В комплект электропривода с контроллерным управлением входят обычно электродвигатель последовательного или смешанного возбуждения, барабанный или кулачковый контроллер, пускорегулировочное, тормозное, разрядное и другие сопротивления, тормозной электромагнит или дисковый электромагнитный тормоз и аппаратура защиты.
Рассмотрим одну из принципиальных схем контроллерного управления грузовой лебедкой.
На рис. 1 изображена схема электропривода серийной грузовой лебедки грузоподъемностью 1,5 т.
В комплект электропривода входят электродвигатель смешанного возбуждения типа МПМ-32 напряжением 220 В мощностью 9 кВт при 25% ПВ и со скоростью вращения 825 об/мин; двигатель имеет пристроенный электромагнитный тормоз; кулачковый контроллер с защитной панелью, на которой смонтированы рубильник, линейный контактор, максимальное реле, реле скорости и реле напряжения; комплект сопротивлений: пускорегулировочных, тормозных, добавочных и разрядных.
Рассмотрим работу схемы при различных положениях маховика контроллера.
В нулевом положении якорь электродвигателя, отсоединенный от сети, замкнут на сопротивление динамического торможения Р6 — Р7 через контакт X контроллера.
При замыкании рубильника P1 через замкнутый контакт I контроллера получает питание катушка реле напряжения PH. Реле срабатывает, замыкает свои контакты и шунтирует ими контакт I контроллера. В последующих положениях этот контакт размыкается, чем осуществляется нулевая защита. В нулевом положении также получает питание шунтовая обмотка возбуждения электродвигателя Ш1 — Ш2 через сопротивление Ш1 — Ш6.
В положении «1 подъем» одновременно замыкаются контакты II, III и VIII контроллера. Контакт II подает питание катушке линейного контактора JI. Контактор срабатывает и замыкает две цепи: во-первых, цепь главного тока (плюс сети — рубильник Р—контакт VIII — якорь электродвигателя — сериесная обмотка возбуждения — пусковое сопротивление — контакт линейного контактора Л — катушка максимального реле РМ — рубильник Р — минус сети); во-вторых, цепь катушки электромагнитного тормоза ТМ, вследствие чего электродвигатель растормаживается.
Кроме того, в первом положении замыкается контакт V и размыкается контакт VII контроллера, вследствие чего из цепи шунтовой обмотки выводится большая часть добавочного сопротивления. Включенными остаются только ступень Ш4 — Ш3 и постоянно подключенное сопротивление Ш1 — Ш3. Наличие последнего объясняется тем, что шунтовая обмотка электродвигателя выполнена на напряжение более низкое, чем номинальное напряжение электродвигателя.
Замыкание контакта XI при замкнутом контакте X обусловливает включение якоря электродвигателя по схеме шунтирования якоря (сопротивление Р7 — Р6 включено параллельно якорю, a P1— Р5 — последовательно).
При подъеме малых грузов электродвигатель начинает разгоняться на малой скорости вращения, а при подъеме тяжелых грузов в положении «1 подъем» происходит предварение пуска.
В положении «2 подъем» контакт X контроллера размыкается, сопротивление Р7 — Р6 отключается, и электродвигатель увеличивает скорость вращения.
В положении «3 подъем» замыканием контакта XIV шунтируется ступень P1 — Р3 пускового сопротивления, в результате чего скорость вращения электродвигателя возрастает.
В положениях «4 и 5 подъем» при последовательном замыкании контактов XV и XVI полностью шунтируется все пусковое сопротивление и электродвигатель развивает номинальную скорость вращения.
В положении «6 подъем» вследствие размыкания контактов V и VII в цепь шунтовой обмотки возбуждения вводится добавочное сопротивление Ш4 — Ш7. Поле электродвигателя ослабляется, и двигатель переходит на работу со скоростью вращения выше номинальной.
Это положение используется для подъема порожнего гака со скоростью, примерно в 3 раза превышающей скорость подъема номинального груза.
В положении «1 спуск» срабатывают реле напряжения и линейный контактор.
Электродвигатель растормаживается, но его якорь отключен от плюса сети контактами VIII к XII. Цепь якоря в этом Положении контроллера изображена на развертке схемы в нижней части рис. 1. В цепи шунтовой обмотки возбуждения контакт V замкнут и магнитный поток электродвигателя близок к максимальному.
