Автоматизированный электропривод машин и аппаратов химических производств

нагрузке двигатель должен удовлетворять условиям допустимого нагрева, обладать максимальным моментом, достаточным для преодоления возможных кратковременных перегрузок и при пуске с большой нагрузкой иметь избыточный пусковой момент для обеспечения разгона привода.

Поясним кратко эти условия. Во время работы в двигателе возникают потери энергии, которые превращаются в теплоту и нагревают обмотки и другие части электродвигателя. Допустимый нагрев определяется наименее теплостойким материалом двигателя, которым является изоляция обмоток. Срок ее службы практически определяет срок службы электродвигателя. Следовательно, мощность выбранного электродвигателя должна иметь такое значение, чтобы изоляция двигателя не перегревалась при наиболее тяжелых условиях работы привода.

Максимальный момент, характеризующий перегрузочную способность, а также пусковой момент определяются электромагнитными свойствами двигателя. [1, стр. 449]

1.6 Расчет мощности и выбор  электродвигателя 
для длительного режим работы

Определение номинальной мощности двигателя при длительной переменной нагрузке производят по методу средних потерь или по методу эквивалентных величин (тока, момента, мощности). Эти методы заключается в тепловой проверке выбранного двигателя. Двигатель выбирают по средней мощности нагрузки, определяемой по формуле [1, стр. 454]:

.

По этой формуле рассчитаем среднюю мощность нагрузки, при помощи нагрузочной диаграммы, данной по заданию (см. рис. 1):

По средней мощности выбираем в справочной литературе [3] двигатель марки 4А132М4У3, со следующими характеристиками:

 

Синхронная частота вра- щения, об/мин	Мощность, кВт	Скольжение, %	КПД,%	cosφ	Мmax Mном	Мп Mном	Мmin Mном	Imax Iном
1500	11	2,8	87,5	0,87	2,2	2	1,6	7,5

 

 

2 АВТОМАТИЗАЦИЯ  ПУСКА ДВИГАТЕЛЯ

2.1 Пуск  двигателя  с контактными кольцами.

 

При описании  конструкции асинхронных машин упоминалось о роторах с трехфазной обмоткой, соединенной звездой и подключенной к контактным кольцам. Посредством меднографитовых щеток к кольцам можно  подключать пусковой   реостат. Полное сопротивление пускового реостата рассчитывают так, чтобы ток статора был ограничен заданным значением. Перед пуском двигателя вводят пусковой реостат так, что сопротивление фазы роторной цепи становится равным R2+Rп. Соответствующая пусковая механическая характеристика оказывается смещенной относительно характеристики при естественном сопротивлении ротора. При этом ток ротора уменьшается, а пусковой момент возрастает. По мере разгона двигателя токи ротора и статора уменьшаются, и пусковой реостат Rп закорачивают. Рабочая точка переходит на естественную характеристику, соответствующую сопротивлению R2 . Рабочая точка перемещается по естественной механической характеристике, пока электромагнитный момент двигателя не станет равным противодействующему. Обычно реостат разбивают на 5-10 ступеней, которые автоматически закорачивают по мере разгона ротора. Схема автоматического выведения пускового реостата работает в функции времени или тока ротора.

Применение двигателей с контактными кольцами в некоторых случаях оправдано уменьшением времени пуска.

 

 

2.2 Автоматизация  пуска двигателя с реверсом и защитой.

Принципы автоматизации управления электродвигателями легче всего уяснить, начав рассмотрение с наиболее простой схемы автоматизации пуска, реверса и защиты короткозамкнутого асинхронного двигателя (рис 2). Аппаратура управления содержит: реверсивный магнитный пускатель, кнопочную станцию,  тепловые реле, предохранители, выключатель. Питание двигателя и цепи управления – от одной сети.

 

 

Рисунок 2 – Схема автоматизированного пуска, реверса и защиты.

При включении выключателя «Вкл.» схема готова к работе. Нажатием кнопки, например, «Вперед», включают катушку контактора В. Срабатывая, он замыкает свои главные контакты  В и присоединяет двигатель к сети. Одновременно замыкается его блок-контакт В, блокирующий кнопку «Вперед». Для остановки двигателя нажимают кнопку «Стоп». Цепь катушки контактора В разрывается, контактор отключается и отсоединяет двигатель от сети. Одновременное нажатие на кнопки «Вперед» и «Назад» исключено за счет механической связи контактов в цепях катушек В и Н.

