Бесконтактные схемы управления асинхронными двигателями
Применение бесконтактных систем облегчает и упрощает работу машиниста вследствие автоматизации управления, повышает надежность электрооборудования э. п. с. в результате замены статическими приборами контактных аппаратов, имеющих приводы и инерционную подвижную систему с перемещающимися контактами, которые подвержены механическому, а часто и электрическому износу, чувствительны к влиянию влаги, загрязнений и температуры. Кроме того, такие системы управления позволяют осуществлять плавный пуск, регулировать силы тягн и торможения во время движения и электрического торможения, создать быстродействующие системы автоматического оптимального регулирования режимов работы тяговых двигателей, что увеличивает производительность локомотива, так как обеспечивается наименьшее время хода по данному участку без превышения макси-
мальных скоростей, точное соблюдение графика движения независимо от погоды, состояния рельсов и квалификации машиниста и повышение безопасности движения.
В силовых цепях используют два вида бесконтактных элементов: полупроводниковые приборы (неуправляемые и управляемые — диоды, динисторы, тиристоры, транзисторы) и магнитные усилители (см. § 46). В цепях управления контакты реле и блок-контакты контакторов обычно заменяют логическими схемами, построенными на ферритных и транзисторных элементах или на базе микросхем средней степени интеграции (электровозы ВЛ86* и др.). Контактные переключатели в групповых системах управления заменяют индукционными датчиками.
Все бесконтактные элементы объединяют в отдельные блоки, каждый из которых выполняет определенную функцию. Например, блок задающего генератора (БЗГ) генерирует управляющие импульсы с необходимой частотой, блок распределительного устройства (БРУ) сдвигает управляющие импульсы на заданный угол, блок сравнения (БС) сравнивает поступающие импульсы и т. д.
Во вспомогательных цепях бесконтактные элементы применяют для создания статических преобразователей тока и напряжения (см. § 50), используемых для питания цепей управления (на электровозах ВЛ80К, ВД80Т, ЧС4Т, электропоездах ЭР9П и др.) или обмоток возбуждения тяговых двигателей в режиме рекуперации (на электровозах ВЛ10 н др.), регуляторов напряжения, специальных реле и других устройств.
Тиристорные преобразователи по сравнению с вращающимися и магнитными усилителями имеют существенно меньшие габаритные размеры и массу, больший к. п. д. н высокое быстродействие. Они на э. п. с. могут выполнять различные функции регулирования в силовых цепях постоянного и переменного тока. В СССР бесконтактные системы на тиристорах применяют на э. п с. постоянного тока для безреостатного пуска, плавного регулирования скорости, рекуперативного торможения практически до остановки, плавного изменения сопро-
тивления пусковых и тормозных резисторов и возбуждения тяговых двигателей, а на э. п. с. переменного тока — для плавного регулирования напряжения между ступенями и переключения ступеней тягового трансформатора без коммутации тока контактными аппаратами, для плавного регулирования напряжения на зажимах тяговых двигателей, инвертирования тока и регулирования напряжения при рекуперации.
На э. п. с. постоянного тока применяют тиристорные системы регулирования напряжения с искусственной коммутацией — так называемые импульсные системы регулирования напряжения (см. §53). На э. п. с. переменного тока используют различные способы регулирования переменного напряжения; например, при фазовом регулировании тиристоры отпираются в каждый полупернод с задержкой на угол а. Изменяя угол а, выпрямленное напряжение ий можно регулировать от нуля до наибольшего значения, соответствующего а = 0. Тиристоры являются основой бесконтактной системы, для управления ими используется электронная аппаратура. Однако в целях упрощения иногда сохраняют контакты в контроллерах машиниста и
отдельные реле, преимущественно с маг-нитоуправляемыми герметическими контактами — герконами.
При управлении, которое условно можно назвать неавтоматическим, машинист вначале рукояткой контроллера КМ (рис. 230, а) включает задающий генератор ЗГ, который генерирует импульсы с необходимой частотой. Затем машинист рукояткой изменяет напряжение смещения на фазосдвигающем устройстве ФСУ, в результате чего изменяется сдвиг между управляющими импульсами, а следовательно, например при широтно-им-пульсном управлении, и скважность, с которой работает преобразователь ТП1, т. е. изменяется и его естественная характеристика. При частотно-импульсном управлении машинист рукояткой контроллера регулирует частоту преобразователя. К тяговым двигателям в этом случае подводится постоянная мощность, соответствующая определенной частоте работы преобразователя. Тяговые характеристики имеют вид гипербол.
