Dispositivos elétricos para monitoramento de cargas, forças e momentos em máquinas de corte de metal

Durante a operação de equipamentos automatizados, torna-se necessário controlar a carga, ou seja, os esforços e momentos atuantes nos elementos das máquinas e máquinas. Isso evita danos a peças individuais ou sobrecarga inaceitável de motores elétricos, permite escolher o modo ideal de operação das máquinas, fazer uma análise estatística das condições de operação, etc.

Dispositivos mecânicos de controle de carga

Muitas vezes, os dispositivos de controle de carga são baseados em um princípio mecânico. Um elemento elástico é incluído na cadeia cinemática da máquina, cuja deformação é proporcional à carga aplicada. Exceder um determinado nível de carga aciona um microinterruptor conectado ao elemento elástico por meio de um link cinemático. Dispositivos de controle de carga com acoplamentos de came, esfera ou rolo são amplamente utilizados na indústria de máquinas-ferramenta.Eles são usados ​​em dispositivos de fixação, chaves e outros casos onde o acionamento elétrico opera em um batente rígido.

Dispositivos de controle de carga elétrica

A presença de um elemento elástico sensível na cadeia cinemática reduz a rigidez geral do acionamento eletromecânico e piora suas características dinâmicas. Portanto, eles tentam obter informações sobre a magnitude da carga (neste caso, o torque) por meio de métodos elétricos, controlando a corrente, potência, escorregamento, ângulo de fase, etc. consumido pelo motor de acionamento.

Na fig. 1 e mostra um circuito para monitorar a carga de corrente no estator do motor de indução. Tensão proporcional à corrente I do estator do motor elétrico, retirado do enrolamento secundário do transformador de corrente TA, retificado e alimentado a uma corrente de baixa relé eletromagnético K, cujo valor definido é ajustado pelo potenciômetro R2. Um resistor de baixa resistência R1 é necessário para contornar o enrolamento secundário do transformador, que deve operar em modo de curto-circuito.

Figura 1. Esquema de monitoramento da carga do motor elétrico pela corrente do estator

Para controlar a corrente do estator, os relés de proteção de proteção de ação rápida descritos no cap. 7. A corrente do estator está relacionada ao torque do eixo do motor por uma dependência de forma não linear

onde Azn — corrente nominal do estator, Mn — torque nominal, βo =AzO/Azn-multiplicidade da corrente de marcha lenta.

Essa dependência é mostrada graficamente na Fig. 1, b (curva 1). O gráfico mostra que em baixas cargas a corrente do estator do motor elétrico muda muito pouco e é impossível ajustar a carga nesta área.Além disso, a corrente do estator depende não apenas do torque, mas também da tensão da rede. Quando a tensão de rede diminui, a dependência 1(M) muda (curva 2), o que introduz um erro no funcionamento do circuito.

A corrente do estator de um motor elétrico é a soma geométrica da corrente sem carga e a corrente reduzida do rotor:

Quando a carga muda, a corrente muda I2 ' A corrente sem carga é praticamente independente da carga. Portanto, para aumentar a sensibilidade de pequenos dispositivos de controle de carga, é necessário compensar a corrente sem carga, que é principalmente indutiva.

Em motores elétricos de baixa potência, o capacitor do grupo C está incluído no circuito do estator (linhas pontilhadas na Fig. 1, a), que gera uma corrente de avanço. Como resultado, o motor elétrico consome da rede uma corrente igual à reduzida corrente do rotor, e a dependência 1 (M) torna-se quase linear (curva 3 na Fig. 1, b). Uma desvantagem deste método é a forte dependência das características da carga em flutuações na tensão da rede.

Em motores elétricos de maior potência, o banco de capacitores torna-se volumoso e caro. Nesse caso, é mais conveniente compensar a corrente sem carga no circuito secundário do transformador de corrente (Fig. 2).

Figura 2. Relé de controle de carga com compensação de corrente sem carga

O circuito usa um transformador que possui dois enrolamentos primários: corrente W1 e tensão W2. Um capacitor C está incluído no circuito de enrolamento de tensão, que muda a fase da corrente em 90° para o fio.Os parâmetros do transformador são escolhidos de modo que a força de magnetização do enrolamento W2 compense aquela componente da força de magnetização do enrolamento W1 que está relacionada com a corrente sem carga do motor elétrico. Como resultado, a tensão na saída do enrolamento secundário W3 é proporcional à corrente do rotor e ao torque de carga. Esta tensão é retificada e aplicada ao relé eletromagnético K.

