Управление электроприводом
Управление электроприводом заключается в пуске, регулировании частоты его вращения, торможении, реверсировании, останове, поддержании или изменении режима работы, а также защите от коротких замыканий и перегрузок.
Электрические аппараты классифицируют по следующим признакам:
по величине рабочего напряжения – низковольтные (до 1000В) и высоковольтные (более 1000В);
по величине рабочего или коммутируемого тока – слаботочные (аппараты управления, защиты, сигнализации) и сильноточные, используемые в силовых цепях;
по выполняемой функции:
- коммутирующие аппараты: выключатели, разъединители,
контакторы, магнитные пускатели;
- управления, защиты, сигнализации: реле различного типа,
путевые и конечные выключатели (контактные и
бесконтактные);
- командные: кнопки управления, ключи, командоконтроллеры,
командоаппараты;
- аппараты защиты: разрядники, плавкие предохранители.
Различают ручное и автоматическое управление.
Аппараты ручного управления (рубильники, выключатели, переключатели, кнопки и др.) применяют для включения и выключения приводов малой мощности. Аппараты ручного управления приводятся в действие непосредственно усилиями оператора.
Рубильники.
Простейшим электрическим аппаратом, применяемых в стационарных установках, является рубильник, предназначенный для нечастого включения и отключения электрической цепи постоянного и переменного тока и напряжения до 1000 В.
Рубильники бывают открытого и закрытого (с металлическим кожухом) исполнения; с боковой или центральной рукояткой; одно-, двух- или трехполюсные. Если рубильники используют для выключения цепей под нагрузкой, то их контакты снабжают дугогасительными камерами.
Для предохранения контактов от обгорания при образовании электрической дуги в момент разрыва контактов рубильники выполняют с двумя параллельными ножами: главным 2 и вспомогательным 4. Кроме шарнирного ножи имеют пружинное соединение 3. При размыкании вспомогательный нож быстро выходит из неподвижных контактов 1. Поэтому образовавшаяся электрическая дуга имеет малую мощность и быстро гаснет.
Провода питающей сети присоединяют к неподвижным контактам, что обеспечивает большую безопасность обслуживающего персонала.
Рубильники различных типов применяются для отключения силовых цепей с созданием видимого разрыва цепи. Рубильники выпускаются двухполюсные для цепей постоянного тока и 3-х полюсные для цепей переменного тока. Диапазон номинальных токов от нескольких десятков до несколько тысяч ампер.
Пакетные выключатели и переключатели. Широко используются для коммутации силовых цепей.
Пакетный выключатель состоит из пакетов-колец 1, изготовленных из изолирующего материала. Между пакетами укреплены неподвижные контакты 2. Подвижные контакты 4 выполняются в виде пластин различной формы, насаживаемых на стержень квадратного сечения. Эти пластины изолированы от стержня и друг от друга и могут поворачиваться на угол 45, 90, 120 градусов с помощью рукоятки 3.
Пакетные выключатели и переключатели могут быть одно-, двух-, трех- и многополюсные.
Пакетные выключатели т. ПВМ выпускаются напряжения 220 В и 380 В, токи: постоянный – 10…250 А; переменный – 16…160 А. Частота включений в час – 300.
Кнопки управления. Применяют для ручного дистанционного управления электромагнитными аппаратами. При нажатии на кнопку управления электрическая цепь либо замыкается, либо размыкается.
а)
В зависимости от типа кнопки количество контактов может быть разным, но не более 8. Комплект кнопок управления, смонтированных в едином корпусе, образуют кнопочную станцию.
Контакторы постоянного и переменного токов. Наиболее распространенным коммутационным аппаратом является контактор – выключатель с электромагнитным управлением, у которого вручную производят переключение в цепи управления, а переключение в главной цепи происходит при этом автоматически. Контакторы предназначены для частых включений и отключений электроустановки под нагрузкой (от 30 до 3600 включений и отключений в час).
