Пуск, реверсирование и торможение двигателей постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 — 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 — 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).

Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно — путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 —2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 — 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет

где Uс — напряжение сети.

После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(M н) и n = f2 (I я ) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока

Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения

где E1 — ЭДС в точке А характеристики; r1—сопротивление выключаемой секции.

Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 —6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.

При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается — двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.

В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.

Пуск двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением производится также при помощи пусковых устройств. Пусковая диаграмма представляет собой отрезки нелинейной механической характеристики для различных сопротивлений цепи якоря. Пуск при относительно небольших мощностях может выполняться вручную, а при больших — путем замыкания накоротко секций пускового реостата контакторами, которые срабатывают при управлении вручную или автоматически.

Реверсирование — изменение направления вращения двигателя — производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.

Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения имеет значительный запас энергии: постоянная времени обмотки составляет секунды для двигателей больших мощностей. Значительно меньше постоянная времени обмотки якоря. Поэтому для того чтобы реверсирование проходило возможно быстрее, производится переключение якоря. Только там, где не требуется быстродействия, можно выполнять реверсирование путем переключения цепи возбуждения.

Реверсирование двигателей последовательного возбуждения можно производить переключением или обмотки возбуждения, или обмотки якоря, так как запасы энергии в обмотках возбуждения и якоря невелики и их постоянные времени относительно малы.

При реверсировании двигателя с параллельным возбуждением якорь сперва отключается от источника питания и двигатель механически тормозится или переключается для торможения. После окончания торможения якорь переключается, если он не был переключен в процессе торможения, и выполняется пуск при другом направлении вращения.

В такой же последовательности производится и реверсирование двигателя последовательного возбуждения: отключение — торможение — переключение — пуск в другом направлении. У двигателей со смешанным возбуждением при реверсировании следует переключить якорь либо последовательную обмотку вместе с параллельной.

Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.

В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.

Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.

Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.

Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а.

Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я — с возвратом энергии в сеть; б — при противовключении; в — динамическое торможение

Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc

Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением

где Imах — наибольший допустимый ток.

Торможение связано с большими потерями энергии.

Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.

Схемы включения двигателя постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения: а — схема включения двигателя, б — схема включения при динамическом торможении, в — схема для противовключения.

Схемы торможения двигателей постоянного тока

При остановке и реверсировании двигателей постоянного тока (ДПТ) применяется электрическое (динамическое и противовключением) и механическое торможения. При динамическом торможении схема отключает обмотку якоря от сети и замыкает ее на тормозной резистор с одной или несколькими ступенями. Управление динамическим торможением производится с заданием времени или с контролем скорости.

Для управления моментом ДПТ с заданием времени в режиме динамического торможения применяется узел схемы, приведенный на рис. 1, а, составленный для управления торможением ДПТ с независимым возбуждением с одной ступенью тормозного резистора R2.

Рис. 1. Схема, осуществляющая одноступенчатое (а) и трехступенчатое (б) динамическое торможение двигателя постоянного тока с управлением по времени и пусковая диаграмма трехступенчатого торможения (в).

Команда на перевод ДПТ в режим динамического торможения в приведенной схеме подается от кнопки SB1. При этом линейный контактор КМ1 отключает якорь двигателя от напряжения сети, а тормозной контактор КМ2 подключает к нему тормозной резистор. Команду на отсчет времени процесса динамического торможения для реле торможения КТ подает линейный контакторам КМ1, выполняющий предыдущую операцию в схеме перед началом динамического торможения. В качестве тормозного реле используется электромагнитное реле времени постоянного тока.

Схема может применяться для управления ДПТ с независимым возбуждением и ДПТ с последовательным возбуждением, но в последнем случае — с реверсом тока в последовательной обмотке возбуждения.

Управление динамическим торможением с заданием времени чаще используется при многоступенчатом торможении, когда применяется несколько реле времени, подающих команды на последовательное выведение ступеней тормозного резистора (как при пуске). Узел такой схемы, составленный для ДПТ с независимым возбуждением с тремя ступенями тормозного резистора, приведен на рис. 1, б.

Последовательное включение ступеней торможения осуществляют контакторы КМ2, КМ3, КМ4, управляемые от электромагнитных реле времени КТ1, КТ2 и КТ3. Управляющая команда на начало торможения в схеме подается кнопкой SB1, которая отключает контактор КМ1 и включает КМ2.

Дальнейшая последовательность включения контакторов КМ3, КМ4 и отключения КМ2 в конце процесса торможения определяется настройкой реле торможения КТ2, КТ3 и КТ1, обеспечивающих переключения при значениях тока I1 и I2, как показано на рис. 1, в. Приведенная схема управления может применяться и для управления двигателем переменного тока в режиме динамического торможения.

При одноступенчатом динамическом торможении наибольшее распространение получило управление моментом с контролем скорости. Узел такой схемы приведен на рис. 2. Контроль скорости осуществляет реле напряжения KV, обмотка которого подключена на якорь ДПТ.

Рис. 2. Схема управления динамическим торможением двигателя постоянного тока с контролем скорости.

Это реле, отключающееся при низкой скорости, подает команду на отключение контактора КМ2 и окончание процесса торможения. Напряжение отпадания реле KV соответствует скорости, составляющей примерно 10—20 % установившегося начального значения:

Практически реле KV настраивается так, чтобы контактор торможения отключался при скорости, близкой к нулю. Так как реле торможения должно отключаться при низких значениях напряжения, то в качестве него выбирается реле напряжения с низким коэффициентом возврата типа РЭВ830.

