ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ РЕЛЕЙНО-КОНТАКТОРНОГО

УПРАВЛЕНИЯ

Наиболее часто используются принципиальные электрические схемы, на которых в виде условных графических обозначений, установленных в стандартах ЕСКД, изображают все электрические аппараты и устройства со всеми электрическими связями между ними, а также электрические элементы (разъемы, зажимы и т.д.).

Основные правила выполнения схем:

- схемы выполняются без масштабов; графические элементы аппаратов располагают на схеме там, где это наглядно для понимания работы схемы (используется принцип наибольшей наглядности). Если различные элементы одного аппарата на чертеже оказываются в разных частях схемы, они снабжаются одинаковыми буквенными или буквенно-цифровыми обозначениями;

- схемы изображают в отключенном положении аппаратов, когда катушки не обтекаются током, а кнопки и пружины отпущены. В соответствии с этим все контакты в схеме делятся на замыкающие (при обесточенной катушке разомкнуты) и размыкающие(при обесточенной катушке замкнуты). Силовые цепи на схеме вычерчивают жирными линиями, а цепи управления – более тонкими;

- каждому устройству и элементу на схемах присваивается буквенно-цифровое обозначение, составленное из буквенного обозначения и порядкового номера, проставленного после буквенного обозначения, одинаковой с ним высоты.

Приведем рекомендуемые одно- и двухбуквенные обозначения (первая буква означает тип элемента, вторая – его функциональное назначение):

А – усилители; В – преобразователи неэлектрических величин в электрические (датчики; например, ВR – тахогенератор); С – конденсаторы; D – интегральные схемы; F – разрядники, предохранители, защитные устройства (FА – дискретные элементы защиты по току; FU – плавкие предохранители); G – генераторы, источники питания; К – реле, контакторы, пускатели (КА – токовое реле, КК – электротепловое реле, КТ – реле времени, КU – реле напряжения, КМ – контактор, магнитный пускатель); М – двигатель; Q – выключатель в силовых цепях (QF – автоматический выключатель, QS – рубильник); S – коммутационные устройства для слаботочных цепей (SА – выключатель или переключатель, SВ – выключатель кнопочный, SQ – выключатель путевой, SМ – командоконтроллер); Т – трансформаторы (ТА – трансформатор тока, ТU – трансформатор напряжения); U – преобразователи одних электрических величин в другие электрические величины (UZ – преобразователь частоты, выпрямитель, инвертор); V – приборы полупроводниковые (VD – диод, VТ – транзистор, VS – тиристор); Y – устройства механические (YА – электромагнит, YВ – тормоз, YС – электромагнитная муфта).

Но часто обозначение элементов электрических аппаратов составляют также и из начальных букв названия и назначения аппарата, например: РТ – реле тепловое, РП – реле промежуточное, П или КнП – кнопка «Пуск», С или КнС – кнопка «Стоп».

На рис. 9.1, а приведена простейшая схема управления пуском асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Для пуска включают рубильник QS и нажимают на кнопку SВ1. Контактор КМ1 при этом включается (так как через размыкающий контакт кноп-ки SВ2 и кнопку SВ1 образуется замкнутая цепь для катушки контактора КМ1) и своими главными контактами (с дугогашением) КМ1 подключает статор двигателя к сети. Замыкающий блок-контакт контактора КМ1 шунтирует кнопку SВ1 (это позволяет отпустить кнопку SВ1, не отключая катушки контактора КМ1). Блок-контакт КМ1 называют контактом самопитания или контактом самоблокировки. Отключение электродвигателя от сети осуществляется нажатием кнопки SВ2 (по катушке КМ1 протекание тока прерывается, контактор отключится, разомкнув три силовых контакта КМ1 в цепи двигателя М), после чего схема приходит в исходное состояние.