В этом положений при спуске легких грузов электродвигатель стоит, а тяжелых— работает в режиме динамического торможения (тормозной спуск).
В положении «2 спуск» якорь электродвигателя (см. развертку) подключен к сети контактом XII контроллера с изменением направления тока, и электродвигатель работает по схеме безопасного спуска. Цепь параллельного возбуждения остается без изменения, а в цепи сериесной обмотки отключено параллельное сопротивление P1 — С2 и последовательно подключены сопротивления Р6— Р7 и Р2 — С2, образующие две параллельные ветви.
Сопротивление Р2 — Р6 включено последовательно в цепь как якоря, так и сериесной обмотки.
В положении «3 спуск» сопротивление в цепи якоря уменьшается, а в цепи сериесной обмотки увеличивается (см. развертку). Одновременно при замыкании контакта IV увеличивается поток параллельной обмотки возбуждения до максимального, чем компенсируется уменьшение потока сериесной обмотки. Скорость вращения электродвигателя увеличивается.
В положении «4 спуск» магнитный поток обмотки параллельного возбуждения уменьшается, так как размыкается контакт IV. Кроме того, включением контакта VI подготавливается дальнейшее уменьшение потока. В цепи главного тока при замыкании контакта XV выключается ступень сопротивления Р3 — Р4. С уменьшением магнитного потока и увеличением напряжения на якоре увеличивается скорость вращения электродвигателя.
В положении «5 спуск» размыкание контакта V вызывает дальнейшее снижение магнитного потока двигателя. Одновременно выводится ступень Р4 — P5 пускового сопротивления и еще более увеличивается скорость вращения электродвигателя.
В положении «6 спуск» в результате того, что контакт VI размыкается, происходит дальнейшее ослабление магнитного потока и увеличение скорости вращения электродвигателя.
Положения «5 и 6 спуск» предусмотрены для спуска легких грузов и порожнего гака. При ошибочном спуске на этих положениях тяжелого груза скорость вращения электродвигателя ограничивается при помощи реле скорости PC до скорости при положении «4 спуск».
Схема предусматривает три вида защиты. Нулевая защита осуществляется при помощи реле напряжения PH в сочетании с контактом I контроллера.
Для максимальной защиты предусмотрено максимальное реле РМ. С возрастанием тока в главной цепи до 275% от номинального тока электродвигателя максимальное реле размыкает свои контакты, находящиеся в цепи катушки реле напряжения. Реле напряжения лишившись питания, срабатывает и размыкает цепь питания катушки линейного контактора Л. Контактор отключает якорь электродвигателя от сети.
Одновременно блок-контакты контактора Л прекращают подачу питания в катушку тормоза, тормоз срабатывает и обеспечивает быструю остановку электродвигателя.
Благодаря скоростной защите, осуществляемой реле скорости PC, при спуске тяжелых грузов невозможен разгон электродвигателя до опасных пределов.
При скорости вращения электродвигателя в 250% от номинальной и направлении главного тока от двигателя в сеть реле скорости срабатывает, замыкая свои контакты, вследствие чего из цепи шунтовой обмотки выводится сопротивление Ш4 — Ш7. Поле электродвигателя, работающего в данном случае как генератор, увеличивается, возрастает ток, отдаваемый электродвигателем в сеть, и происходит рекуперативное торможение.
Реле скорости имеет две катушки: шунтовую, включенную параллельно катушке контактора Л через добавочное сопротивление ДС, и последовательную, включенную в цепь главного тока только при работе электродвигателя на спуск. Якорь реле может быть притянут к сердечнику только при совместном действии обеих катушек, поэтому при работе лебедки на подъем скоростная защита не работает.
Недостаток схемы заключается в том, что если при спуске тяжелого груза напряжение в питающей сети исчезнет, электродвигатель, перейдя в генераторный режим, будет продолжать питать катушку реле напряжения и катушку электромагнитного тормоза. В результате ни нулевая защита, ни тормоз не сработают, и груз, продолжая опускаться, сможет приобрести недопустимую скорость, граничащую со скоростью свободного падения. Для остановки груза в этом случае нужно поставить контроллер в нулевое положение или разомкнуть рубильник Р, имеющий блок-контакт в цепи катушки реле напряжения.
