Пуск тягового двигателя схема
Пуск тяговых двигателей. Назначение резисторов и индивидуальных контакторов
Казалось, что может быть проще пуска электрического двигателя, в том числе и тягового в ход? Стоит только, например быстродействующим выключателем, подключить двигатель к источнику электрической энергии, и якорь его начнет вращаться. Но в действительности дело обстоит не так просто. В момент пуска якорь двигателя неподвижен и в обмотке его не индуктируется э. д. с., уравновешивающая подведенное напряжение. Поэтому в первое мгновение при неподвижном якоре пусковой ток зависит только от значения приложенного напряжения Uc и сопротивления rд обмоток двигателя. Это сопротивление невелико. Так, для тягового двигателя электровоза ВЛ10 оно при температуре 20°С составляет 0,025 + 0,0365 + 0,0317 = 0,0932 Ом (сумма сопротивлений обмоток главных полюсов, дополнительных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря). На электровозах постоянного тока всегда, как минимум, соединены последовательно два двигателя. При подключении их к контактной сети, как показано на рис. 10, через их обмотки пойдет ток
| I | Uc | = | 3000 | ≈ 16000 А. |
| 2 rд | 2·0,932 |
На такой ток, как мы уже знаем, и двигатели и оборудование электровоза не рассчитаны. Известно, что быстродействующий выключатель на электровозе ВЛ10 отрегулирован на ток 3100 А и поэтому в момент пуска он разорвет цепь тяговых двигателей.
Чтобы ограничить пусковой ток, все двигатели электровоза перед пуском соединяют последовательно и вводят в цепь дополнительно для ограничения тока пусковой реостат, т. е. резистор, сопротивление которого можно регулировать. В начале пуска сила тяги должна по возможности увеличиваться плавно, без толчков, особенно при трогании тяжелых составов. К счастью, поезд не представляет собой жестко связанного целого: сцепные приборы перед троганием не натянуты до предела и всегда обладают некоторой эластичностью. Поэтому сопротивление реостата rр выбирают большим, чтобы обеспечить в момент трогания небольшой ток, а следовательно, и малую силу тяги для плавного натяжения сцепных приборов. Затем сопротивление rр постепенно уменьшают, при этом ток и сила тяги соответственно растут.
Как только сила тяги превысит силу сопротивления движению, поезд начнет двигаться с ускорением. Повышая ускорение, снижают время разгона, что особенно важно на участках с короткими перегонами и частыми остановками. С увеличением скорости движения в тяговых двигателях будет индуктироваться возрастающая э. д. с. При этом ток двигателей, сила тяги и, как следствие, ускорение начнут уменьшаться. Для обеспечения примерно постоянного ускорения нужно уменьшать сопротивление реостата так, чтобы ток двигателей и касательная сила тяги оставались постоянными. Большие мощности тяговых двигателей и значительные токи затрудняют осуществление плавного регулирования. Поэтому применяют ступенчатое регулирование путем выключения отдельных секций реостата с помощью аппаратов, называемых индивидуальными контакторами. Контакты 1 и 2 индивидуальных контакторов показаны на рис. 10. Если замкнуть контакты 1 контактора, то одна секция пускового реостата будет выведена из цепи тяговых двигателей и напряжение, подводимое к ним, повысится. При замыкании контактов 2 к тяговым двигателям подводится напряжение контактной сети.
Вполне понятно, что для обеспечения более или менее плавного пуска и тем самым уменьшения колебания тока двигателя (силы тяги) следует сопротивление пускового реостата изменять небольшими ступенями. Однако это вызовет необходимость иметь большое число контакторов и усложнит силовую цепь.
Ступени пускового резистора рассчитывают исходя из наибольшего допустимого тока тяговых двигателей. Ток, при котором выключается очередная секция пускового реостата, определяют исходя из так называемого коэффициента неравномерности пускового тока, который в свою очередь зависит от заданного ускорения. Таким образом, пусковой ток не постоянен, а колеблется в пределах от максимального Iп mах до минимального Iп min значения. В расчетах применяют среднее арифметическое этих значений Iп.
Кроме рассмотренных ступеней реостата, предусматривают также ступени, на которых пусковой ток меньше максимального. Эти ступени, называемые маневровыми, позволяют постепенно увеличивать силу тяги и плавно трогать поезд с места. Число их на электровозах равно четырем — восьми.
Большое число ступеней реостата при минимальном числе контакторов можно получить, используя различные комбинации соединений секций резистора. Так, если замкнуть контактор 1 (рис. 32) * при разомкнутых остальных контакторах, секции а, б, в будут включены последовательно (что показано в таблице на рис. 32). Замкнув контакты контактора 2, выключают секцию а, при замкнутых контактах контактора 3 в силовую цепь введена только секция в.
