Схемы управления двигателями в функции времени
Этот вид управления применяется тогда, когда все переключения в схеме электродвигателя осуществляют в определенные моменты времени, например при автоматизации процесса пуска электродвигателей без контроля частоты вращения или тока. Длительность интервалов обусловлена и может регулироваться уставками реле времени.
Управление в функции времени получило наибольшее распространение в промышленности из-за простоты и надежности серийно выпускаемых электромагнитных и электронных реле времени .
Так, из рис. 1, а и б видно, что замыканием контакта К линейного контактора в цепь якоря включается все сопротивление реостата, равное R1 + R2 + R3, а включение секций пускового сопротивления может происходить через определенные интервалы времени t1, t2 и t3 при определенных частотах вращения двигателя n1, n2, n3 и при снижении пускового тока до заданного значения I2. Интервалы времени подбираются так, чтобы при каждом очередном закорачивании сопротивления ток двигателя не превышал бы допустимого I1.
При разгоне двигателя от n= 0 до n1 ток убывает до I2 в результате роста противоэлектродвижущей силы. Через промежуток времени t1 замыкается контакт К1, шунтирующий сопротивление R1, что вызывает уменьшение сопротивления реостата до R2+R3, новое увеличение тока до I1 и т. д. По окончании пуска двигатель разгоняется до номинальной частоты вращения, пусковой реостат полностью выведен.
Рис. 1. Схемы управления двигателями в функции времени: а — пускового реостата двигателя постоянного тока, б — пусковая диаграмма
Рассмотрим некоторые схемы управления двигателя в функции времени.
При управлении асинхронным двигателем с фазным ротором в функции времени (рис. 2) выдержка времени, необходимая для закорачивания отдельных ступеней пускового реостата, обеспечивается маятниковыми реле времени, число которых равно числу ступеней. Работа схемы осуществляется следующим образом.
Рис. 2. Схема управления в функции времени асинхронного двигателя с фазным ротором
При нажатии на кнопку SB1 получает электропитание катушка линейного контактора КМ, включающего статор двигателя в сеть. Пусковой реостат при этом введен полностью. Вместе с контактором включается реле времени КТ1, которое через заданный интервал времени замыкает контакт в цепи катушки контактора КМ1.
Контактор срабатывает и замыкает первую секцию пускового реостата ротора. При этом включается реле времени КТ2, которое замыкает с замедлением свои контакты и включает катушку КМ2 и реле времени КТЗ. Контакты контактора КМ2 закорачивают вторую ступень КМ2 пускового реостата. Далее с замедлением времени срабатывает контакт реле КТЗ, включающий катушку КМЗ, которая закорачивает последнюю ступень пускового реостата КМЗ, и двигатель продолжает работать в дальнейшем как с короткозамкнутым ротором.
Останов двигателя производят кнопкой SB, а при перегрузках двигатель отключается расцепителями автоматического вводного выключателя QF. При этом отключается линейный контактор, его блок-контакт КМ и все контакторы ускорения и реле времени без выдержки времени. Схема готова к следующему пуску.
Для пуска вхолостую асинхронного двигателя повышенной мощности с переключением обмотки статора со звезды на треугольник можно использовать схему рис. 3. Переключение в этой схеме выполняется автоматически в функции времени. Нажатием кнопки SB2 обмотку статора включают в сеть контактором КМ. Одновременно подключаются к сети реле времени КТ и катушка KY, соединяющего обмотку статора звездой при помощи трех замыкающих контактов в силовой цепи.
Рис. 3. Схема управления в функции времени асинхронного двигателя переключением со Y на Δ
Двигатель включается и разгоняется при пониженном напряжении. Через заданный промежуток времени реле КТ выключает контактор KY и включает катушку контактора КΔ соединяющего обмотку статора треугольником. Так как в цепи катушки КΔ находится блок-контакт KY, включение контактора КΔ не может произойти раньше выключения контактора KMY.
Ступенчатый пуск многоскоростных асинхронных двигателей является более экономичным и выполняется в функции времени. Рассмотрим пример ступенчатого пуска двухскоростного однообмоточного двигателя (рис. 4). Обмотка статора переключается с треугольника на двойную звезду с удвоением частоты вращения.