В качестве примера контакторного управления рассмотрим схему управления электроприводом типовой грузовой лебедки грузоподъемностью 3 т (рис. 2).
Рис. 2. Схема управления электроприводом грузовой лебедки грузоподъемностью 3 т
В электропривод лебедки входят электродвигатель смешанного возбуждения типа КПДМ 5У специальный мощностью 21 кВт при 25%. ПВ, напряжением 220 В и со скоростью вращения 630 об/мин; магнитный контроллер; пуско-регулировочные, добавочные и защитные сопротивления; командоконтроллер.
В нулевом положении рукоятки командоконтроллера при подаче напряжения на схему питание через добавочное сопротивление получает шунтовая обмотка возбуждения электродвигателя. Добавочное сопротивление имеет невыключаемую ступень Ш5 — Ш6, так как обмотка возбуждения выполнена для напряжения ниже номинального напряжения электродвигателя. Наличие добавочного сопротивления ДС в цепи катушки электромагнитного тормоза ТМ объясняется этим же обстоятельством.
При замыкании выключателя управления ВУ, расположенного на командоконтроллере, получают питание катушки контактора напряжения КН (через контакт командоконтроллера K1 замкнутый в нулевом положении) и первого реле ускорения 1РУ. Реле напряжения шунтирует своим контактом контакт К1, а реле 1РУ размыкает свой контакт в цепи третьего контактора ускорения 3У.
Хотя в нулевом положении замкнуты также контакты К5 и К12, включенные в их цепи катушки аппаратов управления питания не получают, так как в цепи с контактом К5 разомкнут контакт реле торможения РТ, а цепи, связанные с контактом К12, могут получить питание только после замыкания контакта К10.
В положении рукоятки командоконтроллера «1 подъем» замыкаются контакты К4, К8, К10, а контакты К5 и К12 остаются замкнутыми. При этом в цепях управления происходят следующие переключения:
1) через контакты К10 и К12 получает питание шунтовая катушка реле поля 2РП, и реле шунтирует ступени Ш2 - Ш4 в цепи шунтовой обмотки электродвигателя;
2) через контакт К10 получает питание катушка линейного контактора Л; контактор срабатывает и подключает цепь главного тока к минусу сети;
3) через контакт К4 получает питание катушка реверсивного контактора В; этот контактор срабатывает и подключает цепь главного тока к плюсу сети; одновременно замыкается его нормально открытый блок-контакт в цепи катушки тормозного контактора КТ;
4) через контакт К8 получает питание катушка первого контактора ускорения 1У, вследствие чего его главные контакты шунтируют ступень С2— Р4 пускового сопротивления, а блок-контакты замыкают цепь катушки первого реле ускорения 1РУ и тормозного контактора КТ;
5) через контакт К4 и замкнувшиеся блок-контакты контакторов В и 1У получает питание катушка тормозного контактора КТ, вследствие чего электромагнитный тормоз ТМ получает питание и электродвигатель растормаживается. Одновременно с тормозом получает питание и катушка реле максимального напряжения РМН. В работе схемы в сторону подъема РМН участия не принимает. В положении «1 подъем» электродвигатель начинает работать на «ползучей» скорости благодаря наличию в цепи якоря последовательного Р1 — Р4 и параллельного Р8 — Р6 сопротивлений.
При переводе рукоятки командоконтроллера в положение «2 подъем» замыкается контакт К6, вследствие чего срабатывает контактор 2Т и от цепи якоря отключается параллельное сопротивление Р5 — Р6. Скорость вращения электродвигателя при этом увеличивается. Блок-контакт контактора 2Т в цепи катушки 1РУ размыкается, но цепь этой катушки остается временно замкнутой блок-контактами контакторов 1У и ЗУ.
В положении «3 подъем» замыкается контакт К7. Контактор 2У срабатывает и шунтирует в цепи якоря ступень С2 — Р2 пускового сопротивления, одновременно освобождая контакты контактора 1У. Электродвигатель разгоняется до следующей ступени скорости. Кроме того, блок-контакт контактора 2У шунтирует блок-контакт контактора 1У для возможности последующего обходного питания контактора КТ после размыкания в дальнейшем контактора 1У.
