ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава   двенадцатая
ЭЛЕКТРОПРИВОД, ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ, АППАРАТУРА УПРАВЛЕНИЯ,
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ, ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

12.5. АППАРАТУРА   АВТОМАТИЧЕСКОГО   УПРАВЛЕНИЯ И  ПРОСТЕЙШИЕ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Наиболее распространенная схема дистанционного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором изображена на рис. 12.6.

Защита силовых цепей и двигателя от коротких замыканий осуществляется плавкими предохранителями П, защита двигателя от перегрева, вызванного перегрузками или другими причинами, — тепловым реле РТ. Включение и отключение двигателя производятся электромагнитным аппаратом — контактором К. Для пуска и останова использованы две кнопки Пуск и Стоп Выключатель В служит для снятия напряжения с установки после окончания рабочего дня или при ремонте.

Рассмотрим устройство и принцип действия аппаратов управления, использованных в данной схеме.

Контактор — силовой электротехнический аппарат, посредством которого осуществляются включение и отключение силовых цепей двигателей, электрических печей и других устройств.

В некоторых случаях вместо контактора используются автоматы или бесконтактные системы  включения на тиристорах.

Контакторы бывают переменного и постоянного тока.

На рис. 12.7 изображен трехполюсный контактор переменного тока. Электромагнитная система контактора состоит из катушки 1, неподвижного сердечника 2 и якоря 3, укрепленного на валике 4. После включения катушки в сеть магнитный поток, созданный переменным током катушки, притягивает якорь и поворачивает валик 4, на котором укреплены силовые под­вижные контакты 5. В результате происходит замыкание силовых подвижных 5 и неподвижных 6 контактов. Кроме силовых контактов контактор имеет вспомогательные замыкающие 8 и размыкающие 7 контакты. Эти контакты замыкаются и размыкаются пластинами 14, укрепленными на траверсах 9, которые в свою очередь укреплены на валике 4. При повороте валика контакты 8 замыкаются, а контакты 7 размыкаются. Для уменьшения потерь в сердечнике на вихревые токи сердечник и якорь собраны из отдельных листов электротехнической стали.

Сила, с которой якорь контактора притягивается к сердечнику, пропорциональна квадрату магнитного потока: F ~ Ф2, а магнитный поток изменяется по синусоидальному закону. Из этого следует, что сила притяжения за один период переменного тока достигает дважды амплитудного и нулевого значений, вследствие чего возникает вибрация якоря и подвижных контактов. Для уменьшения вибраций, а также возникающего при этом неприятного гудения якорь 3 снабжается короткозамкнутым витком 10, охватывающим часть его сечения. Часть основного магнитного потока пронизывает короткозамкнутый виток и наводит в нем ЭДС. ЭДС вызывает ток, а ток — магнитный поток, сдвинутый по фазе относительно основного потока. Этот магнитный поток вызывает силу, удерживающую якорь в притянутом состоянии, когда сила притяжения от основного потока равна нулю.

Рис. 12.6. Схема дистанционного управления асинхронным двигателем с короткозамкнутой обмоткой ротора

После отключения катушки контактора якорь под действием силы тяжести подвижной системы возвращается в исходное положение и контакты размыкаются. Для ускорения гашения дуги, возникающей при размыкании контактов, и предотвращения их быстрого разрушения дугой контактор снабжается дугогасительной камерой 12, внутри которой расположены металлические пластины 13. При размыкании контактов возникшая между ними электрическая дуга перебрасывается на металлические пластины; в момент, когда ток дуги равен нулю, происходит деионизация промежутка между контактами (восстановление изоляционных свойств воздушного промежутка) и дуга гаснет.

Подвод тока к подвижным контактам 5 осуществляется с помощью гибких проводников 11. Силовые контакты контактора рассчитаны на большие токи — от нескольких десятков до нескольких сотен ампер, вспомогательные контакты — на ток 2 - 10 - 20 А.

