Типові вузли схем керування в функції різних величин
Автоматичний розгін, регулювання швидкості та гальмування електроприводів здійснюють у функції визначених величин — струму, швидкості, часу, шляху тощо. При цьому електричні апарати, які реагують на зазначені величини, у залежності від принципу дії вмикаються у визначені кола електричних схем керування. Вузли схем, що працюють у функції струму, показані на рис. 10.5, а, б, а діаграма зміни кутової швидкості та струму двигуна — на рис. 10.5, в. Схема керування контакторами прискорення наведена на рис. 10.5, г.
Рисунок 10.5 – Схеми керування в функції струму і діаграма зміни кутової швидкості та струму двигуна при розгоні електроприводу
Ступіні пускового реостату (рис. 10.5, а, б) шунтуються при зниженні струму до заданого мінімального значення I2 (рис. 10.5, в). Реле прискорення КА1, КА2 (яких може бути і більше) відрегульовані або підібрані таким чином, що їх вимикальні контакти після замикання контактів КМ1 розімкнеться раніше, чим може увімкнутися контактор прискорення КМ2, тобто власний час спрацьовування струмового реле повинен бути менше власного часу спрацьовування контактора. Реле КА1 і КА2 спрацьовують при струмі I1, і розгін електропривода починається з цілком введеними резисторами в силовому колі двигуна. По мірі розгону двигуна струм у якорі або роторі зменшується. Після зниження струму до значення I2 реле КА1 відпускає якір і його вимикальний контакт замикається, чим створюється коло вмикання котушки контактора прискорення КМ2. Силовими контактами КМ2 шунтує (закорочує) резистор першої ступіні R1-1, а через вмикальний блок-контакт забезпечується живлення котушки. Після спрацьовування КМ2 процес розгону починає контролювати реле КА2, вимикальний контакт якого спочатку розімкнеться, а при зниженні струму до значення I2 замкнеться та увімкне контактор КМ3, який шунтує ступінь R1-2. Зовнішній пусковий опір у колі якоря (або ротора) буде виведений. Двигун розженеться по природній характеристиці до швидкості w у.
Надійність роботи схеми залежить від співвідношення власного часу спрацьовування реле прискорення та контакторів прискорення. Звичайно в таких схемах власний час спрацьовування струмових реле в 3 — 5 разів менше, ніж у контакторів. При запізнюванні спрацьовування реле струму передчасно увімкне контактор прискорення, що призведе до надмірних піків пускового струму двигуна. У колах з асинхронними двигунами реле струму можуть вмикатися як у роторне, так і в статорне коло. Керування у функції струму використовується не тільки при розгоні, але і при гальмуванні електропривода.
Перевага схем, які працюють у функції струму, полягає в тому, що переключення контакторів прискорення виконуються при заданих значеннях струму в колі якоря або ротора і не залежать від коливання напруги мережі. Однак у випадках розгону електропривода з моментом навантаження, більшим номінального, струм двигуна може перевищувати значення I2, при якому відбувається відпускання якоря реле. Тому пусковий резистор виявиться невимкненим, що може призвести до його перегоряння, тому що він не розрахований на тривалу роботу.
Вузол схеми керування двигуном постійного струму незалежного збудження, який працює у функції ЕРС, пропорційній кутовій швидкості, представлений на рис. 10.6, а. Діаграма зміни ЕРС і напруги на якорі наведена на рис. 10.6, б.
Рисунок 10.6 – Схеми прискорення електроприводу в функції швидкості та діаграма зміни ЕРС і напруги на якорі
При вмиканні лінійного контактора КМ1 напруга на котушках реле прискорення KV1, KV2 (або безпосередньо контакторів) дорівнює падінню напруги D Uя на якорі, яке у початковий момент пуску недостатня для їх спрацьовування. У процесі розгону електропривода ЕРС двигуна збільшується і при досягненні визначеної кутової швидкості зростає до значення уставки спрацьовування першого реле прискорення KV1 (рис. 10.6, б), яке вмикає перший контактор прискорення. Після цього резистор R1-1 першої ступіні прискорення шунтується. При подальшому збільшенні кутової швидкості двигуна ЕРС досягає значення уставки другого реле KV2 (або другого контактора), яке подає команду на шунтування резистора R1—2 другої ступіні прискорення.
Керування у функції швидкості широко застосовується при автоматичному керуванні гальмуванням електроприводів. Вузол схеми динамічного гальмування наведений на рис. 10.7, а, а вузли схем динамічного гальмування противмиканням — на рис. 10.7, б, в.