По роду тока в главной силовой цепи контактора различают контакторы постоянного и переменного токов. В зависимости от назначения главной электрической цепи, включаемой и отключаемой главными контактами, контакторы бывают линейные, включающие и отключающие различные электрические цепи (обмотки электрических машин и т. д.), и контакторы ускорения, служащие для переключения ступеней пускового или регулировочного реостата.
Включение контактора происходит за счет силы тяги электромагнита, а отключение под действием пружины или силы тяжести.
Устройство контактора постоянного тока
Контактор постоянного тока. Контактор имеет главные контакты: неподвижный 2, прикрепленный к основанию 1, и подвижный 3, который поворачивается вместе с рычагом 4 вокруг оси вращения 10. При протекании тока по катушке 12 к ее сердечнику 11 притягивается якорь 5, при этом замыкаются главные контакты 2, 3 и замыкаются или размыкаются вспомогательные контакты 8 и 9, выполняющие операции управления. Когда якорь притянут к сердечнику, замыкаются главные контакты и осуществляется или передача напряжения на обмотку электродвигателя, или шунтирование ступени пускового реостата. Замыкание (контакты 9) и размыкание (контакты 8) осуществляются контактным мостиком 7, связанным с якорем 5. При обесточивании катушки 12 главные контакты 2, 3 и вспомогательные 9 размыкаются, 8 – замыкаются.
Катушку контактора наматывают из большого количества витков тонкого провода, и по ней протекает небольшой ток. Поэтому вручную кнопкой управления замыкают и размыкают цепь с малым током. Кнопка управления имеет небольшие размеры и может быть размещена на любом удобном для оператора расстоянии от электроустановки. Контактор размещают вблизи электроустановки. Таким образом, можно дистанционно управлять электроустановкой.
Контакторы постоянного тока т. КП, КМ, КПД выпускаются на напряжения 220, 600, В; токи 20…250 А; допустимая частота включений в час – 240, 300, 1200. Контакторы постоянного тока бывают одно- и двухполюсными.
Контактор переменного тока. Магнитопровод контакторов переменного тока выполняют из отдельных листов электротехнической стали (для уменьшения потерь мощности, обусловленных вихревыми токами). Катушки управления имеют меньшее число витков, т. к. в отличие от катушек контакторов постоянного тока они имеют большую индуктивную составляющую сопротивления (при замкнутой магнитной системе). В момент включения катушки управления ток в ней велик, якорь быстро притягивается и ударяется о сердечник, после чего ток в цепи управления снижается. Удары якоря о сердечник сокращают срок службы контактора, во включенном положении контакторы переменного тока создают шум (гудение). Этот шум вызван тем, что при питании катушки управления переменным током при частоте 50 Гц ток и магнитный поток 100 раз в секунду проходит через нулевые значения, когда сила, удерживающая якорь у сердечника, становится равной 0. Образующаяся в результате этого вибрация якоря и создаёт гудение. Поэтому контакторы переменного тока имеют специальное устройство для уменьшения шума. Контактор переменного тока снабжают короткозамкнутым витком, охватывающим часть катушки для удержания якоря в притянутом состоянии при прохождении магнитного потока через 0. Якорь удерживается у сердечника потоком короткозамкнутого витка, который в это время отличен от 0.
При размыкании главных контактов контактора образуется электрическая дуга, т. к. по главной цепи протекают большие токи (в основном контакторы выпускают на токи до 600 А). Электрическая дуга, если она мощная и горит долго, оплавляет контакты, делает их поверхность неровной. Это, в свою очередь, ведет к увеличению сопротивления контактов, т. к. площадь соприкосновения уменьшается. В результате при протекании рабочего тока контакт сильно нагревается и еще больше разрушается. Поэтому контакторы имеют устройства, способствующие быстрому гашению дуги. Электрическую дугу легче погасить, если ее растянуть. Для этого применяют дугогасительные камеры, выполняемые из теплостойкого материала (асбоцемент).В этих камерах имеется узкая щель, в которой располагаются контакты и ось которой совпадает с осью дуги. Асбоцементы являются изолирующими материалами, защищающими металлические нетоковедущие части аппарата от переброса на них электрической дуги.
