Выполнение работы

Реле в схемах управления приводом

Показательными являются примеры практического использо­вания э/м реле для управления электрическими двигателями, как в режиме ручного управления, так и для случаев автоматического уп­равления.

Электрические двигатели, системы привода на их основе явля­ются, без преувеличения, самыми распространенными устройствами, используемыми в промышленности. Если рассматривать строитель­ную отрасль, то и на предприятиях индустриального строитель­ства, и на строительной площадке, и во многих строительных ма­шинах электропривод применяется самым широким образом.

Особенностью электродвигателей, как потребителей электро­энергии, являются два фактора:

- большая величина потребляемого тока, особенно в момент пус­ка двигателя (пусковой ток может превышать рабочий в 10-30 раз);

- зависимость величины потребляемого тока от величины тор­мозящего момента на валу (при полном затормаживании двигателя, потребляемый им ток будет равен пусковому, что в течение коротко­го времени может привести к сильному нагреву и повреждению об­моток двигателя).

Большой пусковой ток может создавать сильное искрение -дугу в коммутирующих элементах цепи двигателя, а это способствует быстрому разрушению (обгоранию) этих элементов. По этой причи­не для двигателей мощностью более 0,5-1 КВт, как правило, обыч­ные ручные выключатели не применяются, а используют специаль­ные э/м реле - МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ.

Отличительной особенностью магнитного пускателя являются мощные, массивные контакты и усиленный электромагнит, позволя­ющий замыкать-размыкать контакты за очень короткое время (в результате чего они не успевают обгорать). В некоторых случаях применяют дополнительные меры для гашения дуги на контактах, например т.н. "магнитное дутье". Суть его в том, что возле каждого контакта пускателя специальной катушкой создается магнитное поле, которое возникающую электрическую дугу, представляющую собой плазменный проводник тока, "выталкивает" из зоны контакта.

Необходимо заметить, что весьма полезным для повышения безопасности эксплуатации различных электроустановок является отсутствие, как у обычных э/м реле, так и у магнитных пускателей, электрической связи между обмоткой электромагнита и контактны­ми группами. Это позволяет цепи электромагнита и кнопок управле­ния питать током низкого напряжения (12, 24 или 36 вольт), а сило­вые цепи, - через контакты, током повышенного напряжения - 220, 380, 660 вольт и выше.

Реле, катушки которых питаются переменным током, имеют свои конструктивные особенности. Для исключения его нагрева сер­дечник электромагнита набирается из пластин электротехнической стали. Для предупреждения вибрации полюс сердечника раздваива­ется и на одну половину надевается короткозамкнутый виток из меди. Вследствие этого магнитный поток, создаваемый катушкой, раздва­ивается на два потока, сдвинутых по фазе из-за различия магнитных сопротивлений частей сердечника. Поэтому тяговое усилие элект­ромагнита никогда не падает до нуля и, таким образом, в значитель­ной степени устраняется вибрация якоря.

Обычно, переменным током питаются катушки магнитных пус­кателей, что и создает характерный звук (гул) при их работе.

Специфическим устройством, которое используется в схемах управления электродвигателями, является ТЕПЛОВОЕ РЕЛЕ. Ос­новой его конструкции является БИМЕТАЛЛИЧЕСКАЯ пластинка, механически связанная с единственным контактом этого реле. Ря­дом с биметаллической пластинкой расположена нагревательная спираль. Если ток, проходящий через спираль достаточно большой, то за счет выделяющегося тепла нагревается биметаллическая пла­стинка, изгибается и размыкает связанный с ней контакт. Нагреватель­ная спираль обычно включается в цепь двигателя, а размыкающийся контакт устанавливают в цепях катушки магнитного пускателя. Если ток, потребляемый электромотором, из-за повышенной механичес­кой нагрузки, превысит некоторый предел, контакт теплового реле выключит магнитный пускатель и, тем самым, отключит двигатель от сети. На рис. 2.5 приведена типовая схема управления трехфаз­ным асинхронным двигателем Ml. КМ1, КМ2 - катушки двух маг­нитных пускателей; КК1, КК1’ - нагревательные спирали теплового реле, КК1.1 - его контакт.

