8. Принципы автоматизации процессов

Практически во всех отраслях промышленности используются электроприводы с питанием двигателей непосредственно от сети и имеющие разомкнутую систему автоматического управления. В таких системах применяют контактные и бесконтактные электроаппараты релейного действия, например, аппараты для включения и отключения силовых цепей – электромагнитные контакторы и тиристорные переключатели, различные реле управления, командоконтроллеры и т.п. В этой группе электроприводов автоматизация процесса пуска наиболее просто осуществляется для к.з. АД, поскольку управление пуском сводится в большинстве случаев к прямому включению двигателя на полное напряжение сети. Двигатели постоянного тока и АД с фазным ротором пускаются при помощи контакторов ускорения, которые по мере разгона двигателя автоматически выключают ступени пускового реостата.

Автоматизация процесса торможения при любом способе торможения после подачи команда на торможение сводится к необходимым переключениям в силовых цепях двигателя с введением в это цепи (при необходимости) добавочных сопротивлений, а после остановки двигателя он либо автоматически отключается от сети, либо в силовых цепях производятся переключения, необходимые для последующего пуска в противоположном направлении (при реверсе).

Системы управления, осуществляющие все указанные операции конструктивно оформляются в виде комплектных устройств – станций управления. На таких станциях кроме набора аппаратуры, предназначенной для пуска, или торможения, устанавливаются аппараты защиты двигателей и цепей управления. В электрических системах этих станций широко применяются типовые узлы управления и защиты, а командоаппараты, пусковые и тормозные сопротивления располагают чаще всего вне станций.

Из рассмотрения пусковой диаграммы, иллюстрирующей процесс пуска ДПТ или АД с фазным ротором при помощи релейно-контакторной аппаратуры (рис. 8.1), видно, что автоматическое выключение ступеней сопротивления должно производиться через определенные промежутки времени Δt₁, Δt₂, Δt₃. При определенных скоростях и при определенном токе. Отсюда следует, что управление пуском может быть осуществлено в функции скорости, в функции времени, в функции тока. Каждый из перечисленных принципов автоматического управления пуском и торможением реализуется в схемах электроприводов типовыми узлами.

Рассмотрим некоторые из наиболее характерных узлов.

Управление в функции скорости производится при помощи реле, контролирующих скорость двигателя непосредственно или косвенно. По достижении заданного значения скорости соответствующее реле выдаст команду на включение контактора ускорения. Можно, например, измерять угловую скорость при помощи токогенератора, соединенного с валом двигателя. Но наиболее употребительны косвенные способы, в которых угловая скорость фиксируется измерением других параметров, однозначно связанных (пропорциональных) с угловой скоростью. Для ДПТ таким параметром является ЭДС якоря, а для синхронных и асинхронных двигателей с фазным ротором – частота тока ротора и ЭДС ротора. В этих случаях говорят об управлении в функции ЭДС или частоты.

Напряжение, зависящее от ЭДС, прикладывается к катушкам реле или контакторов КУ, которые срабатывают при определенном значении ЭДС и осуществляют переключение пусковых сопротивлений в требуемой последовательности. На рис. 8.2 изображен узел схемы автоматического управления двигателя в функции ЭДС вращения. Подобная схема применяется в приводах небольшой мощности, главным образом в металлообрабатывающих станках.

Рассмотрим, кратко, управление пуском в функциях тока. Как показано на рис. 8.1, ток во время пуска двигателя колеблется в некоторых заданных значениях. Управление в функциях тока реализуется применением реле тока. Эти реле включают контакторы ускорения в моменты достижения током двигателя заданного значения (тока переключения). Количество реле зависит от числа пусковых ступеней сопротивления. Начальный пусковой ток I₁ (см. диаграмму рис. 8.1) определяется значением требуемого пускового момента. По мере увеличения угловой скорости двигателя его ток уменьшается. В момент достижения током значения тока переключения (на рис. 8.1 – это ток I₂) часть пускового сопротивления шунтируется, что приводит к новому увеличению тока до значения I₁.

