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.
Частоту вращения ротора асинхронного электродвигателя с фазным ротором можно регулировать, изменяя величину сопротивления в роторной цепи (см. подразд . 5.2).
Управлять такими электродвигателями возможно с помощью силовых и магнитных контроллеров (рис. 6.15). В настоящее время в подъемно-транспортных механизмах используются магнитные контроллеры, относящиеся к аппаратам дистанционного управления.
Для выключения двигателя необходимо контроллер перевести в нулевое положение. Вращение “Назад” осуществляется постановкой рукоятки магнитного контроллера на позицию 1 “Назад”, при этом включается контактор КМ 2 . Происходит смена чередования фаз в обмотках статора и начинается обратное вращение ротора при полном включенном пускорегулирующем резисторе роторной цепи. Дальнейший процесс управления аналогичен описанному выше.
Особенностью работы двигателей подъемно-грузовых лебедок является спуск груза. В этом случае груз не только преодолевает силы трения, но и стремится ускорить вращение двигателя в направлении спуска. Скорость двигателя очень быстро достигает синхронной, после чего двигатель начинает работать как генератор под действием силы тяжести груза, т.е., тормозя механизм. Если сопротивление в цепи ротора двигателя полностью закороченно , то скорость опускания груза на 5-10 % больше синхронной частоты вращения. Увеличение роторного сопротивления приводит к увеличению скорости спуска (а не к уменьшению, как это бывает при подъеме).
Схема автоматического пуска и торможения противовключением асинхронного двигателя с фазным ротором. Пуск двигателя совершается нажатием кнопки SB1 (вперед) или SB2 (назад), тем самым подается питание на катушку контактора КМ 1 (или КМ2). Рассмотрим работу схемы при срабатывании контактора КМ 1 (рис. 6.16).
в цепи ротора.
в цепи ротора, и двигатель выводится на естественную характеристику.
служит для ограничения тока при торможении.
Если требуется реверсирование двигателя, то необходимо нажать на кнопку противоположного направления вращения (в нашем примере на кнопку SB2), не воздействуя на кнопку SB3 (стоп). При этом отключаются контакторы КМ 1 и КП. Последний — из-за размыкания контакторов КМ 1 и РБ. Как только замкнется размыкающий контакт КМ 1 в цепи катушки контактора КМ2, он включится, и двигатель переведется в режим торможения противовключением .
так, что при начале торможения, когда направления вращений магнитного поля статора и ротора противоположны (S=2), оно срабатывает, а при угловой скорости, близкой к нулю (S=1), когда напряжение на его катушке снижается почти вдвое, реле отпускает свой якорь. При пуске в обратную сторону реле РП не срабатывает, так как ЭДС ротора становится еще меньше, достигая нулевого значения при S=0.
Блокировочное реле РБ служит для создания временного разрыва в цепи катушки контактора КП, оно отключается одновременно с контактором КМ1, а включается только после замыкания контактов контактора КМ2. Когда контакты РБ сомкнутся, уже успеет сработать реле РП.
По окончании процесса торможения контакт РП закроется и контактор КП зашунтирует ступень сопротивления Rn . Затем произойдёт изменение направления вращения ротора, то есть пу ск в пр отивоположном направлении (назад).
Если остановку двигателя производить кнопкой SB3, то обмотки статора отключатся от сети, но электрического торможения не произойдет, двигатель остановится под действием статического момента сопротивления на валу.
Для уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента — в цепь ротора включают токоограничивающий резистор R, ступени которого включены в цепь не только вовремя пуска, и торможении, а также при реверсе электродвигателя с фазным ротором.
Двигатель будет разгоняться по искусственной характеристики с большим пусковым моментом и меньшим пусковым током. По мере разгона ступени резистора будут шунтироваться до полного вывода из цепи (обмотка ротора закорочена), а следовательно электродвигатель перейдёт на свою естественную характеристику. Пуск окончен.
Схема пуска двигателя с фазным ротором, функции тока.
Схема подключения двигателя с фазным ротором, функции времени.
Схема подключения двигателя фазным ротором представлена на рисунке 1. В данной схеме используется управление функции времени и двухступенчатый пусковой резистор.
Включением автоматического выключателя QF напряжение подается на управляющую и силовую цепь. Это приводит к срабатыванию реле времени КТ1, КТ2 которые размыкают свои контакты. Нажатием кнопки SB1 “ Пуск” подключается магнитный пускатель КМ3, который:
размыкает контакты:
- КМ3.3 — снимает напряжения с реле времени КТ1, которое, после окончания выдержки времени, размыкает свои контакты КТ1.
замыкает контакты:
- КМ3.1 в цепи статора — двигатель запускается с включенными в цепь ротора двумя ступенями резистора, так как контакторы КМ1 и КМ2 питания не получают. До истечении выдержки времени КТ1.
- КМ3.2 — шунтирует кнопку “ Пуск” (позволяет не удерживать кнопку SB1 в нажатом положении)
- КМ3.4 – в цепи катушек магнитных пускателей КМ1 и КМ2, но до окончания выдержки времени КТ1 пускатели КМ1 и КМ2 не получают питания.
Рисунок 1.1 GIF — анимация схемы работы пуска асинхронного двигателя с фазным ротором
Для удобства просмотра — в конце статьи выложены все кадры анимации.
По истечении времени выдержки, КТ1 срабатывает и замыкает свои контакты – по катушке КМ1 протекает ток, пускатель срабатывает и шунтирует первую ступень пускового резистора R. Одновременно своими нормально замкнутыми контактами КМ1.1 обесточивает реле времени КТ2. До окончания выдержки времени КТ2 двигатель разгоняется только со второй ступенью сопротивления. После окончания выдержки резистор полностью шунтируется и двигатель переходит на свою естественную механическую характеристику. Пуск окончен.