* ( Здесь и далее для упрощения контакты на схемах показаны в большинстве случаев без дугогашения.)
Рис. 32. Схема пускового резистора и таблица замыкания контакторов
Замкнув контактор 4 и выключив предварительно контакторы 1 и 2, что не связано с разрывом электрической цепи, присоединяют секции а и б параллельно секции в — получают четвертую ступень пуска. Замкнув контакторы 2, 3, 4, соединяют параллельно секции а и в, образуя еще одну пусковую ступень, и, наконец, замкнув все контакторы, выводят пусковой реостат полностью. Таким образом, имея три секции и четыре индивидуальных контактора, получают шесть ступеней (позиций) пускового реостата.
Для того, чтобы знать, на какой позиции замкнуты или разомкнуты те или иные контакты контакторов, а следовательно, какие секции реостата включены и каким образом, составляют таблицу замыкания контакторов (см. рис. 32).
Пусковые реостаты собирают из отдельных элементов и объединяют в ящики (рис. 33). Элементы пусковых резисторов изготовляют из сплавов с большим электрическим сопротивлением.
Рис. 33. Ящик пусковых фехралевых резисторов
Когда выключены все ступени реостата, на каждый из восьми последовательно соединенных тяговых двигателей приходится напряжение 3000 : 8 = 375 В, а на шестиосных электровозах 3000 : 6 = 500 В. В этом случае электровоз работает на автоматической (ее также называют ходовой безреостатной, экономической) характеристике, подобной приведенной на рис. 12, б. Автоматической она называется потому, что автоматически, без участия машиниста изменяются сила тяги FK и скорость движения в зависимости от сопротивления движению W.
В связи с этим вернемся к рис. 5, где показано, что от точки 0 до точки 0′ скорость возрастает по наклонной прямой, т. е. поезд движется равномерно ускоренно. Это означает, что машинист уменьшает сопротивление реостата, поддерживая одно и то же значение пускового тока. От точки 0′ и далее до точки А движение происходит с выключенным реостатом по автоматической характеристике.
В процессе разгона поезда электровоз работает на реостатных характеристиках (позициях). Время движения с выключенными ступенями реостата ограничено их нагревом. Кроме того, с увеличением этого времени возрастает и непроизводительный расход электрической энергии. Каково же соотношение расходов энергии, затрачиваемой на тягу поездов и на потери в реостате от начала до конца разгона поезда?
Чтобы ответить на этот вопрос, отложим в прямоугольных осях координат (рис. 34) по оси ординат в выбранном масштабе напряжение контактной сети Uc (точка А), по оси абсцисс время пуска tп (точка Б). С достаточной степенью точности можно считать, что пуск электровоза происходит при неизменном токе Iп; тогда сила тяги также постоянна, а ускорение а изменяется незначительно и может быть принято неизменным. В соответствии с этим скорость движения в процессе пуска будет изменяться во времени по закону υ = at, а э. д. с. двигателей E = cФυ, т. е. пропорционально скорости, а значит времени.
Рис. 34. Распределение напряжения между тяговыми двигателями и пусковым реостатом при разгоне электровоза
Из точек А и Б восстановим перпендикулярные линии до пересечения их в точке В. В момент пуска (t = 0) напряжение контактной сети равно сумме падений напряжения в обмотках тяговых двигателей и в реостате, так как при υ = 0 э. д. с. двигателей E = 0. При этом основная часть напряжения Uc будет расходоваться в реостате ввиду малости сопротивления обмоток двигателей. По оси ординат отложим падение напряжения в обмотках двигателя (точка Г). В конце пуска реостат полностью выведен из цепи тяговых двигателей и напряжение контактной сети уравновешивается э. д. с. двигателей и падением напряжения в их обмотках. Так как ток Iп в процессе пуска почти неизменен, то падение напряжения в обмотках двигателей в конце пуска составит ту же величину, что и в начале его. От точки В отложим значение этого падения напряжения — отрезок ВД. Тогда отрезок ДБ будет соответствовать э. д. с. двигателей в конце пуска. В области ОДВГ находятся значения напряжения на участках силовой цепи в каждый момент времени пуска электровоза. Если значения напряжений умножить на ток Iп то получим в соответствующем масштабе мощности, а умножив их на время пуска tп, найдем расход электроэнергии.
