Токар. Спеціальна технологія. 3 розряд. Тема 9. п.9.4.

Електроустаткування токарного верстата

Навчальні питання
1. Електропривід металорізальних верстатів
2. Двигуни постійного струму
3. Апаратура керування та захисту електроприводу

Електропривід металорізальних верстатів
Електропривід металорізальних верстатів перетворює електричну енергію на механічну. Розрізняють такі приводи: головного руху, подачі, швидких пересувань тощо. В електроприводі застосовують двигуни змінного та постійного струму, частіше асинхронні двигуни змінного трьохфазного струму з короткозамкненим ротором, який з'єднується безпосередньо або через пасову передачу з коробкою передач. Асинхронні двигуни можуть бути з однією або двома швидкостями обертання (наприклад, 3000/1500, 1500/750). Для безступінчастого регулювання швидкості обертання органів верстата застосовують асинхронні двигуни з незалежним збудженням і двигуни постійного струму, що дозволяють змінювати частоту обертання в діапазоні 10:1.
До складу електроприводу, крім електродвигуна й виконавчих органів верстата, з якими з'єднаний електродвигун, входять апаратура керування двигуном, системи електровимірювальних приборів, електричні ланцюги, апаратура захисту тощо.
Асинхронний двигун (рис. 23) має алюмінієву або литу чавунну станину 10. Обмотку статора 9 укладено в пази осердя 12 статора. Кінці фаз обмотки через отвір у станині виведені в коробку, яка складається з корпуса 21, перехідного патрубка 22 і кришки 20. Осердя ротора 13, стягнений стрижнями обмотування й короткозамикальними кільцями 7, жорстко посаджений на вал 2 двигуна. У короткозамикальних кільцях виконано пази, в яких кріпляться вантажі 18, призначені для балансування ротора. Вал 2 ротора зі шпонкою 3 обертається в двох підшипниках 5 і 19. Кільцеві хвилясті пружини 4 здійснюють попередній натяг підшипників і компенсують теплове подовження вала ротора, а також зменшують шум і вібрації двигуна при роботі. Для кріплення болтами 8 до станини щити 1 і 16 мають приливи 25.

p9 33
Для охолодження двигуна на вал 2 насаджено вентилятор 17, закритий кожухом 15, який кріпиться до станини гвинтами 14. Для спрямування потоку повітря й збільшення поверхні тепловіддачі на зовнішній поверхні статора є ребра 23. Для охолодження всередині двигуна призначені лопатки 6. Збоку до станини кріпиться паспортна таблиця 24, на якій зазначається тип двигуна, його заводський номер, завод-виготовлювач, потужність двигуна, частота його обертання, нормальна напруга та інші дані. Для транспортування двигуна передбачений рим-болт 11, а для заземлення — болт 26.
Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором є найкомпактнішим, надійним і економічним в експлуатації, що зберігає приблизно постійну частоту обертання при змінах навантаження від мінімальної (при холостому ході) до номінальної. При живленні обмотки статора трифазним током у двигуні створюється обертове магнітне поле, яке перетинає замкнені обмотки ротора й наводить у них струм. Струм роторної обмотки взаємодіє з магнітним полем двигуна і в результаті створюється обертовий момент, що призводить до обертання ротор двигуна в той самий бік, у який обертається магнітне поле.
Якщо частоти обертання ротора й магнітного поля однакові, то магнітне поле не перетинає обмотку ротора і в ній не виникає струм; обертовий момент при цьому відсутній. Тому частота обертання ротора завжди менша за частоту обертання магнітного поля.
Оскільки магнітне поле двигуна при зміні навантаження в доволі широких межах залишається постійним, то збільшення обертового моменту має відбуватися цілком у результаті збільшення струму в обмотці ротора. Щоб швидкість перетину магнітних ліній збільшилась, ротор при збільшенні навантаження має обертатися повільніше. Частота обертання і струм ротора змінюються автоматично.
Частоту обертання (хв-1) обертового магнітного поля називають синхронною частотою обертання і визначають за формулою n0=f60 / r, де f — частота живильного струму, r — кількість пар полюсів. Відношення різності частоти n0 обертання магнітного поля й частоти nн обертання ротора до частоти обертання поля n0 називають ковзанням і вираховують за формулою:

