1.2 Реле в схемах управления приводом

Показательными являются примеры практического использования э/м реле для управления электрическими двигателями, как в режиме ручного управления, так и для случаев автоматического управления.

Электрические двигатели, системы привода на их основе являются, без преувеличения, самыми распространенными устройствами, используемыми в промышленности. Если рассматривать строительную отрасль, то и на предприятиях индустриального строительства, и на строительной площадке, и во многих строительных машинах электропривод применяется самым широким образом.

Особенностью электродвигателей, как потребителей электроэнергии, являются следующие два фактора:

• большая величина потребляемого тока, особенно в момент пуска двигателя (пусковой ток может превышать рабочий в 3…10 раз);

• зависимость потребляемого тока от тормозящего момента М_Н на валу; при полном затормаживании двигателя, потребляемый им ток будет равен пусковому, что в течение короткого времени может привести к сильному нагреву и повреждению обмоток двигателя.

На рисунке 11 приведена типичная временная диаграмма тока потребляемого электродвигателем. После замыкания в момент времени t₀ цепей питания, ток в обмотках двигателя практически мгновенно достигает большого значения – i_П, ‑ это так называемый пусковой ток. По мере разгона двигателя, ток снижается до некоторого установившегося значения, которое определяется тормозящим моментом на валу двигателя. Минимальное значение тока соответствует режиму холостого хода, когда двигатель не имеет механической нагрузки (М_Н = 0).

t₀ – момент пуска двигателя; t₀ - t₁ – время разгона двигателя

Р ис. 11 ‑ Временная диаграмма тока потребляемого электродвигателем

Большой пусковой ток может создавать в коммутирующих элементах цепи двигателя сильное искрение – дугу, а это способствует быстрому разрушению (обгоранию) этих элементов. По этой причине цепи питания двигателей мощностью более 0,5…1 КВт коммутируются, как правило, не «ручными» выключателями и кнопками, а контактами специальных э/м реле – магнитных пускателей.

Отличительной особенностью магнитного пускателя являются мощные, массивные контакты и усиленный электромагнит, позволяющий замыкать-размыкать контакты за очень короткое время (в результате чего они не успевают обгорать)².

Весьма полезным для повышения безопасности эксплуатации различных электроустановок является отсутствие у магнитных пускателей, как и у обычных э/м реле, электрической связи между обмоткой электромагнита и контактными группами. Это позволяет цепи электромагнита пускателя и кнопок управления питать током низкого напряжения (12, 24, 36 или 42 вольта), а силовые цепи, – через контакты током повышенного напряжения – 220, 380, 660 вольт и выше.

Реле, тяговые электромагниты которых питаются переменным током, имеют свои конструктивные особенности. Для исключения нагрева (вихревыми токами) сердечник электромагнита реле набирается из пластин электротехнической стали. Для предупреждения вибрации – ведь в течение каждой секунды ток в катушке 100 раз становится равным нулю и пружина может успеть немного оттянуть якорь от сердечника ‑ полюс сердечника раздваивается, и на одну его половину надевается медный короткозамкнутый виток (см. рис. 12).

1 – короткозамкнутый медный виток 2 – катушка магнитного пускателя; 3 – магнитопровод (сердечник катушки магнитного пускателя);

Рис. 12 – Типичная конструкция электромагнита реле переменного тока

Вследствие этого переменный магнитный поток Ф, создаваемый всей катушкой, разделяется на два потока Ф₁ и Ф₂. Переменный поток Ф₂ создает в короткозамкнутом витке э.д.с. и ток, который в свою очередь создает вторичный магнитный поток Ф₂^* препятствующий изменению потока Ф₂. В результате суммарный поток Ф₂+Ф₂^* приобретает фазовый сдвиг относительно потока Ф₁. В тот момент когда Ф₁ = 0, поток Ф₂+Ф₂^* будет иметь отличное от нуля значение. Поэтому тяговое усилие электромагнита никогда не падает до нуля, что и позволяет в значительной степени устранить вибрацию якоря.

Обычно, переменным током питаются катушки магнитных пускателей, что и создает характерный гул при их работе.

Специфическим устройством, которое используется в схемах управления электродвигателями, является тепловое реле. Основой его конструкции (см. рис. 13) является одна или несколько биметаллических пластинок 3, механически связанных с единственным контактом 1 этого реле. Рядом с каждой биметаллической пластинкой (или непосредственно на ней) расположена нагревательная спираль 2. Если ток, проходящий через спираль достаточно большой, то за счет выделяющегося тепла биметаллическая пластинка изгибается и размыкает толкателем связанный с ней контакт. Нагревательная спираль обычно включается в цепь питания двигателя, а размыкающийся контакт устанавливают в цепях управления катушками магнитных пускателей. Если ток, потребляемый электромотором, из-за повышенной механической нагрузки, превысит некоторый предел ‑ i_max (cм. рис. 11), то разомкнувшийся контакт теплового реле выключит магнитный пускатель и, тем самым, отключит двигатель от сети. Несмотря на то, что пусковой ток i_П может значительно превосходить i_max, срабатывание теплового реле не происходит из-за тепловой инерции нагревателей. Возврат контакта теплового реле, после его срабатывания, в замкнутое состояние может происходить самостоятельно по мере остывания, но в большинстве конструкций тепловых реле применяемых в промышленности возврат контакта в замкнутое состояние производится специальной, установленной на корпусе реле, кнопкой.

