Системы ручного, дистанционного управления электроприводом

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ                            ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

                                                                                          

 

                                                                                        Кафедра«Электрооборудования с/х предприятия » 

 

Реферат

На  тему: «Системы ручного, дистанционного управления электроприводом»

 

 

 

                                                       Выполнил студент:

                                                               

                                                                 Проверил преподаватель:

 

                              

                                     МИНСК 2012г

 

ВВЕДЕНИЕ

Управление электроприводами заключается в осуществлении  пуска, регулирования скорости, торможения, реверсирования, а также поддержания режима работы привода в соответствии с требованиями технологического процесса.

В простейших случаях пуск, регулирование скорости и торможение производятся при помощи аппаратов  ручного управления. К ним относятся  рубильники, пакетные выключатели, пусковые и регулировочные резисторы, контроллеры. Применение этих аппаратов связано с дополнительной затратой времени на управление и, следовательно, снижает производительность механизма, особенно в тех случаях, когда его работа связана с частыми пусками или регулированием скорости. Кроме того, применение аппаратов ручного управления исключает возможность дистанционного управления, что неприемлемо в ряде современных автоматизированных установок.

Автоматическое управление электроприводами является одним из основных условий повышения производительности механизмов и производства продукции высокого качества. В системе управления электроприводом используются: релейно-контактные аппараты, где основными элементами являются различного рода реле, контакторы, путевые выключатели и др.; усилители, преобразовательные устройства и датчики — электромашинные, электромагнитные, полупроводниковые (транзисторные, тиристорные, интегральные) и т. п.; бесконтактные логические элементы, различные элементы цифровой и аналоговой вычислительной техники, микропроцессоры и микро-ЭВМ и т. п.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ

АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА СИСТЕМЕ ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР — АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Общие свойства регулируемого  по скорости электропривода, необходимо дополнить рассмотрением ряда частных возможностей регулирования скорости асинхронного электропривода, связанных с его особенностями. Возможные способы регулирования скорости асинхронного электропривода можно разделить на три группы: 1) способы регулирования, при которых скольжение изменяется в широких пределах и потери, выделяющиеся в виде теплоты в элементах роторной цепи, пропорциональны скольжению; 2) способы, при которых абсолютное скольжение двигателя при регулировании остается небольшим и не достигает критического скольжения на естественной характеристике ;3) способы, при которых абсолютное скольжение при регулировании изменяется в широких пределах, но потери энергии скольжения в роторной цепи двигателя ограничены.

К первой группе способов регулирования  скорости асинхронного электропривода относятся рассмотренное ранее реостатное регулирование, регулирование изменением напряжения на статоре двигателя, наложение механических характеристик в двухдвигательном электроприводе, регулирование с помощью асинхронной муфты скольжения и др.

Изменение напряжения, как  средство регулирования момента  в разомкнутой системе может  быть использовано для регулирования  скорости в системе автоматического регулирования по отклонению. Для этого схемы с магнитным усилителем и тиристорным регулятором напряжения необходимо дополнить отрицательной связью по скорости. Рассмотрим основные показатели такого способа регулирования.

Схема регулирования скорости асинхронного электропривода путем изменения напряжения на статоре приведена на рис. 1. Здесь магнитный или тиристорный регулятор напряжения обозначен РН, введен регулятор скорости PC, выходное напряжение которого и_у воздействует на обмотку управления магнитного усилителя или на вход тиристорного регулятора напряжения. На вход PC поданы сигнал задания и_{з. с} и сигнал обратной связи по скорости, получаемый с якоря тахогенератора ТГ. В цепь управления РН введен сигнал смещения, с помощью которого при и_у = 0 устанавливается минимальное напряжение на выходе РН. Практически в схемах с магнитными усилителями для этой цели предусматривается отдельная обмотка смещения, а в тиристорных регуляторах напряжения для установки начального угла регулирования а₀ обычно имеются соответствующие подстроечные элементы.

При оценке условий регулирования  скорости в системе тиристорный регулятор — асинхронный двигатель (ТРИ —АД) необходимо учитывать, что напряжение на выходе тиристорного регулятора несинусоидально, зависит от угла регулирования а и от угла активно-индуктивной нагрузки ψ_н, которой является асинхронный двигатель для ТРН при определенном скольжении s. Электромагнитный момент двигателя определяется первой гармоникой напряжения, а влияние высших гармоник невелико, и им можно пренебречь.

 

 

Рис. 1. Регулирование скорости в от сигнала управления в системе ТРН – АД

 

Так как момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения, можно записать.

