наведению тока и напряжения: Uср = fK₁K₂TU, где f — частота модуляции. Подобные реле мощности имеют погрешность менее 1,5%.

Изменение механической нагрузки на валу асинхронного электродвигателя приводит к изменению фазы тока статора относительно напряжения сети. По мере роста нагрузки фазовый угол миниатюризируется. Это позволяет выстроить реле нагрузки на фазовом способе. Почти всегда реле реагируют на косинус угла сдвига фазы либо коэффициент мощности. По своим чертам такие реле близки к реле мощности, но конструкция их существенно проще.

Если из схемы (см. рис. 4) исключить квадраторы А1 и А2, а согласующие трансформаторы T1 и T2 в ней поменять резисторами, то напряжение меж точками а и b будет пропорционально cosфи, который также меняется в функции нагрузки электродвигателя. Электромеханическое реле К, присоединенное в точках а и b схемы, позволяет держать под контролем данный уровень нагрузки электродвигателя. Недочетом упрощения схемы является завышенная погрешность, связанная с конфигурацией напряжения сети.