p9 34
Двигуни з частотою обертання ротора (nн), що відрізняється від синхронної частоти обертання магнітного поля (n0), називають асинхронними. Частота обертання ротора (хв-1) асинхронних електродвигунів визначається залежністю пн = (60f / р)(1 – S). Отже, частота обертання асинхронного двигуна може змінюватися при зміні частоти живильного струму, ковзання та кількості пар полюсів. У машинобудуванні поширене регулювання частоти обертання асинхронного двигуна зміною кількості пар полюсів. Таке регулювання буває дво- та триступінчастим.
Момент М (Н•м) на валу двигуна, кутова швидкість ω (1/с) обертання його валу, частота nн (хв-1) обертання валa двигуна та механічна потужність Р (Вт), розвинена двигуном, пов'язані такою залежністю:

p9 35
де ω = πnн / 30.
Механічну характеристику трифазного асинхронного короткозамкненого двигуна показано на рис. 24 (крива 1). При пуску двигуна nн = 0, ковзання S = 1. Якщо у електродвигуна повністю відсутній будь-який опір його обертанню, то n0 = nн, М = 0, S = 0. Таке обертання називають ідеальним холостим ходом. Таким чином, при зростанні швидкості обертання від nн = 0 до nн = По, ковзання змінюється від 1 до 0. Частина характеристики, що лежить у межах від S = 0 до S = 1, відповідає режиму роботи двигуна.
p9 36
У реальних умовах при холостому ході є опір обертанню ротора (викликаний тертям у підшипниках, опором повітря обертанню вентилятора тощо), в результаті чого nн< n0 і з'являється ковзання. Критичний момент Мк визначає перевантажувальну здатність електродвигуна, якій відповідає критичне ковзання Sk.
Частина характеристики, що лежить у межах від S = 0 до S = SК, є робочою частиною механічної характеристики. У цьому проміжку, де момент двигуна мало залежить від частоти його обертання, працюють усі асинхронні двигуни приводу верстатів.
У тій частині характеристики, де SК < S < 1, електроприводи верстатів не працюють; цю ділянку вони проходять тільки в процесі пуску.
Найбільша потужність Р0, з якою може працювати двигун у нормальному для нього режимі, а також момент Мн, частота nн обертання двигуна та ковзання Sн, які відповідають допустимому струму fн, називають номінальними. У вітчизняних електродвигунів відношення критичного моменту до номінального λк= Мк/Мн = 1,65—2,5.
У перший момент пуску двигуна, коли ротор ще нерухомий (S = 1), електродвигун розвиває початковий пусковий момент Мп. Відношення λп= Мп/Мн = 1 – 2.
У довідниках зазвичай наводяться такі технічні дані асинхронних двигунів: номінальна потужність на валу Рн (кВт); номінальна частота обертання nн (хв-1); синхронна частота обертання n0 (хв-1) і відношення λк і λп.
В електродвигуна з фазовим ротором активний опір ланцюга ротора можна змінювати, вводячи в цей ланцюг реостат; при цьому критичне ковзання SК змінюватиметься пропорційно активному опору ланцюга ротора. Робоча частина механічної характеристики отримує при цьому великий нахил. Критичний момент Мк не залежить від активного опору в ланцюгу ротора і залишається постійним.
Механічні характеристики, що відповідають роботі електродвигуна за відсутності яких-небудь додаткових опорів у схемі, називають природними (див. рис. 2.7.24, крива 1), а механічні характеристики, що відповідають роботі електродвигуна за наявності додаткових опорів у схемі, називають штучними (див. рис. 2.7.24, криві 2 і 3).
Якщо працюючий асинхронний двигун перемкнути на обертання у зворотний бік, тобто в бік, протилежний обертанню магнітного поля, то виникає гальмування вала електродвигуна при S > 1; цю характеристику зображено штриховою лінією. Гальмовий момент визначає відрізок CD; гальмування може відбуватися в інтервалі від S = 2 до S = 1. Частина характеристики кривої 1, відповідна S < 0, визначає роботу асинхронного двигуна в режимі генератора. Цей режим є також гальмовим.

