Типовые узлы и схемы управления электроприводов с двигателями постоянного тока

Для исключения возможности одновременного подключения статора к источникам переменного и постоянного тока в схеме использована типовая блокировка с помощью размыкающих контактов КМ и КМ1, включенных перекрестно в цепи катушек этих аппаратов.

Типовые схемы управления асинхронным двигателем с фазным ротором. Схемы управления двигателя с фазным ротором, которые рассчитаны в основном на среднюю и большую мощность, должны предусматривать ограничение токов при их пуске, реверсе и торможении с помощью добавочных резисторов в цепи ротора. За счет включения резисторов в цепь ротора можно также увеличить момент при пуске вплоть до уровня критического (максимального) момента.

Схема двухступенчатого пуска асинхронного двигателя с фазным ротором в функции времени. На рис. 1.29 приведена схема асинхронного двигателя с фазным ротором, где с помощью релейно-контакторной аппаратуры осуществляется пуск двигателя в две ступени, причем напряжение подается одновременно на силовые цепи и цепи управления с помощью выключателя QF.

Рис. 1.29. Схема пуска асинхронного двигателя с фазным ротором

Управление двигателем осуществляется в функции времени. При подаче напряжения в цепь управления реле времени КТ1, КТ2 срабатывают и размыкают свои контакты. Далее нажимается кнопка SB1. Это приводит к срабатыванию контактора КМЗ и пуску двигателя с резисторами, введенными в цепи ротора, так как контакторы КМ1 и КМ2 питания не получают. При включении контактора КМЗ реле КТ1 теряет питание и замыкает свой контакт в цепи контактора КМ1 через промежуток времени, равный выдержке времени реле КТ1. По истечении указанного времени включается контактор КМ1, шунтирующий первую пусковую ступень резисторов. Одновременно размыкающий контакт КМ1 в цепи реле КТ2 размыкается, реле КТ2 теряет питание и с выдержкой времени замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2, который срабатывает через промежуток, равный выдержке времени реле КТ2, и шунтирует вторую ступень резисторов в цепи ротора.

Схема одноступенчатого пуска асинхронного двигателя в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС. После подачи напряжения включается реле времени КТ (рис. 1.30), которое своим размыкающим контактом разрывает цепь питания контактора КМЗ, предотвращая тем самым его включение и преждевременное закорачивание пусковых резисторов в цепи ротора.

Рис. 1.30. Схема одноступенчатого пуска асинхронного двигателя с фазным ротором в функции времени и торможения противовключением в функции ЭДС

Включение двигателя производится нажатием кнопки SB1, после чего включается контактор КМ1. Статор двигателя подсоединяется к сети, электромагнитный тормоз YB растормаживается, и начинается разбег двигателя. Включение КМ1 одновременно приводит к срабатыванию контактора КМ4, который своим контактом шунтирует ненужный при пуске резистор противовключения Rд2, а также разрывает цепь катушки реле времени КТ. Последнее, потеряв питание, начинает отсчет выдержки времени, после чего замыкает свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ, который срабатывает и шунтирует пусковой резистор Rд1, в цепи ротора, и двигатель выходит на свою естественную характеристику.

Управление торможением обеспечивает реле торможения KV, контролирующее уровень ЭДС (скорости) ротора. С помощью резистора Rp оно отрегулировано таким образом, что при пуске, когда скольжение двигателя 0 < s < 1, наводимая в роторе ЭДС будет недостаточна для включения, а в режиме противовключения, когда 1 < s < 2, уровень ЭДС достаточен для его включения.

Для осуществления торможения двигателя нажимается сдвоенная кнопка SB2, размыкающий контакт которой разрывает цепь питания катушки контактора КМ1. После этого двигатель отключается от сети и разрывается цепь питания контактора КМ4 и замыкается цепь питания реле КТ. В результате этого контакторы КМЗ и КМ4 отключаются и в цепь ротора двигателя вводится сопротивление Rд1+ Rд2.

Нажатие кнопки SB2 приводит одновременно к замыканию цепи питания катушки контактора КМ2, который, включившись, вновь подключает двигатель к сети, но уже с другим чередованием фаз сетевого напряжения на статоре. Двигатель переходит в режим торможения противовключением. Реле КV срабатывает и после отпускания кнопки SB2 будет обеспечивать питание контактора КМ2 через свой контакт и замыкающий контакт этого аппарата.

В конце торможения, когда скорость будет близка к нулю и ЭДС ротора уменьшится, реле КV отключится и своим размыкающим контактом разомкнет цепь катушки контактора КМ2. Последний, потеряв питание, отключит двигатель от сети, и схема придет в исходное положение. После отключения КМ2 тормоз YB, потеряв питание, обеспечит фиксацию (торможение) вала двигателя.