Узел схемы автоматического пуска двигателя в функции тока показан на рис. 8.3. При включении линейного контактора КЛ получает питание токовое реле РУ и его размыкающий контакт в цепи контактора ускорения КУ в начале пуска размыкается и пуск двигателя происходит при полностью введенном в цепь якоря сопротивлением R. Контакт блокированного реле РБ не позволяет контактору КУ включиться сразу после включения контактора КЛ, т.к. собственное время включения реле РБ больше, чем время включения реле РУ. Ток отпускания реле РУ равен току переключения I₂, что приводит к срабатыванию контактора КУ и шунтированию пускового сопротивления R. При втором броске тока (время Δt₂) контактор КУ не отключается, т.к. контакт реле РУ шунтирован теперь контактом КУ.

Для автоматизации пуска двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей в функции времени наиболее часто применяются электромагнитные реле времени, настраиваемые на отсчет определенных, наперед заданных выдержек времени. Каждое реле включает соответствующий контактор ускорения, который закорачивает главным контактором нужную ступень пускового сопротивления независимо от того, какой ток проходит через двигатель, и до какой скорости он разгоняется.

Необходимая выдержка времени, каждого реле определяется путем вычитания из времени пуска двигателя, полученного по расчету и на основании пусковой диаграммы, собственного времени срабатывания контакторов (их включения). Для контакторов постоянного тока в зависимости от их величины собственное время находится в пределах (0,1-0,4)с, а для контакторов переменного тока порядка (0,05-0,07)с.

Выдержка времени в некоторых реле достигается тем, что после снятия напряжения магнитный поток в замыкаемой накоротко катушке спадает постепенно, а ток в ней изменяется согласно уравнению

, где I_Н – начальное значение тока

электромагнитная постоянная времени катушки реле, Lк и Rк индуктивность и активное сопротивление катушки реле.

Включение реле происходит практически мгновенно.

У некоторых электромагнитных реле обмотку катушки не нужно замыкать накоротко, Выдержка времени в них достигается за счет медной гильзы, надеваемой на сердечник реле. При отключении катушки реле медная гильза играет роль замкнутого контура, в котором наводится ток, препятствующий быстрому спаданию магнитного потока, вследствие чего якорь реле в течение некоторого времени удерживается в притянутом положении, создавая этим самым выдержку времени.

На рис. 8.4 изображен узел схемы автоматического пуска двигателя в функции времени с двумя ступенями пускового сопротивления.

Нажатие на кнопку пуск (КнП) приводит к включению линейного контактора КЛ, который замыкает свой главный контакт в цепи якоря двигателя, замыкающим блок-контктом шунтирует кнопку КнП, а размыкающим контактом разрывает цепь катушки РУ1. Двигатель разгоняется по реостатной характеристике первой ступени пуска. При протекании пускового тока по R₁ и якорю двигателя мгновенно срабатывает реле времени второй ступени РУ2. Без гильзы и своим контактором разрывает цепь катушки контактора КУ2. Реле РУ1 с выдержкой времени, соответствующей времени разгона двигателя на первой ступени пуска, замыкает свой контакт РУ1, включает контактор КУ1. Это приводит к закорачиванию сопротивления R₁ и катушки реле РУ2. Начинается разгон двигателя по характеристике второй ступени пуска. Реле РУ2 отсчитывает выдержку времени, соответствующую времени разгона двигателя на второй ступени, и затем замыкает свой контакт. Включается контактор КУ2, замыкается сопротивление R₂. Двигатель выходит на естественную характеристику и разгоняется до установившейся скорости ω_с, соответствующей моменту М_с.

Для управления автоматизированными приводами в функции времени, кроме электромагнитных применяются электронные и полупроводниковые реле.

Управление торможением двигателей производится как в функции времени, так и в функции скорости (ЭДС, частота) и тока с применением теже средств, что и при пуске.