Рис. 4. Схема управления в функции времени ступенчатого пуска асинхронного двигателя
Контактором КМ двигатель включается на первую ступень частоты вращения, а контакторами КМ2 и КМ1 на вторую. Для включения двигателя на первую частоту вращения нажатием кнопки SB2 включается катушка контактора КМ и его силовые контакты КМ в главной цепи. Обмотка статора, соединенная треугольником, включается в сеть. Катушка реле времени КТ находится под напряжением, а ее замыкающий контакт (в цепи катушки КМ) замкнут.
Ступенчатый пуск двигателя на вторую частоту вращения выполняется при помощи промежуточного реле К, цепь которого замыкается пусковой кнопкой SB3. Замыкающие контакты К шунтируют обе пусковые кнопки, а размыкающий контакт К отключает реле времени КТ. Замыкающий контакт КТ в цепи катушки КМ отключается с замедлением при возврате, поэтому катушка КМ в первый период пуска оказывается замкнутой, а двигатель включается на первую частоту вращения.
Блок-контакт КМ в цепи катушек КМ2 и КМ1 размыкается. Эти катушки отключены также размыкающим контактом КТ, который срабатывает с замедлением при возврате. Через заданный промежуток времени замыкающий контакт КТ отключит катушку КМ, а его размыкающий контакт включит катушки контакторов второй частоты вращения КМ1 и КМ2. Их главные контакты в силовой цепи переключат обмотку статора на двойную звезду и включат ее в сеть.
Следовательно, двигатель сначала разгоняется до первой частоты вращения, а затем автоматически переключается на вторую частоту вращения. Отметим, что предварительное соединение обмотки статора на двойную звезду и последующее включение ее в сеть выполняется сначала включением двух замыкающих силовых контактов КМ2, а затем трех замыкающих главных контактов КМ1. Такая последовательность включения достигается тем, что катушка КМ1 включается на напряжение через замыкающий блок-контакт КМ2. Останов двигателя выполняется нажатием кнопки «Стоп», обозначенной на схеме буквой SB1.
На рис. 5 изображена схема автоматического пуска двигателя постоянного тока параллельного возбуждения в функции времени. Включением автоматического выключателя QF двигатель подготавливается к пуску. Ток течет по цепи, состоящей из катушки реле времени КТ1, якоря двигателя М и двух ступеней пускового реостата R1 + R2.
Рис. 5. Схема управления в функции времени двигателя постоянного тока параллельного возбуждения
Вследствие большого сопротивления катушки реле КТ1 ток в этой цепи весьма мал и никакого действия на двигатель не оказывает, но само реле срабатывает и его размыкающий контакт в цепи контактора КМ1 размыкается. В обмотку второго реле времени КТ2, включенную параллельно сопротивлению R1, ответвляется столь малый ток, что включиться оно не может. Обмотка возбуждения LM двигателя также оказывается включенной.
Пуск двигателя выполняется нажатием кнопки SB2. Включаются при этом контактор КМ и его контакт в цепи якоря двигателя. Большой пусковой ток ограничивается двумя ступенями реостата R1 и R2. Часть этого тока ответвляется в катушку реле КТ2, и оно, срабатывая, размыкает свой контакт КТ2 в цепи контактора КМ2. Одновременно с замыканием цепи якоря М рабочий контакт контактора КМ закорачивает катушку реле КТ1.
После установленного промежутка времени при возврате реле КТ1 замкнет свой контакт КТ1 в цепи контактора КМ1. Этот контактор своим рабочим контактом KM1 закоротит первую ступень R1 пускового реостата и обмотку реле времени КТ2. С замедлением при возврате его рабочие контакты КТ2 включат контактор КМ2, который своими рабочими контактами КМ2 закоротит вторую ступень R2 пускового реостата. На этом пуск двигателя заканчивается.
При нажатии на кнопку SB1 контактор КМ обесточится и отключит свой главный контакт в цепи якоря. Якорь остается под напряжением, но оказывается включен последовательно с обмоткой реле КТ1, благодаря чему через него проходит незначительный ток. Реле КТ1 сработает, разомкнет свой контакт в цепи контакторов КМ1 и КМ2, они отключатся и разомкнут свои контакты, закорачивающие сопротивления R1 и R2. Произойдет останов двигателя, но его обмотка возбуждения остается подключенной к сети и двигатель тем самым подготовлен для следующего пуска. Полное отключение двигателя выполняют выключением автоматического вводного выключателя ВВ.
