Принципы автоматического управления пуском и торможением двигателей

 

Классические графики изменения во времени скорости и тока двигателей постоянного тока и асинхронных двигателей с фаз­ным ротором при реостатном пуске (с тремя ступенями пускового сопро­тивления) имеют вид, показанный на рис. 2.1. Из этих графиков видно, что автоматическое выключение (закорачи­вание) ступеней сопротивления должно производиться через определенные про­межутки времени (Δt₁, Δt₂, Δt₃) при определенных скоростях (ω₁, ω₂, ω₃) и при определенной величине тока (I₂). Таким образом, управление пуском в принципе может быть осуществлено: а) в функции независимой выдержки времени; б) в функции скорости; в) в функции тока.

 

Рис. 2.1. Графики изменения тока и скорости при пуске

 

Управление в функции времени предполагает, что в схеме управле­ния есть аппараты, контролирующие время, т.е. реле времени, настраиваемые на отсчет определенных, наперед заданных выдержек времени. Каждое реле включает соответствующий контактор ускоре­ния, который закорачивает главным контактом нужную ступень пуско­вого сопротивления. Для линейных механических характеристик двигателя при M_с. = const время разгона привода на i-й ступени пуска, (2.1)

где - электромеханичес­кая постоянная времени привода наi-й ступени; ω_нач , М_нач и ω_кон , М_кон начальные и конечные значения скорости и момента двигателя на i-й ступени; J — момент инерции привода.

Управление в функции скорости производится при помощи реле, контролирующих скорость двигателя непосредственно или косвенно. По достижении заданного значения скорости соответствующее реле выдает команду на включение контактора ускорения. Наиболее часто применяют косвенные способы, в которых используют величины, пропорциональные скорости двигателя, например ЭДС якоря (для дви­гателей постоянного тока), ЭДС или частоту тока ротора (для дви­гателей асинхронных с фазным ротором и синхронных). В этих случаях говорят об управлении в функции ЭДС или частоты.

Управление в функции тока реализуется применением реле мини­мального тока. Эти реле включают контакторы ускорения в моменты достижения током двигателя заданного значения I₂.

На практике наибольшее распространение получило управление пуском в функции времени. Для двигателей постоянного тока незави­симого возбуждения некоторое применение нашли способы управления пуском в функции ЭДС и тока (последний обычно для управления разгоном двигателя выше основной скорости при ослаблении магнит­ного потока). Управление пуском в функции частоты или тока исполь­зуют для синхронных двигателей при их синхронизации.

Управление торможением двигателей может производиться в функ­ции времени, скорости (ЭДС, частоты) или тока с применением тех же средств, что и при пуске. Окончание процесса торможения со скорости ω_нач фиксируется соответственно: по истечению выдержки времени (Δt_т), при снижении скорости двигателя до нуля (если торможение происходит до остановки) или до заданного значения ω_кон , при сниже­нии тормозного тока двигателя до величины, отвечающей скорости ω_кон . Время торможения привода для линейной механической харак­теристики двигателя при М_с = const

,

 

где Т_м.т - электромеханическая постоянная времени привода на дан­ной характеристике.

Каждый из перечисленных ранее принципов автоматического управления пуском и торможением двигателей реализуется в схемах электроприводов типовыми узлами. Наиболее характерные из этих узлов рассмотрены ниже.

 

Типовые узлы и схемы автоматического управления

двигателями постоянного тока

 

Рассмотрим ряд типовых узлов схем управления электроприводами, реализующими вышеописанные принципы управления. На рис. 2.2, а приведен узел электрической схемы, обеспечиваю­щий автоматический пуск в функции времени двигателя М с двумя ступенями добавочного пускового сопротивления (вид возбуждения двигателя может быть любым, на рисунке показано независимое возбуждение).

Алгоритм работы приведенного узла схемы следующий. Сразу же после подачи напряжения на главные цепи и цепи управления включается реле времени первой ступени РУ1 и открывает свой размыкаю­щий контакт, не давая возможности преждевременно включиться контакторам ускорения КУ 1 и КУ 2.

