Электропривод. Электрический привод
 Скачать 5.41 Mb.
|
|
5.1.1. Типовые узлы и схемы систем управления двигателями постоянного тока Управление пуском, реверсом и торможением двигателей постоянного то- ка в большинстве случаев осуществляется в функции времени, скорости, тока или пути. Рассмотрим несколько типовых схем, в которых реализуются эти ре- жимы. На рис. 5.1 показана схема пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения в функции времени. Обмотка возбуждения двигателя глухо подключена к шинам питания сети постоянного тока, что исключает аварийную возможность работы двигателя с разомкнутой цепью возбуждения. Силовую цепь системы управления образует якорь двигателя с последова- тельно включенным пусковым токоограничивающим сопротивлением z R и за- мыкающий главный контакт линейного контактора KM. Пусковое сопротивле- ние шунтировано замыкающим главным контактом контактора KM1. Контактор KM обеспечивает питание цепи якоря, а контактор KM1 – отключение пусково- го сопротивления через определённый промежуток времени, задаваемый на- стройкой реле KT. Кроме силового контактор KM имеет также замыкающий и размыкающий вспомогательные контакты. Первый выполняет функцию блок- контакта кнопки SB1 (пуск), а второй включает выдержку времени. При подключении схемы к источнику питания происходит возбуждение двигателя и срабатывание электромагнитного реле KT, размыкающий контакт которого с замедлением при возврате отключает пи- тание катушки контактора KM2. Время замедления настраивается таким образом, чтобы оно соответст- вовало скорости вращения или току якоря, при кото- рых должно отключиться пусковое сопротивление. Управление двигателем осуществляется кноп- ками SB1 и SB2 (остановка, стоп). Выбор кнопок в качестве аппаратуры управления является обяза- тельным для обеспечения безопасности эксплуата- ции привода, т.к. нажатие является самым простым и быстрым движением человека. Кроме того, эти кнопки без фиксации положе- ния, что исключает повторное включения двигателя без команды оператора. При нажатии кнопки SB1 контактор KM получает питание и главным кон- тактом подключает к сети цепь якоря двигателя. Одновременно с этим вспомо- гательный контакт шунтирует кнопку SB1, исключая разрыв цепи при её отпус- Рис. 5.1 206 кании. Двигатель начинает разгон со включенным пусковым сопротивлением. Срабатывание контактора KM вызывает размыкание цепи питания реле време- ни KT и, соответственно, замыкание цепи питания катушки контактора KM1, который своим главным контактом зашунтирует пусковое сопротивление. Так как замыкание контактов KT происходит с замедлением, то срабатывание KM1 и отключение пускового сопротивления происходит через некоторое время по- сле включения контактора KM. Величина сопротивления выбирается из условия ограничения пускового тока максимально допустимым значением, а время отключения из условия снижения его до минимально допустимого значения. Нажатие на кнопку SB2 (стоп) разрывает цепь питания катушки контактора KM. Цепь якоря отключается от сети, и схема управления возвращается в ис- ходное состояние, изменить которое может только повторный пуск. Если в процессе работы двигателя произойдёт отключение питания схемы управления на время, превышающее время возврата контактора KM, или на- пряжение в сети понизится до уровня, соответствующего току отпускания этого контактора, то произойдёт отключение двигателя точно так же, как если бы бы- ла нажата кнопка SB2. После этого повторный запуск будет возможен только после устранения неисправности питания. Таким образом, электромагнитные реле схемы управления помимо своих основных функций обеспечивают также защиту двигателя от работы при пониженном напряжении. Для переключения ступеней пускового резистора в качестве сигнала управления можно использовать ЭДС якоря, пропорцио- нальную скорости вращения. Причём, если не учитывать падение напряжения на актив- ном сопротивлении, то ЭДС будет равна на- пряжению на якоре. На рис. 5.2 показана схема устройства управления пуском двига- теля в две ступени и динамического тормо- жения в функции времени. Катушки контак- торов KM1 и KM2, шунтирующих главными контактами пусковые резисторы 1 z R и 2 z R , подключены параллельно щёткам двигателя через регулировочные резисторы 1 c R и 2 c R . С их помощью можно настроить напряжение срабатывания каждого контактора на нужное значение величины ЭДС (скорости), при ко- торой будет отключаться соответствующая часть пускового резистора. Причём увеличение сопротивления повышает напряжение срабатывания, т.