Проектирование электросхемы управления двигателем постоянного тока малой мощности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Егорьевский промышленно-экономический техникум»

Филиал «Озёры»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЕМ ПОСТОЯННОГО ТОКА МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Преподаватель В.Г. Мазепов

Студент Ю.В. Козлов

2014

Содержание

1. Введение

2. Описательная часть

2.1 Описание объекта - назначение двигателей постоянного тока и их применение

2.2 Общие требования к электроприводу двигателей постоянного тока малой мощности

3. Проектирование электросхемы управления двигателем постоянного тока малой мощности

3.1 Разработка и описание схемы включения электропривода управления двигателем постоянного тока малой мощности

4. Графическая часть проекта

5. Список используемой литературы

1. Введение

электропривод двигатель мощность ток

Современное развитие промышленности, транспорта, сельского хозяйства и новых отраслей техники -- авиации, радиолокации, телевидения и специальных видов техники -- вызвало широкое применение автоматизации управления различными рабочими процессами и исполнительными механизмами. Эта автоматизация немыслима без разнообразного применения различных маломощных электродвигателей постоянного и переменного тока в диапазоне мощностей от нескольких единиц до сотен ватт как в качестве управляющих, так и исполнительных элементов в схемах автоматики. Вместе с этим электрические машины малой мощности широко используют не только в автоматических устройствах, но также и для других разнообразных целей как в промышленности, так и в домашнем быту.

Следует отметить, что электрические машины малой мощности применяют на практике главным образом в качестве электродвигателей. Однако встречается ряд специальных установок, в которых наряду с электродвигателями имеют применение также и маломощные генераторы, преобразователи и электромашинные усилители.

В области малых мощностей существует большое разнообразие конструкций различных типов электродвигателей. В некоторых из этих конструкций наблюдается органическое соединение двигателей с приборами и механизмами, в которых двигатель часто лишается своих индивидуальных форм и превращается просто в «оживляющий» орган механизма.

В настоящее время электродвигатели и генераторы малой мощности занимают важное место в современной технике, так как практически ни одна отрасль техники, использующая в той или иной мере принципы электротехники, почти не обходится без применения электродвигателей малых мощностей в качестве привода или исполнительного элемента. Ввиду этого практическое значение электрических машин малой мощности весьма велико и к ним требуется надлежащее внимание. Производство этих машин представляет собой своеобразную и специальную отрасль электромашиностроения с их серийным и массовым выпуском.

2. Описательная часть

2.1 Описание объекта - назначение двигателей постоянного тока и их применение

Электромеханическая система, состоящая из одного или нескольких двигателей постоянного тока, полупроводникового преобразователя и (или) управляющего устройства, устройств сопряжения с внешними электрическими и (или) механическими системами и предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением.

Электрические машины мощностью до 1 кВт, получившие название электрических машин малой мощности (ЭМММ), вследствие своей специфичности выделены в классификаторах промышленной продукции в отдельную группу.

Электрические машины малой мощности отличаются от электрических машин средней и большой мощности не только массовостью производства и применения, но, главным образом, существенно большим многообразием выполняемых функций и конструктивных исполнений, особенностями применения и эксплуатации. Они выполняют задачи не только преобразования электрической.

Основные области применения электрических машин малой мощности энергии в механическую или электрического сигнала в механическую величину (угол, угловую частоту, момент), но и обратного преобразования механической величины в электрический сигнал по определенной функциональной зависимости. Электрические машины малой мощности оказывают существенное влияние на надежность и на функциональные характеристики систем автоматики и радиоэлектронной аппаратуры, в частности на точность и быстродействие.

Рис. 1 Виды и функциональное назначение электрических машин малой мощности

Рис. 2

Виды ЭМММ, их функциональное назначение и основные области применения приведены на рис. 1 и 2.

Электрические машины малой мощности имеют свою систему нормативно-технических документов, которые регламентируют:

установочные и присоединительные размеры (ГОСТ 12126-71, ГОСТ 18709-73),

термины, определения и буквенные обозначения параметров (ГОСТ 23375-78),

условные обозначения видов и типов ЭМММ (ГОСТ 23264-78),

методы установления допусков на значения параметров и порядок оценки технического уровня (отраслевые стандарты),

технические требования, порядок и методы контроля качества и испытаний (комплекс государственных стандартов вида «Общие технические условия»);

требования и рекомендации к выбору и применению (документы вида руководящих технических материалов).

Электрические машины малой мощности имеют, как правило, закрытое конструктивное исполнение, рассчитанное на работу в любом положении в пространстве, длительные сроки сохраняемости. Конструкция этих машин и специфика их применения в аппаратуре исключают возможность их ремонта в процессе эксплуатации. Все ЭМММ рассчитаны на работу в условиях воздействия жесткого комплекса внешних факторов (механических, климатических и др.). Они отличаются повышенной надежностью, обеспечивающейся специальной технологией изготовления и системой контроля качества.

