СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

С РКСУ

В электроприводах с двигателями постоянного тока средней и большой мощности и с асинхронными двигателями с фазным ротором при пуске и торможении требуется ограничить пусковой ток, исходя из перегрузочной способности. Эта задача решается зведением в цепь якоря двигателя постоянного тока (или фазно­го ротора асинхронного двигателя) пускового резистора. Управ­ление электроприводом заключается, во-первых, в подключении обмоток двигателя к питающей сети при пуске и отключении при остановке и, во-вторых, к постепенному переключению релейно - контакторной аппаратурой ступеней пускового резистора по ме­ре разгона двигателя.

При пуске стремятся к получению правильной пусковой диа­граммы, когда все броски тока Ь между собой равны, а все токи переключения 12 тоже одинаковы. Рассмотрение пусковой диа­граммы электропривода (рис. 1.1) показывает, что последова­тельное выключение ступеней пускового резистора в цепи якоря возможно несколькими способами:

системами управления

- в функции скорости, когда переход с одной искусственной характеристики электропривода на другую возможен при дости­жении электроприводом скорости Пі, а затем - п2;

- в функции тока, когда переключение наступает после сни­жения тока до тока переключения 12;

- в функции времени, когда в процессе пуска электроприво­ду заранее программируется фиксированное время работы на каждой ступени ускорения.

Пуск двигателя постоянного тока s функции скорости

Пусть требуется выполнить схему управления пуском двига­теля постоянного тока независимого возбуждения в функции ско­рости.

Предположим, что ограничение пускового тока в якорной це­пи двигателя осуществляется введением двух ступеней R-S и R2 пускозого резистора. Эти ступени закорачиваются контактами контакторов ускорения КМ1 и КМ2 (рис. 1.2). Чтобы переклю­чать ступени R1 и R2 в функции скорости, вовсе нет необходи­мости применять специальные датчики скорости (тахогенерато - ры), которые усложнили бы конструкцию электропривода. Так как схема очень грубая (как и все релейно-контакторные схемы), то достаточно обойтись каким-либо косвенным способом измерения

скорости электропривода. Мож­но вспомнить, что величина ЭДС Ед в двигателе постоянного тока с независимым возбужде­нием пропорциональна скоро­сти.

Правда, рассмотренный вариант схемы неудобен тем, что контакторы ускорения имеют разные напряжения срабатыва­ния. Но он легко устраняется, когда точка подключения правого контакта катушки КМ1 выбирается на части Rx пускового рези­стора. В этом случае для напряжения втягивания контактора КМ2 можно записать соотношение

U2 вт " Ед + Ія Ra,

а для напряжения втягивания контактора КМ1 - другое выраже­ние:

Ui зт = Ед + Ія (Ra + Rx )-

При одинаковых напряжениях втягивания контакторы ускоре­ния срабатывают при разных значениях Ед, а. следовательно, и скорости вращения двигателя. Наладка схемы осуществляется подбором величины Rx.

Правильная пусковая диаграмма в рассматриваемой схеме может гарантироваться не всегда. Она нарушается при колеба­ниях напряжения питающей сети, при нагреве катушек контакто­ров и, следовательно, изменении их активного сопротивления. При чрезмерных колебаниях момента статической нагрузки (ко­гда ток статической нагрузки становится больше тока переключе­ния 12) возможно «застревание» двигателя на промежуточной смягченной характеристике, что вызывает перегрев пусковых ре­зисторов, повышенные потери в электроприводе, а главное - на­рушение технологического процесса, так как электропривод не обеспечивает работу технологического агрегата с заданной ско - оостью.

Названные недостатки характерны для разомкнутых систем электропривода, которые не способны ослабить влияние дейст­вующих на электропривод возмущений, и являются своеобразной платой за «простоту» принимаемых технических решений.

Динамическое торможение двигателя постоянного тока в функции скорости

При динамическом торможении двигателя параллельного возбуждения сохраняется питание параллельной обмотки, а его якорная обмотка замыкается на тормозной резистор контак­тором КМЗ (рис. 1.3).