Рис. 2.5. Типовая схема управления реверсным электроприводом

При нажатии на кнопку SB2 включается пускатель КМ1, кон­тактами КМ1.1, КМ 1.2, КМ1.3 замыкает цепь питания двигателя Ml, контактом КМ 1.4 замыкает цепь самоблокировки, в результате чего кнопку можно отпустить. Кнопка SB1 позволяет выключить двигатель. При нажатии кнопки SB2 включится пускатель КМ2 и контактами КМ2.1... КМ2.3 подключит двигатель к сети таким об­разом, что будет изменен на обратный порядок чередования фаз то­ков в его обмотках, что приведет к вращению его в обратную сторо­ну, разомкнувшийся контакт КМ2.5 не позволит включить пускатель КМ1 и, тем самым, позволит избежать короткого замыкания в це­пях двигателя. При перегрузке двигателя нагреются спирали тепло­вого реле КК1, разомкнётся контакт КК1.1 и будет отключен маг­нитный пускатель. Подобная схема реверсивного управления дви­гателем может применяться, к примеру, для привода лебедки подъемного крана. Необходимо отметить ещё одну эксплуатацион­ную особенность применения схемы самоблокировки в промышлен­ных агрегатах: при отключении и повторном включении напряжения питающей сети, схема блокировки "не позволит" устройству вклю­читься самостоятельно, необходимо нажать кнопку SB2 или SB3. Это является фактором повышения безопасно­сти эксплуатации привода.

На рис. 2.6. приведена схема автоматизированного компрессо­ра. Двигатель М вращает механизм воздушного насоса, который нагнета­ет воздух в ресивер, из которого сжатый воздух поступает потребителю.

Рис. 2.6. Автоматизированный компрессор

ЭКМ – электроконтактный манометр;

М – двигатель компрессора.

На ресивере установлен электроконтактный манометр (ЭКМ), представляющий собой пружинный манометр, измерительный механизм которого связан с двумя контактными группами S1 и S2. Состояние контактов изме­няется в зависимости от величины давления Р. Если давление Р ниже, чем Р_min, то S1 разомкнут, если Р превышает Р_min, то он замыкается. Аналогично действует и S2: при P<P_max S2 разомк­нут, при Р>P_max - замкнут.

Если давление в ресивере ниже P_min, то замкнутый контакт К1.1 включает магнитный пускатель КМ1, который замыкает цепь пита­ния двигателя компрессора, давление воздуха начинает возрастать. Когда давление превышает Р_min, но остается ниже P_max, двигатель продолжает работать за счет замкнутого контакта самоблокировки КМ1.4. При достижении давлением значения P_max замыкается S2, срабатывает реле К2 и контактом К2.1 размыкает цепь катушки КМ1, двигатель выключается и остается выключенным, пока давление не упадет ниже Р_min. Затем весь цикл повторяется.

Назначение и работа теплового реле КК1 такое же, как и в схе­ме рис. 2.5. Питание катушек реле и силовых цепей двигателя, как и в схеме на рис. 2.5. от различных источников тока, позволяет повысить безопасность эксплуатации агрегата и его надежность. Обратите внимание на отсутствие каких-либо выключателей и кнопок; при по­даче питания система сразу работает в автоматическом режиме.

2.1.3. Силовые полупроводниковые вентили в цепях уп­равления электропитанием

Рассмотренные выше электромагнитные реле и магнитные пус­катели давно и надежно удерживают позиции одних из самых рас­пространенных элементов в устройствах промышленной автомати­зации. Но во многих случаях они уже не в состоянии удовлетворять возрастающим требованиям, в первую очередь по быстродействию, которые предъявляются к коммутирующим элементам в современ­ных и вновь разрабатываемых устройствах автоматизации. Быстродействие, способность с большой частотой замыкать и раз­мыкать электрические цепи, позволяет очень эффективно (практи­чески без потери энергии) и в больших пределах управлять мощно­стью тока потребителя. Необходимость в плавном регулировании величиной тока в цепи может потребоваться, к примеру, при управ­лении скоростью вращения двигателей (особенно в транспорте), мощ­ностью нагревателей или электродного прогрева бетона, режимом электродуговой и контактной сварки, режимом установок индукци­онного нагрева, осветительными установками и др.

Современная технология полупроводников предоставляет такие возможности. Основой полупроводниковых коммутирующих элемен­тов является кристалл полупроводникового материала (обычно крем­ния [Si]), в котором на стадии изготовления формируются слои со строго дозируемым содержанием других, легирующих элементов. Образовавшаяся многослойная структура обладает свойством из­менять степень своей электропроводности в широких пределах: прак­тически от непроводящего состояния (изолятор), до высокой прово­димости, причем переход из одного состояния в другое может про­изводиться за счет внешнего воздействия слабым электрическим током. Речь идет о транзисторных и тиристорных вентилях. В устройствах управления мощными потребителями энергии обычно используются тиристорные вентили (тиристоры). Тиристорные вен­тили, кроме управления средним значением тока в цепи, могут одно­временно производить преобразование переменного тока в постоян­ный, т.е. выполнять функцию управляемого выпрямителя. Современ­ные вентили могут коммутировать токи до нескольких тысяч ампер при напряжении до 10 киловольт и выше, с частотой до нескольких тысяч герц.

