Три наиболее популярные схемы управления асинхронным двигателем

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.

Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

Управлять асинхронными электродвигателями с короткозамкнутым ротором можно посредством контакторов. При использовании маломощных электродвигателей, для которых нет необходимости ограничивать пусковой ток, запуск производится при действующем напряжении.

Нереверсивная схема управления асинхронного двигателя.

Рисунок 1 — Простейшая схема асинхронного двигателя

Для подачи напряжения на управляющую и силовую цепь используется автоматический выключатель QF. Пуск асинхронного двигателя осуществляется кнопкой SB1 «Пуск”, которая замыкает свои контакты в цепи катушки магнитного пускателя КМ. Который срабатывая замыкает основные контакты силовой цепи статора. Вследствие чего электродвигатель М подсоединяется к питанию. В то же время в управляющей сети происходит замыкание блокирующего контакта КМ который шунтирует кнопку SB1.

Чтобы отключить асинхронный двигатель с кз ротором, необходимо нажать клавишу SB2 «Стоп». При этом питающая сеть контактора КМ размыкается и подача напряжения на статор прекращается. После этого нужно выключают автомат QF.
Схема управления АД с кз предусматривает несколько защит:

• от КЗ — посредством автоматического выключателя QF и плавкими предохранителями FU;
• от перегрузок — посредством теплореле КК (при перегреве данные устройства отсоединяют контактор КМ, прекращая работу движка);
• нулевая защита — посредством магнитного пускателя КМ (при низком напряжении или его полном отсутствии контактор КМ оказывается незапитанным, размыкается и электродвигатель выключается).

Для подключения электродвигателя после срабатывания защитного механизма требуется снова надавить клавишу SB1.

Реостатный пуск асинхронного двигателя с кз ротором.

Если невозможно запустить АД с кз ротором в стандартном режиме, используют запуск при сниженном напряжении. С этой целью в цепь статора добавляют сопротивление, реостат или используют автотрансформатор. Автоматический выключатель QF срабатывает и на управляющую и силовую цепь поступает напряжение. После нажатия кнопки SB1 пускатель КМ1 приходит в действие, подавая электроток в цепь статора с включенным сопротивлением. В то же время питание поступает и на реле времени КТ.

Рисунок 2 — Схема асинхронного двигателя с симметричными сопротивлениями (реостатный пуск)

Через определенный временной интервал, задаваемый реле КТ, происходит замыкание контакта КТ. В итоге пускатель КМ2 шунтирует (закорачивает) сопротивление статора. Процедура запуска электродвигателя завершается. Для его выключения необходимо нажать клавишу SB2 и выключить автомат QF.

Реверсивный пуск асинхронного двигателя

Рисунок 3. Схема реверсивный пуск асинхронного двигателя с кз ротором.

Данная схема дает возможность производить запуск электродвигателя и изменять направленность его вращения. Для запуска необходимо включить автомат QF и нажать SB1 «Пуск», в результате чего ток поступает на магнитный пускатель КМ1, который запитывает статор. АД реверсируется последовательным нажатием кнопок «Стоп» SB3 (КМ1 выключается и двигатель останавливается) и «Реверс» SB2 (срабатывает КМ2 и асинхронный двигатель запускается в реверсивном направлении).

В данной схеме нажатием кнопки реверса меняется чередование фаз питающего напряжения на статоре двигателя, что будет вызывать смену направленности его вращения (реверсом). При помощи нормально замкнутых контактов КМ1 и КМ2 выполнена защита от ошибочного включения сразу двух магнитных пускателей КМ1 и КМ2. Также действуют защиты, аналогичные описанным ранее. Отключить электродвигатель можно кнопкой SB3 и автоматом QF.

Схемы управления электроприводами

Управление приводами включает в себя пуск электродвигателя в работу, регулирование скорости вращения, изменение направления вращения, торможение и останов электродвигателя. Для управления приводами применяются электрические коммутационные аппараты, такие как автоматические и неавтоматические выключатели, контакторы и магнитные пускатели. Для защиты электродвигателей от ненормальных режимов (перегрузок и коротких замыканий) применяются автоматические выключатели, предохранители и тепловые реле.

