9.2. Релейно-контакторное управление электроприводами

Электроприводы с питанием электродвигателей непосредственно от сети, работающие в разомкнутых системах регулирования, широко распространены во всех отраслях промышленного производства. Преимущественно это асинхронные электроприводы с двигателями с короткозамкнутым или фазным ротором. В таких системах применяют контактные или бесконтактные переключающие электрические аппараты релейного действия. Для включения и отключения силовых цепей используются электромагнитные контакторы или тиристорные коммутаторы. Последние целесообразно применять при большой частоте циклов включение-отключение двигателя.

Логические функции управления электроприводом в соответствии с технологическим процессом реализуются с помощью электромагнитных и других типов реле, контакты которых имеют ограниченную коммутационную способность, составляющую обычно не более 5 А. В современных системах электропривода с дискретным управлением часто логические функции реализуются на программируемых контроллерах с выходом на катушки контакторов.

Типовые схемы нерегулируемого нереверсивного и реверсивного асинхронного привода представлены на рис. 9.1.

Для пуска двигателя нужно включить выключатель QF и нажать кнопку пуска SB1. Получает питание катушка контактора КМ, который своими главными контактами подключает обмотки статора двигателям к сети. Блок-контакт КМ шунтирует кнопку «пуск», так что после ее отпускания контактор КМ остается включенным. Для отключения двигателя нужно нажать кнопку «стоп» SB2, после чего контактор КМ отключается. Защита от коротких замыканий в схеме рис.9.1,а осуществляется плавкими предохранителями FA, а в схеме рис.9.1,б – автоматическим выключателем QF и предохранителями FA. Защита двигателя от токов перегрузки производится тепловым реле КК, разрывающим при срабатывании цепь катушки контактора. Возврат теплового реле после срабатывания осуществляется нажатием имеющейся на нем кнопки. Защита от самопроизвольного включения двигателя после исчезновения (снижения) напряжения питания реализуется блок-контактом КМ, шунтирующим кнопку SВ1.

В реверсивном пускателе (рис.9.1,б) имеются два контактора КМ1 и КМ2, подключающих обмотки статора к сети с разным порядком чередования фаз. Для исключения одновременного включения двух контакторов, что приведет к короткому замыканию, предусмотрены механическая и электрическая блокировки (введением нормально закрытых (н.з.) блок-контактов контакторов в цепи катушки другого контактора).

Некоторые технологии требуют, чтобы процесс остановки электропривода протекал интенсивнее, чем только под действием статического момента. В этом случае в схемах управления используют различные виды электрического торможения - динамическое торможение и торможение противовключением, а также механическое торможение с помощью электромагнитных тормозов.

На рис.9.2 приведена принципиальная схема нереверсивного электропривода, которая позволяет производить пуск и остановку электродвигателя с динамическим торможением [12].

Питание на схему подаётся автоматическим выключателем QF, напряжение переменного тока на обмотку статора – линейным контактором КМ1, напряжение постоянного тока – контактором динамического торможения КМ2. Источник постоянного тока содержит трансформатор Т и выпрямитель V1, подключаемые к сети контактором КМ2 только в режиме торможения.

Команда на пуск подаётся кнопкой SB2-П. При ее нажатии включается контактор КМ1, и двигатель подключается к сети. Для остановки двигателя нажимают кнопку SB1-C, контактор КМ1 отключается и отключает двигатель от сети переменного тока. Одновременно нормально закрытым (н.з.) блок-контактом КМ1 включается контактор КМ2, подающий в обмотки статора двигателя постоянный ток. Двигатель переходит в режим динамического торможения. Длительность подачи постоянного тока в обмотки статора контролируется реле времени КТ. После отключения катушки КТ его контакт в цепи катушки КМ2 с выдержкой времени размыкается.

В схеме применены нулевая, максимально-токовая и тепловая защиты, осуществляемые соответственно линейным контактором КМ1, автоматическим выключателем QF с максимально-токовым расцепителем и тепловыми реле FR1 и FR2. Цепи управления защищены предохранителями FU1 и FU2. При срабатывании любой из защит отключается линейный контактор КМ1. Используемая в схеме блокировка н.з. блок-контактами КМ1 и КМ2 запрещает одновременное включение контакторов КМ1 и КМ2.

