Принцип действия магнитного пускателя и построение схем управления электрическими двигателями на его основе

В настоящее время для повышения производительности станков наметилась тенденция внедрения многодвигательного привода, т.е. применение нескольких двигателей для выполнения различных операций (например, двигатель шпинделя и два двигателя подачи по соответствующим осям на фрезерном станке). Основная часть станочного парка на сегодняшний день оснащена однодвигательными приводами с асинхронными двигателями. Одним из основных требований, предъявляемых к схемам управления асинхронного двигателя является достаточная простота, высокая надежность и долговечность.

Для управления асинхронными двигателями при ступенчатом регулировании скорости применяются магнитные пускатели. При управлении одним двигателем с их помощью можно осуществлять следующие операции управления:

- включение;

- выключение;

- реверс;

- торможение.

При управлении двумя или более двигателями кроме перечисленных операций можно производить различного рода взаимные блокировки, например, включение или выключение в определенной временной зависимости исполнительных двигателей.

Схема магнитного пускателя представлена на рис 2.1, а, б.

На рис. 2. 1, а приведена принципиальная электрическая схема включения и выключения асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя с необходимыми защитными устройствами. На рис. 2.1, б представлена та же схема, но с соблюдением соответствия между расположением элементов электрооборудования на схеме и в действительности. Под магнитным пускателем понимают комплект контактной аппаратуры, предназначенной для пуска и остановки асинхронного двигателя без ограничения пускового тока. При управлении основными агрегатами различают силовую цепь, по которой течет ток нагрузки (сеть – предохранитель – контакты 1К1-1К3 – элементы тепловых реле - статор двигателя) и цепь управления (контакты тепловых реле - катушка контактора- кнопки).

В схеме рис. 2.1 питание силовой цепи и цепи управления осуществляется от одного источника. Однако в целях повышения надежности релейных и контактных аппаратов, большей частью рассчитанных на низкое напряжение, а также в целях повышения безопасности эксплуатации часто применяются схемы, предусматривающие питание цепей управления от источника пониженного напряжения (220 В, 36 В).

Схема работает следующим образом: При нажатии кнопки «Пуск» SB2 получает питание обмотка контактора, который срабатывает и замыкает контакты 1К1-1КЗ в силовой цепи, подключая тем самым двигатель к напряжению сети. Одновременно блок-контакт 1К4 шунтирует кнопку «Пуск», в результате чего при ее отпускании цепь питания контактора не размыкается.

При нажатии кнопки «стоп» SB1 размыкается цепь питания контактора, он размыкает свои контакты в цепи статора двигателя, и двигатель останавливается.

При управлении электродвигателями обязательно применяются два вида защиты:

- от короткого замыкания – предохранители;

- от перегрузок - тепловое реле по току.

Для двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фазным ротором, пускаемых посредством реостата, предохранители (плавкие вставки) подбирают на номинальный ток.

а)

б)

Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема включения и выключения асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя (а) и принципиальная электрическая схема включения и выключения асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя с учетом особенностей расположения элементоы оборудования в действительности (б)

Для короткозамкнутых асинхронных двигателей предохранители нельзя так выбирать, т.к. пусковой ток превышает номинальный в 3 - 7 раз, поэтому для них выбирается предохранитель, рассчитанный на ток в 2 - 2,5 раз меньше пускового.

Вследствие кратковременности пуска вставка при пуске не успевает расплавиться. Для защиты асинхронных (а также и всех других типов) двигателей от длительных нагрузок (возрастание нагрузки, обрыв фазы) применяются тепловые реле, тепловой элемент которых включается последовательно с нагрузкой, а контакты - в цепь управления последовательно с обмоткой контактора. При перегрузках тепловой элемент (биметаллическая пластина) деформируется и через систему рычагов размыкает контакты в цепи управления, обесточивая обмотку контактора, который размыкает силовую цепь. Как правило, используются 2 тепловых реле, что вполне достаточно, т.к. при обрыве любой фазы одно их двух тепловых реле всегда будет задействовано, при обрыве 2-х фаз двигатель останавливается. Магнитные пускатели предусматривают включение тепловых реле в цепи питания двух фаз обмоток электродвигателя. Обычно в этом случае имеется два однофазных реле, которые размещаются в пределах габаритов контактора, непосредственно на его основании. Реле могут выполняться также двухфазными или трехфазными. В этом случае они размещаются в пускателе за пределами габаритов контактора.

Назначение реле состоит в том, чтобы не допустить работы двигате­ля при перегреве обмоток из-за ненормального увеличения нагрузки электродвигателя.