Если применяют автоматическое управление, то каждому положению рукоятки контроллера КМ (рис. 230, б) соответствует определенное постоянное значение какого-либо тягового параметра,
Рис 230. Принципиальные схемы бесконтактных систем управления: а — на э п.с постоянного тока с тиристориым импульсным преобразователем ТП1 при автоматическом управлении; б — то же при автоматическом с поддержанием постоянства напряжения на зажимах тягового двигателя
например напряжения на зажимах двигателя М1, его тока или скорости движения. Поддерживая постоянным ток этого двигателя, можно получить характеристики, соответствующие неизменной силе тяги, или поддерживать постоянной скорость движения. При ши-ротно-импульсном управлении и, например, поддержании постоянным напряжения на зажимах двигателя М] рукояткой контроллера КМ изменяют эталонное напряжение С1Э, которое сравнивается с напряжением пропорциональным напряжению двигателя М1. Напряжение двигателя снимается либо потенциометром, либо трансформатором постоянного напряжения 777//. Разность напряжений АС! = С/3—1/’ж подается на усилитель Ус, а усиленный сигнал, пропорциональный ки,— на фазосдвигаю-щее устройство ФСУ. Чем больше коэффициент усиления, тем меньше может быть разность напряжений АЦ, т. е. тем в более широком диапазоне изменения тока двигателя будет поддерживаться неизменное напряжение на его зажимах, соответствующее эталонному напряжению из. Машинист получает возможность плавно регулировать напряжение на двигателе, при этом каждому положению рукоятки контроллера соответствует строго определенное напряжение на его зажимах.
На э. п. с. с асинхронными тяговыми двигателями необходимо изменять не только напряжение, но и частоту выходного тока преобразователя. В этом случае управление двигателями получается сложным и может производиться только автоматически Для упрощения его в цепях применяют функциональную связь, т. е. предусматривают изменение напряжения на выходе преобразователя по заданному закону в зависимости от частоты тока. Тогда в системе управления можно задавать эталонным напряжением определенную частоту на выходе преобразователя, т е. получать определенную скорость движения, или задавать эталонным напряжением ток на выходе преобразователя и поддерживать неизменную силу тяги. Систему сравнения в этом случае строят аналогично системе сравнения на э. п. с с двигателями постоянного тока.
Бесконтактные элементы применяют и в системах телеуправления электровозом, расположенным в середине состава. В таких составах главной трудностью при управлении является несогласованность действий машинистов на головном и вспомогательных локомотивах. Применение телеуправления позволяет отказаться от локомотивов-толкачей, полностью использовать тяговые усилия локомотивов. Телеуправление улучшает и условия торможения благодаря синхронной работе локомотивов. Это дает возможность повышать массу поездов на участках со сложным профилем.
Три наиболее популярные схемы управления асинхронным двигателем
Все электрические принципиальные схемы станков, установок и машин содержат определенный набор типовых блоков и узлов, которые комбинируются между собой определенным образом. В релейно-контакторных схемах главными элементами управления двигателями являются электромагнитные пускатели и реле.
Наиболее часто в качестве привода в станках и установках применяются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели просты в устройстве, обслуживании и ремонте. Они удовлетворяют большинству требований к электроприводу станков. Главными недостатками асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором являются большие пусковые токи (в 5-7 раз больше номинального) и невозможность простыми методами плавно изменять скорость вращения двигателей.
С появлением и активным внедрением в схемы электроустановок преобразователей частоты такие двигатели начали активно вытеснять другие типы двигателей (асинхронные с фазным ротором и двигатели постоянного тока) из электроприводов, где требовалось ограничивать пусковые токи и плавно регулировать скорость вращения в процессе работы.
Одной из преимуществ использования асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором является простота их включения в сеть. Достаточно подать на статор двигателя трехфазное напряжение и двигатель сразу запускается. В самом простом варианте для включения можно использовать трехфазный рубильник или пакетный выключатель. Но эти аппараты при своей простоте и надежности являются аппаратами ручного управления.
В схемах же станков и установок часто должна быть предусмотрена работа того или иного двигателя в автоматическом цикле, обеспечиваться очередность включения нескольких двигателей, автоматическое изменение направления вращения ротора двигателя (реверс) и т.д.
Обеспечить все эти функции с аппаратами ручного управления невозможно, хотя в ряде старых металлорежущих станков тот же реверс и переключение числа пар полюсов для изменения скорости вращения ротора двигателя очень часто выполняется с помощью пакетных переключателей. Рубильники и пакетные выключатели в схемах часто используются как вводные устройства, подающие напряжение на схему станка. Все же операции управления двигателями выполняются электромагнитными пускателями.
Включение двигателя через электромагнитный пускатель обеспечивает кроме всех удобств при управлении еще и нулевую защиту. Что это такое будет рассказано ниже.
Наиболее часто в станках, установках и машинах применяются три электрические схемы:
схема управления нереверсивным двигателем с использованием одного электромагнитного пускателя и двух кнопок «пуск» и «стоп»,
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок.
схема управления реверсивным двигателем с использованием двух пускателей (или одного реверсивного пускателя) и трех кнопок, в двух из которых используются спаренные контакты.
Разберем принцип работы всех этих схем.
1. Схема управления двигателем с помощью магнитного пускателя
Схема показана на рисунке.