Когда по условиям технологического процесса необходимо значительно ускорить процесс торможения, то применяют торможение противовключением. Схема реверсивного асинхронного электропривода, в которой реализуется торможение противовключением, приведена на рис.9.3. Исходя из условий эксплуатации электропривода, цепи управления питаются пониженным стандартным напряжением от трансформатора ТС [12].

Схема позволяет осуществлять прямой пуск, реверс и остановку электропривода торможением противовключением с контролем по скорости. При этом в качестве чувствительного элемента используется электромеханическое реле контроля скорости SR, устанавливаемое на валу электродвигателя. Оно замыкает свои контакты SR(B) или SR(Н) при скорости _SR0,01_н.дв.

Управляющие команды подаются в схему кнопками управления SB2-В («Вперёд»), SB3-Н («Назад») и SB1 («Стоп») в зависимости от требуемого по технологии направления вращения. Напряжение на обмотку статора подаётся контакторами КМ1 и КМ2. Кнопка остановки электропривода SB1-C включена в цепь катушки реле КТ, которое организует режим торможения противовключением при любом направлении вращения. В цепях катушек контакторов КМ1 и КМ2 находятся блокировочные контакты кнопок и контакторов SB3, KM2 и SB2, КМ1, предотвращающие одновременное включение этих контакторов.

Управление электроприводом осуществляется следующим образом. При нажатии кнопки SB2-B образуется цепь питания катушки контактора КМ1, который срабатывает и подключает статорную обмотку асинхронного электродвигателя к питающей сети.

При разгоне электродвигателя срабатывает реле контроля скорости и замыкает свой контакт SR-В, подготавливая схему к остановке электропривода, если будет нажата кнопка SB1-С («Стоп»).

Для реверсирования электропривода нужно нажать кнопку SB3-Н. После этого размыкается блокирующий контакт кнопки SB3 в цепи катушки контактора КМ1. Контактор КМ1 отключает статор двигателя от питающей сети. Одновременно в цепи катушки контактора КМ2 замыкается блокирующий контакт контактора КМ1. Катушка контактора КМ2 получает питание, и контактор КМ2 подключает статорную обмотку к питающей сети, изменив чередование фаз. Магнитное поле электродвигателя начинает вращаться в противоположном направлении, а ротор по инерции вращается в прежнем направлении. Поэтому асинхронный двигатель переходит в режим торможения противовключением до полной остановки, а затем разгоняется в направлении «Назад». При разгоне в направлении «Назад» реле контроля скорости замыкает свой контакт SR-Н, подготавливая схему к остановке. Для останова привода при нажатии кнопки SB1-C катушка реле торможения КТ получает питание, и реле КТ включается. Контактор КМ2 теряет питание и отключает статорную обмотку от питающей сети. При этом контактор КМ2 замыкает свой блокировочный контакт КМ2 в цепи катушки КМ1. Контактор КМ1 включается. Статорная обмотка подключается с прямым чередованием фаз «Вперёд», а ротор вращается по инерции в направлении «Назад». Поэтому асинхронный двигатель переходит в режим торможения противовключением. Когда скорость снизится практически до нуля, реле контроля скорости SR разомкнёт свой контакт SR-H и катушка КМ1 потеряет питание, а контактор КМ1 отключит статорную обмотку от питающей сети.

В технологических установках иногда применяются электроприводы с двухскоростными асинхронными электродвигателями, у которых ступенчатое регулирование скорости достигается за счёт изменения числа пар полюсов путём изменения схемы включения специально выполненной статорной обмотки (см.раздел 3.2.8).

На рис.9.4 приведена схема нереверсивного электропривода с двухскоростным асинхронным двигателем. В схеме предусмотрено переключение статорной обмотки с треугольника на двойную звезду (/). Такая схема применяется в электроприводах механизмов, если по технологии требуется регулирование скорости с постоянной мощностью на рабочем органе.

Команды управления подаются трёхпозиционным командоконтроллером SM [1]. В исходном положении, когда включены автоматы QF1 и QF2 и командоконтроллер находится в нулевом (левом) положении, включается реле напряжения KV и своим блок-контактом KV становится на самопитание, обеспечивая нулевую защиту электропривода.

При переключении командоконтроллера в первое положение (НС) получает питание катушка контактора КМ1-НС, контактор срабатывает, замыкает свой контакт 3-6 в цепи катушки тормозного контактора КМТ и подключает статорную обмотку, включённую в треугольник (), к сети. В тоже время тормозной контактор КМТ срабатывает и подаёт питание на электромагнит тормоза YB-T, тормоз растормаживается (поднимаются колодки), и электродвигатель развивает на низкую скорость.