Управление электродвигателями с короткозамкнутым ротором. На рис. 2.8 приведена схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с помощью магнитного пускателя.

Рис. 2.8. Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с помощью магнитного пускателя: Q – выключатель; F – предохранитель;

КМ – магнитный пускатель, КК1, КК2 – тепловое реле; SBC – кнопочный выключатель включения двигателя; SBT – кнопочный выключатель отключения двигателя

Магнитные пускатели широко применяются для двигателей мощностью до 100 кВт. Они применяются в продолжительном иповторнократковременном режиме работы привода. Магнитный пускатель позволяет осуществлять дистанционный пуск. Для включения электродвигателя М первым включается выключатель Q. Пуск двигателя в работу осуществляется включением кнопочного выключателя SBС. Катушка (электромагнит включения) магнитного пускателя КМ получает питание от сети и замыкает контакты КМ в главной цепи и в цепи управления. Вспомогательный контакт КМ в цепи управления шунтирует кнопочный выключатель SBС и обеспечивает продолжительную работу привода после снятия нагрузки нажатия с кнопочного выключателя. Для защиты электродвигателя от перегрузки в магнитном пускателе имеются тепловые реле КК1 и КК2, включаемые в две фазы электродвигателя. Вспомогательные контакты этих реле включаются в цепь питания катушки КМ магнитного пускателя. Для защиты от коротких замыканий в каждой фазе главной цепи электродвигателя устанавливаются предохранители F. Предохранители могут устанавливаться и в цепи управления. В реальных схемах неавтоматический выключатель Q и предохранители Fмогут быть заменены автоматическим выключателем. Отключение электродвигателя осуществляется нажатием на кнопочный выключатель SBТ.

Простейшая схема управления электродвигателем может иметь только неавтоматический выключательQи предохранителиF или автоматический выключатель.

Во многих случаях при управлении электроприводом необходимо изменять направление вращения электродвигателя. Для этого применяются реверсивные магнитные пускатели.

На рис. 2.9 приведена схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с помощью реверсивного магнитного пускателя. Для включения электродвигателя М должен быть включен выключатель Q. Включение электродвигателя для одного направления, условно «Вперед», производится нажатием кнопочного выключателя SBС1в цепи питания катушки КМ1 магнитного пускателя.При этом катушка (электромагнит включения) магнитного пускателя КМ1 получает питание от сети и замыкает контакты КМ1 в

главной цепи и в цепи управления. Вспомогательный контакт КМ1 в цепи управления шунтирует кнопочный выключатель SBС1 и обеспечивает продолжительную работу привода после снятия нагрузки нажатия с кнопочного выключателя.

Рис. 2.9. Схема управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором с помощью реверсивного магнитного пускателя: Q – выключатель; F – предохранитель; КМ1, КМ2 – магнитный пускатель, КК1, КК2 – тепловое реле; SBC1, SBC2 – кнопочный выключатель включения двигателя; SBT – кнопочный выключатель отключения двигателя

Для пуска электродвигателя в противоположном направлении, условно

«Назад», необходимо нажать кнопочный выключатель SBС2. Кнопочные выключатели SBС1и SBС2 имеют электрическую блокировку, исключающую возможность одновременного включения катушек КМ1 и КМ2. Для этого в цепь катушки КМ1 включается вспомогательный контакт пускателя КМ2, а в цепь катушки КМ2 – вспомогательный контакт КМ1.

Для отключения электродвигателя от сети при его вращении в любом направлении необходимо нажать на кнопочный выключатель SBТ. При этом цепь любой катушки и КМ1 и КМ2 разрывается, их контакты в главной цепи электродвигателя размыкаются, и электродвигатель останавливается.

Схема реверсивного включения может в обоснованных случаях применяться для торможения двигателя противовключением.

Управление электродвигателями с фазным ротором. На рис. 2.10 приведена схема управления асинхронным двигателем с фазным ротором.