Схема одноступенчатого пуска асинхронного двигателя в функции тока и динамического торможения в функции скорости. Схема (рис. 1.31) включает в себя контакторы KM1, КМ2 и КМЗ; реле тока КА; реле контроля скорости SR, промежуточное реле KV; понижающий трансформатор для динамического торможения Т; выпрямитель VD. Максимальная токовая защита осуществляется предохранителями FA1 и FA2, защита от перегрузки двигателя — тепловыми реле КК1 и КК2.

Рис. 1.31. Схема одноступенчатого пуска асинхронного двигателя с фазным ротором в функции тока и динамического торможения в функции скорости

Схема работает следующим образом. После подачи с помощью автоматического выключателя QF напряжения для пуска двигателя нажимается кнопка SB1, включается контактор КМ1, силовыми контактами которого статор двигателя подключается к сети. Бросок тока в цепи ротора вызовет включение реле тока КА и размыкание цепи контактора ускорения КМ2. Тем самым разбег двигателя начнется с пусковым резистором Rд2 в цепи ротора.

Включение контактора КМ1 приводит также к шунтированию кнопки SB1, размыканию цепи катушки контактора торможения КМЗ к включению промежуточного реле напряжения KV, что, тем не менее, не приведет к включению контактора КМ2, так как до этого в этой цепи разомкнулся контакт реле КА.

По мере увеличения скорости двигателя уменьшаются ЭДС и ток в роторе. При некотором значении тока в роторе, равном току отпускания реле КА, оно отключится и своим размыкающим контактом замкнет цепь питания контактора КМ2. Тот включится, зашунтирует пусковой резистор Rд2, и двигатель выйдет на свою естественную характеристику.

Отметим, что вращение двигателя вызовет замыкание контакта реле скорости SR в цепи контактора КМЗ, однако он не сработает, так как до этого разомкнулся контакт контактора КМ1.

Для перевода двигателя в тормозной режим нажимается кнопка SB2. Контактор КМ1 теряет питание и отключает АД от сети переменного тока. Благодаря замыканию контактов КМ1 включится контактор торможения КМЗ, контакты которого замкнут цепь питания обмотки статора от выпрямителя VD, подключенного к трансформатору Т, и тем самым двигатель переводится в режим динамического торможения. Одновременно с этим потеряют питание аппараты KV и КМ2, что приведет к вводу в цепь ротора резистора Rд2.Двигатель начинает тормозиться.

При скорости двигателя, близкой к нулю, реле контроля скорости SR разомкнет свой контакт в цепи катушки контактора КМЗ. Он отключится и прекратит торможение двигателя. Схема придет в исходное положение и будет готова к последующей работе.

Принцип действия схемы не изменится, если катушку реле тока КА включить в фазу статора, а не ротора.

Схемы управления двигателя с использованием тиристорных пусковых устройств. Эффективным методом формирования желаемых графиков изменения тока и момента двигателя в переходных режимах является регулирование напряжения на его статоре с помощью тиристорных пусковых устройств (ТПУ). Чаще всего это делается для ограничения тока и момента двигателя при пуске («мягкий» способ пуска), хотя с помощью этих устройств можно обеспечить и повышение момента двигателя при пуске («жесткий» способ пуска).

Упрощенная схема электропривода, иллюстрирующая этот метод, приведена на рис. 1.32. Тиристорное пусковое устройство включается между источником питания (сетью переменного тока) с напряжением U1, и статором двигателя. В нереверсивном ТПУ его силовую часть образуют три пары встречно-параллельно включенных тиристоров VS1—VS6, управление которыми осуществляется импульсами напряжения, поступающими на них от системы импульсно-фазового управления СИФУ. Ограничение тока и момента осуществляется за счет снижения подводимого к двигателю напряжения, что достигается соответствующим изменением во времени угла управления тиристорами. Напряжение при пуске может изменяться по различным законам — линейно нарастать от нуля до сетевого, быть пониженным в течение всего времени пуска или изменяться по так называемому бустерному варианту, при котором для облегчения пуска двигателя на него вначале подается скачком некоторое напряжение, которое затем продолжает нарастать уже по линейному закону. В замкнутой системе может быть обеспечено и поддержание тока статора на заданном уровне.

Рис. 1.32. Схема асинхронного электропривода с тиристорным пусковым устройством

Добавление в схему рис. 1.32 еще двух пар тиристоров позволяет получить реверсивную схему управления двигателем, обеспечивающую возможность вращения двигателя в двух направлениях. На базе схемы ТПУ может быть обеспечено и динамическое торможение двигателя.

Рис. 1.33. Схема асинхронного электропривода с гибридным тиристорным пусковым устройством

Дополнительными положительными свойствами обладают гибридные ТПУ, которые получаются добавлением в схему рис. 1.32 электромагнитного контактора, как это показано на рис. 1.33. В такой схеме тиристорная часть обеспечивает регулирование напряжения при пуске, а после его завершения включается контактор КМ и подключает двигатель к сети напрямую. Это повышает экономичность и надежность работы электропривода. В этой схеме тиристоры не имеют охладителей, а контактор — дугогасительных камер, что обусловливает их небольшие массу и габаритные размеры.

