Автоматическое управление двигателем
Автоматическое управление двигателями переменного тока в насосных станциях осуществляется электрической аппаратурой высокого и низкого напряжения, вручную и автоматически. При ручном управлении дежурный персонал может производить включение и отключение двигателей непосредственно у места их установки или дистанционно — со щита управления, находящегося в том же здании или расположенного на небольшом расстоянии от объекта управления.
При автоматическом управлении вмешательство дежурного персонала не требуется, так как импульсы на включение и отключение двигателей подают специальные реле, реагирующие на изменение тех или иных технологических параметров (давление, расход, уровень и пр.).
Осуществление дистанционного и автоматического управления двигателями возможно лишь при использовании релейно-контакторной аппаратуры, какая приходит в действие от импульсов малой мощности и обеспечивает высокую надежность работы. Электрические аппараты, входящие в состав электрических схем контакторного управления, выполняют различные функции.
Одни из них подают командный импульс другим элементам схемы для изменения режима электрического привода и сигнализации: аппараты управления (кнопки, универсальные переключатели и т. п.), аппараты, контролирующие электрические и технологические параметры (реле напряжения тока, реле уровня, давления и др.), аппараты, контролирующие положение механизмов (путевые и конечные выключатели) и пр.
Другие аппараты воспринимают командный импульс и осуществляют переключения в главных или силовых цепях двигателей. Основными из них являются: контакторы, автоматы, масляные выключатели и др. Кроме них в электрические схемы включаются защитные аппараты, отключающие электрические цепи и двигатели при электрических и гидромеханических повреждениях—реле, а также контрольно-измерительные и сигнальные приборы.
Большая часть аппаратуры, применяемой в схемах контакторного управления двигателями, монтируется на станциях управления (магнитные станции), которые по своему конструктивному исполнению делятся на панели управления и блоки управления.
Аппараты ручного управления, приборы измерения и сигнализации, в зависимости от способа управления могут устанавливаться у места установки двигателя или монтироваться на щитах управления в насосных станциях и в диспетчерских пунктах.
Аппараты, контролирующие технологические параметры и положение механизмов, устанавливаются в соответствующих устройствах (резервуары, трубопроводы, насосы, задвижки и пр.) в различных местах и на различном расстоянии от места управления.
Все указанные элементы независимо от места установки связываются одной общей схемой, которая составляется в соответствии с технологическим заданием и должна обеспечить определенную последовательность выполнения операций рабочим механизмом, а также необходимые блокировки.
Блокировками называются механические и электрические связи, исключающие опасный режим, возможный по различным причинам (повреждения в схеме, неправильные действия обслуживающего персонала) и электрические связи, разрешающие работу электрического привода только в случае соблюдения определенных условий, например, при определенном деленном положении другого механизма, при работе электрического привода другого механизма и т. п.
Схемы контакторного управления двигателями составляются по определенным правилам, главные из которых следующие: Цепи главного тока или силовые цепи отделяются от цепей управления и вычерчиваются жирными линиями, а вспомогательные — тонкими линиями.
Отдельные элементы одного и того же аппарата для удобства чтения изображаются не сосредоточенно в одном месте схемы, а в различных участках ее, причем элементы одного и того же аппарата имеют одни и те же буквенные обозначения. Буквенные обозначения аппаратуры содержат одну или несколько букв, из которых первая может соответствовать наименованию аппарата, а вторая — ее назначению.
Например, КЛ — контактор линейный, КУ — контактор ускорения и т. д. Если в схеме имеется несколько аппаратов, выполняющих одинаковые функции, каждому из них дается порядковый номер, например 1КУ—первый контактор ускорения, 2КУ— второй контактор ускорения и т. д. При выверчивании схем пользуются условными обозначениями, установленными ГОСТ 7624-55. Главные из них приведены в таблице 33.
Схемы управления асинхронными двигателями. Наибольшее распространение в электрическом приводе центробежных насосов получили асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Для управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором небольшой мощности часто применяется магнитный пускатель. Он представляет собой контактор с двумя тепловыми реле, укрепленными на изоляционной плите в общем металлическом кожухе (рис. 299).
Схема магнитного пускателя (рис. 300) предусматривает следующую последовательность действия. При нажатии кнопки «пуск» возбуждается катушка линейного контактора JI, которая замыкает главными контактами силовую цепь двигателя, а блокконтактами шунтирует кнопку «пуск», что позволяет при возвращении кнопки в нормально открытое положение держать цепь катушки линейного контактора под напряжением.