                              

                                                   (1)

 

где — момент при данном скольжении, определяемый по естественной механической характеристике двигателя; U_1ф= — относительное значение первой гармоники напряжения питания двигателя.

При работе с U_3.c = const скорость двигателя в рабочей зоне механической характеристики поддерживается системой регулирования примерно постоянной, поэтому для режимов малых отклонений от точки статического равновесия можно линеаризовать:

                                                                               (2) 
     Получим уравнение механической характеристики для рассматриваемого режима:

                                                 (3)                                                                       

 

Таким образом, при принятых допущениях в замкнутой системе  формируется линейная механическая характеристика со скоростью идеального холостого хода  и модулем жесткости, которые определяются заданием и  коэффициентом обратной связи по скорости. При больших жесткость искусственных характеристик получается значительной, и уравнение удовлетворительно описывает реальную механическую характеристику. Как показано на рис.2, отличия проявляются, лишь в режиме, близком к холостому ходу, и при значениях напряжения. Иными словами, удовлетворительно описывает механическую характеристику замкнутой системы электропривода в возможных пределах регулирования момента. При данном способе регулирования потери в роторной цепи пропорциональны скольжению. Поэтому допустимый момент при регулировании скорости при независимой вентиляции двигателя можно определить из соотношения.[2]

                                         

                                     (4)

Откуда

                                                       (5)

Следовательно, для того чтобы при продолжительной работе с малой скоростью двигатель не нагревался сверх допустимой температуры, необходимо снижать его нагрузку в обратно пропорциональной зависимости от скольжения. Для двигателей с самовентиляцией это снижение должно быть больше с учетом ухудшения условий охлаждения по мере роста скольжения. Зависимость показана на рис. 13.

Этот недостаток ограничивает область применения замкнутых.систем асинхронного электропривода, основанных на регулировании .напряжения, механизмами, у которых момент нагрузки при регулировании скорости быстро уменьшается, например механизмами с вентиляторной нагрузкой. Кроме того, этот способ успешно применяется в тех случаях, когда в рабочем цикле требуется кратковременное снижение скорости, а основное время электропривод работает на естественной характеристике.

Дополнительные возможности  регулирования скорости дает применение многодвигательного электропривода. Рассмотрим эти возможности на примере двухдвигательного  асинхронного электропривода, схема  которого приведена на рис.14, а.

Благодаря наличию механической связи между роторами двигателей 1Д и 2Д в статических режимах  работы угловые скорости двигателей одинаковы, а результирующий момент электропривода равен сумме моментов двигателей. При линеаризации механических характеристик результирующая механическая характеристика может быть получена в виде.

 

Рассматривая (2), можно убедиться, что путем целенаправленного изменения жесткостей механических характеристик двигателей, а также соотношения скоростей идеального холостого хода в двухдвигательном электроприводе можно получить результирующие искусственные характеристики, обеспечивающие регулирование скорости.

В качестве примера на рис. 2, а представлена схема двухдвигательного электропривода, в котором двигатель 1Д при включении контактора К1 питается от сети, а при включении контактов контактора К2 в его обмотку статора подается постоянный ток I_п для реализации режима динамического торможения. Второй двигатель 2Д постоянно питается от сети переменного тока.

Наличие фазного ротора у  каждого двигателя позволяет  вводить в цепи ротора добавочные резисторы и таким образом изменять значения β₁ и β₂ а переключение двигателя 1Д в режим динамического торможения дает ω₀₁ =0. При этом подбором жесткостей можно получить глубокое регулирование скорости, как показано на рис. 2, б. Здесь добавочное сопротивление в цепи двигателя 1Д, работающего в режиме динамического торможения, равно нулю и жесткость характеристики 1 β₁ максимальна. Для ограничения тока и увеличения жесткости результирующей характеристики в цепь ротора двигателя 2Д введен добавочный резистор со значительным сопротивлением (характеристика 2, s_к2 > s_к.е). Жесткость рабочего участка результирующей характеристики 3 . выше, чем жесткость β₁ при R_доб = 0, а скорость идеального холостого хода  достаточно мала. При моменте нагрузки М_с результирующая механическая характеристика 3 обеспечивает устойчивую пониженную скорость ω_с.п.

Недостатком данного способа  регулирования скорости являются значительные потери.

Таким образом, если необходимо регулировать скорость при М_с = const, то при работе на полной скорости агрегат должен недоиспользоваться в 2,5 — 3 раза по мощности. Если на пониженной скорости электропривод должен работать малую долю времени цикла, то недоиспользование мощности агрегата из-за кратковременной перегрузки двигателя 2Д на малой скорости может быть сокращено до 1,25 — 1,5 раза. Поэтому наиболее целесообразно применение этого способа в случаях, когда работа с пониженной скоростью в цикле весьма кратко- временна. При этом перегрузки на пониженной скорости сказываются существенно на нагреве двигателей, а низкий КПД системы не может заметно ухудшить энергетические показатели электропривода.

