В.А. Старовойтов Контактное дистанционное управление реверсивным асинхронным двигателем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Кафедра электропривода и автоматизации

КОНТАКТНОЕ ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕВЕРСИВНЫМ АСИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Методические указания к проведению лабораторной работы по дисциплинам "Управление техническими системами"

и "Технические средства автоматизации"

для студентов специальностей 100700, 170100, 170500

Составители В.А. Старовойтов Н.М. Шаулева

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 20.12.02

Рекомендованы к печати учебно-методической комиссией специальности 170500 Протокол № 6 от 20.12.02

Электронная копия хранится в библиотеке главного корпуса ГУ КузГТУ

Кемерово 2003

1

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является изучение принципов действия и конструкций технических средств для дистанционного управления небольшим асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором в нормальном и аварийном режимах.

2.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1.Изучение настоящих методических указаний.

2.2.Изучение работы системы управления в нормальном режиме.

2.3.Изучение работы системы управления при пониженном напряжении в сети.

2.4.Изучение работы системы управления при перегрузках электродвигателя.

2.5.Подготовка к защите.

3.ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Для привода в действие рабочих и регулирующих органов и аппаратов как на химических производствах, так и на производствах строительных материалов широко используются электродвигатели разнообразнейших конструкций. Наибольшее распространение среди них получили относительно простые и дешевые асинхронные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором (далее АЭКЗ).

Впринципе, управление (включение, отключение, реверсирование) АЭКЗ возможно с помощью обыкновенных рубильников, однако они не могут обеспечить какую-либо автоматизацию процессов управления и, кроме того, требуют прокладки силовых цепей к пульту управления и обратно, что экономически нецелесообразно (особенно при больших расстояниях).

Внастоящее время для управления АЭКЗ используются специальные контактные и бесконтактные аппараты. Группу контактных аппаратов представляют контакторы и магнитные пускатели.

Контакторы представляют собой аппараты, с помощью которых путем воздействия на электромагниты производится управление контактами, замыкающими и размыкающими силовые и вспомогательные цепи. Мощность, необходимая для питания катушек электромагнитов в

2

цепях управления, незначительна по сравнению с мощностью силовых цепей. В этом смысле уместно говорить об усилении в схемах релейноконтакторного управления.

При включении катушки к ее сердечнику притягивается якорь и замыкаются или размыкаются контакты. Контакты, разомкнутые при обесточенной катушке, называются замыкающими (з); контакты, замкнутые при обесточенной катушке, называются размыкающими (р).

В одном контакторе может быть несколько разных силовых и вспомогательных контактов. Вспомогательные контакты называются блок-контактами, так как они используются чаще всего для целей блокировки. При одной паре силовых контактов контактор называется однополюсным. При переменном токе наибольшее распространение имеют двух- и трехполюсные контакторы, при постоянном токе – однополюсные. Магнитная часть контакторов (катушка, магнитопровод) может быть предназначена для постоянного или переменного тока.

Одной из особенностей контакторов переменного тока является необходимость сборки их магнитопроводов из листовой высоколегированной стали, проклеенной бумагой или покрытой лаком во избежание повышенных потерь и нагрева. Вторая их особенность заключается в том, что питаемая переменным током катушка магнита перестает притягивать якорь при переходе магнитного потока через нуль.

Для того чтобы избежать значительных вибраций магнитопровода и устранить возможность отрыва якоря при исчезновении магнитного потока, часть магнитопровода (обычно около 1/3 площади его сечения) охватывается специальным короткозамкнутым витком. Кроме главного потока, созданного током в катушке контактора, в части магнитопровода, охваченной короткозамкнутым витком, возникает поток, наведенный током, протекающим в этом витке. Ток в короткозамкнутом витке наводится так, как во вторичной обмотке трансформатора, первичной же обмоткой служит катушка контактора. Будучи смещенным по фазе, поток, создаваемый током, протекающим в этом витке, удерживает якорь в момент исчезновения главного потока.

Результирующий поток нулевого значения не имеет. Чем больше сечение провода короткозамкнутого витка, тем больше протекающий в нем ток и интенсивнее его нагрев. Поэтому сечение витка определяется условиями надежного притяжения якоря без вибраций.

Реактивное сопротивление катушки контактора переменного тока при невтянутом якоре и незамкнутой магнитной системе невелико, и

3

полное сопротивление электрической цепи управления в момент вклювключения контактора определяется лишь активным сопротивлением. В этом случае ток втягивания в шесть-десять раз превышает ток в катушке при притянутом якоре.

Чтобы снизить ток в катушках, необходимо уменьшить зазоры. Значительные токи втягивания и сильные удары при включениях по набранному из листов магнитопроводу снижают долговечность контакторов с магнитной системой переменного тока при значительном числе включений. Для устранения этих недостатков применяют магнитные системы постоянного тока даже тогда, когда силовые контакты включены в цепи трехфазного тока.

