Технологическое оборудование машиностроительных производств (Схиртладзе, 2002)

в пределах 0,02—0,12. При этом электродвигатели большей мощности имеют меньшее скольжение.

Кроме асинхронных электродвигателей нормального исполнения выпускают электродвигатели с повышенным скольжением (0,07—0,16) и пусковым моментом. Электродвигатели с нормальным скольжением имеют жесткую характеристику (кривая 7) и их применяют в большин­ стве станков, а электродвигатели с повышенным скольжением имеют мягкую характеристику (кривая 2), и их применяют в приводах станков с частым включением электродвигателя и значительной нагрузкой при пуске. При прочих равных условиях электродвигатель с мягкой харак­ теристикой имеет меньшую номинальную частоту и больший пусковой момент Мп.

В каталогах обычно приводят следующие основные данные асин­ хронных электродвигателей: номинальная мощность на валу Д,, кВт; номинальная частота вращения п, мин"^; синхронная частота вращения По, мин"\ отношения MJM^ и MJM^, где М^ и Мп — соответственно номинальный и пусковой моменты электродвигателя. Номинальный момент Л/„ = 9550Л„ • п, (ИМ).

Электродвигатели главного движения (привода главного движения) пускают без нагрузки, поэтому пусковой момент Мп = 0,5А/н достато­ чен. Для электродвигателей, включаемых в работу под нагрузкой, необходимо большой пусковой момент. Кроме того, такой метод позволяет сравнительно просто организовывать на станке нарезание резьбы путем перевода шпинделя в следящий режим, т. е. управляя им как обычной координатой от устройства ЧПУ.

Большинство металлообрабатывающих станков приводится в дви­ жение асинхронными электродвигателями трехфазного тока, которые просты в исполнении и надежны в эксплуатации.

Конструктивные формы асинхронных электродвигателей зависят от способа их крепления и формы, защиты от воздействия окружающей среды. Конструктивно электродвигатели выполняются на лапах, а также во фланцевом исполнении для горизонтальной и вертикальной установки.

Асинхронные электродвигатели рассчитаны на напряжение 127,220 и 380В. Один и тот же электродвигатель можно включать в сеть с разным напряжением, отличающимся друг от друга в VJ раза. При этом для меньшего из двух напряжений статор электродвигателя включают треугольником, для большего — звездой. Сила тока в фазовых обмотках электродвигателя в обоих случаях будет при таком включении одна и та же. Кроме того, выпускают электродвигатели на 500 В. Обмотку статора такого электродвигателя включают на постоянное соединение звездой. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором выпускают с номинальной мощностью 0,6—1000 кВт на синхронные частоты вращения 600, 750, 1000 и 3000 мин ^ Частоту вращения

70

асинхронного электродвигателя можно повысить, увеличив частоту переменного тока.

Механическая характеристика асинхронного двигателя, т. е. зави­ симость частоты вращения п от момента Afна его валу: п —J{hf) бывает мягкой, жесткой и абсолютной жесткой. У электродвигателей с мягкой характеристикой изменение момента вызывает значительные измене­ ния частоты вращения вала. Если это изменение не влечет за собой заметного изменения частоты вращения, характеристику называют

жесткой. При абсолютно жесткой характеристике частота вращения электродвигателя не зависит от нагрузки.

Механическая характеристика электродвигателя характеризуется скольжением (в процентах или в долях единицы), которое выражает относительные падения частоты вращения электродвигателя при пе­ реходе от работы без нагрузки {М— 0) наибольшей (критической)

нафузки (Л/= М^ : S= (по — п)/по, где По — скорость вращения маг­ нитного поля (синхронная частота вращения электродвигателя), с"^ и мин'^; п — частота вращения ротора (асинхронная).

Частота вращения асинхронного электродвигателя, мин"\ опреде­ ляется следующим соотношением: п = 60Д1 — S)/P где, /— частота переменного тока, Гц; Р—число полюсов статора электродвигателя; S — скольжение ротора.

Следовательно, частоту вращения ротора можно регулировать, изменяя частоту электрического тока, скольжение или число пар полюсов. Первым способом можно регулировать частоту вращения ротора только при наличии отдельного генератора переменного тока для питания электродвигателя. Во всех остальных случаях частота переменного тока в сети является постоянной величиной. Регулирова­ ние частоты вращения путем изменения скольжения осуществляется введением активного сопротивления в цепь ротора, что возможно только у электродвигателей с фазовым ротором. В металлорежущих станках (особенно в многоскоростных электродвигателях) широко применяют способ регулирования частоты вращения путем изменения числа пар полюсов.