При полной идентичности механических характеристик обоих двигателей каждый из них несет половину общей  нагрузки, и при этих условиях номинальный  момент агрегата равен:

                                                                    (7)

 

Ко второй группе способов регулирования скорости асинхронного электропривода относятся частотное регулирование, особенности которого будут ниже рассмотрены, и регулирование путем изменения числа пар полюсов.

Регулирование скорости путем  изменения числа пар полюсов осуществляется при питании двигателя от сети при путем переключения одной статор ной обмотки с треугольника на двойную звезду  или со звезды на двойную звезду . Число пар полюсов р_п при этом изменяется вдвое, что вызывает соответствующие изменения скорости поля ω₀

                                

                                             (8)

При наличии на статоре  двигателя двух обмоток, обеспечивающих возможность указанного переключения числа пар полюсов, можно обеспечить четыре регулировочных ступени с большими возможностями изменения р_п. Следовательно, данный способ регулирования скорости требует применения специальных двигателей. Габариты и стоимость таких двигателей выше, чем у двигателей односкоростных, однако простота способа и высокая жесткость регулировочных характеристик определяют целесообразность его использования во многих практических случаях.

У двигателя с фазным ротором  роторная обмотка выведена на контактные кольца, что создает возможность подвода напряжения не только к цепи статора, но и к цепи ротора. Активная цепь роторной обмотки, содержащая регулируемые источники, напряжения, позволяет полезно использовать энергию скольжения и вследствие этого осуществлять экономичное регулирование скорости при широких пределах изменения скольжения двигателя.

 

УПРАВЛЕНИЯ  РЕВЕРСИВНЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ С АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ПОСРЕДСТВОМ КОМАНДОКОНТРОЛЛЕРА.

Управление двигателем производится командоконтроллером КК, имеющим три положения. В этой схеме интерес представляет действие защиты. Для двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме (например, в прокатных цехах), тепловые реле не используют, но применяют защиту от перегрева двигателей при стопорении и от перегрузки по току примерно на 100—200 %. Защита выполняется с помощью электромагнитного максимального реле РМ и реле времени РВМ. Реле РМ настраивается на надежное втягивание от пускового тока или от тока допустимой перегрузки и на отпадание при снижении тока двигателя до тока нагрузки. Реле РВМ обычно настраивается на 1,5—2 с. При каждом пуске втягивается реле РМ и отключает катушку реле РВМ, которое размыкает свой замыкающий контакт и отключает катушку реле напряжения PHI только в том случае, если двигатель не идет в ход (или время перегрузки превышает уставку реле РВМ) и контакты реле РМ не замыкаются. Нескольких повторных включений двигателя может быть достаточно для того, чтобы тронуть механизм с места, если, например, стопорение произошло из-за того, что застыла смазка. Стопорение механизмов получается также при заклинивании прокатываемых металлов.

Применение электромагнитных реле РМ и РВМ дает преимущество по сравнению с тепловыми реле в том, что двигатель отключается при стопорении всего через 1,5—2 с и даже не успевает перегреться, тогда как в случае срабатывания тепловых реле потребовалось бы несколько минут для возможности повторного включения двигателя, что в ряде случаев недопустимо. Кроме того, тепловая защита от перегрузок двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме, почти невозможна из-за различного теплового режима (разные постоянные времени нагрева) двигателя и теплового реле.

Представляют интерес  в схеме нулевая защита и защита от самозапуска, осуществляемая с помощью реле минимального напряжения РН1 и РН2. Реле РН2, кроме того, еще отключает схему управления, работающую на постоянном токе, при срабатывании автоматического выключателя В А.

 

 

Рис. 4. Схема управления реверсивным электроприводом с асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором.

 

РУЧНОЕ  УПРАВЛЕНИЕ ПУСКОМ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

Для управления асинхронными двигателями широко используются релейно-контактные аппараты. Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором небольшой мощности осуществляется обычно при помощи магнитных пускателей. Магнитный пускатель состоит из контактора переменного тока и встроенных в него двух тепловых реле.

А)Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором посредством магнитного пускателя.

Схема предусматривает питание  силовых цепей и управления от источника одного и того же напряжения. Однако в целях повышения надежности работы 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.

 

 

Рис. 5. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором посредством магнитного пускателя.

