Асинхронные двигатели в системах электропривода

 

Управление  электроприводом заключается в  осуществлении пуска, регулировании  скорости, торможения, реверсирования, а так же поддержании режима работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.

Современные электроприводы для автоматических линий и механизмов обычно строятся с применением релейно–контакторной аппаратуры, на которую возлагаются функции включения питания (подсоединение к сети) силовых блоков и блоков управления, защиты и ввода первоначальных и конечных команд в систему управления приводом. Но наряду с электроприводами, выполняющими сложные функции, в ряде случаев содержащими микропроцессоры или программные устройства управления, существует большое количество электроприводов, на которые возлагаются относительно простые функции. Это обычно нерегулируемые или регулируемые ступенчато в небольшом диапазоне электроприводы с невысоким быстродействием. В задачу систем управления такими электроприводами чаще всего входит организация пуска, торможения, перехода с одной ступени на другую, реверса и осуществление этих операций в определенной последовательности во времени или по командам от рабочей машины, завершившей очередную технологическую операцию. Причем необязательно, чтобы система управления выполняла все эти функции: набор функций зависит от требований к приводу.

Автоматизация упрощает обслуживание механизмов, дает возможность осуществить дистанционное  управление электроприводами. Последнее  особенно важно там, где нельзя управлять  двигателями в непосредственной близости по условиям территориального расположения машин или в связи  с особенностями технологического процесса.

Для автоматического управления электроприводами применяются различные аппараты: контакторы, автоматы, регуляторы, реле, кнопочные станции, путевые выключатели, бесконтактные логические элементы, а так же разного рода вспомогательные  электрические аппараты и машины. Каждый из этих аппаратов состоит  из ряда элементов: электромагнитной системы, создающей необходимое тяговое  усилие; главных и вспомогательных  контактов и т.д. С помощью проводов отдельные аппараты и их элементы электрически соединяются в общую  систему, призванную осуществлять заданные операции в  определенной последовательности.

В системах цепи делятся на две категории: цепи главного тока и вспомогательные. К первым относятся цепи двигателей и генераторов. Вспомогательные  цепи включают в себя цепи управления, где присоединяются катушки контактов и реле, контактные реле, вспомогательные контакты контакторов и другие элементы аппаратов. Кроме того, к вспомогательным относятся цепи защиты, сигнализации и цепи, связанные со специальными блокировками между отдельными электроприводами.

Принципиальная  схема содержит условные графические  изображения элементов всех аппаратов  и машин, которые располагаются  на схеме так, чтобы её было удобно читать, а не по действительному  пространственному расположению элементов, т.е. отдельные токоведущие элементы аппаратов и машин показаны на схеме в электрической цепи вне  зависимости от кинематической или  конструктивной связи этих элементов. Каждому аппарату в схеме присваивается  буквенное обозначение, соответствующее  функции данного аппарата.

В схемах предусмотрены различные  способы защиты двигателей от перегрузки и короткого замыкания, от резкого  снижения питающего напряжения и  др.

2.2. Управление пуском АД с короткозамкнутым ротором

 

Схема управления асинхронным двигателем с использованием магнитного пускателя (рисунок 6) включает в себя магнитный пускатель, состоящий из контактора KM и двух встроенных в него тепловых реле защиты KK. Такая схема обеспечивает прямой (без ограничения тока и момента) пуск АД, отключение его от сети, а также защиту от коротких замыканий (предохранители FA) и перегрузки (тепловые реле KK).

Для пуска двигателя замыкается выключатель  QF и нажимается кнопка пуска SB1. При этом получает питание катушка контактора KM, который, включившись, своими главными силовыми контактами в цепи статора подключает двигатель к источнику питания, а вспомогательным контактом шунтирует кнопку SB1. Происходит разбег асинхронного двигателя по его естественной характеристике. При нажатии кнопки остановки SB2 контактор KM теряет питание и отключает АД от сети. Начинается процесс торможения асинхронного двигателя выбегом под действием момента нагрузки на его валу.

Рисунок 6 – Принципиальная схема управления пуском АД

с короткозамкнутым ротором

2.3. Управление пуском АД с фазным ротором в функции времени

 

Упрощенная  схема управления пуском АД с фазным ротором в функции времени  в две пусковые ступени приведена на рисунке 7. В данной схеме применены реле времени KT1 и KT2, имеющие свои контакты KT1 и KT2 в цепях силовых контакторов KM2 и KM3. Контакты KT1 и KT2 работают на замыкание после потери питания катушек реле KT1 и KT2 с задержкой по времени.

При замыкании рубильника Q напряжение сразу подается на катушки реле времени KT1 и KT2 через замкнутые контакты KM1 и KM2. Тем самым контакты реле KT1 и KT2 оказываются разомкнутыми. После нажатия кнопки пуска SB1 получает питание катушка контактора KM1, в результате чего подается напряжение на статор двигателя, блокируется кнопка SB1 и теряет питание катушка реле времени KT1. Начинается отсчет времени пуска со всеми пусковыми резисторами. После выдержки времени замыкается контакт KT1, получает питание силовой контактор KM2, что приводит к выводу из цепи ротора резистора R_Д1 и к потере питания реле времени KT2. По окончании времени установки катушки реле KT2 замыкается контакт реле KT2, получает питание силовой контактор KM3, шунтируется оставшийся резистор R_Д2, двигатель переходит на естественную характеристику. Все время автоматического пуска складывается из двух установок реле времени KT1 и KT2 и времени разгона двигателя по естественной характеристике.