При пуске электропривода после нажатия на кнопку «Пуск» втягивается линейный контактор КМ и в якорную цепь двигателя подается напряжение питания. Чтобы после отпускания кнопки SB2 «Пуск» контактор КМ не отключался, кнопка блокируется па­раллельно включенным блок-контактом КМ. При разгоне электро­двигателя М (цепи управления контакторами ускорения КМ1 и КМ2 не показаны) увеличивается напряжение на якоре двигате­ля, а реле KV втягивается. Но контактор КМЗ остается отключен

ным, так как цепь его катушки остается разорванной из-за ра­зомкнувшегося блок-контакта КМ.

После отключения электропривода нажатием на кнопку SB1 «Стоп» контактор КМ отпадает, якорная цепь отключается от се­ти, а цепь катушки контактора КМЗ собирается, этот контактор втягивается, подключая якорную обмотку к тормозному резистору Нд. Динамическое торможение продолжается до тех пор, пока ос­тается втянутым реле динамического торможения KV.

Схема настраивается на напряжение отпадания реле KV, ко­торое обычно выбирается в пределах (0,1...0,15) Uceth - Коэффи­циент возврата этого реле устанавливается минимальным и ре­гулируется толщиной латунной прокладки между ярмом и якорем во втянутом состоянии реле.

•* На современных станциях управления часто применяют «направ­ленную защиту от противовключения», когда невозможно перевести дви­гатель в режим противовключения, но можно прервать динамическое тор - можение и пустить двигатель в прежнем направлении. Составьте схему управления электроприводом для этого случая.

Торможение противовключением двигателя постоянного тока

При торможении противовключением якорная цепь двигателя от сети не отключается, но контакторами направления изменяет­ся полярность якорной обмотки по отношению к питающей сети. Из-за согласного направления напряжения сети и ЭДС двигателя пускового резистора для ограничения тока якоря на допустимом уровне оказывается недостаточно, поэтому дополнительно вклю­чается еще ступень противовключения Rn, которая после завер­шения процесса торможения закорачивается контактом контак­тора противовключения КМ (рис. 1.4 а).

Управление процессом торможения противовключения осу­ществляется с помощью реле противовключения KV. Для пояс­нения принципа действия реле рассмотрим схему замещения и потенциальную диаграмму (рис. 1.4 б, в) при полностью введен­ных добавочных резисторах в цепи якоря. На схеме замещения

напряжение сети Uc и ЭДС двигателя Ед направлены согласно и подключены к резистору, сопротивление которого Rr равно сум­ме сопротивлений всех последовательно соединенных элемен­тов якорной цепи: якоря двигателя, пусковых ступеней и ступени противовключения. Катушка реле KV подключена к точкам а и 6.

На диаграмме показано распределение потенциала вдоль якорной цепи для двух случаев: прямая в - г - в режиме проти - зозключения при скорости двигателя, разной скорости идеально- системами управления

го холостого хода, когда ЗДС двигателя равна напряжению сети; прямая 6-г - при неподвижном якоре, когда Ед = 0.

Точка а присоединения реле противовключения KV опреде­ляется из такого условия, чтобы в режиме противовключения при скорости двигателя, равной скорости идеального холостого хода, напряжение на катушке реле KV равнялось нулю. Тогда при пол­ной остановке двигателя напряжение на катушке реле будет рав­но отрезку а - а*, т. е. половине напряжения сети. На практике на­пряжение втягивания реле KV принимают на (10...20)% меньше отрезка а - аи что необходимо для надежного втягивания реле при пуске двигателя с учетом возможного снижения напряжения сети, изменения сопротивления главной цепи из-за нагрева и ко­нечного времени срабатывания аппаратов схемы.

При равных бросках тока якоря в начале торможения проти - вовключение дает более быструю остановку двигателя, чем ди­намическое торможение. Но торможение противовключением менее удобно для оператора, чем динамическое торможение, для осуществления которого достаточно поставить рукоятку ко - мандоконтроллера в нулевое положение. Торможения проти - зовключением обычно стараются избежать и применяют его, ес­ли реализация схемы динамического торможения затруднена (двигатели последовательного возбуждения) или рабочий меха­низм требует немедленного реверса двигателя после его оста­новки.

Оцените, как изменится работа схемы в режиме противовключения, если точку а подсоединения катушки реле KV сместить влезо или впрзво.

Изобразите график зависимости напряжения на катушке реле KV от скорости вращения электропривода при реверсе электропривода на холо­стом ходу, для двух случаев:

- контакторы противовключения и ускорения не срабатывают, а ре­верс происходит при полностью введенном добавочном сопротивлении в цепи якоря;

- с учетом нормальной работы силовых аппаратов схемы.