к. усилие электромагнита, вызывающее замыкание или размыкание контактов, определя- ется величиной тока в катушке. Рис. 5.2 207 Режим динамического торможения создаётся шунтированием якоря рези- стором b R , подключение которого осуществляется главным замыкающим кон- тактом контактора торможения KM3. Длительность торможения определяется настройкой реле времени KT, замыкающий контакт которого включён в цепь питания катушки контактора KM3. После подключения к источнику питания двигатель возбуждается, а все элементы схемы управления остаются в исходном состоянии. Пуск производит- ся нажатием на кнопку SB1, после чего срабатывает контактор KM, цепь якоря через главный контакт KM подключается к сети и начинается разгон двигателя с полностью включенным пусковым резистором 1 2 z z R R + . По мере увеличения скорости вращения напряжение на щётках растёт и при скорости 1 1 a E ω ≡ сра- батывает контактор KM1, шунтируя первую ступень резистора 1 z R . При скоро- сти 2 2 a E ω ≡ срабатывает контактор KM2. Пусковой резистор оказывается пол- ностью шунтированным и двигатель выходит на естественную характеристику. В течение всего времени работы двигателя катушка реле времени KT оста- ётся подключённой к сети через вспомогательный переключающий контакт KM. Поэтому контакт реле KT также остаётся замкнутым, но это не влияет на состояние контактора KM3, т.к. цепь его катушки разомкнута вспомогательным контактом KM. Отключение двигателя происходит с переходом к режиму динамического торможения. При нажатии на кнопку SB2 (стоп) размыкается цепь питания ка- тушки контактора KM и цепь якоря отключается от сети. Одновременно через переключающий контакт KM включается контактор KM3, шунтируя якорь че- рез свой главный контакт тормозным резистором b R , и отключается питание реле времени KT. Однако размыкание контакта реле KT и отключение контак- тора торможения KM3 произойдёт только с выдержкой времени, соответст- вующей настройке. После окончания торможения схема управления возвращается в исходное состояние. Режим динамического торможения при отключе- нии двигателя можно реализовать также в функции ЭДС так, как это показано на рис. 5.3. Здесь пуск дви- гателя осуществляется в функции времени в одну сту- пень аналогично схеме на рис. 5.1. Шунтирование якоря резистором b R при динами- ческом торможении происходит с помощью главного контакта контактора KM2, катушка которого подклю- чена к щёткам двигателя через вспомогательный раз- мыкающий контакт KM. Этот контакт предотвращает возможность включения контактора KM2 во время ра- боты двигателя. После нажатия на кнопку SB2 линейный контак- тор KM и цепь якоря двигателя отключаются т сети, а катушка контактора тор- Рис. 5.3 208 можения KM2 подключается к щёткам якоря. Под действием ЭДС якоря в цепи катушки KM2 возникает ток, его контакт замыкается и подключает тормозной резистор b R . Процесс торможения продолжается до тех пор, пока скорость вращения и величина ЭДС не понизятся до уровня, при котором ток катушки контактора KM2 окажется меньше тока отпускания. В качестве примера рассмотрим работу схемы управления пуском двигателя постоянного тока по- следовательного возбуждения в функции тока якоря, показанную на рис. 5.4. Здесь катушка реле тока KA включена последо- вательно в цепь якоря двигателя, а её размыкающий контакт – в цепь питания контактора KM1, управ- ляющего пусковым резистором z R . Реле KA настраи- вается таким образом, чтобы ток отпускания соответ- ствовал нижней границе переключения. Правильная работа схемы на рис. 5.4 возможна, только если реле тока KA при включении будет сраба- тывать до того, как включится контактор KM1. Для надёжного обеспечения этого условия в схеме используется дополнительное реле KV с замедленным временем срабатывания, замыкающий контакт которо- го включён в цепь питания катушки KM1. При включении линейного контакто- ра KM ток в цепи якоря двигателя значительно превышает ток срабатывания реле KA. Оно включается и разрывает