Двигуни постійного струму
Двигун постійного струму (рис. 25) має станину 12, виготовлену з низьковуглецевої сталі, що виконує роль магнітопроводу. Осердя головних полюсів статора 15 набрано з листів електротехнічної сталі. На кожному осерді розташовано по дві котушки: 16 і 22. Осердя 11 додаткових полюсів статора виконано суцільними і на них розташовано котушки 10.
p9 37
Ротор у двигуні постійного струму називається якорем. Осердя 14 якоря зібрано на валу 7 і стягнуто шайбами 8, напресованими на вал. Обмотка якоря укладена в пази 23 і кріпиться клинами з текстоліту. Лобові частини обмотки закріплено бандажами 9 і окремим лудженим дротом. Кінці обмотки приєднано до колекторних пластин 2, опресованих на металевій втулці 4 пластмасою 3. Вал якоря обертається в підшипниках 20, установлених у щитах 6 і 18 і закритих кришками 19 і 21. На передньому підшипниковому щиті установлено траверсу 5 для щіткотримачів. Кількість щіткових пальців дорівнює кількості полюсів. Вивідні кінці 24 від якірних обмоток і обмоток збудження головних полюсів пропущено через отвори в станині в коробку 25 виводів.
Вентиляція двигуна забезпечується вентилятором 17, який розташовано на валу 7. Повітря засмоктується через жалюзі в кришках 1, люках щита 6, проходить через двигун і викидається назовні через отвори, розташовані знизу в щиті 18. Для транспортування двигуна служить рим-болт 13.
Двигуни постійного струму застосовують для безступінчастої зміни частоти обертання шпинделя верстата або ходового гвинта приводу подач. Найчастіше використовують двигуни з паралельним (незалежним) збудженням.
Частота обертання двигуна постійного струму визначається за формулою

p9 38

звідки видно, що змінювати n можна, змінюючи опір rя ланцюга якоря, магнітний потік Ф або підведену до двигуна напругу U (Се — коефіцієнт, що враховує конструктивні особливості двигуна, rя — струм якоря).
Широко застосовують регулювання частоти обертання двигуна магнітним потоком. Двигуни вмикають пусковим реостатом. При підвищенні частоти обертання двигуна цим способом гранично допустима потужність двигуна зберігається постійною у всьому діапазоні частот обертання. Гранично допустимий момент змінюється зворотно пропорційно частоті обертання. Двигуни постійного струму запускаються автоматично, оскільки ручне керування реостатом не забезпечує заданих умов роботи пускачів з паралельним збудженням; регулювати частоту обертання можна безступінчасто в діапазоні 4:1 і більше.
Якщо якір працюючого двигуна вимкнути з мережі й замкнути на реостат, зберігши збудження, електродвигун переходить у режим роботи генератора. При цьому струм у якорі змінює напрямок і момент гальмування називається динамічним. У верстатобудуванні, як правило, не застосовують динамічне гальмування (противключенням), а використовують гальмування з постійним опором.
Механічну характеристику двигуна постійного струму з паралельним збудженням наведено на рис. 2.7.26. Запуск двигуна здійснюється пусковим реостатом 1, який має кілька секцій і дозволяє змінювати опір ступінчасто. При повному опорі реостата двигун працює з механічною характеристикою 4. При цьому двигун розвиває заданий момент Mi ≈ MH. При розгоні двигуна, коли момент зменшується до заданого значення (M2 ≈ MН), опір реостату зменшується на одну секцію і двигун за тієї самої швидкості переходить на розгін з характеристикою 3.
p9 39
Унаслідок зменшення опору сила струму якоря, а отже і момент, зростають. Секції реостата поступово відключають, доки двигун не перейде на роботу з природною механічною характеристикою 1, для якої М = 0 при n = nо i М = МН при n = nн.
Номінальну силу струму якоря можна визначити як різницю номінальних значень сили струму двигуна та силу струму збудження. Однак сила струму збудження двигунів паралельного збудження мала і в розрахунках нею часто нехтують. При послабленні магнітного потоку за допомогою реостата 2 двигун починає працювати на характеристиках 5, 6, 7 і 8. У міру зменшення магнітного потоку зростають швидкість холостого ходу і нахил характеристик. Механічна характеристика 9 відповідає змінній полярності якоря двигуна. При цьому змінюється напрямок дії моменту електродвигуна під навантаженням.