Торможение асинхронных электродвигателей можно осуществлять механическим или электрическим способом. К электрическим спосо­ бам торможения относят торможение с рекуперацией, электродинами­ ческое торможение, торможение противотоком и др. Торможение с рекуперацией возможно только для многоскоростных электродвигате­ лей. Сущность его заключается в том, что электродвигатель, оставаясь не отключенным от сети, переключается на низшую скорость, в результате чего он переходит на генераторный режим и отдает в сеть электрическую энергию, благодаря чему электродвигатель тормозится и приближается к режиму переключенной низшей скорости. Дальней­ шее торможение осуществляется механическим путем или другими способами.

71

переключения двух фаз обмотки стато­ ра. При этом меняется направление вращающегося магнитного поля, которое воздействует на вращающийся по инерции ротор и тормозит его. В конце торможения электродвигатель автоматически отключается от сети. Этот способ широко применяют в станках из-за его простоты и надежности.

Реверсирование электродвигателей осуществляется путем переклю­ чения любых двух внешних зажимов (фаз) электродвигателя.

Электродвигатели постоянного тока с параллельным возбуждением (шунтовые) широко применяются в станках. Их включают по схеме, показанной на рис. 44. Обмотка якоря «Я» подключена к сети через пусковой реостат 7, а обмотка возбуждения ОВД —- через реостат 2, служащий для изменения частоты вращения.

Для электродвигателей постоянного тока момент на валу электро­ двигателя и частота вращения будут соответственно М= kJfi0, л =

=( V— Л • ^я)/С • Ф, где к = 0,05 — 0,12 — коэффициент пропорцио нальности; К— напряжение сети. В; Л ~ сила тока в цепи якоря; А, r„

— сопротивление цепи якоря; Ом; С— постоянная данного электро­ двигателя; Ф — магнитный электрический поток электродвигателя, Вб.

Механические характеристики электродвигателя приведены на рис. 45. Линия 7 соответствует естественной механической характеристике. Относительно малое сопротивление обмотки якоря обусловливает достаточную жесткость естественной характеристики электродвигателя с параллельным возбуждением. На рисунке это отражено небольшим наклоном линии 7. Во время работы электродвигателя можно увеличить сопротивление реостата 7; тогда общее сопротивление якоря возрастает (наклон линии увеличится). Таким образом, получается несколько искусственных реостатных характеристик 2—- 4. Потери мощности в цепи возбуждения зависят от мощности электродвигателя и лежат в пределах 1 — 8 %, увеличиваясь с уменьшением мощности электродви­ гателя.

Номинальную силу тока якоря определяют как разность номиналь­ ных значений силы тока электродвигателя и силы тока возбуждения.

72

^r ^

ОВД 2

Рис. 45. Механическая характеристика шунтового электродвигателя

Однако сила тока возбуждения электродвигателя параллельного воз­ буждения мала, и при расчетах ее часто не учитывают.

Шунтовые электродвигатели кратковременно могут работать с пе­ регрузкой. Коэффициент допустимой перефузки X = 2...2,5. Допусти­ мая кратковременная перегрузка ограничивается появлением значительного искрения под щетками.

Механическая характеристика, соответствующая измененной по­ лярности якоря электродвигателя, при которой изменяется действие момента в двигательном режиме, показана линией 9,

Пуск двигателя с параллельным возбуждением осуществляют толь­ ко с помощью пускового реостата. Реостат / при пуске включается полностью всеми ступенями, тем самым разгоняя электродвигатель по характеристике 4. Сопротивление рассчитывают так, чтобы электро­ двигатель при включении развивал заранее заданный момент Mi (обыч­ но Ml « Л/н). При разгоне электродвигателя, когда момент уменьшается до заранее принятого значения Мг (обычно Л/г «1,1 Л/„), одну секцию реостата отключают. Электродвигатель при той же скорости переходит на работу по характеристике 3. Дальнейший разгон электродвигателя происходит также по характеристике 3. Секции реостата постепенно отключают до тех пор, пока электродвигатель не перейдет на работу

73

по естественной механической характеристике. Пуск электродвигателя постоянного тока в станках производится автоматически.