Автоматическая защита двигателя  от длительных перегрузок осуществляется биметаллическими тепловыми реле РТ1 и РТ2, размыкающие контакты которых включены в цепь питания обмоток контакторов. От кратковременных пусковых токов реле не успевают сработать. При перегрузке реле срабатывают, выключая контактор: двигатель отключается от сети. Возврат контакторов после остывания биметаллической пластины производится вручную, после устранения причины перегрузки. Защита от токов короткого замыкания обеспечивается плавкими предохранителями. Они не срабатывают от пусковых токов. Предусмотрена так же «нулевая защита»: при исчезновении или значительном снижении напряжения сети контактор отключается и отсоединяет двигатель от сети.

 

 

 

 

 

 

 

3 КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПУСКОВОЙ  АППАРАТУРЫ

3.1 Контакторы переменного тока

Контактором называют электрические аппараты, предназначенные для включения и отключения силовых цепей (цепей питания электродвигателей и других мощных потребителей электроэнергии) с помощью электромагнитов.

По роду тока в главной силовой цепи контактора различают контакторы постоянного и переменного токов. В зависимости от назначения главной электрической цепи, включаемой и отключаемой главными контактами, контакторы бывают линейные, включающие и отключающие различные электрические цепи (обмотки электрических машин и т.д.), и контакторы ускорения, служащие для переключения ступеней пускового или регулировочного реостата.

 

 

Рисунок 3 – Устройство трёхполюсного контактора переменного

тока для коммутации трёхфазной цепи.

 

Работу контактора переменного тока поясним на примере рассмотрения рис.3. При включении катушки 1 в цепь управления возникает магнитный поток в магнитопроводе, состоящем из шихтованных ярма 2 и якоря 3. На якоре расположен короткозамкнутый виток (для устранения вибрации магнитной системы). Контактная группа — главные контакты 5, 6, вспомогательные контакты 7—9 — приводится в действие якорем 3, с которым она соединена валом 4.

На рис. 3 изображен трехполюсный контактор для коммутации в трехфазной цепи. Здесь показана только одна дугогасительная камера 11, чтобы было видно расположение силовых контактов 5, 6.

Электромагнитные контакторы переменного тока широко используют в магнитных пускателях — устройствах для дистанционного управления (включить — выключить) и автоматической защиты от перегрузок асинхронных электродвигателей.

3.2 Реле

Реле – это аппараты, которые производят автоматическое переключение контактов в цепи управления другого аппарата. Сами реле не производят переключения в главной цепи коммутирующего аппарата, который включает и отключает электроустановку, они только передают команду другому аппарату.

Изготовляют реле разнообразными по конструкции, выполняемым функциям и принципу действия. По параметру, на изменение которого реагируют реле, различают реле токовые, напряжения, мощности, частоты, тепловые, газовые и др. По принципу действия воспринимающих органов реле бывают электромагнитные, поляризованные, индукционные, электродинамические, ионные и др.

Тепловое реле предназначено в основном для защиты электродвигателей от длительных перегрузок на 10–20%. Наибольшее распространение имеют реле с биметаллической пластиной, принцип действия которого поясняется на рисунке 4.

Нагревательный элемент 1 включают последовательно с электрической цепью, которую надо защищать. Поэтому протекающий по нему ток I является током нагрузки. Теплота, выделяемая нагревательным элементом, нагревает расположенную рядом биметаллическую пластину 2. Эта пластина выполнена из двух материалов с разным тепловым коэффициентом линейного расширения (нижняя пластина имеет больший коэффициент расширения). Если по цепи протекает ток, не превышающий номинального значения, то количества теплоты, выделяемой нагревательным элементом, недостаточно для распрямления пластины 2.