Апаратура керування та захисту електроприводу
Електричними апаратами називають електротехнічні пристрої, призначені для вмикання та вимикання, керування, регулювання і захисту електрообладнання і ділянок електричних кіл.
Електротехнічні пристрої здійснюють з'єднання або розрив електричного кола за допомогою електричних контактних з'єднань. Місце дотику елементів електричних з'єднань називають електричним контактом. Деталі, за допомогою яких утворюється електричний контакт, називають контактами.
Контактне з'єднання з головним і дугогасним контактами показано на рис. 27. При вимиканні спочатку розмикаються головні контакти 1—1, однак розриву кола в цей момент не відбувається, оскільки струм продовжує протікати по дугогасних контактах 2—2. Потім розмикаються дугочасні контакти, які розривають електричне коло. Вмикання контактів відбувається у зворотному порядку: спочатку вмикаються дугогасні контакти, а потім — головні.
p9 40
Для одночасного вмикання або вимикання кількох електричних ланцюгів застосовують пакетні вимикачі та перемикачі, що складаються з двох основних частин: контактної системи та перемикального механізму (рис. 28, а, б). Контактна система набирається з окремих пакетів, кожний з яких складається з ізолятора 2 і розташованих у його пазах нерухомих контактів 5, що мають виводи, до яких за допомогою гвинтів приєднуються підвідні дроти. В середній частині ізолятора розташовані пружні рухомі контакти 7 з фібровими іскрогасними шайбами 6. Пакети вимикачів збирають на шпильках у скобі 1, після установлення кришки 3 їх стягують гайками. Механізм перемикання складається з рукоятки 4 з валом, який з'єднаний з пристроєм фіксованих положень вимикача в кришці і механізмом миттєвої зміни положення контактів 7. Швидкість перемикання рухомих контактів не залежить від швидкості обертання рукоятки.
p9 41
Для автоматичного вмикання, вимикання або перемикання електричних кіл у залежності від проміжного або кінцевого положень рухомих робочих органів верстата застосовують колійні та кінцеві вимикачі. Вимикач (рис. 29) має корпус 7 з кришкою 8, у якому на стояку 2 з діелектрика укріплені нерухомі 1 та малорухомі місткові контакти 4. При впливові рухомого органа верстата на штифт 6 разом з ним пересувається стрижень 3 з контактами 4. У результаті розмикається верхня пара контактів і замикається нижня пара, відбувається перемикання контактів. Повернення контактів у початкове положення здійснюється пружиною 5.
p9 42
Для дистанційного керування роботою верстата застосовують кнопки керування, які можуть мати одну чи кілька пар контактів (рис. 30). При натисканні на головку 2 пересувається стрижень 1, на якому розташовано рухомий контакт 4, при цьому розмикається верхня пара контактів 3 і замикається нижня пара контактів 5.