Данная схема обеспечивает так называемую нулевую защиту – защиту от самопроизвольного повторного включения асинхронного двигателя при восстановлении напряжения сети после аварийного понижения его до нуля или до недопустимо низких значений. При перебое в электроснабжении контактор КМ1 отпадает, размыкая все свои контакты, включая и блок-контакты, а при появлении напряжения в сети контактор КМ1 не включится сам, пока не будет нажата кнопка SВ1. То же самое будет происходить, если напряжение сети уменьшится до 50…60 % номинального при переменном токе и до 15…20 % при постоянном токе. Если электродвигатель включают рубильником, пакетным выключателем и контроллером, то при перебое в электроснабжении и остановке механизма схема электропривода не нарушается, а восстановление напряжения в сети вызывает самопроизвольное включение двигателя. Такой внезапный пуск двигателя и механизма может стать причиной аварии или несчастного случая. Замена кнопки SВ1 аппаратом ручного управления без самовозврата, например тумблером, также приводит к тому, что схема теряет свойство нулевой защиты.

На рис. 9.1, б показана схема управления пуском асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором с реверсивным магнитным пускателем. Для подачи командных импульсов имеются три кнопки SВ1, SВ2, SВ3. При нажатии кнопки SВ1 включается контактор КМ1, который своими силовыми контактами КМ1 подключает статор двигателя к сети. Одновременно он своим замыкающим блок-контактом шунтирует кнопку SВ1, а размыкающим блок-контактом разрывает цепь катушки контактора КМ2, чтобы исключить возможность короткого замыкания в силовой цепи двигателя через главные контакты контакторов КМ1 и КМ2 при одновременном нажатии обеих кнопок (SВ1 и SB2). При нажатии кнопки SВ2 включается контактор КМ2. Две фазы статора при этом меняются местами, и двигатель изменит направление вращения. В данной схеме для реверса электродвигателя необходимо предварительно нажать на кнопку SВ3 («Стоп»), а затем уже на кнопку SВ2.

В электроустановках с целью исключения аварий и повышения надежности работы при возможных нарушениях нормального режима могут применяться различные виды защит, блокировки и сигнализация. В релейно-контакторных схемах управления применяются (кроме нулевой) также максимально-токовая, тепловая и другие виды защит. Нулевая защита обеспечивает защиту от самозапуска двигателя при кратковременном исчезновении напряжения сети. При управлении от кнопок нулевую защиту осуществляет сам контактор, а при управлении от командоконтроллера – реле защиты по напряжению. Максимально-токовая и тепловая защиты обеспечивают защиту электрооборудования от коротких замыканий и перегрузок.

Реверсивные магнитные пускатели, содержащие по два контактора в общем корпусе, обычно снабжаются механической блокировкой. В этом случае посредством коромысла или кулачков не допускается включение одного контактора, когда другой уже включен или пока он полностью не отключится.

Блокировки в электрических схемах обеспечивают правильный порядок работы схемы, исключают холостые и аварийные включения аппаратов, предупреждают несчастные случаи, возможные завалы перегрузочных пунктов, поломки машин и др. По назначению блокировки разделяют на технологические и защитные. Технологические блокировки используются для осуществления заданной последовательности работы схемы. Защитные блокировки предотвращают ошибочные переключения в схеме и защищают электрооборудование, механизмы, а иногда и оператора от последствий неправильных действий. К защитным относятся блокировки реверсивных пускателей, предупреждающие их одновременное включение (см. рис. 9.2, б). Путевые блокировки ограничивают движение механизмов и защищают их от поломки.

Пуск асинхронных электродвигателей с фазным ротором средней и большой мощности производится в большинстве случаев с помощью реостата, включенного в цепь ротора (рис. 9.3), в автоматическом режиме. Пуск двигателей постоянного тока и асинхронных с фазным ротором обычно осуществляют в соответствии с заданной пусковой диаграммой, при этом закорачивание ступеней реостата происходит либо при достижении двигателем определенной скорости, либо при определенной силе тока, частоте или через заданные промежутки времени.