Если выключатель В включен, то для пуска двигателя достаточно нажать кнопку КнП. При этом получает питание катушка контактора КЛ, замыкаются главные контакты в силовой цепи, и статор двигателя присоединяется к сети. Одновременно в цепи управления закрывается замыкающий вспомогательный контакт КЛ, блокирующий кнопку КнП, после чего эту кнопку не нужно больше удерживать в нажатом состоянии, так как цепь катушки контактора КЛ остается замкнутой. Кнопка за счет действия пружины возвращается в исходное положение.

Нажатием кнопки КнС двигатель отключается от сети. При этом катушка контактора КЛ теряет питание и замыкающие контакты его размыкают цепь статора.

В схеме на рис. 5 предусмотрена защита двигателя плавкими предохранителями от коротких замыканий и тепловыми реле РТ от перегрузки. Кроме того, в этой схеме осуществляется так называемая нулевая защита, которая при исчезновении или значительном снижении напряжения в сети отключает двигатель от сети. После восстановления нормального напряжения самопроизвольного пуска двигателя не произойдет.

Более четкая защита от снижения или исчезновения напряжения может быть выполнена при помощи реле минимального напряжения, катушка которого присоединяется к двум фазам силовой цепи, а его замыкающий контакт включен последовательно с катушкой контактора. В этих схемах вместо устанавливаемых ранее на вводе рубильников с предохранителями применяют автоматы.

 

В)Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с использованием воздушного автоматического выключателя и контактора.

Преимущества автоматического  выключателя заключаются в том, что исключается возможность  обрыва одной фазы от срабатывания защиты при однофазном коротком замыкании, как это имело место при установке предохранителей; не требуется замены элементов, как в предохранителях при сгорании их плавкой вставки.

Автоматические выключатели  в зависимости от их типа имеют  либо электромагнитные расцепители  мгновенного действия, либо тепловые, либо электромагнитные и тепловые.

 

Рис. 6 Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с использованием автоматического воздушного выключателя и контактора.

В схемах управления электроприводами используются автоматы с электромагнитными расцепителями и расцепителями электромагнитным и тепловым.

Электромагнитные расцепители  имеют нерегулируемую отсечку, равную 10-кратному номинальному току, и служат для защиты от токов короткого  замыкания. Тепловые расцепители имеют обратнозависимую характеристику времени от тока; например, расцепитель с номинальным током 50 А срабатывает при 1,5-кратной нагрузке через 1 ч, а при 4-кратной — через 20 с. Такие тепловые расцепители не могут защитить двигатель от перегрева при перегрузках на 20—30 %, но они могут в некоторой степени защитить двигатель и питающие его провода от перегрева пусковым током при застопоривании механизма. Поэтому при продолжительном режиме работы для осуществления надежной защиты двигателей от длительных перегрузок в случае автомата с тепловым расцепителем такого типа применяются дополнительные тепловые реле, как и при использовании автоматического выключателя, только с электромагнитным расцепителем. Некоторые выключатели, например АП 50, могут защитить двигатель и от токов короткого замыкания и перегрузок. В этом случае надобность в тепловых реле отпадает. Следует отметить, что тепловая защита одновременно является и защитой двигателей от обрыва одной фазы. Подобные схемы применяются для управления нереверсивными электроприводами таких механизмов, как вентиляторы, насосы, металлообрабатывающие станки и т. а.

 

УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТОРМОЖЕНИЯ В ФУНКЦИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ.

При включении двигателя в сеть переменного тока возбуждается реле времени РДТ, еслн от источника постоянного тока подано напряжение. В этом случае замыкающий контакт реле РДТ будет замкнут. Очевидно, контактор торможения КТ при этом не включен, так как размыкающий вспомогательный контакт контактора КЛ будет разомкнут. Выключение двигателя осуществляется нажатием кнопки КнС контактор КЛ теряет питание, и его размыкающий контакт КЛ закрывается, что приводит к включению контактора КТ, главные контакты которого присоединяют обмотку статора двигателя на время динамического торможения к сети постоянного тока.

При отключении контактора КЛ катушка реле динамического торможения РДТ теряет питание, однако замыкающий контакт РДТ, будучи ранее замкнутым, разомкнется с выдержкой времени, которая несколько превышает длительность торможения двигателя. По истечении установленной выдержки времени статор двигателя автоматически отключается от источника постоянного тока, и система управления приходит в исходное положение.

Во избежание случайного одновременного включения контакторов КЛ и КТ катушки этих контакторов взаимно сблокированы размыкающими вспомогательными контактами КЛ и КТ.

Для ограничения постоянного  тока служит дополнительный резистор R_T. Защита цепи постоянного тока от короткого замыкания осуществляется плавкими предохранителями.

