Тиристорные пускатели

Тиристорные пускатели являются бесконтактными аппаратами и служат для включения и выключения электромеханических систем. В каждой фазе пускателя (рис. 1) включены незапирающиеся тиристоры VS1 — VS3 и диоды VD1 — VD3.

Тиристоры открываются один раз в течение периода последовательно через промежутки времени Т/3, в моменты времени, когда подается импульс на открывание тиристора, при прохождении напряжения через нуль в сторону увеличения его в проводящем направлении.

После того как напряжение достигнет нулевого значения, тиристор становится непроводящим и напряжение данной фазы подается через параллельный диод. По истечении одной трети периода включается следующий тиристор и т. д. Этим обеспечивается непрерывная подача энергии приемнику, например асинхронному двигателю МА (рис. 1). Отметим, что в приводе отсутствуют контактные устройства, имеются только кнопки «Пуск» и «Стоп».

Рис. 1. Тиристорный пускатель

Импульсы на открывание тиристоров подаются на зажимы 1, 2, 3, 4, 5, 6 формирователя импульсов, который питается от отдельного трансформатора Т через диоды VD4, VD5 и VD6, чем обеспечивается подача импульсов одной полярности. При нажатии кнопки «Пуск» включаются формирователь импульсов и пускатель.

Защита двигателя обеспечивается при помощи предохранителей F и схемы защиты от недопустимых токов. В каждой фазе пускателя включены трансформаторы тока. Токи трех фаз суммируются и преобразуются в напряжение. При установленном значении напряжения, если оно действует не кратковременно, снимаются открывающие импульсы и привод останавливается. При нажатии кнопки «Стоп» также прекращается подача импульсов.

Формирователь импульсов тиристорного пускателя

Для управления тиристорами, т. е. для формирования в соответствующие моменты времени управляющих импульсов, могут применяться различные устройства: электромагнитные с магнитными усилителями и трансформаторами, маломощные тиристорные устройства, транзисторные устройства и др. Наибольшее распространение получили транзисторные схемы, одна из которых будет рассмотрена.

Управление может производиться по горизонтальному или вертикальному принципу. При горизонтальном управлении напряжение переменного тока может сдвигаться по фазе («горизонтально») при помощи фазовращателя, обычно в пределах угла от 0 до π.

Полученные от фазовращателей напряжения, например для мостового трехфазного выпрямителя шесть напряжений, сдвинутых по фазе на углы π/3, подаются на формирователь, выдающий управляющие импульсы достаточной длительности.

Больше распространен вертикальный принцип управления, при котором управляющий импульс формируется, например, в моменты равенства управляющего напряжения линейно возрастающему пилообразному напряжению.

Подобная схема для одного канала управления двухполупериодного выпрямителя дана на рис. 2, а. На вход поступает переменное напряжение, сформированное в виде прямоугольных импульсов, имеющих ширину π (рис. 2,б).

Рис. 2. Формирователь импульсов тиристорного пускателя: a — схема получения управляющих импульсов, б — временные диаграммы напряжений в узлах схемы

Отрицательное напряжение подается через диод VD1 на базу транзистора VT1 в течение проводящей части периода. В эти отрезки времени напряжение ur4С1 относительно невелико. После того как снимается отрицательное напряжение с базы транзистора VT1 начинает возрастать напряжение ur4С1 практически линейно при больших сопротивлениях г2 и г4.

Когда это возрастающее напряжение ur4 С1 станет равным управляющему напряжению Uy, появляется напряжение на выходе транзистора VT2. При дифференцировании импульса тока в цепи транзистора VT2 формируется импульс напряжения u вых в цепи управления тиристора.

В представленной схеме (рис. 2 , а) диод VD4 служит для ограничения отрицательного напряжения, подаваемого на базу транзистора VT2, диод VD3 препятствует замыканию источника управляющего напряжения через разряженный конденсатор С1 или насыщенный транзистор VT1, а диод VD5 ограничивает значение выходного импульса.

