Elektrische Geräte zur Überwachung von Lasten, Kräften und Momenten in Zerspanungsmaschinen

Beim Betrieb automatisierter Anlagen ist es notwendig, die Belastung, also die Kräfte und Momente, die auf die Elemente von Maschinen und Maschinen wirken, zu kontrollieren. Dies verhindert Schäden an einzelnen Teilen oder eine unzulässige Überlastung von Elektromotoren, ermöglicht die Auswahl der optimalen Betriebsart von Maschinen, eine statistische Analyse der Betriebsbedingungen usw.

Mechanische Lastkontrollgeräte

Sehr oft basieren Lastkontrollgeräte auf einem mechanischen Prinzip. In der kinematischen Kette der Maschine ist ein elastisches Element enthalten, dessen Verformung proportional zur aufgebrachten Last ist. Bei Überschreitung eines bestimmten Lastniveaus wird ein Mikroschalter ausgelöst, der über eine kinematische Verbindung mit dem elastischen Element verbunden ist. Lastkontrollvorrichtungen mit Nocken-, Kugel- oder Rollenkupplungen werden in der Werkzeugmaschinenindustrie häufig eingesetzt.Sie werden in Spannvorrichtungen, Schraubenschlüsseln und anderen Fällen eingesetzt, in denen der elektrische Antrieb auf einen harten Anschlag läuft.

Geräte zur Steuerung elektrischer Lasten

Das Vorhandensein eines empfindlichen elastischen Elements in der kinematischen Kette verringert die Gesamtsteifigkeit des elektromechanischen Antriebs und verschlechtert seine dynamischen Eigenschaften. Daher versuchen sie, durch elektrische Methoden Informationen über die Größe der Last (in diesem Fall das Drehmoment) zu erhalten, indem sie den vom Antriebsmotor verbrauchten Strom, die Leistung, den Schlupf, den Phasenwinkel usw. steuern.

In Abb. 1 und zeigt eine Schaltung zur Überwachung der Strombelastung des Stators des Induktionsmotors. Spannung proportional zum Strom I des Stators des Elektromotors, aus der Sekundärwicklung des Stromwandlers TA entnommen, gleichgerichtet und einem Niederstrom zugeführt elektromagnetisches relais K, dessen eingestellter Wert mit dem Potentiometer R2 eingestellt wird. Zur Überbrückung der Sekundärwicklung des Transformators, der im Kurzschlussmodus arbeiten muss, ist ein niederohmiger Widerstand R1 erforderlich.

Abbildung 1. Schema zur Überwachung der Belastung des Elektromotors anhand des Statorstroms

Zur Steuerung des Statorstroms werden schnell wirkende Schutzstromrelais eingesetzt, die in Kap. 7. Der Statorstrom steht im Zusammenhang mit dem Wellendrehmoment der Motorwelle durch eine nichtlineare Formabhängigkeit

wobei Azn – Nennstrom des Stators, Mn – Nenndrehmoment, βo =AzO/Azn – Multiplizität des Leerlaufstroms.

Diese Abhängigkeit ist in Abb. grafisch dargestellt. 1, b (Kurve 1). Die Grafik zeigt, dass sich der Statorstrom des Elektromotors bei geringer Last nur geringfügig ändert und eine Lastanpassung in diesem Bereich nicht möglich ist.Darüber hinaus hängt der Statorstrom nicht nur vom Drehmoment, sondern auch von der Netzspannung ab. Wenn die Netzspannung abnimmt, ändert sich die Abhängigkeit 1(M) (Kurve 2), was zu einem Fehler im Betrieb der Schaltung führt.

Der Statorstrom eines Elektromotors ist die geometrische Summe aus Leerlaufstrom und reduziertem Rotorstrom:

Bei einer Laständerung ändert sich der Strom I2 '. Der Leerlaufstrom ist praktisch unabhängig von der Last. Um die Empfindlichkeit kleiner Laststeuergeräte zu erhöhen, ist es daher erforderlich, den meist induktiven Leerlaufstrom zu kompensieren.

Bei Elektromotoren mit geringer Leistung ist die Kondensatorgruppe C im Statorkreis enthalten (gestrichelte Linien in Abb. 1, a), die einen Leitstrom erzeugt. Dadurch verbraucht der Elektromotor aus dem Netz einen Strom, der dem reduzierten Strom entspricht Rotorstrom, und die Abhängigkeit 1 (M) wird nahezu linear (Kurve 3 in Abb. 1, b). Ein Nachteil dieser Methode ist die stärkere Abhängigkeit der Lastcharakteristik von Schwankungen der Netzspannung.

Bei Elektromotoren mit höherer Leistung wird die Kondensatorbatterie sperrig und teuer. In diesem Fall ist es sinnvoller, den Leerlaufstrom im Sekundärkreis des Stromwandlers zu kompensieren (Abb. 2).

Abbildung 2. Laststeuerrelais mit Leerlaufstromkompensation

Die Schaltung verwendet einen Transformator mit zwei Primärwicklungen: Strom W1 und Spannung W2. Im Spannungswicklungskreis ist ein Kondensator C enthalten, der die Phase des Stroms um 90° zum Draht verschiebt.Die Parameter des Transformators sind so gewählt, dass die Magnetisierungskraft der Wicklung W2 den auf den Leerlaufstrom des Elektromotors bezogenen Anteil der Magnetisierungskraft der Wicklung W1 kompensiert. Dadurch ist die Spannung am Ausgang der Sekundärwicklung W3 proportional zum Rotorstrom und Lastdrehmoment. Diese Spannung wird gleichgerichtet und an das elektromagnetische Relais K angelegt.