Рисунок 7 – Принципиальная схема пуском АД

с фазным ротором

Защита  АД предусмотрена такая же, как  в схеме, приведенной на рисунке 6. Нажатием кнопки остановки SB2 двигатель отключается от сетью, при этом катушка контактора КМ1 теряет питание и замыкающие контакторы его КМ1 размыкают цепь статора.      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Управление реверсом АД с короткозамкнутым ротором

Основным  элементом в схеме управления реверсом (рисунок 8) является реверсивный магнитный пускатель, который включает в себя два линейных контактора (KM1 и KM2) и два тепловых реле защиты (KK). Такая схема обеспечивает прямой пуск и реверс асинхронного двигателя, а также торможение АД противовключением при ручном (неавтоматическом) управлении.

 

Рисунок 8 – Принципиальная схема управления реверсом АД

с короткозамкнутым ротором

 

В схеме (см. рисунок 8) предусмотрена также защита от перегрузок АД (реле KK) и коротких замыканий в цепях статора (автоматический выключатель QF) и управления (предохранители FA). Кроме того, в ней обеспечивается и нулевая защита от исчезновения (снижения) напряжения сети (контакторы KM1 и KM2).

Пуск  двигателя в условном направлении  “Вперед” или “Назад” осуществляется нажатием соответственно кнопки SB1 или SB2, что приводит к срабатыванию контактора KM1 или KM2 и подключению АД к сети (при включенном автоматическом выключателе QF).

Для обеспечения реверса или торможения двигателя сначала нажимается кнопка SB3, что приводит к отключению включенного до тех пор контактора (например, KM1), а затем – кнопка SB2, что приводит к включению контактора KM2 и подаче на АД напряжения питания с другим чередованием фаз. После этого магнитное поле двигателя изменяет свое направление вращения и начинается процесс реверса, состоящий из двух этапов – торможения противовключением и разбега в противоположную сторону.

В случае необходимости только затормозить  двигатель при достижении им нулевой  скорости следует вновь нажать кнопку SB3, что приведет к отключению его от сети и возвращению схемы в исходное положение. Если кнопку SB3 не нажимать, последует разбег АД в другую сторону, т. е. его реверс.

Во  избежание короткого замыкания  в цепи статора, которое может  возникнуть в результате одновременного ошибочного нажатия кнопок SB1 и SB2, в реверсивных магнитных пускателях иногда предусматривается специальная механическая блокировка – рычажная система, которая предотвращает одновременное включение двух контакторов. В дополнение к механической в такой схеме используется типовая электрическая блокировка, применяемая в реверсивных схемах управления, которая заключается в перекрестном включении размыкающих контактов аппарата KM1 в цепь катушки аппарата KM2, и наоборот.

Отметим, что повышению надежности работы ЭП и удобства его в эксплуатации способствует использование в схеме  управления воздушного автоматического  выключателя QF, который исключает возможность работы привода при обрыве одной фазы и при однофазном коротком замыкании, как это может иметь место при использовании предохранителей.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По  заданной нагрузочной диаграмме электропривода определил эквивалентную мощность и выбрал асинхронный двигатель 4АНК200L4У3 с фазным ротором, при чем учли условие Р_н≥Р_э. Проверил выбранный двигатель на нагрев по методу средних потерь. Условие ΔР_ср≤ΔР_н, 4,09 кВт < 5 кВт – выполняется. А так же проверил на перегрузочную способность при снижении напряжения в сети. Условие , 1,11 < 2,43 – выполняется. Произвел расчет теплового режима выбранного двигателя, максимальная температура, до которой двигатель нагрелся в течении 4-х циклов составляет 65,43 ⁰С.

Определил сопротивление добавочного резистора, который необходимо включить в цепь ротора выбранного двигателя для снижения частоты вращения на заданную величину при номинальном моменте сопротивления. Построил естественную и реостатную механические характеристики двигателя. Определил максимальный момент M_max=890,67 Н·м.

Рассчитал сопротивления секций пускового резистора и потери электрической энергии при реостатном и прямом пуске. Пришел к выводу, что при прямом пуске расходуется больше энергии на 5036,71 Дж.

Начертил  и изучил схемы управления пуском и реверсом асинхронных двигателей.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Справочник по Электрическим машинам / Под Ред. И. П. Копылова, Б. К. Клокова, М.: Энергоатомиздат, 1998.
2. Вольдек А. И. Электрические машины / А. И. Вольдек, Л.: Энергия, 1978.
3. Касаткин, А. С. Электротехника / А. С. Касаткин, М. В. Немцов, М. :  Высшая школа, 2000.
4. Москаленко, В. В. Электрический привод / В. В. Москаленко,  М.   :   Высшая школа, 1991.
5. Асинхронные двигатели в системах электропривода: методические указания к выполнению курсовой работы / Авилов В. Д., Беляев В. П., Савельева Е. Н., Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. 44с.