цепь катушки KM1 до того, как сработает реле KV и соединит эту цепь с источником питания. Поэтому контактор KM1 остаётся отключённым, а пусковой резистор z R введённым в цепь якоря до тех пор, пока ток катушки реле KA не уменьшится до величины тока отпускания. После чего размыкающий контакт реле KA замкнётся, контактор KM1 включит- ся и зашунтирует пусковой резистор z R . При этом вспомогательный замыкаю- щий контакт KM1 блокирует контакт реле тока KA, исключая возможность по- вторных отключений контактора при случайных бросках тока якоря. Значительно более сложные задачи управления двигателем постоянного тока независимого возбуждения решаются с помощью схемы на рис. 5.5. Она позволяет осуществить реостатный пуск и реверс. В этой схеме для подключения якоря к сети используются два контактора KM1 и KM2, главные контакты которых соединены в мостовую схему. В диаго- наль моста включён якорь двигателя. Переключение контакторов изменяет по- лярность напряжения на якоре. В цепь якоря включён токоограничивающий резистор с отводами. Управ- ление резистором осуществляется контакторами KM3 и KM4 таким образом, что в режиме пуска подключается только часть резистора 1 z R , а при торможе- нии противовключением – весь резистор, т.е. 1 2 z z R R + Рис. 5.4 209 Контакторы KM3 и KM4 включаются через замыкающие контакты реле KV1 или KV2. Катушки реле подключены к питанию через отвод на резисторе противовключения 2 z R . Сопротивление между отводом и отрицательной шиной питания выбирается таким, чтобы падение напряжения на нём, создаваемое то- ком якоря в режиме противовключения, исключало возможность срабатывания реле KV1 и KV2, а в двигательном режиме было недостаточным для блокировки срабатывания. Иначе говоря, это сопротивление должно обеспечивать срабаты- вание реле KV1 и KV2 при токе / a s d a I I U r ≤ = , где d U и a r – напряжение сети и сопротивление якоря. В цепь питания катушки пусково- го контактора KM4 кроме контактов реле KV1 и KV2 включен также размы- кающий контакт реле времени KT, с помощью которого осуществляется за- держка отключения пускового рези- стора 1 z R аналогично схеме управления на рис. 5.1. Питание катушки реле KT в этой схеме, в отличие от рассмотрен- ных ранее схем, отключается не разры- вом цепи, а шунтированием её контак- том KM3. Для пуска двигателя в одном из направлений используются кнопки SB1 и SB2. В отличие от предыдущих схем управления эти кнопки имеют два ме- ханически и электрически соединён- ных контакта, т.е. по сути, переклю- чающий контакт. Замыкающий контакт каждой кнопки соединён последова- тельно с размыкающим контактом дру- гой. Этим исключается возможность одновременного включения контакторов прямого и обратного вращения. Пуск двигателя в любом направлении осуществляется в одну ступень в функции времени. При нажатии, например, кнопки SB1 срабатывает контактор KM1 и подключает якорь к сети. Одновременно за счёт падения напряжения на 2 z R срабатывает реле времени KT и разрывает цепь катушки пускового контак- тора KM4. С некоторым запаздыванием затем включается реле KV1 и замыкает цепь питания контактора противовключения KM3, что приводит к шунтирова- нию сопротивления 2 z R , отключению реле KT и началу отсчёта выдержки вре- мени. Двигатель разгоняется со включённым пусковым резистором 1 z R . По окончании задержки контакт KT замыкается, контактор KM4 включается и Рис. 5.5 210 шунтирует пусковой резистор, выводя двигатель на естественную характери- стику. Для реверса необходимо нажать кнопку SB2, в результате чего отключатся контакторы KM1, KM4 и реле KV1 и включится контактор KM2. Напряжение на якоре изменит полярность и двигатель перейдёт в режим торможения проти- вовключением с суммарным токоограничивающим сопротивлением 1 2 z z R R + При этом включится также реле времени KT, а реле KV2 останется отключён- ным до тех пор, пока скорость двигателя не снизится почти до нуля. После это- го оно включится и запитает катушку контактора KM3. В результате резистор 2 z R будет зашунтирован, начнётся отсчёт времени пуска и двигатель будет раз- гоняться в противоположную сторону по описанному выше алгоритму. 