Защитная характеристика реле (связывающая время его срабатыва­ния с током, вызывающим срабатывание) имеет такой же вид, как перегрузочная характеристика двигателя (рис. 2.2). Однако в действительности вследствие различных масс и условий нагрева двигателя и реле они не совпадают. Если бы обе характеристики совпали, то защита была бы идеальной.

На рис. 2.3 показано типичное взаимное расположение перегрузочной характеристики двигателя в замкнутой системе регулирования и характеристики реле для случая, когда номинальный ток двигателя и ток, соответствующий границе срабатывания реле одинаковы. 1 - перегрузочная характеристика электродвигателя, 2 - защитная характеристика реле.

Рис. 2.2. График защитной характеристики реле

При этом видно, что имеется значительная зона, где реле срабатывает раньше, чем двигатель достигнет допустимой температуры - зоны перезащищенности. В то же время при больших перегрузках двигателя имеется зона незащищенности. За счет выбора конструкций реле и соответствующего тока срабатывания добиваются лучшего согласования характеристик реле и электродвигателя.

Рис. 2. 3. Графики взаимного расположения характеристик реле и двигателя

Следует отметить что, при выборе тока срабатывания теплового реле близким по величине к номинальному току двигателя зона незащищенности двигателя увеличивается.

С целью уменьшения этой зоны и лучшего использования перегрузочной способности двигателя, ток срабатывания реле выбирают на 15-20 %выше номинального тока двигателя.

В этом случае защитная характеристика реле займет (рис. 2.3) положение 3 и наряду с уменьшением зоны защищенности будут существовать две зоны незащищенности двигателя: одна как и раньше - в области больших перегрузок, другая - в области малых перегрузок.

Появление зоны незащищенности при малых двигательных перегрузках не представляет опасности для двигателя, так как, если такие перегрузки будут часто повторяться, значит, двигатель выбран неправильно и должен быть более мощным. Недозащищенность же в области больших перегрузок может быть скомпенсирована применением плавких предохранителей.

Кроме того, в магнитном пускателе осуществляется так называемая нулевая защита, заключающаяся в том, что при исчезновении или значительном снижении напряжения в сети катушка контактора перестает удерживать его во включенном состоянии и двигатель отключится от сети. После восстановления нормального напряжения сети самопроизвольного пуска двигателя не произойдет.

Примеры релейно-контакторных схем управления

В некоторых случаях электродвигатели отдельных приводов должны быть между собой электрически сблокированы. Одна из таких схем представлена на рис. 2. 4 Замыкающий контакт 1К, включенный в цепь катушки 2К, позволяет включить второй двигатель только при работе первого двигателя. Такая блокировка встречается у фрезерных станков с отдельным приводом подачи. Во избежание аварии (поломки фрезы) схема должна быть построена так, чтобы привод подачи мог работать лишь при вращении шпинделя.

При замене в цепи катушки К2 замыкающего контакта 1К размыкающим, второй двигатель получает возможность работать только в том случае, если первый двигатель не включен. Блокировка такого рода также часто встречается в схемах станков.

Если посредством одной кнопки необходимо управлять несколькими электрическими цепями, прибегают к использованию многоконтактного промежуточного реле. На рис. 2.5представлена схема, у которой при нажиме на кнопку SB2 включается промежуточное реле П, включающее одновременно контакторы 1К, 2К и т.д. и обеспечивающие одновременный пуск нескольких двигателей.

Рис. 2.4. Принципиальная электрическая схема последовательного пуска двух асинхронных двигателя

При нажатии на кнопку SB1 одновременно отключаются все электродвигатели. Наряду с групповым управлением предусмотрена возможность включения и отключения каждого электродвигателя в отдельности. Подобное управление применяют, например, для включения всей станочной линии и отдельных станков, входящих в ее состав.

Рис. 2.5. Принципиальная электрическая схема управления одновременным пуском нескольких асинхронных двигателей

При реверсивном управлении электродвигателем требуются два контактора: для хода вперед КВ и для хода назад КН (рис. 2.6). При случайном одновременном включении контакторов КВ и КН в цепи рабочего тока возникнет короткое замыкание, так как крайние линейные провода соединяются крайними контактами контакторов КВ и КН. Во избежание одновременного включения двух контакторов применяют электрическую блокировку, осуществляемую размыкающими контактами кнопок SB2 (вперед) и SB1 (назад).

Когда нажимают кнопку SB2, замыкается цепь катушки КВ и размыкается цепь катушки КН. Контактор КН, если он был включен, отключается. При одновременном нажатии на кнопки SB2 и SB1 их размыкающие соответственно разрывают цепи катушек КН и КВ, и ни один из контакторов включиться не может.