Частоту вращения электродвигателей постоянного тока регулируют тремя способами: изменением сопротивления цепи якоря, изменением подводимого к электродвигателю напряжения и изменением магнит­ ного потока. Первый способ малоэкономичен, и его применяют редко.

Регулирование частоты вращения вала изменением магнитного потока является наиболее распространенным. Величина потока изме­ няется реостатом 2 Увеличивая его сопротивление, уменьшают силу тока возбуждения и магнитный поток, что приводит к увеличению частоты вращения. Таким образом, при уменьшении магнитного по­ тока механические характеристики представляют собой несколько прямых линий {5—8), не параллельных естественной характеристике и имеющих тем больший наклон, чем меньшим потокам они соответст­ вуют. Число их зависит от числа секций на реостате 2. При большом числе секций на регулировочном реостате частота вращения регулиру­ ется практически бесступенчато.

Регулирование частоты вращения изменением подводимого напря­ жения требует применения специальных схем и его используют в системах «генератор — двигатель».

Электродвигатели постоянного тока тормозят теми же способами, что и асинхронные электродвигатели. Торможение с рекуперацией осуществляют шунтовым реостатом, которым снижают скорость якоря до минимума. При этом электродвигатель работает в генераторном режиме, отдавая электрический ток в сеть. Окончательную остановку электродвигателя производят отключением его от сети.

При торможении электромеханическим способом, получившим наибольшее рапространение, якорь электродвигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление, а электрический ток включают через тормозной реостат.

При торможении противотоком изменяют направление электриче­ ского тока в цепи якоря.

Электрический привод с тиристорным преобразователем и двигате­ лем постоянного тока. Тиристорный преобразователь (ТП) является управляющим источником питания электродвигателя постоянного то­ ка, т. е. усилителем мощности с весьма высоким коэффициентом, достигающим значения 4000. На станках с ЧПУ скорость и направление вращения электропривода определяется системой ЧПУ по величине сигналов на перемещение в соответствии с технологией обработки. Электродвигатель непрерывно управляется в зависимости от величины сигналов рассогласования таким образом, чтобы устранить это рассог­ ласование. Скорость электродвигателя регулируется изменением на­ пряжения, подводимого к его якорю от источника регулируемого напряжения тиристорного преобразователя-выпрямителя. Тиристор-

74

ные преобразователи по сравнению с известными системами регули­ руемых электроприводов постоянного тока имеют значительные пре­ имущества: статический характер работы преобразователя; высокую экономичность регулирования напряжения; легкость управления; ста­ бильность поддержания скорости; высокое быстродействие; сравни­ тельно малые габаритные размеры и массу; бесшумность в работе; низкие эксплуатационные расходы; простоту обслуживания.

Тиристорные преобразователи собирают по различным силовым схемам в зависимости от мощности электропривода.

Для повышения быстродействия и обеспечения широкого диапа­ зона регулирования скорости применяют широтно-импульсное управ­ ление приводом. В таких схемах тиристоры включают в сеть постоянного тока последовательно с электродвигателем. Для гашения тиристоров применяют заряженные конденсаторы, которые включают специальными тиристорами гашения навстречу анодному напряже­ нию. Таким образом, в электродвигателях постоянного тока с тиристорными преобразователями через якорь электродвигателя пропускают импульсы постоянного тока различной продолжительно­ сти.

Эти импульсы отличаются от импульсов переменного тока той же длительностью повышенной энергии, сообщаемой электродвигателю. Это объясняется тем, что анодное напряжение неизменно в течение всего времени протекания тока через тиристор. Большое количество энергии, сообщаемое электродвигателю при пропускании каждого импульса, обеспечивает высокое быстродействие привода. Для элект­ роприводов подачи применяют также комплектные тиристорные пре­ образователи.