5.1.2. Типовые узлы и схемы систем управления асинхронными двигателями Релейно-контактные схемы управления асинхронными двигателями стро- ятся по тем же принципам, что и схемы управления двигателями постоянного тока. На рис. 5.6 показана простейшая схема управления асинхронным коротко- замкнутым двигателем с помощью магнитного пускателя. Он представляет со- бой контактор переменного тока KM, два тепловых реле KK и две кнопки управления SB1, SB2, объединённые в одном корпусе. Эта схема позволяет осуществить прямой пуск двигателя и отключение его от сети. Кроме того, в схеме предусмот- рена защита двигателя плавкими предо- хранителями FA от коротких замыканий и тепловыми реле KK от перегрузки. Размыкающий контакт тепловых реле KK после срабатывания защиты обычно фиксируется в разомкнутом состоянии и возвращается исходное состояние вруч- ную. Это позволяет различить отключе- ние двигателя вследствие понижения на- пряжения в сети и в результате перегруз- ки, а также дополнительно обращает внимание оператора на аварийную си- туацию в приводе. Если выключатель QF включён, то для пуска двигателя достаточно нажать кнопку SB1. При этом получает питание катушка контактора KM, замыкаются его главные контакты в силовой цепи и статор двигателя подключается к сети. Одновременно замыкающий вспомогательный контакт KM блокирует кнопку SB1 и её больше не нужно удерживать в нажатом состоянии, т.к. цепь питания катушки контактора замыкается через собственный контакт. Рис. 5.6 211 Нажатием кнопки SB2 цепь питания катушки контактора размыкается, он отключается от сети и размыкает при этом цепь статора. Двигатель останавли- вается выбегом под действием нагрузки на валу. Аналогично дей- ствует тепловая защи- та, размыкающий кон- такт которой включён последовательно с кнопкой SB2 (стоп). Отключение двигателя происходит, если ток статора в течение оп- ределённого времени, соответствующего времятоковой характе- ристике, превышает значение, на которое рассчитан тепловой расцепитель реле KK. Несмотря на то, что тепловая защита настраивается на величину тока, превышающего номинальное значение на 10 …15%, отключения двигателя при пуске, когда ток статора в 5…7 раз больше номинального, не происходит, т.к. время срабатывания этой защиты значитель- но больше длительности пускового режима. Реверс асинхронного двигателя обеспечивается реверсивным магнитным пускателем, схема которого показана на рис. 5.7. В отличие от простого нере- версивного он имеет два линейных контактора KM1 и KM2, каждый из которых обеспечивает питание двигателя с разным порядком чередования фаз. Чтобы исключить возможность короткого замыкания при одновременном включении контакторов в цепи питания катушек каждого из них последовательно включён дополнительный размыкающий контакт другого. Кроме этого в магнитном пус- кателе с этой же целью предусмотрена механическая блокировка кнопок. Включение двигателя для одного из направлений вращения производится нажатием кнопки SB1 или SB2. Катушка соответствующего контактора под- ключается к источнику питания, а замыкающие главные контакты присоединя- ют двигатель к сети. Для изменения направления вращения необходимо сначала нажать кнопку SB3, что приведёт к отключению работающего контактора, а затем соответст- вующей кнопкой (SB1 или SB2) включить двигатель для движения в другом на- правлении. При этом скорость вращения его начнёт снижаться и если в момент остановки снова нажать кнопку SB3 (стоп), отключив тем самым работающий контактор, то двигатель окажется отключённым от сети. Если же не отключать питание, то двигатель после остановки разгонится и будет вращаться в проти- воположную сторону. Рис. 5.7 212 Силовая схема на рис. 5.7 отличается от схемы рис. 5.6 использованием автома- тического выключателя вместо плавких вставок FA. Применение автоматического выключателя исключает возможность ра- боты двигателя с обрывом одной фазы пи- тания, что может произойти при сгорании плавкой вставки в случае однофазного ко- роткого замыкания. Кроме того, восста- новление работоспособности автоматиче- ского выключателя после срабатывания защиты не требует замены его элементов. Автоматические выключатели могут иметь электромагнитные расцепители, от- ключающие цепь в течение нескольких миллисекунд, либо тепловые расцепители, либо те и другие вместе. На рис. 5.8 пока- заны времятоковые характеристики авто- матических