На рис. 2.7. приведен пример схемы управления электрическим двигателем постоянного тока. Цепь двигателя М запитывается от источника переменного напряжения U_n, тиристорный вентиль VS1 используется как управляемый выпрямитель. Управление средней величиной тока i_M в цепи двигателя производится изменением соот­ношения времени замкнутого t₃ и разомкнутого t_р состояния венти­ля, путем изменения момента подачи импульса управления в цепи управляющего электрода.

На графике 1 представлена временная диаграмма переменного напряжения источника питания. На графике 2 показана последовательность импульсов управления в цепи управляюще­го электрода тиристорного вентиля. В момент появления управляюще­го импульса тиристор переходит в проводящее состояние и сохраняет это состояние и после исчезновения сигнала управления до того мо­мента, пока ток в цепи вентиля (и двигателя) не упадет до нуля.

Рис. 2.7. Тиристорное управление приводом

а – схема управления двигателем;

б – временные диаграммы напряжений и токов в схеме.

Таким образом, чем позже, после появления положительно­го значения напряжения питания будет поступать импульс управ­ления, тем меньше времени в течение положительного полупери­ода напряжения питания тиристор будет находиться в проводя­щем состоянии, и тем меньшим будет среднее значение тока в цепи. Чем больше величина t, тем больший ток пропускается через двигатель. На графике 3 показана временная диаграмма импуль­сов тока через двигатель. На графике 4 - усредненное за не­сколько периодов значение тока.

Схему (рис. 2.7.а.) можно условно представить в виде рис. 2.8. При подаче импульса управления, срабатывает реле К и остается во включенном состоянии за счет блокирующего кон­такта 2 до момента падения тока в цепи двигателя до нулевого зна­чения. Импульс управления необходимо подавать в течение каждо­го положительного полупериода напряжения питания.

Диоды VD1 VD2 выполняют функцию развязки цепей, т.е. не позволяют напряжению питания цепи двигателя Un попасть в цепь управления.

Разумеется, эта эквивалентная схема является лишь моделью, позволяющей разобраться в функционировании схемы управления, а не реальной схемой тиристорного устройства управления двигате­лем; физически внутреннее устройство тиристора не содержит ни контактов, ни катушек электромагнитов.

Для сравнения приведем некоторые характеристики э/м реле и тиристорного вентиля. Типовые, средние значения временных пара­метров срабатывания для реле следующие: частота срабатывания 1-5 Гц, время срабатывания – 10^-2 - 10^-1 сек., число срабатываний - 10⁵- 10⁶. Для тиристорного вентиля: частота срабатываний -10³-10⁴Гц, время срабатывания - 10^-5 - 10^-4 сек, число срабатываний не ограничено. Приведенные параметры показывают, что даже на промышленной частоте 50 Гц, электромагнитные реле не в состоя­нии обеспечить нормальное функционирование по схеме рис. 2.8 в режиме управления мощностью тока.

Как видно из приведенных выше диаграмм (рис. 2.7.б.), схе­ма формирования импульсов управления должна отслеживать мо­менты нулевого значения напряжения питания и формировать кратковременные импульсы тока через определенные интервалы времени. А это значит, что и схема формирования должна быть быстродействующей. Реальные устройства выполняются на осно­ве полупроводниковой технологии, а в последние годы - микро­электронной технологии, где вся схема, состоящая из многих десят­ков и даже тысяч элементов, выполнены вместе с соединениями на общем кристалле полупроводника.

Рис. 2.8. Эквивалентная схема вентильного управления двигателем

Кроме возможности управления мощностью тока потребителя, силовые полупроводниковые вентили позволяют производить и уп­равление частотой переменного тока, замыкая и размыкая с соот­ветствующей частотой силовые цепи. В этом случае вентили рабо­тают в качестве инверторов - устройств преобразования постоян­ного тока в переменный. Это открывает возможность бесступенча­того (плавного) управления частотой вращения асинхронных и синх­ронных двигателей переменного тока без необходимости коммута­ции секций их обмоток.