Для остановки двигателя нажимают на кнопку «стоп» — катушка контактора, потеряв возбуждение, отпускает главные контакты в силовой цепи двигателя и блокировочные во вспомогательной цепи- Для повторного включения необходимо нажать вновь кнопку «пуск». Таким образом, схема позволяет произвести только пуск и отключение двигателя и предусматривает следующую защиту двигателя: а) от перегрузки — тепловыми реле РТ, б) от произвольного самозапуска— нормально открытыми контактами «пуск».
Нагревательные элементы теплового реле РТ включены в силовую цепь двигателя, а нормально закрытый контакт — в цепь катушки линейного контактора. В случае перегрузки двигателя биметаллический элемент реле нагревается, своими контактами размыкает цепь питания катушки Л и тем самым силовую цепь двигателя. Так как цепь управления магнитного пускателя питается от силовой цепи двигателя, в случае внезапного исчезновения напряжения контактор отключает двигатель от сети.
Повторное включение двигателя после перерыва в подаче энергии возможно только после нажатия кнопки «пуск», т. е. самозапуск двигателя невозможен. Описанный порядок работы схемы предполагает полуавтоматическое управление, при котором импульсы на включение и отключение двигателя подаются от руки с помощью кнопок «пуск» и «стоп». В случае автоматического управления импульсы на включение и отключение двигателя посылаются реле технологического контроля РТК, какими могут быть: реле уровня, реле давления и др.
Контакты этих реле присоединяются параллельно кнопке «пуск» и последовательно кнопке «стоп» и действуют автоматически с изменением регулирующего параметра (на схеме пускателя обозначены пунктиром). Для управления электродвигателями задвижек используются реверсивные магнитные пускатели, снабженные двумя контакторами, позволяющими не только включать и выключать двигатели, но и изменять направление их вращения.
На рис. 301 показана схема управления короткозамкнутым двигателем с помощью реверсивного магнитного пускателя. При нажатии кнопки «вперед» включается контактор В, при нажатии кнопки «назад» — контактор Н. При этом меняется порядок чередования фаз, изменяется направление вращения магнитного потока и ротора двигателя. Одновременное включение контакторов В и Н недопустимо, так как при этом происходит короткое замыкание силовой цепи двигателя.
Поэтому в схеме пускателя предусматривается электрическая блокировка, не допускающая одновременного включения реверсивных контакторов. Она производится при помощи нормально закрытых блок-контактов H— в цепи катушки В и блок-контактов В — в цепи катушки Н. Кроме электрической, обычно предусматривается еще и механическая блокировка контакторов.
Применение магнитных пускателей для управления и защиты асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором желательно во всех случаях, когда это допустимо по мощности двигателя (при напряжении 380 в около 55 квт), исключая установки, где требуется самозапуск двигателя, а также действие защиты на сигнал, а не на отключение (пожарные насосы).
Для привода вакуум-насосов и дренажных насосов магнитные пускатели могут быть установлены и без тепловой защиты, так как работа их непродолжительна, а перегрузка по технологическому режиму исключена.
Магнитные станции управления. Для пуска двигателей малой и средней мощности в настоящее время широко используются магнитные станции нормализованных серий (блоки управления, панели управления), на которых монтируются автоматы, контакторы, максимальные реле или предохранители, иногда тепловые реле и предохранители.
Блоки управления имеют схему управления, подобную схеме магнитного пускателя, и отличаются от последней только деталями. Аппаратура блока монтируется на одной изоляционной плите, которая может быть установлена индивидуально или по несколько штук на одной общей раме. В отличие от блоков панели управления имеют более сложную схему управления, большее количество аппаратов и монтируются на нескольких изоляционных плитах, укрепленных на общей раме из угловой стали.
На рис. 302 показана схема управления станции управления серии БН нулевой, 1 и 2-й величин, а на рис. 303—общий вид станции. Предельный ток в длительном режиме этих станций составляет соответственно 15, 40 и 75а. Максимально-мгновенная защита в трех фазах главной цепи и тепловая в трех фазах, действующая при перегрузке либо при двухфазной работе двигателя, осуществляется воздушным автоматом А, установленным совместно с контактором Л на общей изоляционной плите.