выключателей с обоими ти- пами расцепителей. Участок ab соответст- вует защите тепловым расцепителем, а участок cd – электромагнитным. Элек- тромагнитные расцепители в зависимости от класса автомата (A, B, C, D) имеют нерегулируемый порог отключения, равный трёх-, пяти-, десяти- и двадцати- кратному номинальному току. Для исключения срабатывания защиты в пере- ходных режимах в электроприводе применяются автоматические выключатели класса C, а в приводах с тяжёлыми условиями работы – класса D. Асимптотой времятоковой характеристики теплового расцепителя является номинальное значение тока. Однако большая крутизна характеристики в области 10 …15% перегрузок не всегда обеспечивает надёжную защиту. Поэтому наряду с авто- матическими выключателями в электроприводе используются также тепловые реле или электронные устройства защиты с позисторами в качестве датчиков температуры. Релейно-контактные системы используются также для управления двух- скоростными двигателями (рис. 5.9). Соединение обмоток статора в двойную звезду и получение высокой скорости вращения осуществляется включением контактора KM4. Низкая скорость вращения получается при соединении обмо- ток треугольником с помощью контактора KM3. Контакторы KM1 и KM2 в этой схеме работают так же, как в схеме на рис. 5.7 и обеспечивают реверс двигателя. Для обеспечения возможности независимого переключения направления и скорости вращения двигателя в схеме на рис. 5.9 используются кнопки с двумя разнотипными контактами (с переключающим контактом). Размыкающие кон- такты кнопок перекрёстно последовательно включены в цепи катушек контак- Рис. 5.8 213 торов, реализующих инверсную функцию. Тем самым в каждой паре при нажа- тии на кнопку обеспечивается отключение работающего контактора и беспре- пятственный переход к новому режиму работы. Пуск двигателя возможет только после предварительного выбора схемы соединения обмоток путём нажатия кнопок SB3 или SB4. После срабатывания одного из контакторов скорости вращения (KM3 или KM4) включается вспомо- гательное реле KV, контакты которого замыкают цепи питания катушек контак- торов направления вращения KM1 и KM2, снимая тем самым блокировку замы- кающих контактов кнопок выбора направления вращения SB1 и SB2. Однако после первого включения возможно изменение скорости вращения, т.е. схемы соединения, и направления вращения без остановки двигателя. Режим динамического тор- можения в асинхронном приводе можно создать с помощью ис- точника постоянного тока, на- пример, в виде диодного моста V на рис. 5.10. Пуск двигателя в этой схеме осуществляется прямым включе- нием в сеть через главные кон- такты линейного контактора KM. Одновременно вспомогательный размыкающий контакт разрывает цепь питания катушки контакто- ра торможения KM1, блокируя Рис. 5.9 Рис. 5.10 214 его включение при работе двигателя, а замыкающий контакт включает питание реле времени KT. При нажатии на кнопку SB2 (стоп) линейный контактор KM отключается и разрывает цепи питания двигателя и реле времени KT. При этом через вспомо- гательный размыкающий контакт KM и замкнутый на момент начала торможе- ния замыкающий контакт реле KT катушка контактора торможения KM1 под- ключается к источнику питания. Это приводит к подключению диодного моста V к обмотке статора двигателя. Через некоторое время, соответствующее настройке замедлителя реле KT, его замыкающий контакт в цепи катушки контактора торможения KM1 разомк- нётся. Это приведёт к отключению статора от диодного моста и возврату схемы в исходное положение. Интенсивность динамического торможения регулируется резистором R, ограничивающим величину постоянного тока. Существенным недостатком всех схем управления в функции времени яв- ляется отсутствие связи между алгоритмом управления и состоянием привода. Любое возмущение в виде изменения параметров нагрузки будет приводить к несоответствию настроек интервалов времени и длительности переходных ре- жимов пуска торможения и реверса, что в некоторых случаях может создавать аварийные ситуации. Исключить такую возможность позволяет использование простейших датчиков движения, например, центробежных реле. На рис. 5.11 по- казана схема управ- ления асинхронным двигателем с прямым пуском и торможени- ем противовключени- ем. В отличие от схе- мы на рис. 5.10 здесь на валу двигателя ус- тановлено центро- бежное реле SR, за- мыкающий контакт которого включён в цепь питания катушки контактора торможения KM2. Цепи питания катушек линейного контактора KM1 и контактора торможе- ния KM2 взаимно блокированы вспомогательными размыкающими контактами для исключения их одновременного срабатывания, т.