а)
б)

Рис. 13 – Конструкция (а) и обозначение теплового реле (б)

На рис. 14 приведена типовая схема управления трехфазным асинхронным двигателем М1. КМ1, КМ2 – катушки двух магнитных пускателей; КК1, КК1' – нагревательные спирали теплового реле, КК1.1 – его размыкающийся контакт.

Рис. 14 ‑ Типовая схема управления реверсивным электроприводом на основе 3-фазного асинхронного двигателя

При нажатии на кнопку SB2 включается пускатель КМ1, контактами КМ1.1, КМ1.2, КМ1.3 замыкает цепь питания двигателя М1, контактом КМ1.4 замыкает цепь самоблокировки, в результате, - кнопку SB2 можно отпустить. Размыкающая кнопка SB1 позволяет выключить двигатель. При нажатии кнопки SB3 включится пускатель КМ2 и контактами КМ2.1 ... КМ2.3 подключит двигатель к сети таким образом, что будет изменен на обратный порядок чередования фаз токов в его обмотках (линии В и С поменяются местами), что приведет к вращению его в обратную сторону. Разомкнувшийся контакт КМ2.5 не позволит включить пускатель КМ1 при включенном пускателе КМ2, что позволит избежать короткого замыкания в цепях двигателя. При перегрузке двигателя нагреются спирали теплового реле КК1, разомкнется контакт КК1.1 и будет отключен магнитный пускатель. Подобная схема реверсивного управления двигателем может применяться, к примеру, для привода лебедки подъемного крана. Необходимо отметить ещё одну эксплуатационную особенность применения схемы самоблокировки в промышленных агрегатах: при отключении и повторном включении напряжения питающей сети, схема самоблокировки «не позволит» устройству включиться самостоятельно, необходимо нажать (для схемы рис. 14) кнопку SB2 или SB3. Это также является фактором повышения безопасности эксплуатации привода.

На рис. 15 приведена схема автоматизированного компрессора. Двигатель М вращает механизм воздушного насоса, который нагнетает воздух в ресивер, из которого сжатый воздух поступает потребителю. На ресивере установлен электроконтактный манометр (ЭКМ), представляющий собой пружинный манометр (см. рис.43.в. описания лаб. работы № 3), измерительный механизм которого связан с двумя контактными группами S1 и S2. Состояние контактов изменяется в зависимости от величины давления Р. Если давление Р ниже, чем P_min , то S1 разомкнут, если P превышает P_min , то он замыкается. Аналогично действует и S2: при P < P_max S2 разомкнут, при P > P_max – замкнут.

ЭКМ – электроконтактный манометр; М – двигатель компрессора

Р ис. 15 ‑ Автоматизированный компрессор

Если давление в ресивере ниже P_min , то замкнутый контакт К1.1 включает магнитный пускатель КМ1, который замыкает цепь питания двигателя компрессора, давление воздуха начинает возрастать. Когда давление превышает P_min , но остается ниже P_max, двигатель продолжает работать за счет замкнутого контакта самоблокировки КМ1.4. При достижении давлением значения P_max замыкается S2, срабатывает реле К2 и контактом К2.1 размыкает цепь катушки КМ1, двигатель выключается и остается выключенным, пока давление не упадет ниже P_min . Затем весь цикл повторяется.

На рис. 16 приведены временные диаграммы циклов работы компрессора. В момент времени t₀ компрессор подключен к питающей сети, и сразу же начинается подъем давления (контакт S1 разомкнут, двигатель работает) – кривая I. При достижении давлением значения P_max (момент времени t_c1, контакт S2 замкнут), двигатель отключается, и давление начинает снижаться за счет расхода сжатого воздуха. При снижении давления до значения P_min цикл работы компрессора повторяется. Если питание компрессора будет отключено, то давление будет снижаться (при наличии расхода воздуха) до нуля – кривая II. Правая часть диаграммы (рис. 16) соответствует случаю, когда потребление воздуха от компрессора увеличилось. Продолжительность рабочего периода компрессора T_pn увеличилась, по сравнению с T_p1 , а продолжительность паузы T_пn уменьшилась (в сравнении с T_п1). При этом среднее значение давления в ресивере остается неизменным. Аналогичной будет реакция автоматизированного компрессора на другие возмущения: изменения напряжения питающей сети, износ элементов механической части компрессора, колебания температуры окружающего воздуха и атмосферного давления.

Р ис. 16 ‑ Временные диаграммы циклов работы компрессора

Назначение и работа теплового реле КК1 такое же, как и в схеме рис.14. Питание катушек реле и силовых цепей двигателя, как и в схеме на рис.14, от различных источников тока, позволяет повысить безопасность эксплуатации агрегата и его надежность. Обратите внимание на отсутствие каких-либо выключателей и кнопок; при подаче питания система сразу работает в автоматическом режиме.