Принцип работы тиристорного пускателя трехфазного переменного тока.

Принцип работы пускателя заключается в бесконтактном включении и отключении нагрузки, что осуществляется тремя силовыми ключами (рис.2.4), каждый из которых представляет собой сочетание двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, например BУ1 и ВУ2. Один из них пропускает ток в первую половину периода, а другой – во вторую. Цепь включается подачей импульсов управления, синхронных с анодным напряжением. Импульсы управления тиристорами формируются из анодного напряжения тиристоров. В исходном состоянии все тиристоры закрыты и находятся под фазным напряжением. После включения герконового контакта КГ-1 и замыкания контактов реле К, положительная полуволна напряжения сети окажется приложенной к аноду тиристора ВУ1 (рис. 2.4). Тогда от анода к катоду тиристора ВУ1 через управляющий переход тиристора ВУ2, резистор R1 контакт реле К и управляющий переход тиристора ВУ1.управления будет протекать ток. Тиристор ВУ1 откроется. С открытием тиристора автоматически снимается сигнал управления, так как падение напряжения на открытом тиристоре не превышает 1 В. При переходе напряжение на нем через нуль тиристор ВУ1 закрывается. Теперь положительная полуволна напряжения сети будет приложена к аноду тиристора ВУ2; тиристор ВУ2 откроется и с него автоматически снимется сигнал управления. Импульсы управления поступают на тиристоры синхронно с напряжением сети в начале каждого положительного полупериода, т.е. через 360 эл.°.

Управление тиристорного пускателя осуществляется при помощи герконовых элементов (герметических контактов) КГ1 и КГ2, они замыкаются при воздействии на них магнитных полей. Герконы имеют ряд преимуществ по сравнению с кнопочными выключателями:

1) относительно низкая стоимость;

2) достаточная долговечность;

3) не требует, периодического обслуживания;

4) герметичность контактов;

5) возможность применения во взрывоопасных местах.

II. Практическая часть работы.

— Ознакомиться, с конструктивными особенностями и принципом действия тиристорного пускателя.

— Ознакомиться с лабораторным стендом бесконтактного управления электродвигателем, выписать технические данные элементов схемы.

— Собрать схему бесконтактного управления электродвигателем по рис. 2 и после проверки её преподавателем опробовать установку в работе.

— Снять параметры по приборам, сравнить их с паспортными.

— Ответить на контрольные вопросы.

III. Графическая часть.

Вычертить электрическую схему управления трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с помощью тиристорного пускателя, управляемого герконовыми элементами.

В выводах о проделанной работе следует изложить свойства исследованной схемы управления, указать замеренные параметры электродвигателя, сравнить эти значения с паспортными данными электродвигателя.

Рис. 2.4. Электрическая схема управления пуском трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с помощью тиристорного пускателя с управлением на герконовых элементах.

IV. Контрольные вопросы

1. Какие виды бесконтактных управляющих устройств Вы знаете?

2. Объяснить применение тиристора в цепи постоянного тока, принцип действия тиристора.

3. Применение тиристора в цепи переменного тока, принцип действия тиристора.

4. Каковы преимущества бесконтактных управляющих устройств (тиристорного пускателя)?

5. Каковы преимущества герконовых элементов по сравнению с кнопочными выключателями?

6. Изложите последовательность работы пускателя при включении герконов КТ1, КТ2.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КОНТАКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯМИ

Цель работы: Ознакомиться с правилами начертания принципиальных схем и сборкой их при управлении асинхронным электроприводом.

I. Описательная часть.

Большинство механизмов и машин на горных и геологоразведочных работах имеют контакторное управление электроприводом. В зависимости от условий технологического процесса используются те или иные схемы управления, различающиеся по сложности и насыщенности различными элементами. Однако в основе их лежат сочетания типовых схем, объединяемых в общий комплекс управления машиной, станком или агрегатом.