Пуск синхронного двигателя в функции скорости

При пуске синхронный двигатель сначала разгоняется до подсинхронной скорости (примерно 0.95 от синхронной), работая в асинхронном режиме. Необходимый момент двигатель разви­вает с помощью пусковой обмотки, установленной на роторе. Основная же обмотка ротора на время пуска отключается контак­тором КМ от постороннего источника постоянного напряжения (возбудителя) и подключается к разрядному резистору RP (рис. 1.5). Это делается, чтобы устранить опасные для изоляции пере­напряжения, которые возникают при больших скольжениях в ра­зомкнутой обмотке ротора. Обычно сопротивление разрядного резистора выбирают в 8...10 раз больше сопротивления обмотки

Рис. 1.5. Схема управления пуском син­хронного двигателя в функции скорости

ротора двигателя. Контроль скорости при пуске осуществляет реле промежуточное КТт подключенное через вентиль VD на часть сопротивления разрядного резистора Rp. системами управления

В первый момент пуска, когда скольжение двигателя и паде­ние напряжения на Rp велики, реле КТ втягивается, запрещая срабатывание КМ. По мере разгона двигателя напряжение на ка­тушке КТ понижается. Реле настраивается так, чтобы оно отпа­дало при подсинхронной скорости. При этом включается контак­тор КМ, который подает полное напряжение возбуждения на об­мотку ротора.

Так как на подсинхронной скорости частота напряжения в ро­торе составляет 2...3 Гц, есть опасность вибрационной работы реле КТ. Чтобы ее исключить, реле КТ выбирают с выдержкой времени установкой короткозамкнутой гильзы на ярмо его магни - топровода. В этом случае магнитный поток реле спадает пропор­ционально среднему (а не мгновенному) значению тока в катуш­ке, обеспечивая четкую работу схемы.

•• Почему с целью полного устранения перенапряжений на обмотке ротора синхронного двигателя при его пуске нельзя установить R? = О?

•* Номинальное напряжение на обмотке синхронного двигателя со­ставляет 50 В. При пуске амплитудное значение напряжения на кольцах ротора составило 150 В. Величина сопротивления разрядного резистора по сравнению с аетивным сопротивлением обмотки возбуждения двигате­ля R» =9,0 Roga. Определите величину постоянной времени обмотки возбуждения ротора. Какую роль играет индуктивность обмотки возбужде­ния синхронного двигателя в ослаблении (или усилении?) перенапряжений при пуске?

Разгон двигателя постоянного тока до скорости выше основной в функции тока якоря

В релейно-контакторных электроприводах постоянного тока с двухзонным регулированием скорости разгон (и регулирование скорости) двигателя до основной скорости осуществляется изме­нением напряжения на якоре переключением ступеней пускового реостата контакторами ускорения КМ1, КМ2 и КМЗ, а выше ос­новной-изменением тока возбуждения введением регулируемого резистора (шунтового реостата R4) в цепь обмотки возбуждения (Рис. 1.6).

До основной скорости контактор управления полем КМ4 замкнут через блок-контакт реле контроля ускорения КТ. Это обеспечивает работу двигателя при полном магнитном потоке и, следовательно, меньших токах в якорной цепи. Когда при пуске двигатель разгонится до основной скорости {это фиксируется срабатыванием последнего контактора ускорения КМЗ), реле КТ и за ним контактор КМ4 отпадают, а в цепь обмотки независимого возбуждения двигателя вводится реостат R4, сопротивление ко­торого задается положением его ползунка. Вследствие этого ток и поток возбуждения ослабляются, что вызывает повышение скорости вращения двигателя.

При неблагоприятном сочетании параметров; большом диа­пазоне ослабления потока, значительной величине момента инерции привода, малой электромагнитной постоянной времени цепи возбуждения двигателя, - резкое введение реостата R4

. Электроприводы с релейно-контакторными системами управления

может вызвать бросок тока якоря больше допустимой величины. Требуется, чтобы схема управления ограничила в этом случае ток якоря при разгоне электропривода.