Контакты контакторов при замыкании и размыкании так же, как и в кулачковых контроллерах, перекатываются. Это обеспечивает очищение контактов. Их работу облегчает то, что разрыв дуги происходит не в месте длительного протекания тока. Контакты, как правило, делаются медными, в них так же, как и в кулачковых контроллерах, предусматриваются дугогасительные катушки и камеры. Для гашения дуги, наряду с магнитным, применяется также деионное гашение, Последнее заключается в том, что над контакторами внутри дугогасительной камеры размещают стальные пластины, разбивающие дугу на ряд участков. Отдельные части дуги при этом быстро охлаждаются и гаснут. В последнее время для изготовления контактов стали применять различные металлокерамические материалы. В контактах, предназначенных для продолжительной работы без частых включений и выключений, применяют серебряные накладки.

Принцип действия контактора рассмотрим на примере схемы, изображенной на рис. 1.

Ток в рабочей катушке 16, вызванный напряжением на ее выводах 15, создает тяговое усилие, и якорь 2 стремится притянуться к сердечнику 1. Противодействующая пружина 14 сжимается. При правильно выбранных значениях тягового и противодействующего усилий подвижный контакт 12 замыкается с неподвижным 10. Их выводы обозначены цифрами 3 и 5. Пружина 13 своим давлением гасит вибрации рабочих контактов при их замыкании и размыкании, а возвратная пружина 14 после отключения тока рабочей катушки 16 обеспечивает исходное положение якоря. Ток потребителя, подключенного к зажимам 3 и 5, протекает через контакты 12 и 10, гибкий проводник 4, соединяющий 12 и 3, дугогасительную катушку 7, создающую магнитное дутье

4

(см. ниже). Остальные цифровые обозначения: 11 – дуга, 8 – полюсные наконечники дугогасительного электромагнита (с катушкой 7), 9 – направление магнитного поля дугогасительной катушки, 6 – асбоцементная дугогасящая камера. Стрелками Q обозначены электродинамические силы, возникающие от взаимодействия тока дуги и поля дугогасительной катушки.

Рис. 1. Контактор постоянного тока КПВ-600

Контактор крепится на асбестоцементной плите и имеет обычно заднее присоединение проводов. Сердечник электромагнита контактора переменного тока выполняется П-образной или Ш-образной формы и набирается из листовой стали.

Существует большое разнообразие конструкций контакторов [2]. Различают контакторы легкого и тяжелого режима работы. Первые рассчитаны на частоту включений 120-150 вкл/ч и общую износоустойчивость 1 млн включений и отключений без нагрузки (блокконтакты 300 тыс.). Контакторы тяжелого режима предназначены для частоты до 1200 вкл/ч и рассчитаны на общую износоустойчивость

5

10 млн включений и отключений без нагрузки (блок-контакт 1 млн. включений).

Катушки контакторов рассчитывают на длительное включение (ПВ-100 %) и допускают снижение напряжения до 85 % и повышение его до 105 % от номинального значения. Контакторы переменного тока иногда имеют магнитную систему постоянного тока, которая в условиях напряженного эксплуатационного режима работает более надежно.

Для обычных конструкций собственное время срабатывания контактора при включении составляет 0,05÷0,08 с. При отключении это время 0,02÷0,05 с.

Контакторы при открытой установке пригодны для работы в среде, не насыщенной токопроводящей пылью и газами, разрушающими изоляцию и металл.

По исполнению контакторы различаются номинальной силой тока главных контактов, числом главных и вспомогательных контактов (блок-контактов), наличием или отсутствием дугогашения, конструкцией контактов и техническими данными втягивающих катушек. Контакторы различаются также по способу крепления, монтажа и присоединения проводов (переднее или заднее присоединение, крепление на рейках и т. д.). Для оценки свойств контакторов существенное значение имеет наличие или отсутствие накладок на главных контактах.

Контакторы переменного тока выполняются с втягивающими катушками для напряжения 127, 220 и 380 В при частоте 50 Гц. При этом они имеют следующие параметры:

	Предельная	Предельная		Термическая
			Динамическая	устойчивость
Наименование	разрывная	способность
	способность	выключения	устойчивость	(в течение
				0,5-1 с)
Контакторы
переменного
тока:
до 100 А	(10-40) Iн	(10-18) Iн	(15-20) Iн	(18-20) Iн
свыше 100 А	(15-20) Iн	(15-20) Iн	(15-70) Iн	(18-20) Iн

Магнитные пускатели представляют собой контакторы, смонтированные в кожухе (с защитным термическим реле или без него) и предназначенные для дистанционного пуска (остановки) асинхронного двигателя. Два контактора в общем кожухе, предназначенные для ре-

6

версивного управления, называются реверсивным магнитным пускателем.

Для магнитных пускателей часто применяют малогабаритные прямоходовые контакторы облегченного типа с движением якоря магнитной системы не под углом, а снизу вверх и с погружением контактов в масляную ванну. Магнитные пускатели применяют для оперативного управления маломощными двигателями (2,7-75 кВт) у электроталей, монорельсовых тележек, двигателями конвейеров, пневматических установок и т. д.