К числу таких схем относятся три базовых варианта управления: с использованием однокнопочного поста управления (толчковая, схема), двухкнопочного поста (с блокировкой кнопки «Пуск») и с трехкнопочным постом (реверсивный вариант).

Нередко в общей схеме управления агрегатом используются все разновидности типовых схем, как, например, в схеме управления современной буровой установкой, где по толчковой реверсивной схеме управляется механизм труборазворота, а станок и насосы — по схеме с блокировкой кнопки «Пуск».

На рис. 1, 2, 5 приведены базовые, схемы, а на рис. 3, 4 даны промежуточные варианты, позволяющие с постепенным усложнением перейти от схемы 2 к схеме 5.

Прежде, чем приступить к сборке схем следует ознакомиться с приведенными ниже условными обозначениями отдельных элементов и правилами их начертания:

— схемы выполняются с минимальными количеством пересечений, а места соединений обозначаются точками;

— силовые цепи чертятся толще, чем прочие (цепи управления);

— элементы аппаратов размещаются на схеме с учетом последовательности их действия и удобства чтения.

II. Практическая часть и порядок работы.

1. Изучить условные обозначения отдельных элементов схем и найти их на стенде.

2. Собрать типовые варианты схем и поочерёдно после проверки преподавателем произвести включение.

III. Графическая часть.

Начертить принципиальные схемы контакторного управления.

IV. Проверочное задание

Составить схему управления двумя электродвигателями:

1) второй двигатель может быть включен только после включения первого, а отключаются оба двигателя одновременно;

2) двигатели включаются и выключаются одновременно, только второй выключается после первого;

3) первый двигатель включается индивидуально, но отключается при включении второго.

Как работает магнитный пускатель?

В процессе различных переключений с использованием электромагнитных пускателей, реле, контакторов и другой аппаратуры, в коммутирующем органе изменяется электрическое сопротивление. В данных приборах эту функцию выполняет промежуток между контактами. В замкнутом состоянии сопротивление становится очень маленьким, а по мере размыкания контактов оно начинает возрастать.

Такие изменения происходят очень быстро, в скачкообразном порядке и сопровождаются разрывом цепи. В некоторых случаях требуется избежать такого разрыва, поэтому в таких цепях для коммутации используются бесконтактные приборы. Типичным представителем этой группы является тиристорный контактор, в состав которого входят тиристоры, имеющие нелинейное электрическое сопротивление, способное изменяться в сторону увеличения или уменьшения.

Принцип действия тиристорного контактора

Действие тиристорного контактора основано на бесконтактной коммутации. Данное физическое явление заключается в изменяющейся проводимости полупроводников, подключаемых в цепь вместе с нагрузкой. Во время работы не наблюдается видимых разрывов цепи, а сам процесс выглядит следующим образом: когда цепь выключена – проводимость полупроводника резко снижается, а сопротивление может достигать нескольких десятков МОм. После включения проводимость элемента восстанавливается, а сопротивление стремится к нулю и измеряется уже в миллиОмах (мОм).

Полупроводниковыми приборами служат различные виды симисторов, тиристоров и транзисторов, включаемых последовательно с нагрузкой в электрическую цепь. Их действие основано на явлении электронно-дырочного перехода (р-п), обеспечивающего одностороннюю проводимость от анода (р) к катоду (п).

На этих же принципах осуществляется работа тиристорного контактора или переключателя переменного тока. Наиболее часто используются схемы со встречно-параллельным включением тиристоров VS1 и VS2, отмеченных на рисунке. Вырабатывание импульсов производится блоком управления при переходе напряжения через нулевую отметку. Под действием импульсов тиристоры открываются поочередно, за счет их сдвига между собой на 180 градусов. В результате, в цепи начинается движение синусоидального переменного тока. Когда мгновенное значение тока нагрузки снижается, тиристоры выключаются.

1.2.2 Магнитный пускатель

Магнитный пускатель состоит как бы из верхней и нижней части (Рис.6).