Для подготовки схемы к действию необходимо перед пуском включить автомат от руки. Дистанционное или автоматическое управление производится импульсами, подаваемыми от установленных вне станций командоаппаратов (кнопок, универсальных переключателей с самовозвратом в нулевое положение или реле, воспринимающих изменения тех или иных технологических параметров).
У станций серии БН 3-й величины максимальная защита осуществляется с помощью плавких предохранителей, тепловая защита — тепловыми реле. У станций 4-й и 5-й величины максимально мгновенная защита осуществляется максимальными реле, а тепловая — тепловыми реле РТ, включенными через трансформаторы тока.
Элементная схема и общий вид станции серии БН 4-й и 5-й величины показаны на рис. 304 и 305. В зависимости от величины установленного контактора (КТЗЗА, КТ34А или КТ35А) предельный ток в длительном режиме станции 3, 4 и 5-й величины составляет 150, 300 и 600а. Станции серии БН рассчитаны на прямой пуск двигателя от полного напряжения сети. Однако пусковые тока отдельных асинхронных двигателей большой мощности при прямом пуске могут вызвать значительное снижение напряжения в сети и нарушить нормальную работу других приемников.
В таких случаях для уменьшения пусковых токов в цепь статора двигателя на период пусков включается активное сопротивление. На рис. 306 приведена схема пуска асинхронного двигателя с активным сопротивлением в цепи статора магнитной станции серии ПИ5320. При включении вспомогательной цепи рубильником 2Р возбуждается электромагнитное реле времени РУ. Так как катушка реле работает на постоянном токе, она подключена к цепи переменного тока через, купроксный выпрямитель ВК. Своими контактами реле РУ мгновенно замыкает цепь катушки контактора ускорения У, подготавливая цепь пуска двигателя, и размыкает цепь катушки линейного контактора Л.
При подаче импульса от руки кнопкой «пуск» или контактами реле технологического контроля возбуждается контактор У и своими глазными контактами подает пониженное, с помощью пускового сопротивления СП, напряжение в цепь статора двигателя, а блок-контактами подготавливает цепь катушки линейного контактора и размыкает цепь реле управления РУ.
Реле РУ с выдержкой времени, достаточной для разгона двигателя, размыкает цепь катушки контактора ускорения и замыкает цепь катушки линейного контактора, который подает полное напряжение на статор двигателя. Защита двигателя от перегрузки осуществляется тепловыми реле ITT и 2ТТ, подключенными к статору через трансформаторы тока, а от коротких замыканий — максимальными реле 1PM, 2РМ и ЗРМ. Общий вид магнитной станции серии ПН5320 приведен на рис. 307.
Схемы управления синхронными двигателями. Отсутствие пускового момента у синхронного двигателя требует специальных устройств для разгона двигателя. Для этой цели на ротор укладывается короткозамкнутая пусковая обмотка, создающая момент, подобно асинхронному двигателю. При достижении ротором подсинхронной скорости в обмотку возбуждения подают постоянный ток, двигатель входит в синхронизм, развивая момент за счет взаимодействия магнитного поля статора и магнитного поля ротора, возбуждаемого постоянным током.
Процесс автоматизации пуска синхронного двигателя сводится главным образом к установлению определенной очередности в управлении цепями статора и ротора. Операции по управлению цепями статора синхронного двигателя аналогичны операциям при управлении асинхронного двигателя. Операции по управлению цепи ротора заключаются в том, чтобы на период пуска замкнуть обмотку возбуждения на разрядное сопротивление, а при подходе к синхронной скорости подать в нее полное возбуждение от источника постоянного тока.
Схема прямого пуска синхронного двигателя высокого напряжения в функции пускового тока двигателя показана на рис. 308. Статор двигателя присоединяется к сети масляным выключателем Л, а ротор с обмоткой возбуждения постоянно подключен к возбудителю В через разрядное сопротивление СГ. Токовое пусковое реле РПТ, дающее импульс на подачу полного возбуждения в ротор, питается от трансформатора тока, а реле форсировки возбуждения — от трансформатора напряжения, присоединенных к высоковольтной стороне двигателя.