Площадь четырехугольника ОАВБ соответствует в определенном масштабе расходу электроэнергии на пуск тяговых двигателей. Площадь треугольника ГАВ характеризует потерю энергии в реостате, а равновеликая площадь треугольника ОДБ электромагнитную энергию двигателя. Площадь параллелепипеда ОГВД соответствует расходу энергии на нагревание обмоток двигателей. Так как этот расход сравнительно невелик, можно считать, что при пуске половина электрической энергии расходуется на создание электромагнитной энергии двигателей и половина теряется в реостате.
Познакомимся с устройством и действием индивидуальных контакторов. В зависимости от типа привода различают электропневматические и электромагнитные контакторы.
В электропневматических контакторах при замыкании низковольтной цепи катушки электромагнитного вентиля включающего типа (рис. 35, а) открывается доступ сжатому воздуху в цилиндр контактора. Поршень перемещается вверх и сжимает выключающую пружину. Изоляционный стержень поворачивает рычаг с находящимся на нем подвижным контактом. Когда подвижной рычаг коснется неподвижного, электрическая цепь замкнется, но на этом процесс включения не закончится. Подвижной контакт и рычаг соединены шарнирно. Между их выступами находится притирающая пружина. После соприкосновения контактов поршень вместе со стержнем продолжает двигаться вверх и подвижной контакт перекатывается по неподвижному. Благодаря этому поверхность контактов очищается от образовавшихся окислов.
Рис. 35. Схема (а) и общий вид индивидуального электропневматического контактора (б)
Чтобы выключить контактор, разрывают цепь катушки электромагнитного вентиля. При этом пружина возвращает клапаны вентиля в исходное положение, нижняя полость цилиндра сообщается с атмосферой, поршень под действием выключающей пружины движется вниз и контакты размыкаются.
Электропневматические контакторы (рис. 35, б) используют в цепях с большими токами, где требуется особо надежный контакт. В цепях со сравнительно малыми токами применяют электромагнитные контакторы. Для того чтобы включить электромагнитный контактор, замыкают цепь его включающей катушки (рис. 36); под действием магнитного поля, создаваемого катушкой, якорь притягивается к сердечнику катушки и, поворачиваясь вокруг оси, замыкает неподвижный и подвижной контакты, Одновременно сжимается выключающая пружина. После замыкания контактов ток пройдет через дугогасительную катушку, контакты и гибкий шунт к нагрузке.
Рис. 36. Схема электромагнитного контактора
Индивидуальные контакторы оборудуют дугогасительными устройствами, так как они осуществляют переключения в силовой цепи электровоза под нагрузкой.
Схемы пуска и торможения двигателя
В настоящее время наиболее распространены трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Пуск и остановка таких двигателей при включении на полное напряжение сети осуществляются дистанционно при помощи магнитных пускателей.
Наиболее часто используется схема с одним пускателем и кнопками управления «Пуск» и «Стоп». Для того, чтобы обеспечить вращение вала двигателя в обе стороны используется схема с двумя пускателями (или с реверсивным пускателем) и тремя кнопками. Такая схема позволяет менять направление вращения вала двигателя «на ходу» без его предварительной остановки.
Схемы пуска двигателя
Электрический двигатель М питается от трехфазной сети переменного напряжения. Трехфазный автоматический выключатель QF предназначен для отключения схемы при коротком замыкании. Однофазный автоматический выключатель SF защищает цепи управления.
Основным элементом магнитного пускателя является контактор (мощное реле для коммутации больших токов) КМ. Его силовые контакты коммутируют три фазы, подходящие к электродвигателю. Кнопка SB1 («Пуск») предназначена для пуска двигателя, а кнопка SB2 («Стоп») — для остановки. Тепловые биметаллические реле KK1 и КК2 осуществляют отключение схемы при превышении тока, потребляемого электродвигателем.
Рис. 1. Схема пуска трехфазного асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя
При нажатии кнопки SB1 контактор КМ срабатывает и контактами KM.1, КМ.2, КМ.3 подключает электродвигатель к сети, а контактом КМ.4 блокирует кнопку (самоблокировка).
Для остановки электродвигателя достаточно нажать кнопку SB2, при этом контактор КМ отпускает и отключает электродвигатель.
Важным свойством магнитного пускателя является то, что при случайном пропадании напряжения в сети двигатель отключается, но восстановление напряжения в сети не приводит к самопроизвольному запуску двигателя, так как при отключении напряжения отпускает контактор КМ, и для повторного включения необходимо нажать кнопку SB1.
При неисправности установки, например, при заклинивании и остановке ротора двигателя, ток, потребляемый двигателем, возрастает в несколько раз, что приводит к срабатыванию тепловых реле, размыканию контактов KK1, КК2 и отключению установки. Возврат контактов КК в замкнутое состояние производится вручную после устранения неисправности.