Рис. 12.7. Устройство контактора переменного тока

Принцип действия простейшего теплового реле легко уяснить из рис. 12.8, а. Реле состоит из нагревательного элемента 1, который включается последовательно с обмоткой статора. Внутри нагревательного элемента расположена биметаллическая пластина 2, состоящая из двух пластин металла с различными температурными коэффициентами линейного расширения. При токе, превышающем номинальный ток двигателя, нагревательный элемент настолько нагревает биметаллическую пластину, что она изгибается и ее незакрепленный конец поднимается вверх. Под действием пружины 3 рычаг 4, лишившись опоры, поворачивается, в результате чего контакты 5, включенные в цепь катушки контактора, размыкаются. Для возврата реле в исходное положение используется штифт 6. На рис. 12.8, б изображено устройство кнопки с двумя контакторами. В корпус 1, сделанный из изоляционного материала, вмонтированы неподвижные контакты 2 и 3. При нажатии на штифт 4 кнопки неподвижные контакты 2 замыкаются, а контакты 3 размыкаются подвижным металлическим мостиком 5. Пружина 6 возвращает кнопку в исходное положение. В схеме управления (см. рис. 12.6) применены две кнопки: Пуск и Стоп.

Рис  12.8. Устройство теплового реле (а), кнопка с двумя контактными элементами (б)

После ознакомления с устройством и принципом действия аппаратов можно рассмотреть работу схемы управления (см. рис. 12.6) при включении и отключении двигателя.

Однако прежде чем рассматривать работу схемы, необходимо обратить внимание на следующее.

Все элементы аппаратов имеют установленные ГОСТ графические изображения и названия, наиболее распространенные из которых приведены в табл. 12.2.

Всем элементам одного и того же аппарата присваивают одинаковое буквенное обозначение.
Замыкающим контактом электромагнитного аппарата называется такой контакт, который разомкнут при отсутствии тока в его катушке, а в аппаратах, не имеющих катушек (кнопочные станции, путевые выключатели и т. п.), — при отсутствии внешнего воздействия. Размыкающий контакт при этих условиях замкнут.

При нажатии на кнопку Пуск катушка контактора К получает питание, якорь контактора притягивается и в результате силовые контакты контактора замыкаются и подключают двигатель к сети. Одновременно с этим замыкается блокировочный контакт контактора и шунтирует кнопку Пуск, что позволяет отпустить кнопку, не прерывая питания катушки контактора. Для останова двигателя нужно нажать на кнопку Стоп. При этом цепь катушки контактора размыкается, якорь контактора отпадает и его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети. В случае перегрузки двигателя срабатывает тепловое реле и своими контактами РТ размыкает цепь катушки контактора, что приводит к отключению двигателя.

Таблица 12.2

Обозначение	Наименование
	Резистор постоянный
	Резистор регулируемый (реостат)
	Предохранитель плавкий
	Контакты кнопки с самовозвратом. а) с замыкающим контактом б) с размыкающим контактом
	Контакты путевого выключателя: а) замыкающий б) размыкающий
	Контакты   и   вспомогательные  контакты   кон­тактора, пускателя, реле: а)            замыкающий б)           размыкающий
	Обмотка контактора или реле.
	Замыкающие   контакты   реле   времени   с  выдержкой : а)            при замыкании б)           при размыкании
	Размыкающие  контакты  реле  времени  с   вы­держкой: а)           при размыкании б)           при замыкании
	Логический элемент И
	Логический элемент ИЛИ
	Логический элемент НЕ (НЕТ)

На рис. 12.9 изображена схема управления асинхронным двигателем, предусматривающая динамическое торможение. Кроме описанных выше аппаратов схема содержит электромагнитное реле времени и контактор Т, с помощью которого обмотка статора двигателя включается в сеть постоянного тока для осуществления динамического торможения.

Принцип действия и устройство электромагнитного реле времени можно пояснить, используя его эскизное изображение на рис. 12.10, а. Катушка реле 1, включенная в сеть постоянного тока, создает магнитный поток Ф, под действием которого якорь 2 быстро притягивается к сердечнику 3. При этом контакты 4 замыкаются, а контакты 5 размыкаются. Если катушку реле 1 отсоединить от сети, то якорь 2 возвратится в исходное положение под действием пружины 6 не сразу, а с некоторой выдержкой времени. Это происходит потому, что после отключения катушки магнитный поток Ф начинает убывать и в результате в короткозамкнутом витке 7 (медная гильза) возникают ЭДС и ток. Последний создает поток, ранее создаваемый током катушки 1. Однако вследствие потерь энергии в медной гильзе (I2r) магнитный поток будет убывать, и когда создаваемая им сила F окажется меньше силы пружины 6, якорь реле возвратится в исходное положение. При этом контакты 4 размыкаются, а контакты 5 замыкаются.