с фазным ротором
»/>Рис. 2.10. Схема управления асинхронным двигателем

с фазным ротором: QF – выключатель; КМ – магнитный пускатель в цепи статора, КМ1 – КМ3 – магнитный пускатель ускорения; SBC – кнопочный выключатель включения двигателя;R – пусковой реостат; SBT – кнопочный выключатель отключения двигателя

»/>В приведенной схеме защита двигателя М от коротких замыканий и перегрузок осуществляется автоматическим выключателем QF. Для уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента в цепь ротора включен трехступенчатый пусковой реостат R. Количество ступеней может быть различным. Пуск электродвигателя осуществляется линейным контактором КМ и контакторами ускорения КМ1 – КМ3. Контакторы снабжены реле времени. После включения автоматического выключателя QF кнопочным выключателем SBC включается линейный контактор КМ, который мгновенно замыкает свои контакты в главной цепи и шунтирует контакты кнопочного выключателя SBC. Двигатель начинает вращаться при полностью введенном пусковом реостате R (механическая характеристика 1 на рис. 2.11). Точка П является точкой трогания.

Рис. 2.11. Механические характеристики асинхронного двигателя с фазным ротором: 1, 2, 3 –

при включении ступеней пускового реостата; 4 – естественная;

Контакт реле времени КМ в цепи катушки контактора КМ1 с выдержкой времени t1 (рис. 2.12) включает контактор КМ1, который замыкает контакты первой ступени в цепи пускового реостата. С выдержкой времени t2включается контактор КМ2. Аналогично проходит процесс переключения ступеней пускового реостата R до перехода электропривода на естественную характеристику (кривая 4).

Изменение тока статора Iи частоты вращения ротора n2во время пуска электродвигателя показано на рис. 2.12.

Рис. 2.12. Изменение тока статора и частоты вращения ротора асинхронного двигателя с фазным ротором во время пуска

На естественной характеристике ток статора и частота вращения ротора достигают номинальных значений.

Остановка электродвигателя осуществляется кнопочным выключателем SBT.

Электрическая блокировка в приводах. В многодвигательных приводах или приводах механизмов, связанных общей технологической зависимостью, должна быть обеспечена определенная очередность включения и отключения электродвигателей. Это достигается применением механической или электрической блокировки. Электрическая блокировка осуществляется путем применения дополнительных вспомогательных контактов коммутационных аппаратов, участвующих в управлении приводами. На рис. 2.13 приведена схема блокировки последовательности пуска и остановки двух электродвигателей.

Рис. 2.13. Схема блокировки последовательности управления двух электродвигателей: Q1, Q2 – выключатель; F1, F2 – предохранитель; КМ1, КМ2 – магнитный пускатель, КК1, КК2 – тепловое реле; SBC1, SBC2 – кнопочный выключатель включения двигателя;SBT1, SBT2 – кнопочный выключатель отключения двигателя; Q3 – вспомогательный выключатель

В схеме исключена возможность пуска электродвигателя М2 раньше пуска двигателя М1. Для этого в цепь управления магнитного пускателя КМ2, осуществляющего пуск и остановку электродвигателя М2, включен замыкающий вспомогательный контакт КМ1, связанный с пускателем КМ1. В случае остановки электродвигателя М1 этот же контакт произведет автоматическое отключение двигателя М2. При необходимости самостоятельного пуска электродвигателя при опробовании механизма в цепи управления имеется выключатель Q3, который необходимо предварительно замкнуть. Включение электродвигателя М2 осуществляется кнопочным выключателем SBC2, а отключение – SBТ2. Включение двигателя М1 осуществляется выключателем SBC1, а отключение – SBT1. При этом отключается и выключатель М2.

Регулирование скорости рабочего органа машины или механизма. Скорость рабочего органа машины можно изменить за счет применения редукторов или путем изменения частоты вращения электродвигателя. Частоту вращения электродвигателя можно изменить несколькими способами. В строительных машинах и механизмах применяют редукторы с зубчатой, ременной и цепной передачами, позволяющими изменять передаточное число. В приводах, где применяются двигатели с короткозамкнутым ротором, частоту вращения электродвигателя изменяют путем изменения числа пар полюсов. Для этих целей применяют либо электродвигатель с двумя обмотками статора, каждая из которых имеет разное количество пар полюсов, либо электродвигатель с переключением секций фазных обмоток статора.

Возможно регулирование частоты вращения изменением напряжения на обмотке статора. Для этих целей используются автотрансформаторы с плавным регулированием напряжения, магнитные усилители, тиристорные регуляторы напряжения.