Особенностью применения ЭМММ в аппаратуре является то, что они, как правило, не дублируются, замена их требует весьма трудоемких операций, связанных с регулировкой механических соединений и электромеханических параметров.

Большинство видов ЭМММ, рассчитано на безрегламентную эксплуатацию и хранение.

Системы параметров и характеристик большинства видов ЭМММ обладают существенными особенностями по сравнению с системами параметров машин средней и большой мощности, что обусловлено в основном спецификой назначения и функционирования ЭМММ. Данные, наиболее важные для потребителей машин: электрические и электромеханические параметры, характеризующие функциональные свойства различных видов машин; данные о стойкости ЭМММ к воздействию основных механических и климатических факторов, имеющих место в эксплуатации; габаритные и установочно-присоединительные размеры, масса, число фаз, схемы включения.

2.2 Общие требования к электроприводу двигателей постоянного тока

Составление технических требований является одной из составных задач заказчика электрооборудования. На основании анализа изложенных выше факторов составляются технические требования и техническое задание для проектирования, состоящие из следующих разделов:

1. Назначение и область применения комплектного электропривода.

2. Технические характеристики электропривода.

Они состоят из требований к мощности на валу электродвигателя, диапазону регулирования скорости вращения; требований по статической точности и динамическим характеристикам, времени переходного процесса при пуске и торможении. Оговариваются требования по параметрам и мощности питающей сети. При наличии тиристорного преобразователя оговариваются требования к коэффициенту мощности и коэффициенту нелинейных искажений. Приводятся требования, специфические для каждого типа машин и технологического процесса.

3. Требования по управлению, сигнализации, защите, диагностике.

Приводятся требования по автоматизации управления электроприводом, формулируются требования по блокировкам, сигнализации, видам и характеристикам защит, диагностике. Определяется количество и характеристики пультов управления. Указывается 98 вид и характеристики сигналов управления (аналоговые, дискретные, по току или напряжению), блокировок и вставок защит и сигнализации.

4. Условия эксплуатации.

На основании стандартов указываются требования по климатическим условиям (температура, влажность и т. д.), оговариваются требования по воздействию механических факторов (вибрация, удары, крен и т. д.). Оговариваются требования по исполнению защиты от внешних воздействий, а также по условиям транспортировки и хранению оборудования.

5. Требования по надежности, ресурсу, обслуживанию и ремонту.

К требованиям по надежности относятся: вероятность безотказной работы и средняя наработка на отказ для невосстанавливаемого оборудования; коэффициент готовности и среднее время восстановления восстанавливаемого оборудования. Приводятся ресурс и комплектность привода, порядок проведения регламентных и ремонтных работ

3. Проектирование электросхемы управления двигателем постоянного тока малой мощности

Пуск ДПТ очень малой мощности (десятки и сотни ватт), имеющих большие сопротивления обмоток якоря и поэтому ие требующих ограничения пусковых токов, производится непосредственно подключением обмоток якоря и возбуждения к питающей сети (рнс.3). Для этого используются маломощные контакторы КМ или реле К с управлением от кнопки управления SB1 и SB2 или просто выключатели Q, включаемые и отключаемые оператором.

Пуск ДПТ малой, осуществляется с пусковыми резисторами, ограничивающими пусковые токи. Подключение обмотки якоря двигателя и обмоток параллельного и последовательного возбуждения к напряжению сети осуществляется линейными контакторами КМ1 и КМ2, как показано на рис. 3. Эти контакторы используются и для подключения к питающей сети независимой обмотки возбуждения, которая чаще подключается при подаче напряжения питания на схему выключателем Q (рис. 3, б). Иногда используется контактор КМ6, (ряс. 3, а). Стабилизация динамического момента ДПТ осуществляется ступенчато-последовательным отключением ступеней пускового резистора. Число ступеней, как и в двигателях переменного тока, зависит от момента статического сопротивления и требуемого ускорения при пуске двигателя.

Рис. 3 Схема пуска и остановки ДПТ малой мощности (десятки, сотни ватт)

Выведение ступеней пускового резистора осуществляется замыканием контактов контакторов ускорения КМЗ, КМ4 и КМ5. как показано на рис. 4, при трех ступенях пускового резистора (R1, R2 и R3). Наибольшее распространение получила схема, приведенная на рис. 4, а, как наиболее простая и надежная. Схема используется для ДПТ малой и средней мощности (до 150 кВт при напряжении до 220 В). В схеме используются все контакторы одинаковой величины, так как при выведенном пусковом резисторе все их контакты пропускают ток якоря ДПТ. Схема включения контактов контакторов рис. 4, б используется для ДПТ малой и средней мощности (до 300 кВт, напряжением до 220 В), работающих в продолжительном режиме, когда контакты контакторов КМ2.