При торможении двигателей в режиме противовключения, которое чаще всего используется в реверсивных схемах, применение управления с контролем скорости оказывается наиболее простым и надежным.

Узел управления ДПТ СВ в режиме торможения противовключением с одной ступенью тормозного резистора приведен на рис. 3. Тормозной резистор состоит из условно принятой пусковой ступени R2 и ступени противовключения R1. Управляющая команда на реверс с предварительным торможением противовключением в приведенной схеме подается от командоконтроллера SM.

Управление режимом торможения и выдача команды на его окончание производят реле противовключейния KV1 и KV2, в качестве которых используются реле напряжения типа РЭВ821 или РЭВ84. Реле настраиваются на напряжение втягивания из расчета включения его при скорости двигателя, близкой к нулю (15—20 % установившейся скорости):

где Uс — напряжение питающей сети, Rx — часть сопротивления, на которую подключается обмотка реле противовключения (KV1 или KV2), R — полное сопротивление якорной цепи.

Рис. 4. Узел схемы управлении торможением противовключением двигателя постоянного тока с контролем скорости.

Точка присоединения обмоток реле к пусковому и тормозному резистору, т. е. значение Rx, находится из условия отсутствия напряжения на реле в начале торможения, когда

где ωнач — угловая скорость двигателя в начале торможения.

Отключенное состояние замыкающего контакта реле противовключения в процессе всего периода торможения обеспечивает наличие в якорной цепи ДПТ полного тормозного сопротивления, определяющего допустимый тормозной ток. В конце торможения реле KV1 или KV2, включаясь, подает команду на включение контактора противовключения КМ4 и разрешает начало реверсирования после окончания торможения.

При пуске двигателя реле KV1 или KV2 включается сразу после подачи управляющей команды на пуск двигателя. При этом включается контактор КМ4 и отключает ступень противовключения R1, обмотка реле ускорения КТ шунтируется. По истечении выдержки времени реле КТ замыкается его контакт в цепи катушки контактора КМ5, который, срабатывая, замыкает свой силовой контакт, шунтирующий часть пускового резистора R2, двигатель переходит на естественную характеристику.

При остановке двигателя, особенно в механизмах перемещения и подъема, применяется механическое торможение, осуществляемое колодочным электромагнитным или другим тормозом. Схема включения тормоза приведена на рис. 4. Управление тормозом обеспечивает электромагнит YB, при включении которого тормоз растормаживает двигатель, а при отключении — затормаживает. Для включения электромагнита его обмотка, имеющая обычно большую индуктивность, подключается к напряжению питания контактором с дугогашением, например КМ5.

Рис. 4. Узлы схем включения электромагнитного тормоза постоянного тока.

Включается и отключается этот контактор вспомогательными контактами линейного контактора КМ1 (рис. 4, б) или контактором реверса КМ2 и КМЗ (рис. 4, в) в реверсивных схемах. Обычно механическое торможение осуществляется вместе с электрическим, но тормоз может срабатывать, например, после окончания динамического торможения или с выдержкой времени. При этом питание обмотки электромагнита УВ в период динамического торможения осуществляется контактором торможения КМ4 (рис. 4, г).

Часто электромагниты тормозов включаются с форсировкой, осуществляемой дополнительным контактором КМ6 (рис. 4,д). Отключается этот контактор токовым реле КА, которое включается при включении электромагнита тормоза YB. Настраивается реле КА на срабатывание при токе, равном номинальному току холодной обмотки электромагнита тормоза YB при ПВ = 25 %. Реле времени КТ используется для обеспечения наложения механического тормоза при остановке двигателя.

При торможении ДПТ со скорости выше основной, соответствующей ослабленному магнитному потоку, управление моментом при усилении магнитного потока осуществляется с контролем тока. Контроль тока обеспечивает токовое реле КА, осуществляющее релейную обратную связь по току якоря, как это осуществлялось при ослаблении магнитного потока. При динамическом торможении используется узел схемы, приведенный на рис. 5, а, а при торможении противовключением — узел, приведенный на рис. 5, б.

Рис. 5. Узлы схем динамического торможения (а) и противовключения (б) с усилением магнитного потока двигателя постоянного тока с управлением с контролем тока.

В схемах применены три ступени пучкового резистора (R1 — R3) и три контактора ускорения (КМ2 — КМ4), одна ступень динамического торможения и противовключения R4 и один контактор торможения (противовключения) КМ5.

Усиление магнитного потока осуществляется размыкающим контактом токового реле КА, цепь через который создается при включении контактора торможения КМ5, а цепь замыкающего контакта КА, служащего для ослабления магнитного потока при пуске, при этом разрывается размыкающим вспомогательным контактом контактора КМ5.

Реле КА в начале торможения замыкается от броска тормозного тока, а затем при спадании тока размыкается и усиливает магнитный поток, что приводит к возрастанию тока, включению реле КА и ослаблению магнитного потока. За несколько переключений реле магнитный поток усиливается до номинального значения. Далее в схемах будет происходить динамическое торможение и противовключением в соответствии с характеристиками, определяемыми резисторами R4 и R1— R4.

Реле КА настраивается так, чтобы его токи переключения были выше минимального значении тормозного тока, что важно при торможении противовключеиием.