В положении «4 подъем» размыкается контакт К8, что вызывает размыкание контактора 1У, и замыкается контакт К9, подготавливающий включение катушки третьего контактора ускорения. При размыкании контактора 1У его блок-контакт лишает питания катушку реле ускорения 1РУ, вследствие чего по истечении выдержки времени этого реле его контакты замыкают цепь катушки контактора 3У. Последний своими главными контактами в цепи главного тока подключает ступень Р2 — Р4 параллельно к оставшейся ступени пускового сопротивления Р2 — Р1. Сопротивление в цепи якоря уменьшается, и скорость вращения электродвигателя увеличивается.
Одновременно с этим блок-контакт 3У подает питание на катушку второго реле ускорения 2РУ, контакты этого реле замыкаются и вновь включается контактор 1У (через контакт К7), чем пусковое сопротивление шунтируется полностью. Электродвигатель приобретает номинальную скорость вращения.
Положение «5 подъем» командоконтроллера применяется для подъема легких грузов и порожнего гака. В этом положении размыкается контакт К12, в связи с чем изменяется направление тока в катушке реле поля 2РП. Ток через катушку теперь протекает по следующему пути: плюс сети — контакт К10 — блок-контакт 1Т — сопротивление 6ДС — катушка 2РП — сопротивление 5ДС — минус сети. Прежний же путь тока был: плюс сети — контакт К10 — контакт К12 — катушка 2РП — сопротивление 4ДС — минус сети.
До этого переключения магнитные потоки обеих катушек реле 2РП шли в одном направлении, что и обеспечивало срабатывание реле; теперь эти потоки направлены встречно. Если ток нагрузки электродвигателя выше 85% номинального, то магнитный поток сериесной катушки реле, несмотря на размагничивающее действие шунтовой обмотки, оказывается достаточным, чтобы удержать якорь реле в притянутом состоянии, и никаких изменений в схеме не происходит. С уменьшением тока нагрузки менее указанной величины (т. е. при подъеме легкого груза) магнитный поток сериесной катушки становится недостаточным для удержания якоря реле, и контакт реле размыкается. В цепь шунтовой обмотки возбуждения электродвигателя включается добавочное сопротивление Ш2 - Ш4, магнитный поток электродвигателя уменьшается, а скорость вращения увеличивается. Так, например, в этом положении командоконтроллера порожний гак поднимается при скорости, примерно в два раза превышающей скорость подъема номинального груза. Таким образом, благодаря наличию в схеме реле 2РП ошибочное включение командоконтроллера в пятое положение при подъеме тяжелого груза не вызывает перегрузки электродвигателя.
При переводе рукоятки командоконтроллера в нулевое положение якорь электродвигателя отключается от сети и замыкается на сопротивление динамического торможения Р6 — Р5. Кроме того, одновременно вступает в действие и электромагнитный тормоз.
Работа схемы в сторону спуска значительно отличается от работы в сторону подъема.
В положении «1 спуск» замкнуты контакты КЗ, К5, К7, К10 и К12. При включении контактов КЗ и К7 срабатывают контакторы 1T, КТ и 2У, в результате чего электродвигатель растормаживается, а к его якорю, кроме сопротивления Р6 — Р5, параллельно последнему подключаются сопротивления С2 — Р3 и Р2 — Р3. При замыкании контактов К10 и К12 срабатывает реле 2РП и шунтируется сопротивление Ш2 — Ш4 в цепи шунтовой обмотки; электродвигатель отключается от сети контакторами В и Н. В рассматриваемом положении при спуске тяжелых грузов электродвигатель работает в режиме динамического торможения (тормозной спуск), а при спуске легких грузов — стоит.
В положении «2 спуск» размыкается контакт К7 и замыкается контакт К2. При этом отключается контактор 1У и включается реверсивный контактор Н. Якорь электродвигателя подключается к сети (с изменением направления тока) по схеме безопасного спуска с сопротивлениями Р5— Р6 и С2 — Р3, включенными параллельно, и Р3 — P1 — последовательно. При этой схеме обеспечивается плавный автоматический переход электропривода из двигательного режима силового спуска легких грузов (при малых скоростях спуска) в тормозной спуск тяжелых грузов при допустимых безопасных скоростях, обусловленных динамическим торможением.