КМ5 Кт KMS

RS R2 R1

- RS R2 R1

rVYV\-

КМ1 L2M

Рис. 4 Схемы включения пусковых резисторов и контактов контакторов ускорения при пуске ДПТ

КМЗ Я КМ4, пропускающие только пусковые токи, можно брать меньшей коммутационной способности. Управление пуском ДПТ при номинальном магнитном потоке осуществляется с заданием времени и с контролем скорости, а при ослаблении магнитного потока - с контролем тока.

3.1 Разработка и описание схемы включения электропривода управления двигателем постоянного тока малой мощности

В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен, противо ЭДС равна нулю (Е=0). При непосредственном включении двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой ток Iпус=U/Rя. Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателя очень маленькой мощности, у которых значение падения напряжения в якоре относительно большое и изменения тока не столь велики.

При пуске в ход для ограничения пускового тока используют реостаты, включаемые последовательно с якорем двигателя.

Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы, и выполняются ступенчатыми, что дает возможность изменять ток в якоре двигателя в процессе пуска его в ход.

Рис. 5 Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом

Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш. Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с металлической шиной, помещенной на реостате (шунт). Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочный резистор Rр присоединяется обмотка возбуждения. Другие зажимы якоря и обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены к другому полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть. При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так, что последовательно с якорем соединено полное сопротивление реостата ПР, которое выбирается таким, чтобы больший ток при пуске в ход Imax не превышал номинальный ток более чем в 1,72,5 раза, т.е. Rn=(U/Imax)--Rя. При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент. Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на валу двигателя (Мпуск>Мт), то якорь машины придет во вращение.

Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения Imin, движок пускового реостата переводится на контакт 2, при этом сопротивление реостата уменьшится на одну ступень. Ток в якоре снова возрастет до значения Imax, а с увеличением тока в якоре возрастет вращающий момент, вследствие чего частота вращения ротора вновь увеличится. Переключая движок реостата, сопротивление пускового реостата постепенно (ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено (движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частота вращения якоря принимают установившиеся значения.

При отключении двигателя от сети металлическая шина пускового реостата должна быть соединена с зажимом 1. Это необходимо для того, чтобы не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющий значительную индуктивность. Кроме того, движок пускового реостата переводится на холостой контакт 0, и рубильник отключается.

Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

В двигателях постоянного тока имеется возможность плавно и экономично регулировать частоту вращения в широких пределах. Благодаря этому весьма ценному свойству они получили широкое распространение и часто являются незаменимыми. Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения определяется следующим выражением:

,

где Rc - сопротивление последовательной обмотки возбуждения (Для двигателя параллельного возбуждения Rc=0). Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного потока.

Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.

Для регулирования частоты вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря используется регулировочный реостат, включенный последовательно с якорем. В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие чего резко уменьшается КПД двигателя.

Регулируют частоту вращения якоря двигателя также изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения. В двигателях параллельного и смешанного возбуждения включается регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением. Этот способ регулирования частоты практически не создает дополнительных потерь и экономичен.

Автоматическое управление двигателями постоянного тока

Схема автоматического пуска двигателя в функции времени в две ступени показана на рис. 6

Для автоматического пуска используют два электромагнитных реле времени КТ1 и КТ2, контакты которых работают с выдержкой времени только при отключении реле.

После подачи напряжения в цепь управления (перед пуском двигателя) реле КТ1 получает питание и, втягиваясь, размыкает свой контакт, не позволяя тем самым сразу включать контакторы ускорения КМ2 и КМ3.

Рис. 6

После включения контактора КМ1 двигатель работает на искусственной характеристике 1.

Рис. 7

Реле КТ1 (Рис.6) начинает отсчет времени и через время t1, определяемое его установкой, замыкает свой контакт в цепи контактора КМ2. Срабатывание контактора ускорения КМ2 приводит к закорачиванию сопротивления добавочного резистора R1, и двигатель разгоняется по искусственной характеристике 2 (Рис.7) Одновременно закорачивается катушка КТ2, и через время t2 реле КТ2 своим замыкающим контактом включает контактор КМ3. При этом происходит шунтирование сопротивления добавочного резистора R2 и двигатель выходит на естественную характеристику 3 (см.рис.7), на которой двигатель разгоняется до установившейся угловой скорости wуст.