Реверсивный магнитный пускатель позволяет не только запускать и останавливать электрический двигатель, но изменять направление вращения ротора. Для этого схема пускателя (рис. 2) содержит два комплекта контакторов и кнопок пуска.
Рис. 2. Схема пуска двигателя с помощью реверсивного магнитного пускателя
Контактор КМ1 и кнопка SB1 с самоблокировкой предназначены для включения двигателя в режиме «вперед», а контактор КМ2 и кнопка SB2 включают режим «назад». Для изменения направления вращения ротора трехфазного двигателя достаточно поменять местами любые две из трех фаз питающего напряжения, что и обеспечивается основными контактами контакторов.
Кнопка SB3 предназначена для остановки двигателя, контакты КМ 1.5 и КМ2.5 осуществляют взаимоблокировку, а тепловые реле КК1 и КК2 — защиту при превышении тока.
Включение двигателя на полное напряжение сети сопровождается большими пусковыми токами, что может быть недопустимо для сети ограниченной мощности.
Схема пуска электродвигателя с ограничением пускового тока (рис. 3) содержит резисторы R1, R2, R3, включенные последовательно с обмотками электродвигателя. Эти резисторы ограничивают ток в момент пуска при срабатывании контактора КМ после нажатия кнопки SB1. Одновременно с КМ при замыкании контакта КМ.5 срабатывает реле времени КТ.
Выдержка, осуществляемая реле времени, должна быть достаточной для разгона электродвигателя. По окончании времени выдержки замыкается контакт КТ, срабатывает реле К и своими контактами K.1, К.2, К.3 шунтирует пусковые резисторы. Процесс пуска завершен, на двигатель подается полное напряжение.
Рис. 3. Схема пуска двигателя с ограничением пускового тока
Далее будут рассмотрены две наиболее популярных схемы торможения трехфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: схема динамического торможения и схема торможения противовключением.
Схемы торможения двигателя
После снятия напряжения с двигателя его ротор какое-то время продолжает вращаться за счет инерции. В ряде устройств, например, в подъемно-транспортных механизмах, требуется осуществлять принудительное торможение для уменьшения величины выбега. Динамическое торможение заключается в том, что после снятия переменного напряжения через обмотки электродвигателя пропускается постоянный ток.
Схема динамического торможения показана на рис. 4.
Рис. 4. Схема динамического торможения двигателя
В схеме, помимо основного контактора КМ, присутствует реле К, включающее режим торможения. Поскольку реле и контактор не могут быть включены одновременно, применена схема взаимоблокировки (контакты КМ.5 и К.3).
При нажатии кнопки SB1 срабатывает контактор КМ, подает питание на двигатель (контакты КМ.1 КМ.2, КМ.3), блокирует кнопку (КМ.4) и блокирует реле К (КМ.5). Замыкание КМ.6 вызывает срабатывание реле времени КТ и замыкание контакта КТ без выдержки времени. Таким образом осуществляется пуск двигателя.
Для остановки двигателя следует нажать кнопку SB2. Контактор КМ отпускает, размыкаются контакты KM.1 — KM.3, отключая двигатель, замыкает контакт КМ.5, что вызывает срабатывание реле К. Контакты K.1 и К.2 замыкаются, подавая постоянный ток в обмотки. Происходит быстрое торможение.
При размыкании контакта КМ.6 реле времени КТ отпускает, начинается выдержка времени. Величина выдержки должна быть достаточна для полной остановки электродвигателя. По окончании выдержки времени контакт КТ размыкается, реле К отпускает и снимает постоянное напряжение с обмоток электродвигателя.
Наиболее эффективным способом торможения является реверсирование двигателя, когда сразу после снятия питания на электродвигатель подается напряжение, вызывающее появление встречного вращающего момента. Схема торможения противовключением приведена на рис. 5.
Рис. 5. Схема торможения двигателя противовключением
Частота вращения ротора двигателя контролируется с помощью реле частоты вращения с контактом SR. Если частота вращения больше некоторого значения, контакт SR замкнут. При остановке двигателя контакт SR размыкается. Кроме контактора прямого включения KM1 схема содержит контактор для реверсирования КМ2.
При пуске двигателя срабатывает контактор KM1 и контактом КМ 1.5 разрывает цепь катушки КМ2. С достижением определенной частоты вращения замыкается контакт SR подготавливая цепь для включения реверса.
При останове двигателя контактор KM1 отпускает и замыкает контакт КМ1.5. В результате этого контактор КМ2 срабатывает и подает на электродвигатель реверсирующее напряжение для торможения. Снижение частоты вращения ротора вызывает размыкание SR, контактор КМ2 отпускает, торможение прекращается.