Контакторы переменного тока т. К и КТ выпускаются на напряжения 220, 380, 500, 660, 1600 В; токи 40…800 А; число полюсов 2, 3, 4 и 5, частота включений в час - 600, 1200, 3800.
Магнитный пускатель – аппарат, состоящий из контакторов, тепловых реле и кнопочной станции, закрытых общим кожухом. Магнитные пускатели предназначены для пуска, останова, реверсирования и тепловой защиты главным образом асинхронных двигателей. Наибольшее применение находят магнитные пускатели с контактными системами и электромагнитным приводом типов ПМЕ, ПМА, ПА (ПАЕ). Пускатели выполняются открытого, защищенного, пылебрызгонепроницаемого исполнения, реверсивные и нереверсивные, с тепловой защитой и без нее.
Пускатели серии ПМА предназначены для управления асинхронными двигателями в диапазоне мощностей от 1,1 кВт до 75 кВт на напряжение 380 – 660 В. Пускатели серии ПИЕ, ПАЕ обладают коммутационной способностью до 2х106 и частотой включений в час до 1200. Выбор контакторов и пускателей осуществляется по номинальному напряжению сети, номинальному напряжению питания катушек и пускателей, по номинальному току приемников электроэнергии.
РЕЛЕ
Реле – это аппараты, которые производят автоматическое переключение контактов в цепи управления другого аппарата. Сами реле не производят переключения в главной цепи коммутирующего аппарата, который включает и отключает электроустановку, они только передают команду другому аппарату.
Реле различаются по конструкции, выполняемым функциям и принципу действия. По параметру, на изменение которого реагирует реле, различают реле токовые, напряжения, мощности, частоты, тепловые, газовые. По принципу действия воспринимающих органов реле бывают электромагнитные, поляризованные, индукционные, электродинамические, ионные и др.
Тепловое реле служит для защиты двигателей от длительных перегрузок на 10 – 20%. Наибольшее распространение получили тепловые реле с биметаллической пластинкой.
Тепловое реле состоит из нагревательного элемента 1, биметаллической пластины 2 (спай двух металлов с различными коэффициентами теплового расширения). При прохождении тока по нагревательному элементу биметаллическая пластина нагревается и, если нагрузка двигателя больше номинальной, настолько деформируется, что рычаг 3, освободившись от опоры, поворачивается под действием пружины 6 вокруг оси и размыкает контакты 5. Двигатель отключается от электрической сети.
Через некоторое время пластина 2 остынет, примет свою первоначальную форму и тогда с помощью кнопки возврата 4 вручную можно возвратить рычаг 3 в рабочее положение и замкнуть контакты 5. Реле снова готово к работе.
Максимальное токовое реле применяют для защиты двигателей от токов короткого замыкания.
Катушку 1 реле включают последовательно с защищаемой цепью, поэтому в ней протекает рабочий ток электроустановки. Катушку реле выполняют из небольшого числа витков толстого провода, чтобы ее сопротивление было малым. Создаваемый током магнитный поток замыкается по сердечнику 7, скобе 6 и якорю 4. при протекании по катушке тока, равному номинальному или несколько превышающего его, якорь 4 удерживается в положении, указанном на рисунке, пружиной 5.
Если ток в цепи превысит номинальное значение в несколько раз, что имеет место при коротком замыкании, то возникающая магнитная сила станет столь велика, что якорь 4 притянется к сердечнику 7, преодолевая силу пружины 5. При этом контакт 3 разомкнется, а контакт 2 замкнется. Контакты 3 реле включают в цепь управления контактора или другого аппарата, поэтому при их размыкании контактор отключает двигатель.
