Релейно-контакторное управление электродвигателями
Назначение релейно-контакторного управления. Релейно-контакторное управление позволяет осуществить автоматический, дистанционный пуск, изменение частоты вращения, останов, реверсирование, торможение и защиту двигателя. Этот вид управления относится к разомкнутым системам в том смысле, что он не охвачен обратными связями.
В результате этого возмущающее воздействие (например, изменение нагрузки на валу двигателя) изменяет заданный режим, т.е. приводит к изменению частоты вращения вала двигателя.
Для сложных приводов применяют замкнутые системы, т.е. системы автоматического регулирования, охваченные обратными связями.
В таких системах поддерживается заданный режим работы при наличии возмущающих воздействий (изменение нагрузки, напряжения питания и т.д.).
Изображение схем релейно-контакторного управления. Схемы релейно-контакторного управления вычерчивают как совмещенные или как элементные (развернутые). В совмещенных схемах все элементы аппарата размещают на чертеже так, как они расположены в натуре. Монтажные схемы вычерчивают как совмещенные. Совмещенные схемы громоздки и сложны для чтения. При проектировании электропривода используют развернутые схемы, облегчающие понимание работы установки. На развернутой схеме элементы силовой цепи и управления показаны разнесенными, так же как контакты и обмотки реле.
При, этом контакты аппаратов изображают в положении, которое соответствует обесточенному состоянию обмоток. В соответствии с этим все контакты делят на нормально открытые, или замыкающие (3), и нормально закрытые, или размыкающие (Р).
Когда катушка обесточена, цепь замыкающих контактов разомкнута, а цепь размыкающих контактов замкнута.
Схема управления и защиты асинхронного двигателя с помощью реверсивного магнитного пускателя. Магнитный пускатель состоит из одного или двух контакторов, смонтированных на общем основании и помещенных в металлический корпус.
Пускатели, как правило, снабжают встроенным тепловым реле. Магнитный пускатель с одним контактором называют нереверсивным. С его помощью осуществляют пуск, останов, защиту электродвигателя от самопроизвольных включений и перегрузок.
Магнитный пускатель с двумя контакторами называют реверсивным: он помимо перечисленных функций обеспечивает реверсирование двигателя. Рассмотрим работу реверсивного магнитного пускателя (рис. 4).
Пускатель содержит два контактора: один для пуска «вперед» (Вп), другой — для пуска «назад» (Нз).
Защита двигателя от токов короткого замыкания осуществляется тремя плавкими предохранителями, а от перегрузок — двумя тепловыми реле: 1РТ и 2РТ. Обмотки статора двигателя подключают к сети через плавкие предохранители, рабочие контакты Вп или Нз контакторов и нагревательные элементы тепловых реле 1РТ и 2РТ (для двух фаз).
Работа схемы при пуске «вперед» происходит так.
Рис. 4 Схема реверсивного магнитного пускателя
При нажатии кнопки Вп замыкаются контакты 3, 4 и к обмотке контактора Вп подводится напряжение от зажимов сети Л1 — Л3. Контактор Вп срабатывает и замыкающие контакты Вп силовой цепи замыкаются, подключая обмотку статора к сети.
Одновременно замыкающий блок-контакт контактора Вп замыкается и цепь кнопки Вп шунтируется. Таким образом, кнопку Вп можно отпустить. Для останова двигателя необходимо нажать кнопку «Стоп».
При этом снимается напряжение с обмотки контактора Вп, в результате чего размыкаются его главные контакты и со статорных обмоток двигателя снимается напряжение. Одновременно размыкаются блок-контакты Вп, шунтирующие кнопку Вп. Так же работает схема и при пуске двигателя «назад» после нажатия кнопки Нз, с той лишь разницей, что срабатывает контактор Нз и последовательность подключения фаз статора становится обратной. Это приводит к изменению направления вращения ротора двигателя. Размыкающие контакты кнопки Вп 1, 2 и кнопки Нз 5, 6 размыкаются раньше, чем соответствующие замыкающие контакты 3, 4 и 7, 8. Это обеспечивает их взаимную блокировку и не позволяет подавать напряжение на обмотки контакторов Вп и Нз одновременно.
Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с контактными кольцами. Рассмотрим работу схемы рис. 5.
Обмотки статора двигателя присоединены к сети через замыкающие контакты линейного контактора ЛК. К обмоткам ротора подключены три одинаковых резистора, соединенных звездой.
Схема управления пуском состоит из реле ускорения 1У и 2У, токовых реле ускорения 1РТ и 2РТ и реле времени РВ.