p9 43

Для автоматичного розмикання електричних кіл при порушенні нормального режиму їхньої роботи (коротке замикання, перевантаження по струму, падіння або вимикання напруги) застосовують автомати.
Конструкція автомата, наведеного на рис. 31, а—в, дозволяє практично миттєво розривати електричне коло при струмах, що перевищують значення, на які відрегульовано автомат, що має пластмасовий корпус, який складається з основи 7, на якому змонтовано механізм автомата з дугогасними елементами 8 і 9, й кришку 10, яка кріпиться до основи гвинтами. Контактна система автомата складається з нерухомих 6 і рухомих 5 контактів, розташованих на контактному важелі 4, що обертається на осі 3 і з'єднаний ламкими контактами 13 з рукояткою 12.
p9 44
Для вмикання автомата після автоматичного його вимикання рукоятку 12 необхідно перевести в нижнє положення, при якому входять у зачеплення важелі 14 і 15 механізму вільного розчеплення, після чого перевести її вгору. При цьому пружини 11 пересувають шарнір, що з'єднує ламкі важелі 13, з положення, показаного на рис. 2.7.38, б, через мертву точку в положення, показане на рис. 38, в, при якому відбувається поворот контактного важеля 4 навколо нерухомої осі 3; при цьому контакти 5 і 6 замикаються. Рухомі контакти всіх полюсів автомата розташовані на одному ізольованому валу 2, у зв'язку з чим вмикання контактів різних фаз відбувається одночасно.
Для ручного вимикання автомата рукоятку 12 слід перевести в нижнє положення. При цьому під дією пружин 11 шарнір ламких важелів 13 пройде через мертве положення, а контакти 5 і 6 розімкнуться зі швидкістю, що не залежить від швидкості переведення рукоятки оператором.
Автоматичне вимикання автомата відбувається під дією механізму, який вивільняє важіль 14. При цьому під дією пружин 11 ламкі важелі 13 змінюють взаємне розташування і контакти розімкнуться. Важіль 15 приводиться в дію рейкою 17, пов'язаною з важелем 15 іншим кінцем 1. За положенням рукоятки керування 12 можна робити висновок про комутаційне положення контактів; рукоятка у верхньому положенні — автомат увімкнений, в нижньому — автомат вимкнений, у середньому — автоматично вимкнений.
Апарати, призначені для дистанційного частого вмикання або вимикання силових кіл при нормальному режимі роботи, називають контакторами.
Конструкцію контактора показано на рис. 32. На основі 1 осердя 8 установлене на амортизаторах з пружин 10 і закріплений чекою 9. Котушку 3 вільно надіто на осердя, яке має короткозамкнені витки 19. Якір рамкової конструкції обертається на осі 7. Осердя 4 встановлено на осі 2 з гумовим амортизатором. Текстолітова прокладка 18, розташована між середнім керном і тілом якоря, запобігає залипанню якоря під впливом остаточного магнетизму при вимиканні контактора.
p9 45
Рухомі контакти 13 самовстановлювані (рис. 32, б), що забезпечується опорними поверхнями колодки 16 і повідком 15 під дією пружини 14. Нерухомі контакти 12 разом із виводами кріплять до основи 11 дугогасної камери 5. Розмикання контактів відбувається при обезструмленій котушці пружинами 17. Блок-контакти 6 служать для керування електричними ланцюгами контактора.
Для захисту електричних кіл при порушенні нормального режиму роботи застосовують теплові реле.
Для захисту електричних кіл від перевантаження призначені плавкі запобіжники, які вмикаються послідовно в електричне коло верстата. При підвищенні струму в колі понад допустиме значення плавкий елемент запобіжника, послідовно увімкнений в коло, розплавляється і розриває захищувану ділянку електричного кола верстата.
Магнітні пускачі призначені для пуску, встановлення та зміни напрямку обертання електродвигуна, складаються з контакторів, теплового реле, кнопок керування, плавких запобіжників.
При роботі з реверсивним двигуном застосовують два контактори. При вимиканні одного з них і вмиканні іншого відбувається чергування фаз і асинхронний двигун змінює напрямок обертання. Схему магнітного пускача для нереверсивного двигуна наведено на рис. 33. При натисканні на кнопку «Пуск» замикаються її контакти, і напруга подається на котушку контактора К1, що призводить до замикання контактів К і контакту БК, який шунтує кнопку «Пуск», тому контактор залишається ввімкнутим і після того, як кнопку буде відпущено. Вимикають контактор натисканням на кнопку «Стоп», яку ввімкнуто в коло живлення котушки К1. При цьому припиняється подача напруги на котушку К1 і контакти К розмикаються. Контактор вимикається при падінні напруги до 40—60 % номінального та при раптовому припиненні подачі електроенергії в електричну мережу. При появі напруги контактор вмикається тільки після натискання на кнопку «Пуск».