Ток срабатывания максимального токового реле регулируется натяжением пружины 5. Обычно выбирают ток срабатывания Iсраб = (2…3)Iном
Устройство максимального токового реле
Время срабатывания реле (время от момента возникновения сверхтока в катушке до момента размыкания контактов 3) составляет 0,02…0,15 сеунд. Чем больше ток, тем меньше время срабатывания. Максимальное токовое реле может быть настроено на защиту от чрезмерных перегрузок.
После срабатывания реле и отключения контактором электродвигателя магнитный поток в реле исчезает и якорь отпадает от сердечника. Такое реле называют реле с самовозвратом. Другие конструкции реле имеют ручной или электромагнитный возврат якоря в исходное положение.
Реле напряжения по принципу действия и устройству подобно максимальному токовому реле. В отличие от него катушку реле напряжения наматывают из тонкого провода, она имеет большое число витков и сопротивление, Катушку включают на напряжение сети, и реле реагирует на изменение напряжения. Различают реле максимального и минимального напряжения.
Реле максимального напряжения работает так, что при повышении напряжения на определенное значение по сравнению с номинальным и связанным с ним увеличением тока и магнитного потока якорь притягивается к сердечнику, контакты размыкаются и подается команда коммутирующему аппарату.
Реле минимального напряжения имеет один контакт, разомкнутый при номинальном напряжении. При понижении напряжения уменьшается ток в катушке реле и магнитный поток. Якорь не может удержаться у сердечника, он отпадает, контакт замыкается, и реле срабатывает.
Реле времени применяют в схемах автоматического управления, если надо обеспечить необходимые выдержки времени, чтобы получить определенную последовательность срабатывания аппаратов и через определенные промежутки времени.
Плавкие предохранители
Плавкие предохранители предназначены для защиты электроустановок от токов короткого замыкания и длительных перегрузок. Они получили свое название от плавкой вставки – их основной детали. Плавкая вставка изготавливается из легкоплавких металлов и их сплавов (свинца, олова, цинка, иногда меди и серебра) и включают последовательно с защищаемой электроустановкой.
По всей электрической цепи, состоящей их последовательно соединенных предохранителя, проводов и электроустановки, по которым протекает один и тот же ток, самым слабым местом в тепловом отношении является плавкая вставка предохранителя. При протекании номинального тока она не расплавляется. Если же по каким то причинам ( короткое замыкание огромная перегрузка) ток в цепи увеличивается , то температура плавкой вставки повышается и через некоторое время она расплавляется. Это равносильно отключению электроустановки.
Конструктивно предохранители делятся на предохранители пробочного типа и трубчатые.
Предохранители пробочного типа имеют фарфоровый корпус и плавкую вставку на 6, 10, 15 или 20 а. Номинальным током предохранителя является ток 20 А.
Трубчатые предохранители применяют в сетях напряжением до 1000 В, выпускают на токи 1000 А. Он состоит из фибровой трубки 1, плавкой вставки 2 и латунных колпаков 3, которые являются контактными частями.
Для защиты сетей с малыми токами (радиоприемники, телевизоры и т. п.) применяют предохранители со стеклянным патроном и плавкой вставкой в виде тонкой проволоки.
В силовых сетях широкое распространение получили предохранители с закрытыми разборными патронами без наполнителя серии ПР-2 на токи патронов 15…1000 А и плавких вставок 6…1000 А.
Схемы автоматического управления
Автоматическое управление применяется для пуска в ход, торможения, реверсирования, регулирования частоты вращения, выполнения заданной последовательности операций электропривода.
Автоматическое управления осуществляется с помощью электрических аппаратов. Соединение элементов и требуемая последовательность коммутационных операций отражены на электрических схемах. При изучении и чтении схем необходимо учитывать их особенности:
- каждая схема имеет две электрические цепи: силовую, которая обычно выделяется жирными линиями, и цепь управления, изображаемая более тонкими линиями;
– все элементы электрических аппаратов обозначаются в соответствии с ГОСТ;
– аппараты в соответствии с их функциями обозначаются буквами согласно СТ, например: К – главный контактор, КТ – реле времени, КА – токовое реле, КК – реле тепловое, КV – реле напряжения, SB– кнопка и т. д.