При переключении командоконтроллера во второе положение, соответствующее высокой скорости, катушка контактора КМ1 отключает статорную обмотку от сети. Катушки контакторов КМ2 и КМ3 получают питание и контакторы срабатывают. Контактор КМ3, замыкая свои контакты, образует нулевую точку двойной звезды. Контактор КМ2 замыкает свой контакт в цепи катушки тормозного контактора КМТ, контактор КМТ срабатывает или остаётся включённым. Одновременно контактор КМ2 подключает «двойную звезду» статорной обмотки к сети, и двигатель развивает высокую скорость. Чтобы остановить электропривод, необходимо переключить командоконтроллер в нулевое положение. В этом случае контакторы теряют питание, статорная обмотка отключается от сети, и контакты контактора КМТ оказываются разомкнутыми. Контактор КМТ отключает питание от катушки электромагнитного тормоза, и тормозные колодки накладываются на тормозной барабан. Электропривод останавливается под действием момента сопротивления нагрузки и механического тормоза.

Схемы управления асинхронным двигателем с фазным ротором включают в себя кроме аппаратов управления статорными цепями двигателя аппаратуру для управления схемой пуска асинхронного двигателя. На рис.9.5 показана схема панели ПДУ6220, которая обеспечивает пуск асинхронного фазного двигателя в две ступени и динамическое торможение [11]. Защита двигателя осуществляется автоматическими выключателями QF1, QF2 с элементами токовой защиты FA1…FA3 и тепловым реле КК (рис.9.5,а).

Управление двигателем осуществляет оператор посредством командоконтроллера SA (рис.9.5,б). Начальное положение командоконтроллера – нулевое. При переводе рукоятки командоконтроллера SA, например, в третье положение, включается контактор КМ2, подключающий к сети обмотки статора, и КМ5, включающий электромагнитный тормоз YA. Двигатель начинает разгоняться при полном пусковом сопротивлении в цепи ротора. В данной схеме принята двухступенчатая схема реостатного пуска. Переключение ступеней роторного резистора R_д1, R_д2 проводится автоматически в функции времени.

После включения линейного контактора КМ2 отключается катушка реле времени КТ1 и с выдержкой времени включает контактор КМ3, закорачивающий часть пускового сопротивления в цепи ротора двигателя.

При включении контактора КМ3 разрывается цепь реле времени КТ2, которое с выдержкой времени включает контактор КМ4, полностью закорачивающий пусковое сопротивление. Пуск закончен.

Для торможения двигателя рукоятка командоконтроллера переводится в нулевое положение, контактор КМ2 отключается и включается контактор КМ1, подающий в обмотки статора постоянный ток. Начинается динамическое торможение двигателя. Длительность динамического торможения определяется реле времени КТ3, которое, потеряв питание, отключает контактор динамического торможения КМ1 и контактор механического тормоза.

Релейно-контакторные схемы управления синхронными двигателями, кроме функций включения и отключения двигателя, управляют также цепью возбуждения двигателя. На рис.9.6 показана широко используемая панель управления синхронным двигателем с глухо подключенным возбудителем – генератором постоянного тока, расположенном на одном валу с синхронным двигателем.

Пуск синхронного двигателя М производится переводом рукоятки переключателя SA в положение Bкл. Реле КV2, KV3 контролируют наличие напряжения в цепи переменного тока. Если напряжение есть, срабатывает реле КV1, которое включает линейный контактор КМ1. Начинается асинхронный пуск синхронного двигателя. Напряжение на возбудителе – генераторе G с самовозбуждением возрастает и по достижении подсинхронной скорости двигатель М втягивается в синхронизм.

При снижении напряжения в сети на 15-20% реле КV3 отключается и замыкает свой н.з. контакт в цепи контактора КМ2, который своим главным контактом шунтирует сопротивление форсировки возбуждения R_ф, вследствие чего возрастает напряжение возбудителя и ток возбуждения синхронного двигателя. Это позволяет избежать выхода двигателя из синхронизма при резком снижении напряжения сети.

Если напряжение в сети длительное время не восстанавливается, реле времени КТ отключает двигатель.

Релейно-контакторное управление двигателями постоянного тока независимого возбуждения в настоящее время не применяется. Эти двигатели управляются полупроводниковыми управляемыми выпрямителями, как это было рассмотрено в разделах 5.3, 5.4.