Схема квазичастотного регулирования скорости двигателя. На базе схемы рис. 1.32 может бьггь реализовано так называемое квазичастотное регулирование скорости двигателя. Схема, иллюстрирующая такое регулирование, показана на рис. 1.34. В ее состав входит блок квазичастотного управления БКЧУ, который с помощью схемы управления СИФУ обеспечивает периодическое подключение двигателя к источнику питания и его отключение. За счет изменения частоты и длительности интервалов включения и отключения двигателя могут быть получены механические характеристики, позволяющие регулировать скорость двигателя или его момент при пуске. Особенностью квазичастотного управления являются вибрации и шум при работе двигателя, а также повышенные потери мощности, что вызывает дополнительный нагрев двигателя и требует определенного завышения его мощности в случае регулирования скорости.

Рис. 1.34. Схема асинхронного электропривода с квазичастотным управлением

ТИПОВЫЕ УЗЛЫ И СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Релейно-контакторные схемы управления синхронными двигателями, кроме обычных операций по включению и отключению (торможению) двигателя и ограничению пусковых токов, должны обеспечивать управление током возбуждения двигателей, имеющих обмотку возбуждения. При пуске используются два способа такого управления: с «глухоподключенной» (постоянно включенной) обмоткой возбуждения и с подключением обмотки в конце пуска перед синхронизацией двигателя с сетью. Первый вариант характеризуется более простой схемой и используется при легких условиях пуска двигателя — небольших моментах и инерционных массах нагрузки электропривода. Второй вариант реализуется с помощью более сложной схемы управления, но зато может обеспечивать пуск двигателя при значительных моментах сопротивления и инерционности нагрузки электропривода.

Типовой узел управления током возбуждением двигателя в функции скорости. В этой схеме подключение обмотки возбуждения к источнику питания Uв осуществляется контактором КМ2 (рис. 1.35, а), который управляется реле скорости KR. Катушка этого реле связана с частью разрядного резистора Rp, через диод VD.

Рис. 1.35. Узлы схем управлением возбуждением синхронного двигателя с использованием принципа скорости (а) и тока (б)

При включении контактора КМ1 (его цепи управления на рисунке не показаны) обмотка статора двигателя подключается к сети переменного тока и образует вращающееся магнитное поле, которое вызовет появление момента двигателя, под действием которого он начнет разбег, и, кроме того, наведет ЭДС в обмотке возбуждения двигателя. Под действием ЭДС по катушке реле KR начнет протекать выпрямленный ток, оно включится и разомкнет цепь питания контактора КМ2. Тем самым разбег двигателя будет происходить без тока возбуждения с закороченной на разрядный резистор Rp обмоткой возбуждения.

По мере роста скорости ротора его ЭДС, а тем самым и ток в катушке реле KR, снижаются. При подсинхронной скорости ток в катушке реле KR станет меньше тока отпускания, оно отключится и вызовет тем самым включение контактора КМ2. Контактор КМ2 подключит обмотку возбуждения к источнику питания, и далее происходит процесс синхронизации двигателя с сетью.

Схема управления возбуждением двигателя в функции тока. Эта схема (рис. 1.35,б) содержит реле тока КА, обмотка которого питается от трансформатора тока ТА, и реле времени КТ. При подключении двигателя к сети контактором КМ1 в цепи обмотки статора возникает бросок пускового тока, что приводит к срабатыванию реле КА. Контакт этого реле замыкает цепь питания реле времени КТ, что вызовет отключение контактора возбуждения КМ2. Разбег двигателя, как и в предыдущем случае, осуществляется с закороченной на разрядный резистор Rp обмоткой возбуждения.

В конце пуска при подсинхронной скорости двигателя и уменьшении тока в статоре реле КА отключается и катушка реле времени КТ теряет питание. Через заданную выдержку времени включается контактор КМ2, и через его контакты обмотка возбуждения подключается к источнику питания Uв, после чего двигатель втягивается в синхронизм.

Отметим, что в рассмотренных схемах после срабатывания контактора возбуждения КМ2 разрывается цепь разрядного резистора Rp, что облегчает тепловой режим его работы и повышает экономичность схемы.

Электротехническая промышленность выпускает типовые панели и шкафы управления двигателя разных типов. Рассмотрим в качестве примера схему одной из таких панелей.

Схема прямого пуска синхронного двигателя напряжением до 1000 В. Асинхронный пуск синхронного двигателя осуществляется при включении автоматических выключателей QF1, QF2 и срабатывании контактора КМЗ (рис. 1.36, а, б) При этом реле форсировки KV срабатывает и замыкает свой контакт, что приводит к срабатыванию контактора форсировки КМ1. Контакт КМ1 размыкается, и в цепь обмотки возбуждения вводится резистор Rфр. Включаются красная и зеленая сигнальные лампы, что указывает на присоединение двигателя к сети, но возбуждение еще не подано.