Таким образом, с момента отключения катушки реле переключение контактов происходит не сразу, а спустя определенное время, называемое выдержкой времени. Регулирование выдержки времени осуществляется изменением натяжения пружины 6 с помощью гайки 8. Кроме описанного в системах автоматического управления применяются и другие реле времени: механические, пневматические, электронные и моторные.

Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 12.9. При нажатии на кнопку Пуск срабатывает контактор Л и своими главными контактами включает двигатель в сеть. Один из вспомогательных контактов контактора Л шунтирует кнопку Пуск, а другой подключает обмотку реле времени РВ к сети постоянного тока. Якорь реле притягивается и связанные с ним контакты в цепи катушки контактора Т замыкаются. Однако контактор не срабатывает, так как цепь его катушки разомкнута контактами кнопки Стоп и контактора Л.

Рис.   12.9.   Схема   управления   асинхронным  двигателем   с   коротко-замкнутым ротором и динамическим торможением

Рис. 12.10. Электромагнитное реле времени (а), промежуточное реле переменного тока (б)

Для останова двигателя нажимают на кнопку Стоп. Контакты кнопки в цепи катушки контактора Л размыкаются, контактор срабатывает, его силовые контакты размыкаются и отключают двигатель от сети переменного тока. Другие контакты кнопки Стоп замыкают цепь катушки контактора Т, контактор срабатывает и своими силовыми контактами подключает обмотку статора двигателя к сети постоянного тока. Своими вспомогательными контактами контактор шунтирует кнопку Стоп. Возникает динамическое торможение, и двигатель быстро останавливается. Одновременно с размыканием силовых контактов контактора Л размыкается и его вспомогательный контакт в цепи катушки реле времени РВ. Реле начинает отсчет времени. По прошествии определенного времени, на которое оно рассчитано, якорь реле отпадает и размыкает свои контакты в цепи катушки контактора Т. Контактор Т срабатывает — размыкает свои силовые контакты и отключает двигатель от сети постоянного тока. Схема возвращается в исходное положение — она снова готова к очередному пуску двигателя. Время выдержки реле времени РВ должно быть несколько больше времени торможения, в противном случае динамическое торможение прекратится раньше, чем двигатель остановится.

Замкнутые вспомогательные контакты контактора Т в цепи катушки Л и вспомогательные контакты контактора Л в цепи катушки Т предотвращают возможность одновременного включения контакторов Т и Л. Сопротивление rд ограничивает значение тока при динамическом торможении.

В системах автоматического управления находят широкое применение электромагнитные реле мгновенного действия. Они используются как промежуточные реле и как токовые реле, реле напряжения соответственно для токовой и нулевой защит. Реле имеют большое разнообразие конструктивных форм исполнения, однако устройство и принцип действия этих реле такие же, как у электромагнитного реле времени, только у них нет дополнительной короткозамкнутой обмотки, поэтому якорь отпадает сразу же, как только обмотка отключается от сети. Реле бывают переменного и постоянного тока, с катушками, рассчитанными для параллельного и последовательного включения в цепь. На рис. 12.10, б изображено электромагнитное реле переменного тока.

Рис. 12.11. Индукционный путевой выклю­чатель

Описанные выше аппараты используются не только для управления пуском, торможением и регулированием частоты вращения двигателя, но также для автоматизации производственных механизмов и поточных линий в соответствии с технологическими требованиями. При этом кроме различных контакторов и реле применяются и другие аппараты — путевые выключатели, электромагниты, командоаппараты, различные датчики и т. п. Наиболее часто управление производственными механизмами осуществляется в функции пути (положения отдельных узлов механизма) или времени действия узлов. В этом случае используются путевые выключатели, реле времени, промежуточные реле.

Существуют механические путевые выключатели, фотовыключатели и индукционные выключатели. Принцип действия механических путевых выключателей аналогичен действию кнопок Пуск и Стоп. На кнопку воздействует человек, на рычаг путевого выключателя — выступ, укрепленный на элементе механизма. Принцип действия индукционного выключателя (рис. 12.11) заключается в следующем.