Рис. 5 Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с контактными кольцами
При нажатии на кнопку «Пуск» к контактору ЛК подводится напряжение сети, контактор срабатывает, его главные контакты ЛК и блок-контакты БК замыкаются. В результате к обмоткам статора подводится напряжение, а кнопка «Пуск» оказывает заблокированной. В фазных обмотках ротора двигателя возникают ЭДС и ток, а ротор начинает вращаться.
Под действием тока ротора, проходящего через сопротивление 
и обмотки реле 1РТ и 1РТ, эти реле срабатывают и размыкают свои контакты 1РТ и 1РТ. Одновременно с подачей напряжения на статор двигателя подается питание на обмотку реле времени РВ, которое замыкает свои контакты спустя некоторое время после размыкания контакторов 1РТ и 2РТ, готовя цепь для подключения обмоток реле ускорения 1У и 2У.
По мере увеличения частоты вращения ротора его фазный ток уменьшается и достигает тока отпускания реле 1РТ, которое замыкает свои контакты, и к обмотке реле подводится напряжение.
Реле срабатывает и замыкает свои главные контакты, шунтирующие сопротивления.
В результате ток в роторе увеличивается скачком и реле 2РТ продолжает удерживать свои контакты в разомкнутом состоянии. Блок-контакты блокируют цепь контактов реле 1РТ.
Частота вращения ротора продолжает нарастать и ток в роторе уменьшается, достигая тока отпускания реле 2РТ.
Контакты реле 2РТ замыкаются и на обмотку реле 2У подается напряжение. Последнее срабатывает, замыкая свои контакты 2У, которые шунтируют резисторы.
Блок-контакты 2У замыкаются, блокируя контакты реле 2РТ. Рассмотренная последовательность работы схемы обеспечивает плавный разгон двигателя.
ЛИТЕРАТУРА
1. Касаткин В.С., Немцов М.В., Электротехника. — М.; Энергоатомиздат, 2000.
2. Основы промышленной электроники /Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1985.
3. Основы теории цепей; Учебник для ВУЗов. /В.П. Бакалов и др. 2-ое изд. перераб. и доп. – М.; 2000.
4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники /Под ред. В.Г. Герасимова.- М.: Высшая школа, 1987.
5. Прянишников В.А. Электроника. — СПб; Корона принт, 2002.
6. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники.- М.: Мир, 1997.
7. Амочаева Г.Г. Электронный конспект лекций.
1. Алексеенко А.Г., Шагурин Н.И. Микросхемотехника. Учебное пособие для вузов.- М.: Радио и связь, 1990.
2. Жеребцов И.П. Основы электроники.- Л.: Энергоатомиздат, 1990.
3. Попов В.П., Основы теории цепей.- Учебник для ВУЗов.- 3-е изд. испр.-М.: Высшая школа, 2000.
4. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. в 2-х томах, Под ред. Д.И. Панфилова ДОДЭКА, 1999.-т.1-Электроника.
5. Электротехника/Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Учебник для вузов.- 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1985.
Схемы релейно контакторного управления двигателями
В народном хозяйстве имеется много электроприводов переменного и постоянного тока с релейно-контактными системами управления. Такие системы управления, традиционные для 70-х годов 20-го века, до настоящего времени имеют большинство крановых электроприводов, электроприводов трамваев и троллейбусов, канатных дорог, электроприводов других механизмов, работающих в режимах пуска-торможения и с диапазоном регулирования скорости до 10.
Специалисту в области электромеханических систем необходимо уметь быстро разобраться, как работает конкретная релейно-контакторная схема. При отказе в работе схемы надо быстро обнаружить и устранить неисправности. На производстве, как правило, нет описаний работы релейно-контакторных схем, поскольку рабочие со стажем и без описания знают их работу. Однако модернизацию схем, быстрый поиск неисправностей, обучение новичков должны проводить инженеры. Многие пытаются в уме произвести логический анализ, как функционирует принципиальная схема, объяснить на словах работу релейно-контакторных схем, не строя временной последовательности работы. Однако перед незнакомой, впервые увиденной схемой большинство специалистов теряются.
Иногда ставится задача перехода на бесконтактные управляющие логические устройства и программируемые микроконтроллеры. Тогда требуется логический синтез на основе таблиц переходов и включений, карт Карно, циклограмм, с применением операторов алгебры логики состояний и событий и других методов [8]. Данные методы необходимы в проектных организациях. Однако в практических условиях можно обойтись более простым описанием работы релейно-контактных схем.
Чтобы изучить релейно-контакторную схему, обнаружить неисправность, внести улучшения, дополнительные блокировки, необходимо построить временную последовательность работы релейно-контакторной схемы.
Практика позволяет автору рекомендовать методику анализа работы подобных схем, основанную на записи временной последовательности работы релейно-контакторных схем.
Ниже на примере одной из схем предложена методика анализа работы релейно-контакторной схемы.