Если при введении реостата R4 ток якоря двигателя достиг­нет величины тока втягивания реле управления полем КА, то по­следнее своим нормально открытым контактом включает контак­тор КМ4, закорачивающий реостат R4. Это вызовет увеличение потока возбуждения, снижение тока якоря и уменьшение ускоре­ния двигателя. После снижения тока якоря до тока отпадания ре­ле КА отключается контактор КМ4, благодаря чему происходит повторное ослабление потока возбуждения, и ускорение двига­теля увеличится.

Во зремя разгона двигателя выше основной скорости вклю­чение и отключение реле КА и контактора КМ4 могут повторяться несколько раз (вибрационный режим работы этих аппаратов). При этом ток якоря колеблется в коридоре, ограниченном устав­ками втягивания и отпадания реле КА. Чтобы снизить ширину то­кового коридора, реле КА выполняют с максимально возможным коэффициентом возврата (0,80...0,85).

При динамическом торможении двигателя с высокой скорости нельзя сразу включать контактор КМ4 по условиям коммутации двигателя и из-за опасности увеличения его ЭДС до недопусти­мой величины. Тогда торможение осуществляется в две ступени: сначала с ослабленным потоком, для чего реле КТ выполняется с выдержкой времени, а затем после отпадания реле КТ - с пол­ным потоком двигателя.

*• В установившихся режимах двигатель с полным потоком возбужде­ния (контактор КМ4 втянут) поддерживает основную скорость, а с ослаб­ленным (когда КМ4 отпадает) - повышенную. Почему же при работе рас­сматриваемой схемы происходит разгон дзигателя как на отрезках време­ни. когда контактор КМ^ отпадает, так и на отрезках времени, когда КМ4 втягивается?

*• Оцените предельную величину возможного броска тока якоря при ослаблении потока, если при работе двигателя на основной характеристи­ке в номинальной точке статическое падение скорости по сравнению с ре­системами управления

жимом идеального холостого хода составляет 5%, а диапазон ослабления потока - 50%.

Пуск двигателя постоянного тока в функции времени

В этом случае управление осуществляется с помощью реле времени, число которых равно числу ступеней пускового реоста­та, а выдержка времени каждого реле равна времени разгона двигателя на каждой из пусковых ступеней. В электромагнитных реле выдержка времени создается или установкой короткозамк­нутой гильзы на ярмо магнитопровода, или (если это допустимо по условиям работы электрической схемы) замыканием накорот­ко катушки в реле напряжения.

Схема (рис. 1.7) иллюстрирует оба способа реализации вы­держки времени. В исходном состоянии схемы, когда подано на­пряжение в оперативные цепи, втягивается реле КТ1, а цели ка­тушек контактороз ускорения КМ1 и КМ2 разорваны. После вклю­чения линейного контактора КМ кнопкой SB2 «Пуск» катушка КТ1 отключается, начинается отсчет выдержки времени этим реле. Однозременно цепь якоря дзигателя подключается к сети посто­янного напряжения, происходит пуск двигателя на первой ступе­ни ускорения с максимальным сопротивлением пускового рези­стора. Реле КТ2 втягивается, так как есть падение напряжения на первой ступени R1 пускового резистора. После завершения вы­держки времени КТ 1 его нормально замкнутый контакт замыкает­ся, на катушку КМ1 подается напряжение. Контактор КМ1, срабо­тав, выводит первую ступень R1 пускового резистора и одно­временно закорачивает катушку реле КТ2. Так как цепь катушки КТ2 не разорвана, а закорочена, то магнитный поток реле будет спадать медленно, обеспечивая выдержку времени После за­вершения выдержки времени реле КТ2 оно отпадает, контактор КМ2 втягивается, двигатель выходит на естественную механиче­скую характеристику.

системами управления LM КМ 2 КМ1

В электроприводах постоянного тока и асинхронных с фаз­ным ротором пуск двигателя чаще всего осуществляется в функ­ции времени. Эта схема позволяет унифицировать оборудование (разными двигателями можно управлять от одних реле), удобна в наладке (можно полностью опробовать работу схемы управле­ния, не подключая силовые цепи), стабильное время пуска об­легчает работу оператора и упрощает схемы автоматизации при совместной работе нескольких электроприводов.

Правда, независимость программы пуска от текущего состоя­ния электропривода может вызвать чрезмерные выбросы тока якоря, например, при перегрузках. Поэтому схемы с управлениемсистемами управления

пуском двигателя в функции времени обязательно дополняются максимальной токовой защитой.