Катушка L неподвижного сердечника 1 соединена параллельно с конденсатором С и через катушку промежуточного реле РП включена в сеть переменного тока. Параметры L и С подобраны так, что цепь находится в состоянии резонанса токов, когда магнитная цепь сердечника 1 замкнута (якорь 2, связанный с механизмом, занимает положение, указанное на рис. 12.11); вследствие этого ток в катушке реле относительно мал и якорь реле не притянут. Когда же подвижный якорь 2, связанный с элементом механизма, займет положение, указанное пунктиром, магнитная цепь сердечника 1 окажется разомкнутой и индуктивность катушки L резко уменьшится. Резонанс в цепи нарушится, ток в катушке реле РП резко возрастет, его якорь притянется.

Таким образом, импульс возникает в том случае, когда один элемент механизма занимает определенное положение относительно другого. Это и есть управление в функции пути (положение механизма). Автоматизация в функции пути и времени может быть пояснена на примере простейшего механизма, изображенного на рис. 12.12, а. Элемент механизма ЭМ по технологическим условиям после нажатия на кнопку Пуск должен совершать возвратно-поступательное движение из левого в правое положение и наоборот до тех пор, пока не нажмут на кнопку Стоп. При этом в каждом из крайних положений механизм ЭМ должен оставаться в состоянии покоя несколько секунд, например в левом — 20 с, в правом — 40 с. Элемент механизма  через  систему  передач  приводится  в  действие   асинхронным короткозамкнутым двигателем, силовая схема которого изображена на рис. 12.12, б. Схема управления, обеспечивающая заданный режим работы ЭМ, изображена на рис. 12.12, в.

Рис. 12 12 Механизм (а), силовая схема (б) и схема управления в функции пути и времени (в)

Допустим, что перед пуском ЭМ должен находиться в исходном левом положении. При нажатии на кнопку Пуск срабатывает реле РП и одним своим контактом шунтирует кнопку Пуск, а через другой подает напряжение на остальную часть схемы управления. В результате катушка реле времени РВ1 получает питание, так как контакт путевого выключателя КВ1 в цепи катушки реле РВ1 замкнут вследствие того, что выступ ЭМ действует на рычаг путевого выключателя KB1. Реле PB1 начинает отсчитывать время. Обмотки остальных аппаратов питания не получают, так как контакты соответствующих аппаратов в цепях их катушек разомкнуты. После отсчета заданного времени реле PB1 замыкает свой контакт в цепи катушки контактора В, контактор срабатывает и своими силовыми контактами включает двигатель в сеть; ЭМ начинает перемещаться вперед. Вспомогательный контакт контактора шунтирует контакты реле РВ1. Это сделано для того, чтобы не было прервано питание катушки контактора В после того, как выступ 1 ЭМ сойдет с рычага КВ1 и его контакты в цепи катушки PB1 разомкнутся.

После того, как ЭМ, перемещаясь вперед, займет правое положение, выступ ЭМ нажмет на рычаг путевого выключателя КВ2. При этом один из контактов КВ2 в цепи катушки контактора В размыкается, контактор срабатывает и отключает двигатель. Другой контакт КВ2 в цепи катушки реле времени РВ2 замыкается и реле начинает отсчет времени. После отсчета времени, в течение которого ЭМ должен находиться в неподвижном состоянии, контакты реле РВ2 замыкаются и включают катушку контактора Н (контакт КВ1 в ее цепи замкнут, так как выступ 1 ЭМ не действует на рычаг KB1). Силовые контакты контактора Н включают двигатель, и ЭМ начинает перемещаться влево. Одновременно блокировочный контакт Н шунтирует контакты реле РВ2 и В для того, чтобы катушка Н не лишилась питания из-за размыкания контактов реле РВ2, когда выступ 1 ЭМ сойдет с рычага КВ2. При достижении ЭМ крайнего левого положения выступ 1 ЭМ нажимает на рычаг КВ1, один его контакт отключает катушку контактора Н и двигатель останавливается, а другой контакт включает катушку PB1. После отсчета времени, соответствующего времени необходимой стоянки в левом крайнем положении, реле РВ1 срабатывает и включает контактор В. Происходит включение двигателя, и ЭМ начинает перемещаться вправо. Таким образом, механизм будет работать до тех пор, пока не нажмут на кнопку Стоп. После нажатия на кнопку Стоп катушка реле РП лишается питания и контакты РП отключают катушки всех аппаратов. В результате двигатель отключается от сети и останавливается.