Вместе с катушкой контактора Н получают питание катушка реле торможения РТ и шунтовая катушка реле скорости спуска PC. Сериесная катушка реле скорости включена в цепь якоря электродвигателя. Реле PC срабатывает только при согласованном действии его катушек, что происходит в случае изменения направления тока в сериесной катушке. В рассматриваемом положении магнитные потоки катушек направлены в противоположные стороны, и реле не может замкнуть своего контакта. Реле торможения РТ, катушка которого получила питание, замыкая свой контакт в цепи катушки первого реле поля 1РП, обеспечивает полный магнитный поток электродвигателя.
В положении «3 спуск» замыкаются контакты Кб и К9. При этом срабатывает контактор 2Т, который отключает от цепи якоря параллельное сопротивление Р5 — Р6 и размыкает своим блок-контактом цепь питания катушки 1РУ. Реле 1РУ с некоторой выдержкой времени замыкает цепь катушки контактора 3У и соединяет клеммы P1 и Р4 пускового сопротивления.
При этом в цепи якоря остается сопротивление Рз — С2, подключенное параллельно якорю, и сопротивления Р3 — Р4 и Р3 — P1, образующие две параллельные ветви последовательного сопротивления.
Благодаря большой величине сопротивления С2 — Р3 наличие параллельного сопротивления в цепи якоря не оказывает заметного влияния на работу электродвигателя.
В положении «4 спуск» размыкается контакт К5, в связи с чем отключается первое реле поля 1РП и несколько ослабляется магнитный поток электродвигателя. Двигатель работает с максимальной скоростью, допустимой для спуска номинального груза.
В положении «5 спуск», предназначенном для опускания легких грузов и порожнего гака, размыкается контакт К12. При этом катушка 2РП лишается питания, так как нормально закрытый блок-контакт 1Т разомкнут, в цепь шунтовой обмотки электродвигателя включается добавочное сопротивление Ш4 — Ш2, магнитный поток электродвигателя уменьшается, а скорость вращения увеличивается. Контроль скорости вращения электродвигателя в этом положении осуществляется при помощи реле скорости PC.
Если при опускании тяжелых грузов электродвигатель переходит в генераторный режим и ток рекуперации, протекающий через сериесную обмотку PC в направлении от двигателя к плюсу сети достигает 70% номинального, то в результате совместного действия обеих катушек реле PC срабатывает, замыкает свой контакт и шунтирует сопротивление Ш4 — Ш2, магнитный поток электродвигателя увеличивается, а скорость вращения уменьшается до скорости вращения при положении контроллера «4 спуск».
При работе электродвигателя в режиме силового спуска (при легких грузах) магнитный поток сериесной катушки PC направлен навстречу потоку шунтовой катушки, и реле PC не срабатывает.
Схема предусматривает следующие виды защиты: максимальная защита осуществляется максимальными реле 1РМ и 2РМ; нулевая защита обеспечивается контактором напряжения КН, шунтирующим контакт К1 командоконтроллера; в данной схеме применение контактора напряжения вместо реле напряжения вызвано наличием большого количества электромагнитных аппаратов катушками, обладающими значительной индуктивностью; защита груза от падения осуществляется реле максимального напряжения РМН. При слишком большой скорости вращения электродвигателя и, следовательно, большой э. д. с., развиваемой им, реле РМН срабатывает и разрывает цепь питания катушки контактора напряжения.
Питание цепей управления прекращается, электродвигатель отключается от сети, контактор КТ вводит в действие электромагнитный тормоз, и двигатель затормаживается.
Реле максимального напряжения выполняет еще одну функцию. При одновременной работе в режиме рекуперации нескольких лебедок и мощности судового генератора, близкой к их суммарной мощности, напряжение судовой сети может значительно возрасти. Это приведет к срабатыванию реле обратного тока автоматического выключателя генератора и полному отключению всей судовой электроустановки. Защиту от данного явления и выполняет реле РМН. Если напряжение на зажимах электродвигателя повышается до 130% от напряжения сети, реле срабатывает и отключает электродвигатель от сети с одновременным торможением.
Несмотря на то, что на современных судах широко применяется переменный ток, также попадаются грузовые лебедки с электроприводом постоянного тока, так как при электроприводе переменного тока грузовые лебедки обладают почти одинаковой скоростью подъема и спуска груза. Кроме того, при частых пусках коротко-замкнутых электродвигателей их обмотки недопустимо перегреваются, что вынуждает ограничивать количество циклов работы лебедки в час, а также общую продолжительность их работы. Эти обстоятельства резко снижают производительность лебедок на переменном токе по сравнению с их производительностью на постоянном токе.