Для вмикання контактора динамічного гальмування та контролю процесу гальмування служить реле KV1 (рис. 10.7, а), яке вмикається при замиканні вимикального контакту КМ1 після відключення двигуна від мережі, коли E » Uмер. Контактор КМ2 (його котушка на схемі не показана) головним контактом підключить на виводи якоря резистор R. При кутовій швидкості, близькій до нуля (E » 0), якір реле KV1 відпадає і тим самим подається команда на відключення контактора КM2. Реле KV1 у цій схемі повинно мати як можливо менший коефіцієнт повернення (kп = 0,1 ¸ 0,15), тому що тільки в цьому випадку можна отримати гальмування до мінімальної швидкості.
В реверсивних електроприводах для зменшення часу реверса використовують гальмування противмиканням. Для контролю за процесом гальмування у асинхронних двигунів з фазним ротором використовують реле, яке працює від різних значень ЕРС ротора (рис. 10.7, б). Для зменшення коефіцієнта повернення та збільшення надійності роботи ці реле вмикають через випрямляч. При великій кутовій швидкості ротора двигуна наведена в його обмотках ЕРС невелика, тому що E2s = E2k s, а ковзання s незначно (3 — 10%). Напруга на реле KV1 недостатня для втягування його якоря. При реверсі, коли в колі статора контакти КV1 розімкнеться, а контакти КV2 замкнуться, напрямок обертання магнітного поля в статорі зміниться на протилежний. Ковзання ротора s » 2. Реле KV1 при цьому спрацьовує, розмикає коло живлення котушок контакторів КМ4 та КМ3 і у коло ротора вводиться повний зовнішній опір резисторів R1 і R2. При швидкості, близькій до нуля, якір реле KV1 відпадає, вимикальний контакт KV1 у колі керування замикається і здійснює прискорення двигуна в протилежному напрямку.
Рисунок 10.7 – Схеми гальмування електроприводу в функції швидкості
Вузол схеми, який забезпечує автоматичне гальмування противмиканням реверсивного двигуна постійного струму, наведений на рис. 10.7, в. Він придатний для двигунів як незалежного, так і послідовного збудження. Тому на рисунку показані дві обмотки збудження. Для спрощення схеми наведена одна ступінь прискорення з резистором R1. Резистор R2 вводиться тільки на період гальмування. Реле напруги, які контролюють і керують процесом гальмування в цій схемі, називаються реле гальмування противмиканням «назад» (KV2) або «вперед» (KV1).
Припустимо, що двигун має умовний напрямок обертання «вперед». При цьому увімкнені апарати КМ1, КМ3, КМ4 і реле KV1. Зовнішні резистори R1 і R2 закорочені. Для реверса двигуна апарати КM4, КM3 і КM1 відключають, а КM2 вмикають. У результаті цього якір підключається до мережі для зворотного напрямку обертання — «назад». У його коло вводиться весь зовнішній опір. Вмикальний блок-контакт КМ2 у колі котушки KV2 замикається. Однак реле KV2 не спрацює, тому що в початковий момент гальмування напруга на його котушці буде близькою до нуля і його якір залишиться не втягненим доти, поки кутова швидкість двигуна не знизиться до визначеного значення. Це досягається відповідним вибором точки А приєднання реле.
Гальмівний струм створює на ділянці кола з опором Rх падіння напруги I Rx » Uном. Тому що ЕРС якоря двигуна і напруга мережі в період гальмування противмиканням діють погоджено (послідовно), то точка A повинна бути вибрана в такому місці діагоналі моста, який живиться від двох джерел, де U = 0. Доти, поки кутова швидкість двигуна, а отже, і його ЕРС не знизяться майже до нуля, якір реле KV2 не втягнеться. Тому що напруга мережі залишається незмінною, то зі зменшенням ЕРС двигуна напруга на котушці KV2 буде збільшуватися. Коли Е = 0, напруга на котушці буде достатньою для спрацьовування реле. Воно вмикається і дозволяє розгін приводу в зворотній бік.
Кутова швидкість, при якій реле KV2 при гальмуванні противмиканням вмикається з напрямку «вперед», відзначена на реостатній характеристиці як (+KV2), а з напрямку «назад» — як (+KV1) (рис. 10.7, г). Там же позначені точки початку гальмування та відключення реле як (– KV2) і (– KV1), коли реле, маючи замкнене електричне коло, не втягує якір до закінчення процесу гальмування.
Перевага вузлів схем, які працюють у функції швидкості — їх простота. До недоліків можна віднести залежність часу розвантаження та гальмування електропривода від його статичного моменту та моменту інерції, напруги мережі живлення, температури резисторів і котушок реле, а також імовірність затримки процесу розгону на проміжній швидкості, що спричинить нагрів пускового реостату.
При керуванні електроприводом у функції часу вибір схеми підключення реле часу обумовлений необхідними вмиканнями контакторів для пуску, гальмування або регулювання швидкості електропривода. Команда на відлік витримки часу подається контактором або іншим апаратом замиканням або розмиканням контакту.