На рис. 9.3, а изображена пусковая диаграмма двигателя с тремя ступенями пускового реостата, из которой видно, что закорачивание ступеней реостата производится через время t₁ (первая ступень), через время t₂ (вторая ступень) и т.д. Ток двигателя при пуске изменяется в пределах от I₁ до I₂.

Автоматическое управление в функции тока. Величина тока во время пуска двигателя колеблется в заданных пределах (см. рис. 9.3, а) I₁ – I₂, где I₁ – наибольший пусковой ток в момент включения электродвигателя. По мере разгона двигателя его ток снижается до величины I₂, при которой часть пускового реостата шунтируется, что приводит к новому увеличению тока до значения I₁ и т.д. Рассматриваемый метод управления основан на применении токовых реле с катушками, включаемыми в силовую цепь двигателя непосредственно или через трансформатор тока.

Схема пуска асинхронного электродвигателя в функции тока показана на рис. 9.3. После включения линейного контактора КМ1 двигатель запускается при полностью введенном в ротор реостате. Под действием пускового броска токовое реле КА включается и размыкает свой контакт. Катушка КМ1 при этом получает питание через блок-контакт КМ1 и резистор R. Замыкание блок-контакта КМ1 в цепи ускоряющего контактора КМ2 не вызывает включения последнего из-за значительной величины сопротивления резистора R.

Только после уменьшения тока двигателя до величины I₁ реле КА, отрегулированное на соответствующую силу тока, отпустит свой якорь и замкнет размыкающий контакт КА. При этом контактор КМ2 своими силовыми контактами зашунтирует первую секцию пускового реостата. Соответствующий этому бросок тока снова вызовет включение реле КА, которое своим блок-контактом препятствует мгновенному включению второго ускоряющего контактора КМ3. Контактор же КМ2 остается включенным через блок-контакт КМ1 и резистор R, так как его ток при этом достаточен для удержания якоря в притянутом положении. Аналогично происходит шунтирование остальных ступеней реостата.

Автоматическое управление в функции времени. Наряду с автоматизацией технологических процессов реле времени применяют и для автоматизации процессов пуска и торможения электроприводов.

В машиностроении используются и моторные реле времени на основе синхронного двигателя, электромагнита и фрикционной муфты. В различных исполнениях реле обеспечивает уставки от 2с до 24ч.

Когда от реле времени требуется большое количество срабатываний в час, применяют разнообразные электронные и полупроводниковые реле, обеспечивающие самые различные выдержки.

Схема автоматизации пуска двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением посредствам электромагнитных реле времени 1РУ и 2РУ, называемых в таких схемах реле ускорения, приведена на рис. 9.4.

При включении схемы ток проходит через обмотку 1РУ, якорь Я электродвигателя и две ступени пускового реостата R1 и R2. Реле 1РУ при этом включается и его размыкающий контакт открывается. Вследствие большого сопротивления катушки 1РУ ток в цепи включения реле мал и никакого действия на электродвигатель не оказывает. В обмотку реле 2РУ, включенную параллельно ступени R1 пускового реостата, ответвляется очень небольшой ток, от которого реле сработать не может. По обмотке возбуждения электродвигателя ток протекает.

При нажатии кнопки П включается линейный контактор КЛ и становится на самопитание. Рабочий контакт КЛ замыкает цепь яко-ря электродвигателя, по которой проходит пусковой ток, ограниченный двумя ступенями реостата. Часть пускового тока ответвляется в катушку реле 2РУ, которое теперь включается и мгновенно открывается его контакт в цепи катушки 2У. Одновременно с включением цепи якоря рабочий контакт КЛ линейного контактора замыкает накоротко катушку реле времени 1РУ. Ток в катушке 1РУ убывает и через некоторое время реле отпадает, закрывая свой размыкающий контакт 1РУ в цепи катушки 1У. При этом включается контактор 1У, главный контакт которого замыкает накоротко ступень R1 пускового реостата и одновременно – катушку реле времени 2РУ. Реле это отпадает с выдержкой времени и размыкающим контактом 2РУ включает контактор 2У, а главный контакт последнего замыкает накоротко вторую ступень R2 пускового реостата.