к. это приводит к корот- кому замыканию трёхфазной сети. После начала вращения двигателя контакт центробежного реле замыкается и остаётся в этом положении практически до его остановки. Несмотря на это контактор торможения KM2 не включается, т.к. цепь питания его катушки ра- зомкнута контактом KM1. Рис. 5.11 215 При нажатии на кнопку SB2 (стоп) линейный контактор отключается и от- ключает статор двигателя от сети. Одновременно своим вспомогательным кон- тактом он замыкает цепь питания катушки контактора торможения KM2. Это приводит к подключению статора к сети с обратным порядком чередования фаз и переходу двигателя в режим торможения противовключением. При скорости вращения близкой к нулю замыкающий контакт реле SR ра- зомкнётся, контактор торможения отключится от питания и отключит двига- тель от сети. Схема вернётся в исходное положение и будет готова к следую- щему пуску. Управление асинхронными двигателями с фазным ротором является более сложной задачей. Здесь также как в двигателях постоянного тока формируется не только режим торможения, но и режим пуска. На рис. 5.12 в качестве примера показана схема одноступенчатого пуска в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС ротора. В качестве пусковых используются резисторы 1 z R , а при торможении в цепь ро- тора включаются суммарные резисторы 1 2 z z R R + Цепь питания катушки линейного контактора прямого вращения KM1 бло- кирована вспомогательным размыкающим контактом контактора обратного вращения KM2. Блокировка же цепи питания его катушки осуществляется за- мыкающим контактом реле торможения KV. Управление ре- жимом торможения осуществляется с помощью реле KV. Его катушка питает- ся через мостовой выпрямитель V2 ли- нейным напряжени- ем ротора двигателя, величина которого пропорциональна скольжению. С по- мощью регулировоч- ного резистора R цепь питания на- страивается так, что- бы реле KV срабаты- вало только при скольжении больше единицы, т.е. в режиме противовключения. Замыкающий контакт реле KV включен последовательно в цепь блокировки замыкающего контакта кнопки SB2 (стоп). Это позволяет в конце торможения отключить блокировку кнопки, создаваемую замыкающим контактом KM2. Рис. 5.12 216 При нажатии кнопки SB1 включается линейный контактор KM1, двигатель подключается к трёхфазной сети и начинается его разгон. Одновременно через вспомогательный замыкающий контакт KM1 включается контактор KM4 и своими контактами шунтирует резисторы 2 z R . Пусковые резисторы 1 z R при этом остаются включёнными, т.к. цепь питания катушки пускового контактора KM3 разомкнута контактом реле времени KT. При включении линейного кон- тактора KM1 отключается питание реле времени, которое работает с замедле- нием при отпускании, поэтому контактор KM3 включится и накоротко замкнёт цепь ротора двигателя с задержкой на время настройки реле. Процесс торможения начинается с нажатия кнопки SB2 (стоп). При этом контактор прямого вращения отключается и включается контактор KM2. Маг- нитное поле двигателя меняет направление вращения, и он переходит в режим противовключения. Одновременно с этим отключается питание катушек кон- такторов KM3 и KM4, что приводит к размыканию их контактов, шунтирующих резисторы в цепи ротора, т.е. торможение в отличие от пуска происходит с полностью включённым сопротивлением. Изменение направления вращения магнитного поля вызывает почти дву- кратное увеличение ЭДС ротора и срабатывание реле KV, замыкающий контакт которого вместе со вспомогательным контактом KM2 блокирует замыкающий контакт кнопки SB2, обеспечивая питание катушки контактора торможения KM2 и после отпускания кнопки. После снижения скорости вращения почти до нуля реле KV отключится и своим замыкающим контактом разомкнёт цепь питания катушки контактора торможения KM2. В результате двигатель отключится от сети, и схема придёт в исходное положение для последующего пуска. |