Рис. 6 Устройство магнитного пускателя

В верхней части находится подвижная контактная система, дугогасительная камера и подвижная половинка электромагнита, которая механически связана с группой силовых контактов подвижной контактной системы (Рис. 7).

Рис. 7 Устройство верхней части магнитного пускателя

Нижняя часть пускателя состоит из катушки, возвратной пружины и второй половинки электромагнита (Рис.8). Возвратная пружина возвращает верхнюю половинку в исходное положение после прекращения подачи питания на катушку, тем самым, разрывая силовые контакты пускателя.

Рис. 8 Устройство нижней части магнитного пускателя

Обе половинки электромагнита набраны из Ш-образных пластин, сделанных из электромагнитной стали (Рис. 9). Это наглядно видно, если вытащить нижнюю половинку электромагнита.

Рис. 9 Электромагнит

Катушка пускателя намотана медным проводом, и содержит N-ое количество витков, рассчитанное на подключение определенного питающего напряжения равного 24, 36, 110, 220 или 380 Вольт (Рис.10).

Рис. 10 Катушка пускателя

При подаче напряжения питания в катушке возникает магнитное поле и обе половинки стремятся соединиться, образуя замкнутый контур. Как только отключаем питание, магнитное поле пропадает, и верхняя часть возвращается возвратной пружиной в исходное положение.

1.3 Категории применения магнитных пускателей

Для характеристики коммутационной способности магнитных пускателей переменного тока установлены четыре категории применения, являющиеся стандартны-ми: АС1, АС2, АС3, АС4. Каждая категория применения характеризуется значениями токов, напряжений, коэффициентов мощности или постоянных времени, условиями испытаний и других параметров установленных ГОСТ Р 50030.4.1-2002.

Магнитные пускатели категории АС-1 рассчитываются на применение в цепях электропечей сопротивления и коммутируют только номинальный ток.

Магнитные пускатели категории АС-2 рассчитываются на пуск электродвигателей с фазным ротором и коммутируют ток 2,5 I

Магнитные пускатели категории АС-З рассчитываются на пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и на отключение вращающихся электродвигателей и коммутируют ток 6-10 I

Магнитные пускатели категории АС-4 рассчитываются на пуск электродвигателей с короткозамкнутым ротором и на отключение неподвижных или медленно вращающихся электродвигателей, они коммутируют токи 6-10 I

1.4 Питание и характеристиками магнитных пускателей

На боковой стенке пускателя (Рис.11), так же, как и у блока контактов, нанесена информ-ация об электрических параметрах пускателя и для удобства условно разделена на три сектора:

Рис. 11 Информация об электрических параметрах пускателя

Сектор №1

В первом секторе дана общая информация о пускателе и его область применения (Рис.12):

Рис. 12 Информация о пускателе и его область применения

50Гц – номинальная частота переменного тока, при которой возможна бесперебойная работа пускателя;

Категория применения АС-3 – двигатели с короткозамкнутым ротором: пуск, отключение без предварительной остановки.

Например: этот пускатель можно использовать для запуска и останова асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, используемых в лифтах, эскалаторах, ленточных конвейерах, элеваторах, компрессорах, насосах, кондиционерах и т.д.

Iе 9А – номинальный рабочий ток. Это ток нагрузки, который в нормальном режиме работы может проходить через силовые контакты пускателя. В нашем примере этот ток составляет 9 Ампер.

Категория применения АС-1 – неиндуктивные или слабо индуктивные нагрузки, печи, сопротивления. Например: лампы накаливания, ТЭНы.

Ith 25A – условный тепловой ток (t° ≤ 40°). Это максимальный

ток, который контактор или пускатель может проводить в 8-часовом режиме так, чтобы превышение температуры его различных частей не выходило за пределы 40°С.

Сектор №2

В этом секторе указана номинальная мощность нагрузки, которую могут коммутировать силовые контакты пускателя, и которая характеризуется категорией применения АС3 и измеряется в кВт Рис. 13).

Например, через контакты пускателя можно пропустить нагрузку мощностью 2,2 кВт, питающуюся переменным напряжением не более 230 Вольт.