Остановка двигателя в схемах автоматического управления обычно происходит в режиме динамического торможения или противовключением. Динамическое торможение чаще всего осуществляется в функции скорости, ЭДС или времени. Типовая схема управления динамическим торможением двигателем постоянного тока в функции ЭДС показана на рис. 8.

Рис. 8

В исходном состоянии перед торможением двигатель работает с установившейся угловой скоростью wуст. Контактор КМ1 включен, и пусковые сопротивления закорочены. После нажатия кнопки SB1 («Стоп») контактор КМ1 отключается и своим силовым контактом отсоединяет якорь двигателя от сети. Размыкающий вспомогательный контакт КМ1 закрывается в цепи реле KV, которое оказывается под напряжением Veд, так как двигатель продолжает вращаться и при наличии тока возбуждения в якоре наводится ЭДС. Реле KV срабатывает и включает контактор напряжения KM, который подключает сопротивление торможения к цепи якоря. Двигатель переходит в режим динамического торможения (Рис.8). При снижении скорости двигателя уменьшается его ЭДС, катушка реле KV отключается и контактор КМ2 теряет питание. Реле KV должно срабатывать при минимально Возможном напряжении.

Реверсирование двигателя постоянного тока

Для того чтобы изменить направление вращения двигателя постоянного тока необходимо изменить полярность питания на обмотке возбуждения или якоре. Изменение полярности питания двигателя направление вращения не изменит.

Простейшая схема реверсирования двигателя приведена на Рис. 9.

Рис. 9

Схема состоит из двух магнитных пускателей К1 и К2, кнопок ПВ («Пуск вперед»), ПН («Пуск назад») и СТ («Стоп»), двигателя постоянного тока.

При включении кнопки ПВ («Пуск вперед») электрический ток проходит по цепи: «+» источника питания, замкнутая кнопка СТ («Стоп»), замкнутые контакты кнопки ПВ («Пуск вперед), замкнутые контакты К2, магнитный пускатель К1, «--» источника питания. Магнитный пускатель сработает и замкнет свои сигнально-блокировочные (в цепи управления) и силовые контакты (в цепи якоря). Когда сигнально-блокировочный контакт К11, подключенный параллельно кнопки ПВ, замкнется кнопку ПВ можно отпустить. Через замкнутые контакты К1, в цепи ротора, напряжение сети будет приложено к якорю, по цепи: «+» источника питания, замкнутый контакт К1, сопротивление Rя, катушка якоря, замкнутый контакт К2, «--» источника питания. Двигатель начнет вращаться. Второй сигнально-блокировочный контакт К11 разомкнется и заблокирует магнитный пускатель К2, для того чтобы не включались одновременно два пускателя «Вперед» и «Назад».

Для того чтобы двигатель вращался в другую сторону необходимо нажать кнопку ПН («Пуск назад»). Электрический ток потечет по цепи: : «+» источника питания, замкнутая кнопка СТ («Стоп»), замкнутые контакты кнопки ПН («Пуск назад»), замкнутые контакты К1, магнитный пускатель К2, «--» источника питания. Магнитный пускатель К2 сработает и замкнет свои контакты. Когда сигнально-блокировочный контакт К21, подключенный параллельно кнопки ПН, замкнется кнопку ПН можно отпустить. Через замкнутые контакты К2, в цепи ротора, напряжение сети будет приложено к якорю, по цепи: «+» источника питания, замкнутый контакт К2, катушка якоря, сопротивление Rя, замкнутый контакт К1, «--» источника питания. Двигатель начнет вращаться в противоположном направлении.

Для остановки двигателя необходимо нажать кнопку СТ («Стоп») цепь питания магнитных пускателей будет порвана. Обесточенные пускатели разомкнут свои контакты в цепи якоря и двигатель остановится.

Список литературы

1. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под общ. Ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. М.: Энегроатомиздат, 1988. 456 с.

2. Ермолин Н.П. Электрические машины малой мощности. Издательство "Высшая школа". Типография издательства МГУ, Москва, Ленинские горы. 1967.

3. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1982. 392 с.

4. Ключев В.И. Теория электропривода: Учеб. Для вузов. 2-е изд. Перераб. И доп. М.: Энегроатомиздат, 2001. 704 с.

5. Герман-Галкин С.Г. И др. Цифровые электроприводы с транзисторными преобразователями. Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. 246 с.

4. Элетропривод и основы управления. М.: Издательство «Высшая школа Москва», 196, стр. 336.

5. Операционные усилители и компараторы. М.: Издательский дом «ДОДЭКА ХХI», 2002. 560 с.

6. Александров К.К., Кузьмина Е.Г. Электротехнические чертежи и схемы. М.: Энергоатомиздат, 1990. 288 с.

Размещено на Allbest.ru