При пуске двигателя реле РПТ возбуждается сразу при подаче напряжения на статор, замыкает свой н. о. контакт в цепи блокировочного реле 1РБ,.которое закрывает контакт в цепи 2РБ и открывает в цепи катушки контактора М. Пои подходе к синхронной скорости и уменьшении пускового тока реле РПТ размыкает цепь реле 1РБ, которое с выдержкой времени ~ 0,5 сек. замкнет контакты в цепи катушки контактора М; контактор М своими главными контактами зашунтирует разрядное сопротивление СГ и подаст полное возбуждение на ротор двигателя, а блок-контактом подготовит цепь отключающей катушки контактора.
Наличие отключающей катушки у контактора М объясняется тем, что контактор имеет защелку и его контакты удерживаются во включенном положении при обесточенной катушке. При отключении двигателя от сети блок-контакты масляного выключателя замыкают цепь питания отключающей катушки (катушка защелки), которая своими блок-контактами подключает параллельно основную катушку контактора и совместным тяговым усилием освобождает подвижную систему контактора.
Блокировочное реле 2РБ вводится в схему управления для защиты пусковой обмотки двигателя от затянувшегося асинхронного пуска, так как она не рассчитана на длительную работу. Выдержка времени этого реле устанавливается в 3 сек. Если по прошествии 3 сек. контактор М не включится и двигатель по какой-либо причине не войдет в синхронизм, реле 2РБ отключит контактор М и снимет тем самым возбуждение на роторе.
Реле форсировки возбуждения РФ срабатывает при уменьшении напряжения в сети ниже заданного предела, подает напряжение на втягивающую катушку контактора Ф, который своими блок-контактами шунтирует сопротивление в обмотке возбуждения возбудителя, чем обеспечивает повышение тока возбуждения ротора. Усиление тока возбуждения повышает момент двигателя и предотвращает выпадение его из синхронизма при колебаниях напряжения в сети.
Цепь управления двигателя питается постоянным током от возбудителя и защищается тепловыми реле автомата АВ. Защита цепи статора от перегрузки и коротких замыканий в схему станции не включается и осуществляется реле, установленными в распределительном устройстве высокого напряжения, с действием на отключение масляного выключателя JI.
Внешний вид магнитной станции показан на рис. 309. Для механизмов с легкими условиями пуска, к которым относятся и центробежные насосы, в настоящее время рекомендуется схема запуска синхронного двигателя с глухо присоединенным возбудителем В. Реле пусковое токовое, разрядное сопротивление и контактор подачи возбуждения М — устраняются. Возбудитель разворачивается вместе с двигателем и при подходе к синхронной скорости обеспечивает полное напряжение возбуждения.
На рис. 310 показана схема станции типа БН7302 для управления высоковольтным синхронным двигателем с глухоприсоединенным возбудителем. Статор подключается на полное напряжение сети масляным выключателем Л и разгоняется как асинхронный. Так как в процессе разгона напряжение возбудителя растет, при подходе к синхронной скорости, обеспечивается полный ток в обмотке возбуждения ротора и двигатель нормально входит в синхронизм, развивая соответствующий момент.
Схема позволяет форсировку возбуждения двигателя контактором Ф, цепь которого замыкается реле РФ, подключенным вместе с включающей катушкой масляного выключателя JI к трансформатору напряжения. Добавочное сопротивление СД в цепи контактора Ф уменьшает величину тока в катушке, когда контактор сработает, так как для удержания его во включенном положении требуется меньшее усилие, чем при включении. Общий вид магнитной станции типа БН7302 показан на рис. 311.
Упрощение схемы пуска двигателя с глухоприсоединенным возбудителем имеет большое практическое значение, однако требует известного сопоставления со схемой пуска на разрядное сопротивление, так как у некоторых двигателей при данной схеме пуска наблюдается провал в асинхронной характеристике двигателя — снижение входного момента при подходе к синхронной скорости. Если прямой пуск двигателей большой мощности недопустим по своему воздействию на сеть, то для уменьшения напряжения в цепь статора низковольтных двигателей включается дополнительное активное сопротивление, как показано на схеме рис. 306, а для высоковольтных индуктивное сопротивление (реакторный пуск) или автотрансформатор (автотрансформаторный пуск — см. главу XXIV, рис. 230).
Эти способы применяются как для асинхронных, так и синхронных двигателей. При автотрансформаторном пуске схема получается сложной и оборудование дорогим. Применять этот способ можно только для весьма ответственных двигателей, когда другие способы пуска невозможны.