На рис. 3 изображена схема контакторного управления электроприводом переменного тока грузовой лебедки грузоподъемностью 3 т. Электропривод состоит из короткозамкнутого двухскоростного электродвигателя типа МАП51-4/16 мощностью 22 кВт при 40% ПВ, напряжением 220 В со скоростью вращения 1408/318 об/мин, магнитного контроллера и командоконтроллера. Электродвигатель имеет : пристроенный электромагнитный тормоз.
Рис.3. Схема контакторного управления электроприводом переменного тока грузовой лебедки грузоподъемностью 3 т
При переводе рукоятки командоконтроллера из нулевого положения в первое в сторону подъема в промежуточном положении на короткое время замыкается контакт К1 командоконтроллера. При этом срабатывает реле напряжения PH и в дальнейшем цепи управления получают питание через его контакт.
В положении «1 подъем» контакт К3 командоконтроллера остается включенным, включается контакт К2 и выключаются контакты К6 и К7. При этом срабатывают реверсивный контактор В и контактор малой скорости М, которые замыкают свои главные контакты в цепи статора электродвигателя. Блок-контакты этих же контакторов подают питание на катушку тормозного контактора КТ, контактор срабатывает, и электромагнитный тормоз ТМ растормаживается. Электродвигатель начинает разгоняться с сопротивлением, включенным в цепь статора для ограничения пускового тока. При этом получает также питание катушка промежуточного реле 2РП, включенная в цепь статора, вследствие чего замыкается контакт этого реле в цепи питания катушки тормозного контактора КТ.
В положении «2 подъем» при замыкании контакта К7 командо-контроллера срабатывает контактор ускорения У. Контактор шунтирует пусковое сопротивление, и электродвигатель разгоняется до номинальных оборотов малой скорости вращения.
При переводе рукоятки командоконтроллера в положение «3 подъем» сначала замыкается контакт К6, а затем размыкается контакт К3. При этом сначала включается контактор Б, а затем выключается контактор М. Электродвигатель переходит на работу с большой скоростью вращения.
Если регулировка контактов командоконтроллера нарушится и при переходе командоконтроллера из положения 2 в положение 3 контакторы М и Б окажутся выключенными, то катушка тормозного контактора КТ также лишится питания и электродвигатель затормозится. Последующее включение контактора Б вызовет усиленный толчок тока. Это нежелательное явление предотвращается промежуточным реле 2РП. Его контакты при преждевременном выключении контактора М поддерживают питание катушки тормозного контактора КТ в течение времени, достаточного для включения контактора Б.
В положении «I спуск» контакты К4 и К7 командоконтроллера замыкаются одновременно, вследствие чего контактор У срабатывает сейчас же после срабатывания контактора Н. При переводе рукоятки командоконтроллера в положение «2 спуск» так же, как и при подъеме, сначала замыкается контактор Б, а затем размыкается контактор М, и электродвигатель переходит на большую скорость вращения.
Процесс торможения и остановки электродвигателя не зависит от скорости перевода рукоятки командоконтроллера из положения «2 спуск» в нулевое. В процессе этого перевода при положении 1 замыкается контакт К6, который остается замкнутым также в нулевом положении. Несмотря на размыкание контакта К4, цепь катушки реверсивного контактора Н остается замкнутой через контакт промежуточного реле РП и собственный блок-контакт.
Вследствие этого контактор Н остается включенным и своими блок-контактами обеспечивает питание катушек контакторов М и У, что в свою очередь обусловливает питание контактора КТ. Электродвигатель переходит на работу с малой скоростью вращения. По истечении выдержки времени реле 1РП его контакт размыкается, все контакторы выключаются, и электродвигатель затормаживается.
Защита электродвигателя от длительных перегрузок осуществляется четырьмя тепловыми реле с самовозвратом; из них два для тихоходной и два для быстроходной обмотки. В схеме предусмотрена также аварийная кнопка шунтирования контактов тепловых реле, хотя в ней нет необходимости для подобного малоответственного привода, каким является грузовая лебедка.