При нажатии на кнопку SB2 «Пуск» на катушка пускателя попадает под напряжение 220 В, т.к. она оказывается включенной между фазой С и нулем ( N) . Подвижная часть пускателя притягивается к неподвижной, замыкая при этом свои контакты. Силовые контакты пускателя подают напряжение на двигатель, а блокировочный замыкается параллельно кнопке «Пуск». Благодаря этому при отпускании кнопки катушка пускателя не теряет питание, т.к. ток в этом случае идет через блокировочный контакт.
Если бы блокировочный контакт не был бы подключен параллельно кнопки (по какой-либо причине отсутствовал), то при отпускании кнопки «Пуск» катушка теряет питание и силовые контакты пускателя размыкаются в цепи двигателя, после чего он отключается. Такой режим работы называют «толчковым». Применяется он в некоторых установках, например в схемах кран-балок.
Остановка работающего двигателя после запуска в схеме с блокировочным контактом выполняется с помощью кнопки SB1 «Стоп». При этом, кнопка создает разрыв в цепи, магнитный пускатель теряет питание и своими силовыми контактами отключает двигатель от питающей сети.
В случае исчезновения напряжения по какой-либо причине магнитный пускатель также отключается, т.к. это равносильно нажатию на кнопку «Стоп» и созданию разрыва цепи. Двигатель останавливается и повторный запуск его при наличии напряжения возможен только при нажатии на кнопку SB2 «Пуск». Таким образом, магнитный пускатель обеспечивает т.н. «нулевую защиту». Если бы он в цепи отсутствовал и двигатель управлялся рубильником или пакетным выключателем, то при возврате напряжения двигатель запускался бы автоматически, что несет серьезную опасность для обслуживающего персонала. Подробнее смотрите здесь — защита минимального напряжения.
Анимация процессов, протекающих в схеме показана ниже.
2. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей
Схема работает аналогично предыдущей. Изменение направления вращения (реверс) ротор двигателя меняет при изменении порядка чередования фаз на его статоре. При включении пускателя КМ1 на двигатель приходят фазы — A , B , С, а при включении пускателя KM2 — порядок фаз меняется на С, B , A.
Схема показана на рис. 2.
Включение двигателя на вращение в одну сторону осуществляется кнопкой SB2 и электромагнитным пускателем KM1 . При необходимости смены направления вращения необходимо нажать на кнопку SB1 «Стоп», двигатель остановится и после этого при нажатии на кнопку SB 3 двигатель начинает вращаться в другую сторону. В этой схеме для смены направления вращения ротора необходимо промежуточное нажатие на кнопку «Стоп».
Кроме этого, в схеме обязательно использование в цепях каждого из пускателей нормально-закрытых (размыкающих) контактов для обеспечения защиты от одновременного нажатия двух кнопок «Пуск» SB2 — SB 3, что приведет к короткому замыканию в цепях питания двигателя. Дополнительные контакты в цепях пускателей не дают пускателям включится одновременно, т.к. какой-либо из пускателей при нажатии на обе кнопки «Пуск» включиться на секунду раньше и разомкнет свой контакт в цепи другого пускателя.
Необходимость в создании такой блокировки требует использования пускателей с большим количеством контактов или пускателей с контактными приставками, что удорожает и усложняет электрическую схему.
Анимация процессов, протекающих в схеме с двумя пускателями показана ниже.
3. Схема управления реверсивным двигателем с помощью двух магнитных пускателей и трех кнопок (две из которых имеют контакты с механической связью)
Схема показана на рисунке.
Отличие этой схемы от предыдущей в том, что в цепи каждого пускателя кроме общей кнопки SB1 «Стоп»включены по 2 контакта кнопок SB2 и SB 3, причем в цепи КМ1 кнопка SB2 имеет нормально-открытый контакт (замыкающий), а SB 3 — нормально-закрытый (размыкающий) контакт, в цепи КМ3 — кнопка SB2 имеет нормально-закрытый контакт (размыкающий), а SB 3 — нормально-открытый. При нажатии каждой из кнопок цепь одного из пускателей замыкается, а цепь другого одновременно при этом размыкается.
Такое использование кнопок позволяет отказаться от использования дополнительных контактов для защиты от одновременного включения двух пускателей (такой режим при этой схеме невозможен) и дает возможность выполнять реверс без промежуточного нажатия на кнопку «Стоп», что очень удобно. Кнопка «Стоп» нужна для окончательной остановки двигателя.
Приведенные в статье схемы являются упрощенными. В них отсутствуют аппараты защиты (автоматические выключатели, тепловые реле), элементы сигнализации. Такие схемы также часто дополняются различными контактами реле, выключателей, переключателей и датчиков. Также возможно питание катушки электромагнитного пускателя напряжение 380 В. В этом случае он подключается от двух любых фаз, например, от А и B . Возможно использование понижающего трансформатора для понижения напряжения в схеме управления. В этом случае используются электромагнитные пускатели с катушками на напряжение 110, 48, 36 или 24 В.