Они различаются по конструкции, величине, способу защиты от воздействия окружающей среды, числу главных и вспомогательных контактов, схеме включения и номинальному напряжению катушек. В промышленности применяются пускатели общего назначения серий П, ПАЕ, ПМЕ, ПМА; рудничного нормального исполнения серии ПРН; взрывобезопасные серий ПМ, ППВ, ПМВИ, ПВИ, ПВ-1140, ППВ-320.

На рис. 2 представлена конструкция известного магнитного пускателя серии ПМЕ.

Пускатель имеет три главных (силовых) замыкающих мостиковых контакта 4 и по два замыкающих 13 и размыкающих 14 блок-контакта. Магнитная система состоит из неподвижной 10 и подвижной (якоря) 8 Ш-образных частей. Нижний магнитопровод имеет короткозамкнутые витки 6 и катушку возбуждения 9. Якорь закреплен в траверсе 7, которая имеет возможность перемещаться в верхней части корпуса 6 и находится в приподнятом состоянии под действием пружин 12. При подаче напряжения на катушку возбуждения якорь, преодолевая сопротивления этих пружин, опускается, "прилипая" к неподвижному магнитопроводу. Электрически изолированные от якоря, но конструктивно связанные с ним силовые контакты также перемещаются вниз и ложатся на токопроводы 1, замыкая их, т.е. создавая электрическую цепь. Ударная нагрузка амортизируется пружинами 5 и 15. Одновременно срабатывают и блок-контакты.

При отключении электроэнергии (снятие напряжения с катушки возбуждения) магнитный поток исчезает и якорь под действием упомянутых выше пружин 12 поднимается вверх, размыкая силовые контакты. Блок-контакты также принимают свое первоначальное положение.

7

Рис. 2. Магнитный пускатель типа ПМЕ (а) и его силовой контакт (б) 1 – токопровод; 2 – крышка; 3 – серьга; 4 – контакт силовой мостиковый; 5, 12 – пружина; 6 – верхняя часть корпуса, 7 – подвижная траверса; 8 – якорь; 9 – катушка возбуждения; 10 – неподвижная часть электромагнита; 11 – токопровод катушки возбуждения; 13 – блок-контакт замыкающий; 14 – блок-контакт размыкающий; 15 – пружина листовая; 16 – короткозамкнутый виток

8

Лучшие магнитные пускатели выдерживают 10-15 млн включений без тока, до 2 млн включений при максимальной мощности и 20003000 включений в час.

Тепловые реле. В большинстве случаев магнитные пускатели снабжаются (комплектуются) тепловыми реле, осуществляющими тепловую защиту электродвигателя в случаях его перегрузки по моменту или обрыву одной из фаз питающего напряжения.

Защита осуществляется или двумя биметаллическими тепловыми реле с последовательно соединенными в цепи управления размыкающими контактами, или же одним, включенным также в две фазы, но имеющим уже один (общий) размыкающий контакт.

Основным элементом теплового реле является биметаллическая пластинка, изготовленная из двух жестко скрепленных между собой пластинок из металлов с различными коэффициентами линейного расширения. При нагреве биметаллическая пластинка изгибается в сторону металла с меньшим коэффициентом расширения. Нагрев осуществляется при прохождении тока электродвигателя через прикрепленную к ней шину силовой цепи 1, как это показано на pиc. 3.

Рис. 3. Конструктивная схема теплового реле

9

Все элементы реле укреплены на корпусе 9 из электроизоляционного материала. В нормальных условиях ток статора, проходя по шине 1, недостаточно нагревает укрепленную на ней биметаллическую пластину 2. При токах, превышающих номинальные, пластина нагревается сильнее и вследствие этого изгибается, как показано штриховой линией, отжимает защелку 5, а контакт 7 под действием пружины 8 размыкается, производя соответствующие переключения в схеме. Возврат реле в исходное положение производится нажатием кнопки 6 после охлаждения биметаллической пластинки (через 1-2 мин). Уставку теплового реле можно плавно изменять с помощью регулировочного винта с эксцентриком 3, перемещающим упор 4.

Тепловые реле достаточно инерционны и поэтому не могут обеспечить защиту электродвигателя от токов короткого замыкания. Вместе с тем они позволяют производить его отключение при обрыве одного из проводов питающей линии, т.к. в этом случае ток в двух неповрежденных фазах оказывается выше номинального. Этим объясняется включение теплового реле в две фазы силовой цепи электродвигателей переменного тока.

В ряде случаев для машин и аппаратов химических производств требуется реверсирование (изменение направления вращения) электродвигателя. Например, закрытие и открытие заслонки (задвижки), подъем и спуск груза на тельфере.

Из теории электрических машин известно, что для перемены направления вращения ротора трехфазного асинхронного электродвигателя необходимо поменять порядок чередования фаз токов в обмотке статора. Это достигается переключением любых двух проводов питающих статор электродвигателя, с помощью дополнительного магнитного пускателя. Таким образом, реверсивный магнитный пускатель состоит из двух обычных магнитных пускателей, смонтированных в целом корпусе; один из них служит для прямого ("Вперед"), второй – для обратного ("Назад") направления вращения.

4. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Внешний вид стенда с указанием расположения технических средств контроля и управления представлен на рис. 4.