Рис. 13 Информация о номинальной мощности нагрузки

Сектор №3

Здесь показана электрическая схема пускателя (Рис.14): катушка и четыре пары нормально разомкнутых контактов – три силовых (рабочих) и один вспомогательный. От катушки через все контакты проходит пунктирная линия, которая указывает, что все четыре контакта замыкаются и размыкаются одновременно.

Рис. 14 Электрическая схема пускателя

Напряжение питания 220В подается на катушку через контакты, обозначенные как А1

1.5 Устройство современных магнитных пускателей

Современные магнитные пускатели выпускают с двумя однотипными контактами от одного вывода катушки (Рис.15).

Их выводят с противоположных сторон, маркируют одинаковым буквенным и цифровым значением, и соединяют между собой проволочной перемычкой. В нашем случае это выводы с маркировкой А2

. Все это сделано для удобства монтажа схемы. И если придется собирать схемы с участием магнитного пускателя, используйте оба эти контакта.

Рис. 15 Устройство современных магнитных пускателей

1.5.1 Рассмотрим контактную группу пускателя

Силовыми контактами являются три пары (Рис.16): 1L1–2T1

;
3L2–4T2
;
5L3–6T3
— к ним подключается нагрузка, которую Вы хотите запитывать через магнитный пускатель или контактор. Причем контакты
1L1
;
3L2
;
5L3
являются
входящими
– к ним подводится напряжение питания, а
2Т1
;
4Т2
;
6Т3
являются
выходящими
– к ним подключается нагрузка. Хотя разницы здесь нет — что куда, но это считается за правило, чтобы можно было разобраться в монтаже другому человеку, не производившему монтаж.

Рис. 16 Силовые контакты магнитного пускателя

Последняя пара контактов 13НО–14НО

является
вспомогательной
и эту пару используют для реализации в схеме самоподхвата пускателя. То есть, эта пара нужна, чтобы при включении в работу, например, двигателя, все время его работы не пришлось держать нажатой кнопку «Пуск».

Тиристорные контакторы постоянного тока

Контакторы постоянного тока имеют ряд индивидуальных особенностей и характеристик. Одной из них является возможность работы с гораздо более высокими частотами переключения, во время регулировок и преобразований тока и напряжения. Этим они заметно отличаются от тиристорных регуляторов, осуществляющих стабилизацию в цепях с переменным током. Устройства постоянного тока обеспечивают более высокий уровень быстродействия, и данный фактор в значительной степени определяет сферу их использования.

Устройство магнитного пускателя

Все виды магнитных пускателей объединяют такие элементы конструкции, как электромагнит переменного тока, система подвижных и неподвижных силовых и вспомогательных контактов. Несущей частью является корпус из термостойких и негорючих пластиков. Эти пластмассы должны быть механически прочными и не деформироваться при повышенной температуре. Любой пускатель, как правило, трехфазный.

1. Контактные пружины, обеспечивающие плавность пуска
2. Подвижные контакты (мостики)
3. Неподвижные контакты (пластины)
4. Пластмассовая траверса
5. Якорь
6. Катушка пускателя
7. Ш-образная часть магнитопровода
8. Дополнительные контакты

Классификация магнитных пускателей делается по нескольким признакам, среди которых обычно главной является величина пускателя. Под величиной подразумеваются не габариты или вес пускателя, а то, какой ток он может коммутировать и насколько он устойчив к дуге в цепях с индуктивностями (при отключении электродвигателя). Основой является нереверсивный магнитный пускатель, так как реверсивные собираются из последних. Работа магнитных пускателей протекает в разных условиях, поэтому их также классифицируют по степени защищенности: открытое, защищенное, пылебрызгонепроницаемое.

Работа магнитного пускателя очень часто требует наличия теплового реле. Все типы магнитных пускателей имеют конструктивно совместимые тепловые реле. Часто их выпускает один и тот же производитель. Особенно важными применениями тепловых реле является защита электродвигателей от перегрева. Тепловое реле состоит из двухфазных биметаллических проводников (проводников с разными коэффициентами теплового расширения) – по одному на каждую фазу.