– разные элементы одного устройства, включаются в различные электрические цепи в соответствии с их функциональным назначением, например: обмотка контактора включена в цепь управления, главные контакты контактора – в силовую цепь, а вспомогательные контакты – в цепь управления;
– принадлежность элементов к одному аппарату устанавливаются по единому для всех элементов буквенному и цифровому обозначению;
– на схеме все элементы (контакты, кнопки и т. п.) показаны при отсутствии токов в обмотках и не нажатых кнопках.
Некоторые условные обозначения элементов аппаратуры управления показаны ниже.
Схема нереверсивного управления пуском АД
Для пуска двигателя необходимо нажать на кнопку «ПУСК» – SB2. При этом линейное напряжение подается на катушку контактора К1. Замыкаются главные контакты К1 в цепи статора двигателя и двигатель запускается. Одновременно замыкается вспомогательный контакт К1, шунтирующий кнопку «ПУСК» SB2. Этот контакт удерживает катушку К1 под напряжением при размыкании кнопки «ПУСК» SB2. Отключение двигателя осуществляется нажатием на кнопку «СТОП» SB1. В этом случае размыкается контакт SB1, обесточивается катушка, размыкаются контакты К1 силовые и вспомогательный. Двигатель отключается от сети. Для защиты от токов короткого замыкания предусмотрены предохранители в цепи обмотки статора.
Схема реверсивного управления асинхронным двигателем.
При включении рубильника Q двигатель не запустится, т. к. в цепи статора разомкнуты контакты К1, К2. Для пуска двигателя необходимо нажать кнопку «Пуск» SB2 (пуск вперед). При этом катушка магнитного пускателя К1 оказывается под линейным напряжением, по ней протекает ток и, следовательно, замыкаются силовые контакты К1 в цепи обмотки статора, нормально открытый контакт К1, шунтирующий кнопку SB2 , что позволяет отпустить кнопку SB2 и ток в цепи катушки будет проходить по блок-контакту К1. Одновременно размыкается нормально закрытый блок-контакт К1 в цепи катушки контактора К2, приводя разрыв цепи катушки К2, который нужен для того, чтобы при ошибочном одновременном нажатии кнопок SB2 и SB3 не сработали сразу оба контактора, что привело бы к короткому замыканию силовой цепи.
При замыкании силовых контактов К1 обмотка статора оказывается под напряжением и двигатель начинает вращаться. Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку SB1.
При нажатии на кнопку SB3 двигатель будет вращаться в другую сторону, так как силовые контакты К2 обеспечивают изменение чередования фаз.
От коротких замыканий двигатель защищен предохранителями F1.
Схема управления пуском АД с фазным ротором
При пуске контакты аппаратов управления находятся в положении, указанном на схеме.
При включенном рубильнике Q для пуска двигателя необходимо нажать на кнопку «ПУСК» SB2. Тогда на катушку контактора подается линейное напряжение сети, катушка обтекается током и замыкаются нормально разомкнутые контакты в силовой цепи К1 и блок контакт К1, шунтируюший кнопку «ПУСК» SB2.
С выдержкой времени на замыкание включается контакт К1 в цепи контактора К2. На катушку контактора К2 подается линейное напряжение, протекает ток и замыкаются н. о.контакты К2 в цепи ротора двигателя. Первая ступень пускового реостата выводится.
С выдержкой времени на замыкание включается н. о. контакт К2 в цепи контактора К3. На катушку контактора К3 подается линейное напряжение, протекает ток и замыкаются н. о.контакты К3 в цепи ротора двигателя. Вторая ступень пускового реостата выводится.
С выдержкой времени на замыкание включается н. о. контакт К3 в цепи контактора К4. На катушку контактора К4 подается линейное напряжение, протекает ток и замыкаются н. о.контакты К4 в цепи ротора двигателя. Третья ступень пускового реостата выводится. Ротор закорачивается накоротко. Пуск двигателя окончен.