Рисунок 10.8 – Схеми підключення реле часу
Вузли схем вмикання реле часу показані да рис. 10.8. Варіанти вмикання електромагнітних реле часу постійного струму зображені на рис. 10.8, а. б. Реле прискорення КТ1 — КТЗ здійснюють витримку часу при відключенні, тому в схемах їх котушки отримують живлення відразу після появи напруги на схемі керування через вимикальні контакти (рис. 10.8, а) або після замикання силового контакту лінійного контактора КМ1 (рис. 10.8, б). Після розмикання контактів КМ1, КМ2, КМ3 або закорочування котушок силовими контактами КМ2, КМ3 реле починають відраховувати заданий час. Вмикання реле КТ1 і контакторів КМ2 і КМ3 у схемі (рис. 10.8, в) здійснюється вбудованими у них контактами з механічними уповільнювачами після отримання живлення через вмикальні контакти КМ1, КТ1 і КТ2.
Витримки часу реле для розгону або гальмування електропривода в декілька ступіней визначаються розрахунками, розглянутими в темі 6. Там же представлені пускові діаграми.
Тому що пускові ступіні реостата шунтуються незалежно від струму, моменту або кутової швидкості двигуна, то при зміні статичного моменту найбільші значення пускового струму будуть відрізнятися від розрахункового значення I1. По мірі розгону електропривода при статичному моменті, який менший розрахункового, піки струму будуть зменшуватися і, навпаки, при Мст, більшому розрахункового, піки струму від ступіні до ступіні будуть зростати, що несприятливо відіб'ється на комутації машини і збільшиться її нагрів. Ця обставина є основним недоліком цього способу керування.
До переваг керування у функції часу відносяться простота схем, зручність регулювання уставок реле часу, можливість застосування однотипних реле для керування двигунами різної потужності, стабільність процесу розгону або гальмування, відсутність затримки електропривода на проміжних швидкостях.
Керування електроприводом у функції шляху здійснюється шляховими та кінцевими вимикачами. Принцип цього керування можна пояснити на прикладі схеми, наведеної на рис. 10.9. Якщо який-небудь елемент виробничого механізму здійснює зворотно-поступальний рух від асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, то для подачі автоматичних команд на реверс двигуна встановлюють шляхові вимикачі SQ1 і SQ2, контакти яких вмикають і відключають реверсивний контактор. При неспрацьовуванні шляхового вимикача (внаслідок несправності) рух рухомого елементу механізму буде обмежений кінцевим вимикачем SQ3 (або SQ4), який відключить двигун від мережі.
Рисунок 10.9 – Схема керування Рисунок 10.10 – Схеми
в функції шляху силового кола керування потужними
двигунами змінного струму
Принцип керування у функції шляху широко застосовується при керуванні багатодвигунними електроприводами, коли вони працюють за визначеною програмою.
Для зменшення падіння напруги в мережі живлення від пускових струмів потужних асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором у статорні кола на період розгону вводять додаткові активні або реактивні опори. Іноді потрібно знизити пускові моменти двигунів з короткозамкненим ротором навіть невеликої потужності, для того, щоб зменшити при пуску удари, які виникають у кінематичному ланцюзі електропривода. Пусковий струм і момент обмежуються за допомогою зовнішніх опорів або автотрансформаторів. Вузли схем статорних кіл зі струмообмеженням при пуску показані на рис. 10.10. При пуску двигуна (рис. 10.10, а, б) спочатку замикаються контакти лінійного вимикача QS1. Живлення двигуна здійснюється через активні опори або реактор. По мірі розгону двигуна та зниження струму замикаються контакти вимикача прискорення QS2, після чого двигун працює з повною напругою на статорі. Пуск через активні опори (рис. 10.10, а) пов'язаний зі значними пусковими втратами, а тому застосовується рідко. Схема з пусковими реакторами (рис. 10.10, б) застосовується частіше, тому що зниження пускового струму та моменту досягається при незначних втратах енергії в реакторах.
У тих випадках, коли необхідно значно знизити пусковий струм і небажано надмірно знижувати момент, застосовується схема пуску двигуна з автотрансформатором (рис. 10.10, в). Пуск і розгін двигуна здійснюються у визначеній послідовності. Спочатку замикаються контакти вимикачів QS1 та QS3 і на статор подається знижена напруга. При досягненні двигуном деякої швидкості розмикаються контакти QS3 і замикаються QS2. Двигун підключається на повну напругу мережі. Для зниження пускового струму в мережі в п разів коефіцієнт трансформації автотрансформатора KU= 
. Пусковий струм в обмотці статора в цьому випадку знижується в разів, що є перевагою цієї схеми. Однак ця схема складніше та дорожче описаних вище.