 
Рисунок 4 – Принцип действия теплового реле с биметаллической пластиной

При перегрузках двигателя ток в цепи превышает номинальное значение и нагревательный элемент выделяет теплоты больше. Через некоторое время деформация свободного конца биметаллической пластины приводит к ее распрямлению и рычаг 3 освобождается. Под действием пружины 6 рычаг 3 поворачивается против часовой стрелки и контакты 5, включенные в цепь управления контактора, размыкаются, отключая двигатель. Через некоторое время пластина 2 остынет, примет свою первоначальную форму и тогда с помощью кнопки возврата 4 вручную можно возвратить рычаг 3 в рабочее положение и замкнуть контакты 5. Реле снова готово к работе. Обозначение на электрических схемах нагревательных элементов и контактов тепловых реле приведено в таблице 1.

Для нагревания биметаллической пластины требуется значительное время даже при очень большом токе нагрузки. Поэтому тепловое реле не может надежно защищать от токов короткого замыкания и его используют для защиты от длительного протекания токов, незначительно превышающих номинальный (это может быть вызвано перегрузкой двигателя или перегоранием предохранителя в одной фазе). Значение тока срабатывания реле, т.е. тока, при котором тепловое реле размыкает свои контакты, выбирается по номинальному току электродвигателя. Изменить ток срабатывания можно заменой нагревательного элемента, изменением расстояния между нагревательным элементом и биметаллической пластиной и другими способами (в зависимости от конструкции реле).

3.3 Автоматические выключатели

Автоматический выключатель (или автомат, как его часто называют) является коммутирующим аппаратом, предназначенным для автоматического отключения цепи при возникновении в ней короткого замыкания, перегрузки или снижении напряжения и для нечастых ручных включений и отключений цепей при нормальных режимах работы. Таким образом, некоторые конструкции автоматических выключателей объединяют в себе функции рубильника, предохранителя и теплового реле. В отличие от контактора автоматический выключатель выполняет функции защиты электроустановки, он может отключать большие токи короткого замыкания.

Автоматические выключатели применяют в сетях переменного и постоянного тока напряжением до 1000 В. Они бывают одно-, двух-, и трехполюсные, имеют пластмассовый корпус. Для гашения дуги применяют камеры с дугогасительными решетками. У некоторых автоматических выключателей вместо рукояток управления имеются соленоиды включения и отключения.

Измерительным органом, контролирующим значение тока или напряжения, при которых автоматический выключатель должен отключать электрическую цепь, является расцепитель, по типу которого автоматические выключатели подразделяют на автоматические выключатели с электромагнитным расцепителем и автоматические выключатели с комбинированным расцепителем (т. е. имеющие независимо действующие электромагнитный и тепловой расцепители).

Автоматические выключатели максимального тока, отключающие цепь при превышении током заданного значения, имеют электромагнитный расцепитель, принцип действия которого показан на рисунке 5, а. Катушка электромагнита 8 включена последовательно с защищаемой цепью. Если ток в цепи превышает заданное значение, сердечник 7 притягивает к себе якорь 6, удерживаемый пружиной 5, защелка 3–4 освобождается и пружина 1 отключает выключатель 2. Ток срабатывания, при котором автоматический выключатель отключает цепь, можно отрегулировать натяжением пружины 5 в пределах (1÷2)Iном. Время отключения составляет 0,05–0,15 с, поэтому он называется автоматическим выключателем мгновенного действия. Иногда в цепи возникает кратковременная неопасная перегрузка, при которой не надо отключать цепь. Тогда автоматический выключатель максимального тока должен иметь устройство, обеспечивающее выдержку времени, т.е. допускающее работу в течение нескольких секунд при токе, превышающем его ток срабатывания. Принцип получения выдержки времени показан на рисунке 5, б. Здесь зубчатая система 4 не позволяет электромагнитной системе мгновенно притянуть якорь к сердечнику. Если повышенное значение тока исчезает раньше момента соприкосновения якоря с сердечником, то пружина 5 оттягивает якорь в исходное положение и автоматический выключатель не размыкает цепь.

 
Рисунок 5 – Принцип действия автоматических выключателей с электромагнитным расцепителем

Принцип действия автоматического выключателя с тепловым расцепителем аналогичен принципу действия теплового реле. Эти автоматические выключатели не могут надежно защищать от коротких замыканий. Как и тепловые реле, они защищают лишь от длительных перегрузок. Автоматические выключатели с комбинированным расцепителем имеют электромагнитный расцепитель, реагирующий мгновенно на ток короткого замыкания, и тепловой, реагирующий на ток длительной перегрузки.