Параллельно обмотке возбуждения ОВ включен разрядный резистор СР (его сопротивление в 4–5 раз больше сопротивления обмотки возбуждения), замедляющий уменьшение потока и предохраняющий изоляцию обмотки от повреждения в случае аварийного обрыва цепи возбуждения.

Схема автоматического пуска асинхронного двигателя с использованием реле времени электромагнитного типа показана на рис. 9.5. Нажатием кнопки SВ1 подается питание на катушку контактора КМ1, который, включившись, своими главными контактами подключает электродвигатель М к сети при полностью введенном в цепь ротора реостате. Размыкающий блок-контакт КМ1 отключает реле времени КТ1, и последнее с выдержкой времени включает первый ускоряющий контактор КМ2, включившись, он шунтирует первую ступень пускового реостата. Аналогично шунтируются вторая и третья ступени пускового реостата, после чего двигатель выходит на естественную характеристику и пуск на этом заканчивается.

Разгон двигателя осуществляется автоматически с помощью реле времени КТ1…КТ3. Ручка командоконтроллера устанавливается в крайнее (3) положение, при котором замыкаются все его контакты I–I; II–II; III–III. Размыкающий блок-контакт включившегося ранее контактора КМ1 отключает реле времени КТ1, которое с заданной выдержкой времени замкнет свой контакт в цепи ускоряющего контактора КМ2. Последний, включившись, шунтирует секцию R1 пус-кового реостата; при этом отключается реле времени КТ2. Последнее с выдержкой времени включит контактор КМ3, который зашунтирует вторую секцию пускового реостата R2. Третья секция пускового реостата будет зашунтирована аналогично. Реле напряжения осуществляет нулевую блокировку командоконтроллера. Включение двигателя и его разгон можно осуществлять только из нулевого положения командоконтроллера. Защита двигателя от перегрузки осуществляется максимальным реле FА, размыкающий контакт которого включен в цепь катушки реле FV.

Схема автоматического управления асинхронным двигателем с фазным ротором с динамическим торможением в функции времени представлена на рис. 9.7. Перед пуском двигателя универсальный переключатель SА должен стоять в положении С («Стоп»), в котором замкнуты контакты 2–4, а контакты 1–3 разомкнуты. В этом положении переключателя катушки контакторов КМ1 – КМ4 отключены, двигатель неподвижен. При замыкании рубильника в схеме QS1 практически ничего не изменяется. При замыкании рубильника QS2, хотя двигатель остается неподвижным, через размыкающие контакты КМ1 и КМ2 включатся катушки реле времени КТ1 и КТ2. Размыкающие контакты реле КТ1, КТ2 разомкнутся в цепях контакторов КМ2 и КМ3, а контакт КТ2 в цепи реле КV замкнется. Через контакты 2–4 универсального переключателя и контакт КТ2 включается реле КV и замыкает свой контакт. Таким образом, схема готова к работе, двигатель неподвижен.

Работа схемы происходит следующим образом. Размыкающий контакт включившегося контактора КМ1 размыкает цепь катушки реле времени КТ1. Реле отключается и с выдержкой времени замыкает свой размыкающий контакт КТ1 в цепи контактора КМ2. Контактор включается и своими главными контактами КМ2 шунтирует первую ступень реостата R1. Двигатель разгоняется по новой реостатной характеристике. Размыкающий блок-контакт КМ2 размыкает цепь катушки реле КТ2. Последнее отключается и с выдержкой времени замыкает свой размыкающий контакт КТ2 в цепи контактора КМ3. Контактор КМ3 своими главными контактами выводит оставшуюся ступень пускового реостата. При этом двигатель выходит на естественную характеристику и пуск заканчивается.