 

Рис. 2.2. Схема реостатного пуска двигателя постоянного тока в функции времени

 

Нажатие на кнопку КнП («Пуск») приводит к включению линейного контактора КЛ, который замыкает свой главный контакт в цепи якоря двигателя, замыкающим блок-контактом шунтирует кнопку КнП (тем самым контактор КЛ становится на самопитание), а размыкающим блок-контактом разрывает цепь катушки реле РУ1. Двигатель начинает разгоняться по реостатной механической характеристике первой ступени пуска (рис. 2.2, б). При протекании по добавочному сопротивлению пускового тока мгновенно срабатывает реле времени второй ступени РУ2, так как к его катушке прикладывается достаточное по величине напряжение, равное падению напряжения на сопротивле­нии R_доб.п.1. Размыкающий контакт реле РУ2 открывается в цепи катушки контактора КУ2.

Реле РУ1, начавшее отсчет выдержки времени, соответствующей времени t₁ разгона двигателя на первой ступени пуска, по истечении ее замыкает свой контакт. Включается контактор КУ1, который своим силовым контактом закорачивает сопротивление R_доб.п.1 и вместе с ним катушку реле РУ2. Начинается разгон двигателя согласно реостатной характеристике 2 второй ступени пуска. Реле РУ2 отсчитывает выдержку времени, соответствующую времени (t₂ – t₁) двигателя на второй ступени, и затем замыкает свой контакт. Включается контактор КУ2 и закорачивает сопротивление R_доб.п.2. Двигатель выходит на естественную характеристику 3 и разгоняется до уста­новившейся скорости ω_с, соот­ветствующей моменту М_с. На этом пуск заканчивается.

На рис. 2.2, в показаны зависимости момента и ско­рости двигателя от времени, которые дополнительно иллюстрируют работу описанного узла схемы управления. Уставка реле времени РУ1 опре­делится как разность между временем t₁ и собственным временем включения контактора КУ1: . Аналогично определится и уставка реле времениРУ2: . При этомt₁ = Δt₁ и t₂ – t₁ = Δt₂ - расчетные значения времени разгона двигателя на первой и второй ступенях (см. формулу (2.1)).

Достоинством принципа управления в функции времени - это простота и надеж­ность реле времени, удобство регулировки их уставок, возможность применения однотипных реле для двигателей различной мощности. Кроме того, при изменениях статического момента, момента инерции привода, напряжения сети и т.д. время пуска практически не изме­няется. Например, при увеличении М_с до значения М'_с (рис. 2.2, б) при сохранении той же выдержки времени реле РУ1 двигатель на первой ступени разгонится до меньшей скорости, но бросок момента при переключении будет большим. В результате процесс разгона пойдет в соответствии с графиком, показанным на рис. 2.2, б штрихпунктирными линиями, таким образом, что средний динамический момент при пуске останется приблизительно тем же. Поэтому почти не изменится и общее время пуска. Если же бросок момента (тока якоря) превысит допустимое значение, то двигатель отключится максимально-токовой защитой. При управлении в функции времени (в отличие от управления в функ­ции скорости или тока) полностью устраняется опасность «застревания» двигателя на первой ступени пуска при М'_с > М₂. Все это и обусловило широкое распространение управления пуском в функции времени.

На рис. 2.3, а приведен узел схемы автоматического управления пуском двигателя постоянного тока в функции скорости. Контроль скорости в приведенном узле схемы осуществляется косвенным образом. С этой целью в узле схемы, показанном на рис. 2.3, а, катушки контакторов ускорения КУ1 и КУ2 непосредственно подключены на зажимы якоря двигателя независимого возбуждения, т.е. на напряжение и_я, отли­чающееся от ЭДС якоря е_я только на величину падения напряжения в сопротивлении якоря R_я. Поскольку ЭДС якоря двигателя при постоянном маг­нитном потоке, в данном случае номинальном потоке Ф_ном, про­порциональна скорости двигате­ля (), то рассматри­ваемый узел схемы осуществляет управление пуском в функции скорости с ее косвенным кон­тролем, т.е. в функции ЭДС.

При определенных значениях напряжения на якоре u_я1 и u_я2 контакторы КУ1 и КУ2 включаются, закора­чивая ступени пускового рео­стата.