Теоретически автоматическое управление пуском (поочередное выключение ступеней сопротивления) может быть реализовано [9] в функции:
1) выдержки времени работы на каждой ступени;
2) достижения определенной скорости (ЭДС);
3) достижения током двигателя значения I2.
Наибольшее применение нашел способ пуска в функции времени по следующим основаниям:
— простота, надежность, удобство регулирования уставок реле времени, возможность применения однотипных реле для двигателей различной мощности;
— нет опасности “застревания” на первой ступени из-за чрезмерного начального статического момента (Iст >I2) при регулировании по току;
— время пуска не меняется при изменении Мс, момента инерции, напряжения сети и т. д.
Пуск в функции скорости (ЭДС, частоты ротора) практически не используется. Пуск в функции тока используется при ступенчатом ослаблении потока с помощью реле минимального тока.
При остановке и реверсе чаще всего используют динамическое торможение и торможение противовключением. Управление динамическим торможением при реактивном статическом моменте производят в функции времени, при активном статическом моменте в функции скорости (ЭДС). В последнем случае динамическое торможение прекращается при w » 0. При активном статическом моменте в последнее время используют динамическое торможение с самовозбуждением (характеристики безопасного спуска).
Для уменьшения времени торможения нередко используют торможение противовключением электрической машины в функции скорости (ЭДС).
Рассмотрим работу панели управления общепромышленного применения ПУ6520-03А при пуске двигателя с фазным ротором в две ступени и комбинированным торможением – динамическим и противовключением. Панель управления применяется для механизмов с реактивным статическим моментом и тяжелых режимов работы при частоте включений до 1500 в час. В качестве силовых аппаратов и реле используется аппаратура постоянного тока. Это обеспечивает повышенную надежность работы панели управления. Принципиальная схема панели ПУ6520-03А представлена на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Принципиальная схема панели управления ПУ 6520.
Режим 1. «0» Нулевое положение командоконтролера КК. Рубильники 1Р, 3Р замыкаются. Получают питание цепи и реле (рис. 3.2):
Рис. 3.2. Последовательность работы аппаратов в нулевом положении КК.
Включается реле нулевой блокировки РН (защита от самозапуска), оно же реле минимального напряжения. При кратковременном изчезновении напряжения сети в каком-либо из положений КК повторное включение возможно лишь через нулевое положение КК.
Режим 2. Переводим КК в крайнее правое положение «0» — 
«3В» (пуск «Вперед»). Последовательность работы аппаратов представлена на рис. 3.3.
Рис. 3.3. Последовательность работы аппаратов при пуске из нулевого положения в третье положение КК «Вперед».
Пуск происходит в функции времени в две ступени. механические характеристики 1,2,3 для данного режима представлены на рис. 3.7.
Режим 3. Переводим КК из положения «3В» в положение «0». Последовательность работы аппаратов представлена на рис. 3.4.
Рис. 3.4. Последовательность работы аппаратов при переводе КК из положения «3В» в положение «0».
Анализ рис. 3.1 и 3.4 показывает, что происходит динамическое торможение в три ступени. Получаемые при этом механические характеристики 4, 5, 6 представлены на рис. 3.7.
Режим 4. Переводим КК из третьего положения »B» в третье положение »H». Начальное положение аппаратов дано на рис. 3.5.
Рис. 3.5. Положение аппаратов перед переключением.
Последовательность изменения состояния цепей панели управления после переключения дана на рис. 3.6. Вначале включается динамическое торможение, но затем реле РБД разрывает цепь реле динамического торможения Д. На статор двигателя подается трехфазное напряжение обратной полярности. ЭДС ротора Ер = Ерн(2- sн) ≈ 2Ерн. Поэтому включается реле противовключения РП и начинается торможение противовключением до момента Ер ≈ 1,1Ерн, т. е. до скорости, близкой к нулевой. Затем происходит пуск в функции времени в обратном направлении.
Механические характеристики при торможении противовключением (кривая 7) и пуске в обратную сторону с выдержкой во времени в три ступени (кривые 8,9,10) представлены на рис 3.7.
Рис. 3.6. Последовательность работы аппаратов при переводе КК из положения «3В» в положение «3Н».
Все промежуточные положения и переключения могут быть объяснены аналогичным образом.
По временной последовательности работы релейно-контакторной схемы достаточно просто:
— получить информацию о последовательности срабатывания аппаратуры;
— о введенных блокировках, защитах;
— определить место неисправности, о вышедшем из строя реле или его контактах;
— ввести дополнительные реле и блокировки, исходя из требований работы конкретных механизмов и с учетом опыта работы.
Рис. 3.7. Механические характеристики, получаемые при использовании панели управления ПУ6520.