In Maschinensteuerungen werden hochempfindliche Lastrelais eingesetzt, die eine ausgeprägte Relaisabhängigkeit der Ausgangsspannung vom Drehmoment der Last aufweisen (Abb. 3, b). Die Schaltung eines solchen Relais (Abb. 3, a) verfügt über einen Stromwandler TA und einen Spannungswandler TV, deren Ausgangsspannung gegenläufig eingeschaltet ist.

Abbildung 3. Hochempfindliches Laststeuerungsrelais

Wird der Leerlaufstrom beispielsweise durch die Kondensatorbank C kompensiert, beträgt die Ausgangsspannung der Schaltung

wo Kta, Ktv- Umrechnungsfaktoren von Strom- und Spannungswandlern, U1 — Spannung in der Motorphase.

Durch Ändern von Kta oder Ktv ist es möglich, die Schaltung so zu konfigurieren, dass bei einem gegebenen Drehmoment Mav die Ausgangsspannung minimal ist. Dann führt jede Abweichung des Modus vom vorgegebenen Modus zu einer starken Änderung von U out und zum Auslösen des Relais K.

Ähnliche Schemata werden verwendet, um den Kontaktmoment der Schleifscheibe mit dem Werkstück beim Übergang von der schnellen Annäherung des Schleifkopfes zum Arbeitsvorschub zu steuern.

Präziser arbeiten Lastrelais, die auf der Steuerung der vom Asynchron-Elektromotor aus dem Netz aufgenommenen Leistung basieren. Solche Relais haben eine lineare Kennlinie, die sich bei Schwankungen der Netzspannung nicht ändert.

Die zur Leistungsaufnahme proportionale Spannung erhält man durch Multiplikation der Spannung und des Stroms des Stators des Induktionsmotors. Hierzu werden Lastrelais auf Basis nichtlinearer Elemente mit quadratischer Volt-Ampere-Kennlinie-Quadratoren eingesetzt. Das Funktionsprinzip solcher Relais basiert auf der Identität (a + b)2 — (a — b)2 = 4ab.

Das Lastrelais ist in Abb. dargestellt. 4.

Abbildung 4. Stromverbrauchsrelais

Der über den Widerstand RT und den Spannungswandler TV belastete Stromwandler TA erzeugt an den Sekundärwicklungen Spannungen proportional zum Strom und der Phasenspannung des Elektromotors. Der Spannungswandler verfügt über zwei Sekundärwicklungen, an denen um 180° phasenverschoben gleiche Spannungen -Un und +Un entstehen.

Summe und Differenz der Spannungen werden durch eine phasenempfindliche Schaltung bestehend aus Anpasstransformatoren T1 und T2 sowie einer Diodenbrücke gleichgerichtet und den nach dem Prinzip der linearen Näherung aufgebauten Quadrierern A1 und A2 zugeführt.

Die Quadrierer enthalten Widerstände R1–R4 und R5–R8 sowie Ventile, die durch die Referenzspannung aus den Teilern R9, R10 gesperrt werden. Wenn die Eingangsspannung steigt, öffnen sich die Ventile nacheinander und neue Widerstände, die parallel zu den Widerständen R1 oder R5 geschaltet sind, werden aktiviert. Dadurch hat die Strom-Spannungs-Kennlinie des Vierecks die Form einer Parabel, die die quadratische Abhängigkeit des Stroms von der Eingangsspannung gewährleistet. Der Ausgang des elektromechanischen Relais K hängt mit der Differenz zwischen den Strömen der beiden Quadrate zusammen, und gemäß der Grundidentität ist der Strom in seiner Spule proportional zur Leistung, die der Elektromotor aus dem Netz verbraucht.Bei korrekter Einstellung der Quadranten weist das Leistungsrelais einen Fehler von weniger als 2 % auf.

Eine Sonderklasse bilden die immer häufiger vorkommenden Puls-Zeit-Impulsrelais mit Doppelmodulation. Bei solchen Relais wird eine dem Motorstrom proportionale Spannung einem Pulsweitenmodulator zugeführt, der Impulse erzeugt, deren Dauer proportional zum gemessenen Strom ist: τ = K1Az ... Diese Impulse werden einem von der Netzspannung gesteuerten Amplitudenmodulator zugeführt .

Dadurch ist die Amplitude der Impulse proportional zur Spannung am Stator des Elektromotors: Um = K2U. Der Durchschnittswert der Spannung nach der Doppelmodulation ist proportional zur Strom- und Spannungsinduktion: Ucf = fK1К2TU, wobei f die Modulationsfrequenz ist. Solche Leistungsrelais haben einen Fehler von nicht mehr als 1,5 %.

Eine Änderung der mechanischen Belastung der Welle des Induktionsmotors führt zu einer Änderung der Phase des Statorstroms relativ zur Netzspannung. Mit zunehmender Last nimmt der Phasenwinkel ab. Dadurch können Sie ein Lastrelais nach der Phasenmethode aufbauen. In den meisten Fällen reagieren Relais auf den Kosinus- oder Phasenwinkelfaktor. Aufgrund ihrer Eigenschaften ähneln solche Relais Leistungsrelais, sind jedoch viel einfacher aufgebaut.

Wenn wir die Quadranten A1 und A2 aus der Schaltung ausschließen (siehe Abb. 4) und die entsprechenden Transformatoren T1 und T2 darin durch Widerstände ersetzen, dann ist die Spannung zwischen den Punkten a und b proportional zum cosfi, der sich ebenfalls je nach ändert die Motorlast. Mit dem elektromechanischen Relais K, das an den Punkten a und b des Stromkreises angeschlossen ist, können Sie eine bestimmte Belastung des Elektromotors steuern.Der Nachteil der Schaltungsvereinfachung ist der erhöhte Fehler, der mit einer Änderung der Netzspannung einhergeht.