Рис. 2.6. Принципиальные электрические схемы реверсивного управления асинхронным двигателем с элементами электрической (а, б) и механической (в) блокировок

Если схема реверса выполнена с применением двух отдельных контакторов, то электрическая блокировка, осуществляемая размыкающими контактами кнопок, не предотвращает короткие замыкания при всех возможных случаях. Так, если подвижная система контактора КН в рассмотренном примере, вследствие приваривания главных контактов или механического заедания, не отпадает после отключения катушки КН размыкающим контактом кнопки SB2 или отпадает с замедлением, произойдет короткое замыкание в рабочей цепи, так как контактор КВ включается при замыкании и.о. контакта кнопки SB2.

На рис. 2.6 представлены цепь управления схемы, в которой электрическая блокировка, не допускающая одновременного включения обоих контакторов, осуществляется посредством размыкающих контактов КН и КВ. При этом замыкаются контакты КВ в цепи рабочего тока (показанные на рис. 2.6), блок-контакт самоблокировки КВ, шунтирующий кнопку SB2, и размыкается контакт КВ, включенный в цепь катушки КН. Пока контактор КВ не будет отключен и его подвижная система полностью не отпадет, нажатие на кнопку SB1 не вызывает замыкания цепи катушки контактора КН. Для реверса в схеме данного варианта необходимо предварительно нажать кнопку SB3.

Схема, показанная на рис. 2.6 не допускает реверса электродвигателя без промежуточного нажатия на кнопку SB3, а при одновременном нажатии на кнопки SB2 и SB3 ни один контактор не включается (как и в схеме, изображенной на рис. 2.6).

Реверсивные магнитные пускатели, содержащие по два контактора на общей панели, обычно снабжены механической блокировкой. В этом случае посредством коромысла или кулачков не допускается включение одного контактора, когда другой уже включен или пока полностью не отключится. При использовании схемы, представленной на рис.6 требуется применить реверсивный пускатель с механической блокировкой, которая предотвратит короткое замыкание в указанных выше случаях.

Однако при применении реверсивных магнитных пускателей переменного тока не следует ограничиваться одной механической блокировкой, это объясняется тем, что при замыкании цепи катушки контактора переменного тока, который не имеет возможности включаться, в катушке течет ток, который в несколько раз превышает нормальный.

При длительном нажатии на кнопку катушка может сгореть и поэтому надо осуществлять электрическую блокировку размыкающих контактов контакторов.

Схему, представленную на рис.6 используют в случае длительной работы электропривода. Часто требуется, чтобы электропривод металлорежущих станков работал лишь при нажатии кнопки «Пуск». Подобное управление необходимо при различных установочных перемещениях, когда при кратковременном нажатии на кнопку должно произойти небольшое перемещение (толчок) движущегося элемента станка. В этом случае не нужны контакты самопитания и кнопка «Стоп». Такая схема представлена на рис. 2.7.

Рис. 7. Пример построения схем построения асинхронными двигателями для обеспечения установочных перемещений механизмов

Часто возникает необходимость управления одним и тем же приводом в обоих указанных режимах. Схема, обеспечивающая такое управление, изображена на рис. 2.7. В этой схеме при кратковременном нажатии на кнопку SB2 обеспечивается длительная работа привода. В случае нажатия на кнопку SB3 (Установка) её замыкающий контакт включает контакт 1К, а размыкающий контакт размыкает цепь самопитания контактора. При применении этой схемы необходимо учитывать возможность задержки отпадания контактора 1К.

При этом размыкающий контакт отпущенной кнопки SB3 может замкнуться раньше, чем разомкнется блок-контакт 1К и двигатель будет продолжать работать. Действие схемы, представленной на рис. 2.7 одинаково при любом времени отпадания контактора. Для длительной работы двигателя нужно кратковременно нажать кнопку SB2. Это вызовет включение промежуточного реле РП. Один замыкающий контакт реле шунтирует кнопку SB2 и дает возможность прекратить её нажатие, не вызывая отключения реле, другой – включает рабочую катушку контактора 1К. Для осуществления установочного перемещения достаточно нажать кнопку SB3.

Не каждое расположение контактов в цепи управления целесообразно. Так, например, расположение контактов, показанное на рис. 2.8, является нерациональным. Кнопочная станция находится на станине станка, а контактор и ввод сети – в шкафу с аппаратурой электрического управления станком. При указанном на рис. 2.8 расположении контактов нужен лишний провод, проложенный между кнопочной станцией и шкафом управления. Кроме того, в кнопочной станции кнопки SB2 и SB1, присоединенные к различным полюсам цепи находятся близко одна от другой, что создает возможность коротких замыканий. В связи с этим все контакты электроаппаратуры стремятся размещать по одну сторону катушки контактора или реле.

Рис. 2.8. Пример нерационального построения схемы управления пуском асинхронного двигателя