Рис. 2.3. Схема реостатного пуска двигателя постоянного тока в функции скорости

 

Алгоритм работы приведенного узла схемы следующий. Пуск двигателя начинается после нажатия на кнопку КнП и включения линейного контак­тора КЛ. В самом начале пуска напряжение на катушках контакторов КУ1 и КУ2 мало и равно падению напряжения Δu_я на якоре от начального броска пускового тока. Поэтому контакторы не могут сработать, и в цепь якоря введено сопротивление обеих ступеней R_доб.п.1 и R_доб.п.2. По мере увеличения скорости двигателя его ЭДС возрастает. При токе якоря I₂ и скорости ω₁ напряжение на катушке контактора КУ1 становится равным напряжению срабатывания контактора КУ1

(рис. 2.3,б)

Контактор КУ1 включается и закорачивает первую ступень сопротивления R_доб.п.1. В конце разгона на второй ступени пуска, когда напряжение на якоре достигнет значения , включается контакторКУ2, и закорачи­вает вторую ступень сопротивления R_доб.п.2, и двигатель выходит на естественную характеристику.

Очевидно, что значения напряжений срабатывания контакторов КУ1 иКУ2(u_{сраб.КУ1} и u_{сраб.КУ2}) существенно отличаются друг от друга. Сами возможности регулировки напряжения срабатывания у контакторов весьма ограниченны. Поэтому практически всегда для контроляЭДСприменяют реле напряжения(РУ1 и РУ2),которые затем включают контакторыКУ1 иКУ2 (это показано на рис. 2.3, а штрих пунктирными линиями). Но тогда теряется основное положительное качество схемы - ее простота.

Как указывалось ранее, управление в функции тока применяется при разгоне двигателя независимого возбуждения путем ослабления магнитного потока.

На рис. 2.4, а приведен узел схемы, реализующий этот принцип управления (на рисунке для упрощения не показаны цепи катушек контакторов КЛ, КУ1 и КУ2). Контроль тока якоря I_я осу­ществляется токовым реле РУП. Алгоритм работы данного узла с момента включения контактора КУ2, (т.е. с момента выхода дви­гателя на естественную характе­ристику) следующий. При замыкании глав­ного контакта КУ2 от броска тока якоря срабатывает реле РУП и замыкает свой контакт, шунтирующий реостат возбуж­дения R_доб.в (до этого реостат был закорочен размыкающим контактом КУ2). Следовательно, магнитный поток двигателя Ф сохраняется равным номиналь­ному потоку Ф_ном и двигатель продолжает разгон по естествен­ной характеристике. Когдатокякоря снизится до значения тока отпускания I_{отп.РУП} реле РУП, последнее размыкает свой контакт, и в цепь обмотки возбуждения вводится сопротивление R _доб.в . Происходит процесс ослабления магнитного потока Ф и рост скорости двигателя ω (рис. 2.4, б). При этом ток якоря увеличивается и, когда он достигнет значения тока срабатывания I_{сраб.РУП} реле РУП, контакт реле закроется. Начнется усиление магнитного потока и снижение тока якоря. Скорость двигателя будет продолжать расти, так как за счет увели­ченного тока якоря момент двигателя превышает статический момент. При спадании тока якоря до величины I_{отп.РУП} вновь реле РУП откроет свой контакт, что повлечет за собой ослабление потока и т.д. Реле РУП срабатывает несколько раз, прежде чем двигатель достигнет скорости, заданной положением ползунка реостата R _доб.в .

 

Таким образом, если пренебречь инерционностью реле РУП, можно считать, что в описанном процессе ослабления потока ток якоря двигателя колеблется в пределах от I_{отп.РУП} до I_{сраб.РУП} . Колебания тока тем меньше, чем выше коэффициент возврата реле РУП. Подобный процесс и способ управления называют вибрационным. Данный способ особенно удобен для управления разгоном двигателей с широким диапазоном регулирования скорости при Ф < Ф_ном. Очевидно, что вибрационное управление обеспечивается и в процессе регулирования скорости двигателя в сторону ее увеличе­ния, когда ползунок реостата R _доб.в быстро перемещается в новое положение.

Для определения времени процесса разгона двигателя при вибра­ционном управлении можно воспользоваться приближенным методом, основанным на допущении, что ток якоря в переходном процессе оста­ется неизменным и равным его среднему значению.

В этом случае для режима ослабления магнитного потока, когда якорь двига­теля подключен к сети с номинальным напряжением U_ном можно запи­сать следующие уравнения переходного процесса:

.