p9 46

Електрична схема токарного верстата
Розглянуті елементи складають електрообладнання верстата, а взаємодія їх визначається принциповою електричною схемою.
На рис. 2.7.34 подано принципову електричну схему токарного верстата 16К20, за якою відбувається керування чотирма електродвигунами: головного приводу М1, швидких пересувань М2, електронасоса М3 і гідростанції М4 (за наявності гідросупорта).

p9 47

Пуск електродвигунів М1 і М4 здійснюється натисканням кнопки S4, яка замикає коло котушки контактора К1, переводячи його на саможивлення. Зупинка електродвигуна головного приводу М1 здійснюється натисканням кнопки S3. Керування електродвигуном М2 здійснюється натисканням поштовхової кнопки, що вбудована в рукоятку фартуха і впливає на кінцевий вимикач S8. Пуск і зупинка електродвигуна М3 відбувається перемикачем S7. Електродвигуни М3 і М1 зблоковані й увімкнення М1 можливе тільки після замикання контактів пускача К1. Для обмеження холостого ходу електродвигуна М1 у схемі є реле часу К3. У середніх (нейтральних) положеннях рукояток вмикання фрикційної муфти головного приводу замикається нормально закритий контакт кінцевого вимикача S6 і вмикається реле часу К3, яке через установлений час вимикає електродвигун М1.
В електросхемі передбачено блокувальні пристрої. При ввімкненому в мережу верстаті відкривання дверей електрошафи верстата приводить до спрацювання колійного вимикача S1, який збуджує котушку дистанційного розчіплювача F1, у результаті чого автоматичний вимикач вимикає електрообладнання верстата від мережі. При цьому індикатор напруги Н3 гасне. При відкриванні кожуха змінних коліс спрацьовує мікроперемикач S5, який вимикає електродвигун М1.
При проведенні пусконалагоджувальних робіт перемикач S2 встановлюється в положення 1, а при їх закінченні — в положення 2, інакше при закриванні дверей електрошафи вимкнеться ввідний автоматичний вимикач.
В електросхемі для освітлення робочої зони верстата передбачено підключення лампи Н2, яка вмикається вимикачем S9. Від перевантажень двигуни захищені тепловими реле F5, F6, F7. Електроапаратуру керування верстатом розташовують в електрошафі. З'єднувальні проводи між шафою керування й електроапаратами, розташованими у верстаті і поза ним, розміщують у металевих трубах або в металорукавах.
З'єднання проводів виконують за допомогою розгалужувальних коробок. Електроенергію до електрошафи підводять від цехових шинних зборок (сталевих смуг, розташованих у загальному коробі з листової сталі та укріплених на стінах або стояках). У деяких випадках верстати підключають до кабелю, закладеного в шинопроводи й укладеного на підлозі цеха. Проводку від короба до верстата виконують у трубах, металорукавах або коробах меншого перерізу.