При всех достоинствах рассмотренных элементов, им присущи и некоторые недостатки: полупроводники очень чувствительны даже к кратковременным перегрузкам по напряжению и току. Это заставляет разработчиков предусматривать специальные меры их защиты, что заметно усложняет и удорожает устройства. Во-вторых, ремонт таких устройств требует от персонала на поря­док более высокой квалификации, вплоть до инженерной и исполь­зования специальной приборной техники. Неосторожное и неква­лифицированное "вторжение" к полупроводниковым элементам мо­жет мгновенно привести к фатальным (для полупроводников) ре­зультатам. Такие, бытовавшие в прошлом «традиционные» приемы проверки электрических цепей с помощью лампы или даже «на искру» могут приводить к серьезным повреждениям полупровод­никовых устройств, вплоть до полной неремонтопригодности. И, в тоже время, при соблюдении условий эксплуатации и требова­ний современной технологии их обслуживания и ремонта, полу­проводниковые устройства автоматики могут надежно работать десятилетиями. Это подтверждается лучшими образцами оте­чественной и импортной техники.

Заканчивая тему вентильного управления электрической мощ­ностью, коснемся вопроса экономии электроэнергии. Знакомясь с изложенным выше материалом, может сложиться мнение, что уп­равление величиной тока достигается чрезвычайно сложным и, ра­зумеется, дорогим способом. Ведь, казалось бы, достаточно в цепь двигателя или другого потребителя включить регулируемый реос­тат и цель достигнута. Да, она будет достигнута, но при этом, за такую простоту придется заплатить (а точнее платить постоянно), т.к. значительная часть мощности тока будет выделять в виде теп­ла в самом реостате. Наихудший случай будет иметь место, когда потребителю будет поступать половина от максимальной мощности тока, т.к. точно такая же половина будет рассеиваться в виде тепла реостатом. А вентиль может иметь либо бесконечно большое со­противление (R_т = ∞), когда тиристор заперт, либо, когда он открыт, -почти нулевое сопротивление (R_т ≈ 0), и в том и в другом случаях мощность выделяемая на нем Р_т (P_т = i²∙R_т ) будет незначительной.

Что касается сложности таких устройств, то это понятие отно­сительное, что вчера казалось сложным, сегодня выглядит привыч­ным и простым. Развитие и совершенствование технологии полу­проводниковой микроэлектроники привели к значительному опе­режению в развитии их "интеллектуальных" качеств в сравнении со стоимостью, это в полной мере касается и устройств управле­ния промышленными приводами и другими мощными потребителя­ми энергии.

2.2.1. Ознакомиться с конструкциями и принципом работы э/м реле и магнитных пускателей на лабораторном стенде.

2.2.2. Собрать схему установки по рис. 2.9 на реле МКУ-48.

2.2.3. Подключить собранную схему к клеммам источников тока на панели установки. Подключить вольтметр. Включить источник тока, установить напряжение питания 20 вольт. Убедиться в правиль­ной работе схемы, нажимая кнопку SB1.

Рис. 2.9. Схема включения реле МКУ-48

2.2.4. Установить минимальное напряжение питания (6 вольт).

2.2.4.1. Удерживая кнопку SB1 и плавно повышая напряжение пи­тания до 24 вольт, зафиксировать напряжение срабатывания реле (за­мыкание контакта К 1.1 и размыкания К 1.2).

2.2.4.2. Плавно снижая напряжение питания от 24 вольт до минималь­ного значения зафиксировать значение напряжения выключения реле.

Результаты измерения занести в протокол испытаний (табл. 2.1).

2.2.5. Собрать схему установки по рис. 2.10 исследовать ее функ­ционирование, задавая кнопками различные комбинации воздействий (напряжение источника тока установить 20-22 вольта).

Рис. 2.10. Схема включения установки

2.2.6. Собрать схему установки по рис. 2.11.

2.2.1. Убедиться в правильности ее работы, рассматривая кноп­ку SB2 как "пуск", a SB1, как "стоп".

2-2.8. Проверить функционирование теплового реле КК1, для чего медленно увеличивая нагрузку на валу двигателя тормозным 'устройством и контролируя по амперметрам в цепи двигателя по­ по­требляемый ток; зафиксировать значение тока двигателя (I_тр), при котором срабатывает защита. Занести результат в табл. 2.2.

Рис. 2.11. Схема электропривода

2.2.9. Подключить к клеммам "Ч" частотомер 43-35. Устано­вить режим его работы "прямой счет".

2.2.10. Установить рычаг регулировки тормозного механизма в положение 1.

2.2.11. Включить двигатель кнопкой SB2; записать в табл.2.2 значение тока двигателя (I_д) и время срабатывания теплового реле (t_ср = N/50; где N - число периодов сетевого напряжения до срабаты­вания защиты).

2.2.12. Повторить измерения по пункту 2.11. при установке тормоз­ного механизма в положения 2 и 3. Результаты занести в табл.2.2

Дата добавления: 2017-02-01