Разрешая систему уравнений относительно t и интегрируя полученное выражение в пределах от Ф_нач до Ф_кон , найдем время разгона.

Рассмотрим теперь наиболее характерные узлы электрических схем управления торможением двигателей постоянного тока.

На рис. 2.5, а приведен узел схемы, обеспечивающий управление динамическим торможением нереверсивного двигателя независимого возбуждения в функции времени. На этом же рис. (2.5, б и 2.5, в) показаны механи­ческие характеристики и графики изменения во времени момента (тока якоря) и скорости двигателя при торможении.

 

Рис. 2.5. Узел схемы автоматического управления динамическим

торможением двигателя постоянного тока

 

Цепи включения кату­шек контакторов ускорения на схеме не изображены, и эти контакторы условно представляет один главный контакт КУ, шунтирующий сопротивление R_доб.п. Алгоритм работы узла схемы можно описать в следующей последовательности. Предположим, что двигатель работает с установившейся скоростью ω_с. Контакторы КЛ и КУ включены, реле торможения (реле времени) РДТ также включено и его контакт замкнут. Но катушка контактора торможения КДТ не обтекается током, посколь­ку в ее цепи разомкнут раз­мыкающий блок-контакт контактора КЛ.

После нажатия на кнопку КнС («стоп») контактор КЛ отключится и своим главным контактом отсоединит якорь двигателя от сети. Замыкаю­щий блок-контакт КЛразом­кнет цепь катушки реле РДТ, и оно начнет отсчет времени торможения. Размыкающий блок-контакт КЛ закроется, катушка контактора КДТ получит питание. Контактор КДТ включится и своим главным контактом присоединит якорь двигателя к добавоч­ному тормозному сопротивлению R_д._т. Происходит динамическое торможение двигателя. В конце его реле РДТ, отсчитав заданную выдержку времени, своим контактом отключит контактор КДТ.

Управление в функции времени применяется только при реактив­ном статическом моменте М_с. Уставка реле РДТ должна быть приблизительно равной или немного большей времени торможения t_д._т. При активном М_с увеличение его при соответственном уменьшении действительного времени торможения по сравнению с уставкой реле РДТ может привести к реверсу двигателя, прежде чем он будет отключен. Необходимо отметить, что при активном М_с по окончании торможения и отключении двигателя его вал всегда должен быть заторможен при помощи механического тормоза.

Узел схемы реализующий динамическое торможение в функции ЭДС отличается от схемы приведенной на рис. 2.5 тем, что катушка реле напряжения РДТосуществляющего контроль ЭДС включается на зажимы якоря двигателя.

Для электроприводов, работающих в напря­женном повторно-кратковременном режиме, обычно применяют не кнопочное, а командо-контроллерное управление, более удобное для оператора. Кроме того, с целью уменьшения времени торможения, особенно в реверсивных приводах, используют часто торможение противовключением.

Узел схемы, обеспечивающий торможение противовключением реверсивного привода в функции ЭДС, приведен на рис. 2.6, а. Он пригоден для дви­гателей любого вида возбуждения. Пуск двигателя условно принят в одну ступень с управле­нием в функции времени. Реле напряжения РПВ и РПН управляют процессом торможения и называются реле противовключения. Доба­вочное сопротивление R_доб.пр - ступень противовключения. Для иллюстрации работы схемы на рис. 2.6, б приведены соответствующие механические характеристики двигателя независимого возбуждения. Алгоритм работы узла схемы в режиме торможения сводится к следующему. Предположим, что двигатель работал в установившемся режиме в услов­ном направлении «вперед». При этом рукоятка командоконтроллера находится в положении В, и во включенном состоянии находятся контактор KB, реле РПВ и контакторы КУ и КП. Ступень сопротивления противовключения R_доб.при пусковая ступень R_доб.п закорочены.