 

 

Рис. 8 Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с использованием динамического торможения.

Для торможения противовключением  используется реле контроля скорости РКС, механически связанное с валом двигателя; его замыкающий контакт при определенной угловой скорости двигателя закрывается. При неподвижном роторе двигателя и небольшой угловой скорости (около 10—15 % номинальной) контакт реле разомкнут.

РКС при вращении ротора двигателя замкнуты, контактор КТ не включается.[3]

Отключение двигателя  производится нажатием кнопки КнС. При этом замыкается размыкающий вспомогательный контакт КЛ. Так как контакт реле РКС замкнут, то контактор КТ получит питание, и статор двигателя будет присоединен к сети. Из схемы видно, что при включении контактора КТ две фазы переключаются и порядок чередования фаз изменяется по сравнению с тем, когда был включен контактор КЛ. При этом происходит торможение противовключением.

При угловой скорости, близкой  к 0, реле РКС размыкает свой контакт, катушка контактора КТ теряет питание и двигатель автоматически отключается от сети.

 

 

Рис. 9. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с использованием торможения противовключением.

 

УПРАВЛЕНИЯ АСИНХРОННЫМ  ДВИГАТЕЛЕМ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ С РЕВЕРСИВНЫМ ПУСКАТЕЛЕМ В ФУНКЦИИ ПУТИ.

В тех случаях, когда необходимо изменять направление вращения, например при работе привода задвижек на трубопроводах, привода рольгангов прокатных станов, механизмов подачи станков и т. п.,

В тех случаях, когда необходимо изменять направление вращения, например при работе привода задвижек на трубопроводах, привода рольгангов прокатных станов, механизмов подачи станков и т. п., управление двигателями может быть осуществлено при помощи реверсивного магнитного пускателя (рис. 10).

 

Рис. 10. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с реверсивным пускателем в функции пути.

Включение двигателя для  одного направления вращения производится нажатием кнопки КнПВ. Катушка контактора КВ получает питание, и замыкающие главные контакты КВ присоединяют двигатель к сети.

Для включения двигателя  на противоположное направление вращения необходимо нажать кнопку КнС, а затем КнПН, что приводит к отключению контактора КВ и включению контактора КН. При этом, как видно из схемы, две фазы на статоре переключаются.

Во избежание короткого  замыкания в цепи статора вследствие ошибочного одновременного нажатия на обе кнопки (КнПВ и КнПН) реверсивные магнитные пускатели снабжены механической блокировкой, осуществляемой рычажной системой (на схеме не показана), препятствующей втягиванию одного контактора, если включен другой.

Для большей надежности, кроме механической блокировки в  схеме, предусмотрена электрическая блокировка с помощью размыкающих вспомогательных контактов КВ и КН, что также исключает возможность одновременного включения контакторов КВ и КН.

Совмещение электрической  и механической блокировок делает схему  вполне надежной в эксплуатации.

 

УПРАВЛЕНИЯ  АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ С ФАЗНЫМ РОТОРОМ В ФУНКЦИИ ТОКА.

Напряжение к статору двигателя подводится через линейные контакты контактора КЛ.

В цепь ротора двигателя  введены пусковые резисторы, шунтируемые  при пуске соответствующими контакторами ускорения. Кроме того, в цепь ротора включены катушки токовых реле ускорения.

Настройка реле ускорения РУ1, РУ2 и РУЗ должна быть произведена таким образом, чтобы токи, при которых соответствующие реле отключаются, удовлетворяли следующему неравенству:

                                                                                                                  (10)

 

 

 

Рис. 13. Схема управления, асинхронным двигателем с фазным ротором в функции тока.

Для пуска двигателя нажатием кнопки КнП включается контактор КЛ, который блокирует пусковую кнопку и подает питание на статор двигателя. Через блокировочный контакт КЛ получает питание реле РБ, контакт которого замыкается и присоединяет цепь катушек контакторов ускорения. Однако контакторы ускорения не включаются, так как размыкающий контакт РУ1 будет открыт до тех пор, пока пусковой ток в цепи ротора не спадет до значения, соответствующего уставке отпускания реле РУ1. После того как контакт РУ1 закроется, сработает контактор ускорения КУ1 и зашунтирует своими силовыми контактами первую ступень резисторов в цепи ротора. Аналогично будут работать реле ускорения РУ2 и РУЗ при меньших уставках тока, и соответственно будут включаться контакторы ускорения КУ2 и КУЗ, которые шунтируют вторую и третью ступени резисторов в цепи ротора, после чего двигатель будет работать с полной угловой скоростью на естественной характеристике.