Nos sistemas de controle de máquinas, são utilizados relés de carga altamente sensíveis, que têm uma dependência pronunciada do relé da tensão de saída no torque da carga (Fig. 3, b). O circuito desse relé (Fig. 3, a) possui um transformador de corrente TA e um transformador de tensão TV, cuja tensão de saída é ligada em direções opostas.

Figura 3. Relé de controle de carga de alta sensibilidade

Se a corrente sem carga for compensada, por exemplo, pelo banco de capacitores C, a tensão de saída do circuito é

onde Kta, Ktv- fatores de conversão de transformadores de corrente e tensão, U1 — tensão na fase do motor.

Ao alterar Kta ou Ktv, é possível configurar o circuito para que, para um determinado torque Mav, a tensão de saída seja mínima. Então, qualquer desvio do modo dado causará uma mudança brusca U out e acionará o relé K.

Esquemas semelhantes são usados ​​\u200b\u200bpara controlar o momento de contato do disco de retificação com a peça de trabalho durante a transição da aproximação rápida do cabeçote de retificação para a alimentação de trabalho.

Os relés de carga, baseados no controle da potência consumida pelo motor elétrico assíncrono da rede, funcionam com mais precisão. Esses relés têm uma característica linear que não muda com as flutuações na tensão da rede.

A tensão proporcional ao consumo de energia é obtida multiplicando a tensão e a corrente do estator do motor de indução. Para isso, são utilizados relés de carga baseados em elementos não lineares com quadradores característicos volt-ampère quadráticos. O princípio de operação de tais relés é baseado na identidade (a + b)2 — (a — b)2 = 4ab.

O relé de carga é mostrado na fig. 4.

Figura 4. Relé de consumo de energia

O transformador de corrente TA carregado no resistor RT e o transformador de tensão TV formam nos enrolamentos secundários tensões proporcionais à corrente e tensão de fase do motor elétrico. O transformador de tensão possui dois enrolamentos secundários nos quais são formadas tensões iguais -Un e +Un, com deslocamento de fase de 180 °.

A soma e a diferença das tensões são retificadas por um circuito sensível à fase composto pelos transformadores correspondentes T1 e T2 e uma ponte de diodos, e são alimentados aos quadrados A1 e A2 feitos de acordo com o princípio da aproximação linear.

Os esquadros contêm resistores R1 — R4 e R5 — R8 e válvulas travadas pela tensão de referência retirada dos divisores R9, R10. À medida que a tensão de entrada aumenta, as válvulas se abrem sucessivamente e novos resistores conectados em paralelo com os resistores R1 ou R5 são acionados. Como resultado, a característica corrente-tensão do quadrilátero tem a forma de uma parábola, o que garante a dependência quadrática da corrente com a tensão de entrada. O relé eletromecânico de saída K está relacionado à diferença entre as correntes dos dois quadrados, e de acordo com a identidade básica, a corrente em sua bobina é proporcional à potência consumida pelo motor elétrico da rede.Com a configuração correta dos quadrantes, o relé de potência apresenta um erro inferior a 2%.

Uma classe especial é formada por relés de pulso de tempo de pulso com modulação dupla, que estão se tornando cada vez mais comuns. Nesses relés, uma tensão proporcional à corrente do motor é alimentada a um modulador de largura de pulso, que gera pulsos cuja duração é proporcional à corrente medida: τ = K1Az ... Esses pulsos são alimentados a um modulador de amplitude controlado pela tensão da rede .

Como resultado, a amplitude dos pulsos é proporcional à tensão no estator do motor elétrico: Um = K2U. O valor médio da tensão após modulação dupla é proporcional à indução de corrente e tensão: Ucf = fK1К2TU, onde f é a frequência de modulação. Esses relés de potência têm um erro não superior a 1,5%.

Uma mudança na carga mecânica no eixo do motor de indução leva a uma mudança na fase da corrente do estator em relação à tensão da rede. À medida que a carga aumenta, o ângulo de fase diminui. Isso permite que você construa um relé de carga com base no método de fase. Na maioria dos casos, os relés respondem ao cosseno ou fator de ângulo de fase. Por suas características, esses relés estão próximos dos relés de potência, mas seu design é muito mais simples.

Se excluirmos os quadrantes A1 e A2 do circuito (ver Fig. 4) e os transformadores correspondentes T1 e T2 nele, substituirmos por resistores, então a tensão entre os pontos a e b será proporcional ao cosfi, que também muda dependendo a carga motora. O relé eletromecânico K, conectado nos pontos a e b do circuito, permite controlar um determinado nível de carga no motor elétrico.A desvantagem da simplificação do circuito é o aumento do erro associado a uma mudança na tensão da linha.