 

Рис. 2.6. Узел схемы управления торможением противовключением

 

Для реверса двигателя рукоятка командоконтроллера переводится в положение Н («назад»). При этом контактор KB отключается, размыкаются его главные контакты и замыкающий блок-контакт. Теряют питание реле РПВ и контакторы КП и КУ. В цепь якоря вводится сопротивление R_доб.п. + R_доб.пр . Закрывшийся размыкающий блок-контакт KB подает питание в катушку контактора КН, который включается и своими главными контактами присоединяет якорь двигателя на напряжение противоположной полярности. Двигатель переходит в режим противовключения. Замыкающий блок-контакт КН в цепи катушки реле РПН также закрывается. Однако реле РПН не срабатывает, так как в начальный момент напряжение на его катушке будет близко к нулю. Это достигается соответствующим выбором точки присоединения реле по схеме вывода катушки РПН (выбором величины сопротивле­ния R_x). Поэтому контакт РПН остается разомкнутым, предотвращая включение контакторов КП и КУ, т.е. обеспечивая процесс торможе­ния при полностью введенных в цепь якоря добавочных сопротивле­ниях.

Таким образом, начало торможения будет отвечать точке 1, расположенной на соответствующей добавочному сопротивлению R_доб.п. + R_доб.пр искусственной механической характеристике двига­теля (рис. 2.6, б).

По мере снижения скорости двигателя возрастает напряжение на катушке реле РПН и при скорости, близкой к нулю, реле сработает. Его контакт замкнется и включит контактор КП, который закоротит своим главным контактом ступень противовключения R_доб.пр. Двигатель перейдет на пусковую реостатную характеристику, его скорость снизится до нуля, а затем начнется разгон в функции времени в направлении «назад», т.е. двигатель реверсируется. Аналогично работает схема и при реверсе с направления «назад» на направление «вперед». Только здесь управляет процессом торможения реле РПВ. Точку присоединения реле противовключения (РПВ и РПН) выбирают из следующих соображений. Как видно из схемы на рис. 2.6, а, напряжение U_РП на катушке реле меньше напряжения сети U_ном на вели­чину падения напряжения от тормозного тока в сопротивлении R_x

.

Примем, что в начальный момент торможения напряжение U_РП должно быть равно нулю. Тогда . Величина начального броска токаI_я.т.нач не должна превышать допустимого значения I _я.доп .

Напряжение срабатывания реле U _{сраб.РП} выби­рают так, чтобы реле включалось не в самом конце торможения, а несколько раньше. Обычно принимают

.

Здесь U _РП (_ω=0,05) = U_ном (1 –R_х /R _Σ),

где R_Σ суммарное сопротивление якорной цепи в режиме противовключения.

Необходимо отметить, что для двигателей независимого возбуждения, работающих с ослабленным потоком, применяют динамическое торможение с одновременным усилением потока. При этом процесс управление усиления по­тока реализуют вибрационным способом в функции тока якоря двигателя, а управ­ление самим динамическим торможением происходит так же, как и в схеме на рис. 2.5, а. Схемное решение узла управления усиления потока приведено на рис. 2.7.

 

Рис. 2.7. Узел схемы управления динамическим торможением

двигателя постоянного тока в функции тока

 

Во время установившейся работы двигателя якорь реле РУП не притянут, и контакты реле находятся в состоянии, показанном на схеме. Блок-контакт КУ2разомкнут, поле двигателя ослаблено. После подачи команды на торможение отключается контактор КУ2 и вклю­чается контактор КДТ. В цепях, шунтирующих реостат возбуждения R_доб.в размыкается блок-контакт КДТ и за­мыкается блок-контакт КУ2. Начинается динамическое торможение, и при этом поле двигателя усиливается. Но от броска тормозного тока реле РУП срабатывает и открывает свой размыкающий контакт, что прерывает процесс усиления поля. На­оборот, оно теперь начнет ослабляться. В свою очередь это приведет к уменьшению тока якоря двигателя, в результате чего реле РУП закроет свой размыкающий контакт. Опять начнется усиление поля и т.д. до тех пор, пока ток возбуждения двигателя не станет равным номинальному. Ток якоря двигателя в вибрационном процессе усиления поля колеблется между значениями тока срабатывания I_{раб.РУП} и тока возврата I_{отп.РУП} реле РУП. Нетрудно убедиться в том, что узел схемы на рис. 2.7, а работает в режиме ослабления поля при разгоне двигателя аналогично узлу схемы на рис. 2.4, а. Вибрационный способ применяют также для управления торможе­нием двигателя при переводе его путем усиления поля с характеристики при Ф < Ф_ном на естественную характеристику.