Схема тиристорного преобразователя типа ПТЗР (рис. 46) состоит из двух фупп вентилей, образующих трехфазные управляемые вентили. Они работают как инверторы, включаемые последовательно через дроссели (реакторы) 1—2, которые замкнуты на один электродвигатель, включенный между средней точкой «А» дросселей и общей точкой «Б» вторичной обмотки трехфазного трансформатора. При небольшом открывании вентилей обоих выпрямителей через дроссели идет урав­ нительный постоянный ток 2—4 А. Переменная составляющая этого тока ограничивается дросселями. При большом открывании вентилей одной группы и одноименном уменьшенном открывании другой за счет управляющего сигнала на выходе между точками «А» и «Б» возникает напряжение выпрямителей и вал электродвигателя начинает вращаться в ту или иную сторону в зависимости от того, у какого из выпрямителей напряжение больше. Если при установившейся скоро­ сти электродвигателя снизить управляющий сигнал на выходе, то одна из фупп вентилей (в зависимости от направления вращения вала электродвигателя в этот момент) переходит в инвенторный режим вследствие того, что ЭДС электродвигателя больше выпрямленного

75

а2 Ь2 с2 А В С

Рис. 46. Тиристорный преобразователь ПТЗР

напряжения. При этом направление тока, проходящего через электро­ двигатель, меняется и он начинает тормозиться до скорости, соответ­ ствующей новому значению управляющего сигнала.

Существуют различные методы управления тиристорами, имеющие свои преимущества и недостатки. Управляющие импульсы типа ПТЗР формируются в блоках управления (БУ), работающих совместно с блоком пилообразных напряжений (БПН) и усилителем постоянного тока (УПТ), на вход которого последовательно с управляющим сигна­ лом включен тахогенератор (77).

Этот преобразователь имеет специальную схему ограничения тока для предохранения электродвигателя от перефузки, реализованную в виде: блоктокоограничителя (БТО), блок задания скорости (БЗQ, блок

76

Рис. 47. Импульсно-фазовый следящий привод:

/ — формирователь ошибки перемещения, 2 — фильтр ошибки перемешения, 3 — узел компенсащ1и ошибки, ^—предварительный усилитель, 5— тиристорный преобразователь, 6— узел компенсации по скорости, 7— тахогенератор, <?— двигатель подач (постоянного тока), 9— рабочий орган станка, 10— индуктосин, Xv — сигнал задания скорости, Xs — сигнал программы задания фазы, Хп — сигнал обратной связи от револьвера, е* — суммарный сигнал

питания (БП), содержащий несколько независимых маломощных трех­ фазных вьшрямителей с фильтрами, блок питания обмоток возбужде­ ния электродвигателя и тахогенератора {БПДТ), Данный ТП совместно с электродвигателем Я5СГмощностью 1—10 кВт используют в качестве регулируемого электропривода, и он имеет входной управляющий сигнал + 200 В, получаемый от БЗС или от какого-либо другого источника управляющего сигнала постоянного тока. Диапазон регули­ рования 2000.

Время разгона электродвигателя на полную скорость зависит от его мощности. При небольших мощностях его можно использовать без блока токоофаничителя, при этом время разгона или торможения не превышает 0,3 с. Электродвигатели используют с номинальным напря­ жением ПО В и 220 В, при изменении напряжения необходимо заменить силовой трансформатор. Номинальная частота вращения ротора электродвигателя может быть различной (1000, 1500 и 3000 мин ).

В тиристорных преобразователях типа ЭТ-6И в силовой части применена двойная мостовая схема, значительно увеличивающая же­ сткость электропривода, и обратная связь по току нагрузки электро­ двигателя, что значительно улучшает динамику электропривода. В схеме применены интегральные усилители, обеспечивающие высокую стабильность характеристик. Тиристорный преобразователь ЭТ-6И может применяться для управления обычными электродвигателями ПБСТи высокомоментными электродвигателями с постоянными маг­ нитами, для чего в схеме этого ТП применена специальная схема ограничения тока, зависящего от частоты вращения электродвигателя

77

кг

Рис. 48. Структурная схема блока связи в импульсно-фазовой системе управления с приводом вращающего трансформатора:

КГ— кварцевый генератор частоты, СС— схема синхронизации, Д1 — делитель формирования пи­ тания, Д2 — опорный делитель, Т1м Т2— триггеры сдвига фаз, У/ и У2 — усилители питания, ВТ— вращающийся трансформатор, Ф — фильтр, НО — нуль-орган, Н— счетчик накопителя, ПЭ — пре­ образователь

(при увеличении частоты вращения допустимый ток пропорционально снижается). Это необходимо для предохранения электродвигателя от повреждений при перегрузках и больших скоростях слежения. Пример выполнения импульсно-фазового следящего привода (ИФП) с тиристорными преобразователями показан на рис. 47. Обратная связь дана