С электрической точки зрения, они являются резисторами с очень малым сопротивлением, и, таким образом, служат датчиками тока. Когда через фазы (или одну из них) протекает слишком большой ток, биметаллическая пластина изгибается и размыкает магнитные контакты, то есть контакты в цепи катушки пускателя. Подключение тепловых реле выполняется между пускателем и нагрузкой.

Все больше распространяются модульные пускатели. Это пускатели, монтируемые на DIN-рейку. Это металлическая профильная полоса, закрепляемая в шкафах на щите. Простота и легкость монтажа – исключительные. Рядом с пускателем (контактором) можно прикрепить тепловые реле, автоматы, УЗО (устройство защитного отключения), микропроцессорные контроллеры и многое другое. Модульные устройства очень легко собираются в схемы, благодаря каналам для проводов, проложенным между DIN-рейками. Монтаж выполняется зачищенными проводами необходимого сечения, обжатыми наконечниками. Наконечники вставляют в отверстия клемм приборов согласно принципиальной схеме и зажимают винтами.

На верхнюю сторону пускателей наносится маркировка, необходимая при монтаже и ремонте. Там есть обозначение типа, схема контактов и в некоторых случаях производители оставляют место для наклейки или подписи потребительских данных.

Большие успехи в силовой электронике, достигнутые за последние десятилетия, привели к тому, что большинство основных производителей теперь предлагают потребителям бесконтактные пускатели, содержащие мощные полупроводниковые ключи. У них есть определенные преимущества. Они работают бесшумно, не искрят, имеют высокую частоту переключений.

Некоторые модели благодаря ШИМ-контроллерам позволяют плавно пускать электродвигатели, а для автоматизации предусмотрены даже сетевые интерфейсы. К недостаткам можно отнести высокую цену, высокую квалификацию ремонтного персонала и небезопасную гальваническую связь с сетью, что может угрожать электрикам-ремонтникам.

Преимущества и недостатки

Несомненные плюсы тиристорных контакторов в сравнении с обычными устройствами заключаются в следующем:

• При регулярных включениях и отключениях отсутствует электрическая дуга, вызывающая разрушение контактов у электромагнитных устройств.
• Небольшой промежуток срабатывания дает возможность выполнять учащенные коммутации, практически без ограничений. Рабочие режимы могут быть не только длительными, но и повторно-кратковременными.
• Отсутствуют движущиеся части, подверженные механическому износу. Поэтому срок эксплуатации тиристорных контакторов намного выше, чем у обычных устройств.
• Бесшумная работа, благодаря особенностям конструкции.
• Очень простой ремонт и обслуживание. Любую деталь контактора можно легко заменить в течение короткого времени без демонтажа основного устройства.
• В случае необходимости тиристорный контактор легко переделывается под другой номинал тока. Для этого устанавливается подходящий тиристор с соответствующими техническими характеристиками.

Схема работы

Принцип действия магнитного пускателя не сложный – при включении питания кнопкой «Пуск», электрический ток проходит по катушке и намагничивает подвижный якорь. Как результат – якорь притягивается к неподвижной части и происходит замыкание главных контактов. Ток протекает по цепи и происходит включение электродвигателя. Если питание выключить, электрический ток пропадет с катушки и произойдет ее размагничивание. Этот процесс повлечет за собой задействование контактной пружины, которая вернет якорь в исходное положение. Главные контакты разомкнутся и цепь будет полностью обесточена.

Обращаем Ваше внимание на то, что мгновенное размыкание контактов произойдет не только, после намеренного отключения питания, но и если напряжение в сети упадет больше, чем на 60% от номинального значения.

Теперь Вы знаете, как работает магнитный пускатель. Как видно, схема работы устройства довольно простая. Наглядно увидеть принцип действия Вы можете на видео примерах ниже.