Остановка двигателя происходит в режиме динамического торможения. Для остановки двигателя универсальный переключатель SА переводят в положение С («Стоп»). При этом его контакты 1–3 размыкаются и отключают контакторы КМ1 – КМ3. Контактами КМ1 двигатель отключается от сети переменного тока, а в цепи ротора вводится весь пусковой реостат, поскольку контакты КМ2, КМ3 разомкнутся. Одновременно с перечисленными выше переключениями разомкнется контакт КМ1 в цепи реле времени КТ3 и замкнется контакт КМ1 в цепи контактора КМ4. Хотя катушка КТ3 обесточивается, контакт реле КТ3 в течение времени выдержки останется замкнутым. Через контакты КМ1 и КТ3 в катушку контактора КМ4 будет проходить ток. Замкнувшиеся контакты КМ4 через дополнительный резистор R_д.т подадут постоянный ток в две фазы статора асинхронного двигателя. Двигатель остановится в режиме интенсивного динамического торможения.

По истечении выдержки времени контакты реле времени КТ3 отключат контактор КМ4 и последний своими контактами отключит источник постоянного тока от статора двигателя. На этом торможение оканчивается.

Защита схемы управления осуществляется плавкими предохранителями FU1, защита двигателя от перегрузок и коротких замыканий – максимальным двухкатушечным реле FА1, защита цепи постоянного тока в режиме динамического торможения – максимальным реле FА2. Максимальная защита работает следующим образом: при перегрузке или коротком замыкании срабатывает (включается) максимальное реле и размыкает свой контакт FА1 (или FА2) в цепи реле КV. Реле КV отключается, своим контактом размыкает цепь контактора КМ1, и двигатель отключается от сети.

Автоматическое управление в функции скорости. Простейшим командным аппаратом в системах автоматического управления в функции скорости является индукционное реле контроля скорости (рис. 9.8). Валик 1 реле связывают с валом электродвигателя, скорость которого необходимо контролировать. На этом валике закреплен цилиндрический постоянный магнит 2. На том же валике 1 на отдельных подшипниках установлено кольцо 3 из листовой стали. На внутренней поверхности кольца уложена обмотка 4, аналогичная обмотке ротора короткозамкнутого асинхронного двигателя.

При вращении магнита 2 в стержнях обмотки 4 наводятся ЭДС и появляется ток, в результате чего кольцо 3 поворачивается в сторону вращения магнита так же, как ротор асинхронного двигателя начинает вращаться вслед за полем. При повороте кольца 3 толкатель 5 в зависимости от направления вращения вала электродвигателя воздействует на контактную систему 6 или 7. Во время остановки и приближения его частоты вращения к нулю толкатель 5 перестает нажимать на контактные пружины 8 и 9, и контактная система приходит в нормальное положение.

Наиболее широкое применение в машиностроении реле контроля скорости получило в схемах торможения противовключением асинхронных двигателей. Одна из таких схем представлена на рис. 9.9. При нажатии на кнопку П срабатывает рабочий контактор КР, который своими главными контактами включает электродвигатель. При этом открывается размыкающий блок-контакт КР и закрывается замыкающий блок-контакт в цепи катушки промежуточного реле РП. Когда электродвигатель разгонится до некоторой небольшой частоты вращения, замыкающий контакт реле контроля скорости РКС закрывается и включает реле РП. Это реле замыкает контакт, включенный параллельно замыкающему блок-контакту КР. Через катушку КТ ток при этом не протекает, так как цепь ее разорвана замыкающим контактом КР. В таком состоянии схема находится во время работы станка.

Реле контроля скорости пригодно также для торможения и реверсивного электродвигателя. В этом случае контактор, включающий двигатель вперед, используют как тормозной при вращении двигателя в обратную сторону, и наоборот.