Динамическое торможение двигателей также выполняется в функции времени. Для динамического торможения, например асинхронного двигателя, обмотка статора отключается от сети переменного тока и по одной из схем, показанных в табл.1, подключается к источнику постоянного тока. В лесной и деревообрабатывающей промышленности постоянный ток получают от специальных полупроводниковых выпрямителей. В этом случае отпадает необходимость в специальном источнике постоянного тока.
При включении обмотки статора по одной из схем (см. табл. 1) к выпрямителю в обмотке создается неподвижное в пространстве магнитное поле. В неподвижном поле по инерции продолжает вращаться ротор двигателя. В роторе двигателя при этом будут создаваться переменная ЭДС и ток, который будет возбуждать переменное магнитное поле. Переменное магнитное поле ротора при взаимодействии с неподвижным полем статора создает тормозной момент. При этом запасенная кинетическая энергия ротором и исполнительным механизмом превращается в цепи ротора в электрическую энергию, а последняя — в тепловую.
Тепловая энергия рассеивается из цепи ротора в окружающую среду. Выделение тепла в роторе будет нагревать двигатель. Количество выделенного тепла зависит от тока в обмотке статора при питании ее постоянным током. В зависимости от принятой схемы включения обмотки статора при питании ее постоянным током отношение тока к фазному току статора будет различным. Соотношения этих токов для различных схем включения показаны в табл. 1
Схема динамического торможения асинхронного двигателя показана на рис. 6.
Три наиболее популярные схемы управления асинхронным двигателем
Все электрические принципиальные схемы станков, установок и машин содержат определенный набор типовых блоков и узлов, которые комбинируются между собой определенным образом. В релейно-контакторных схемах главными элементами управления двигателями являются электромагнитные пускатели и реле.
Наиболее часто в качестве привода в станках и установках применяются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели просты в устройстве, обслуживании и ремонте. Они удовлетворяют большинству требований к электроприводу станков. Главными недостатками асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются большие пусковые токи (в 5-7 раз больше номинального) и невозможность простыми методами плавно изменять скорость вращения двигателей.
С появлением и активным внедрением в схемы электроустановок преобразователей частоты такие двигатели начали активно вытеснять другие типы двигателей (асинхронные с фазным ротором и двигатели постоянного тока) из электроприводов, где требовалось ограничивать пусковые токи и плавно регулировать скорость вращения в процессе работы.
Одной из преимуществ использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является простота их включения в сеть. Достаточно подать на статор двигателя трехфазное напряжение и двигатель сразу запускается. В самом простом варианте для включения можно использовать трехфазный рубильник или пакетный выключатель. Но эти аппараты при своей простоте и надежности являются аппаратами ручного управления.
В схемах же станков и установок часто должна быть предусмотрена работа того или иного двигателя в автоматическом цикле, обеспечиваться очередность включения нескольких двигателей, автоматическое изменение направления вращения ротора двигателя (реверс) и т.д.
Обеспечить все эти функции с аппаратами ручного управления невозможно, хотя в ряде старых металлорежущих станков тот же реверс и переключение числа пар полюсов для изменения скорости вращения ротора двигателя очень часто выполняется с помощью пакетных переключателей. Рубильники и пакетные выключатели в схемах часто используются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка. Все же операции управления двигателями выполняются электромагнитными пускателями.
Включение двигателя через электромагнитный пускатель обеспечивает кроме всех удобств при управлении еще и нулевую защиту. Что это такое будет рассказано ниже.
Наиболее часто в станках, установках и машинах применяются три электрические схемы:
схема управления нереверсивным двигателем с использованием одного электромагнитного пускателя и двух кнопок «пуск» и «стоп»,
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок.
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок, в двух из которых используются спаренные контакты.
Разберем принцип работы всех этих схем.
1. Схема управления двигателем с помощью магнитного пускателя
Схема показана на рисунке.
При нажатии на кнопку SB2 «Пуск» на катушка пускателя попадает под напряжение 220 В, т.к. она оказывается включенной между фазой С и нулем ( N) . Подвижная часть пускателя притягивается к неподвижной, замыкая при этом свои контакты. Силовые контакты пускателя подают напряжение на двигатель, а блокировочный замыкается параллельно кнопке «Пуск». Благодаря этому при отпускании кнопки катушка пускателя не теряет питание, т.к. ток в этом случае идет через блокировочный контакт.