сизмерительным преобразователем «револьвер» или «индуктосин» (сигнал Л). При скачкообразном изменении частоты на входе блока разгона-замедления частота изменяется по заданному закону. Форми­ рование закона изменения управляющей частоты может изменяться в устройстве ЧПУ в зависимости от условий работы привода. Сигналы

свыхода блока разгона-замедления подаются на вход формирователя 1 импульсно-фазового преобразователя ИФП, вьщающего прямоуголь­ ные фазовые сигналы на несущей частоте (2000 Гц). При появлении на входе формирователя 1 задающего импульса на входе ИФП фаза сигнала изменяется относительно фазы-эталона. Например, при изме­ нении фазы сигнала револьвера за один оборот (или индуктосина на шаге 2 мм) на 360° с последующим делением на 1000 (=) дискрета будет равна 2 мкм. При фазовых измерительных преобразователях переме­ щения управления приводом подач выполняется по импульсивно-фа­ зовой схеме (рис. 48). Эта схема основана на определении сдвига фаз последовательностью импульсов программы и импульсов, сформиро­ ванных с выхода вращающегося трансформатора {ВТ). Временное сравнение сдвига фаз выполняется на несущей частоте. Опорный делитель Д7 заполняется импульсами тактовой частоты, алгебраически суммирующимися (в схеме синхронизации СС) с импульсами програм-

78

мы. Делитель Д2, формирующий питание, заполняется импульсами тактовой частоты. Приход каждого импульса программы вызывает сдвиг фаз импульсов на выходе опорного делителя на +I/N часть периода (N — емкость делителя). Наибольший сдвиг фазы, запомина­ емый опорным делителем, соответствует № импульса программы. На выходе 5Г установлен фильтр (Ф) и нуль-орган {НО), формирующие прямоугольную последовательность импульсов, которая сравнивается по фазе с импульсами на входе опорного делителя. Для расширения диапазона запоминания рассогласования по пути предусмотрен счет­ чик-накопитель {Н), запоминающий ошибку, кратную фазовому сдви­ гу. При наличии такого счетчика рассогласование может превышать период сигнала измерительного преобразователя {ПЭ), Преобразова­ тель формирует аналоговый сигнал на вход блока управления приво­ дом, пропорциональный фазовому сдвигу между импульсами.

Привод подач с высокомоментными электродвигателями позволяет выполнить разгон перемещаемого органа до максимальной скорости за весьма малое время (разгон до 10 м/мин за 0,25 с).

Станки класса точности Н комплектуют приводами подач с двух­ полюсным вращающимся трансформатором ВТМ-1В с делением фазы на 2000. При дискретности линейного перемещения 0,01 мм привод обеспечивает скорость до 6 м/мин, а при установке мультипликатора

— до 10 м/мин. Станки класса точности П комплектуют приводами подач с линейными датчиками ДЛМ-П, либо индуктосинами, обеспе­ чивающими скорость холостых ходов до 10 м/мин. Возможно приме­ нение многополюсных револьверов. Высокомоментные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов — это электродвигатели посто­ янного тока, у которых вместо электромагнитного возбуждения ис­ пользуют возбуждение от постоянных магнитов. Они позволяют получать большие крутящие моменты при непосредственном соедине­ нии с ходовым винтом без промежуточных передач. Благодаря наличию возбуждения от постоянных магнитов эти двигатели вьщерживают значительные перегрузки и отличаются высоким быстродействием, так как способны кратковременно развивать большой (50—20-кратный) крутящий момент при малых частотах вращения. Отсутствие обмотки возбуждения, нафевающейся при работе двигателя с электромагнит­ ным возбуждением, обусловливает меньший нагрев двигателя с посто­ янными магнитами. Благодаря этому стало возможным увеличить силу тока якоря и развиваемый крутящий момент без увеличения габарит­ ных размеров двигателя. Для увеличения равномерности вращения ротора двигателя и связанного с ним винта подачи при малых скоростях двигатель имеет большое число полюсов и коллекторных пластин малой ширины. Коллекторы двигателя и тахогенератора имеют специ­ альное покрытие, щетки изготовляют из специально подобранных материалов. Для повышения теплостойкости двигателя при пропуска-

79