Если бы блокировочный контакт не был бы подключен параллельно кнопки (по какой-либо причине отсутствовал), то при отпускании кнопки «Пуск» катушка теряет питание и силовые контакты пускателя размыкаются в цепи двигателя, после чего он отключается. Такой режим работы называют «толчковым». Применяется он в некоторых установках, например в схемах кран-балок.
Остановка работающего двигателя после запуска в схеме с блокировочным контактом выполняется с помощью кнопки SB1 «Стоп». При этом, кнопка создает разрыв в цепи, магнитный пускатель теряет питание и своими силовыми контактами отключает двигатель от питающей сети.
В случае исчезновения напряжения по какой-либо причине магнитный пускатель также отключается, т.к. это равносильно нажатию на кнопку «Стоп» и созданию разрыва цепи. Двигатель останавливается и повторный запуск его при наличии напряжения возможен только при нажатии на кнопку SB2 «Пуск». Таким образом, магнитный пускатель обеспечивает т.н. «нулевую защиту». Если бы он в цепи отсутствовал и двигатель управлялся рубильником или пакетным выключателем, то при возврате напряжения двигатель запускался бы автоматически, что несет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Подробнее смотрите здесь — защита минимального напряжения.
Анимация процессов, протекающих в схеме показана ниже.
2. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей
Схема работает аналогично предыдущей. Изменение направления вращения (реверс) ротор двигателя меняет при изменении порядка чередования фаз на его статоре. При включении пускателя КМ1 на двигатель приходят фазы — A , B , С, а при включении пускателя KM2 — порядок фаз меняется на С, B , A.
Схема показана на рис. 2.
Включение двигателя на вращение в одну сторону осуществляется кнопкой SB2 и электромагнитным пускателем KM1 . При необходимости смены направления вращения необходимо нажать на кнопку SB1 «Стоп», двигатель остановится и после этого при нажатии на кнопку SB 3 двигатель начинает вращаться в другую сторону. В этой схеме для смены направления вращения ротора необходимо промежуточное нажатие на кнопку «Стоп».
Кроме этого, в схеме обязательно использование в цепях каждого из пускателей нормально-закрытых (размыкающих) контактов для обеспечения защиты от одновременного нажатия двух кнопок «Пуск» SB2 — SB 3, что приведет к короткому замыканию в цепях питания двигателя. Дополнительные контакты в цепях пускателей не дают пускателям включится одновременно, т.к. какой-либо из пускателей при нажатии на обе кнопки «Пуск» включиться на секунду раньше и разомкнет свой контакт в цепи другого пускателя.
Необходимость в создании такой блокировки требует использования пускателей с большим количеством контактов или пускателей с контактными приставками, что удорожает и усложняет электрическую схему.
Анимация процессов, протекающих в схеме с двумя пускателями показана ниже.
3. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)
Схема показана на рисунке.
Отличие этой схемы от предыдущей в том, что в цепи каждого пускателя кроме общей кнопки SB1 «Стоп»включены по 2 контакта кнопок SB2 и SB 3, причем в цепи КМ1 кнопка SB2 имеет нормально-открытый контакт (замыкающий), а SB 3 — нормально-закрытый (размыкающий) контакт, в цепи КМ3 — кнопка SB2 имеет нормально-закрытый контакт (размыкающий), а SB 3 — нормально-открытый. При нажатии каждой из кнопок цепь одного из пускателей замыкается, а цепь другого одновременно при этом размыкается.
Такое использование кнопок позволяет отказаться от использования дополнительных контактов для защиты от одновременного включения двух пускателей (такой режим при этой схеме невозможен) и дает возможность выполнять реверс без промежуточного нажатия на кнопку «Стоп», что очень удобно. Кнопка «Стоп» нужна для окончательной остановки двигателя.
Приведенные в статье схемы являются упрощенными. В них отсутствуют аппараты защиты (автоматические выключатели, тепловые реле), элементы сигнализации. Такие схемы также часто дополняются различными контактами реле, выключателей, переключателей и датчиков. Также возможно питание катушки электромагнитного пускателя напряжение 380 В. В этом случае он подключается от двух любых фаз, например, от А и B . Возможно использование понижающего трансформатора для понижения напряжения в схеме управления. В этом случае используются электромагнитные пускатели с катушками на напряжение 110, 48, 36 или 24 В.
