Правила построения электрических схем. Монтаж электрических схем
учебно-методический материал на тему

Правила построения электрических схем

Электрическая схема — это графическое изображение связей между электрическими элементами установки, позволяющее понять принцип действия электротехнического устройства. Условным графическим изображением показывают электрические элементы схемы устройства, на которых происходит получение, преобразование и управление электроэнергией. Элементами схемы являются: обмотки электрических машин, катушки контакторов и реле, контакты электрических аппаратов, резисторы и др. Электрические связи на схемах показывают провода и кабели электротехнической установки.

В зависимости от назначения схемы подразделяются на структурные, функциональные, принципиальные (полные), схемы соединений (монтажные). В упрощенных однолинейных схемах провода или связи изображают одной линией. При помощи отрезков, пересекающих эти линии под углом 45°, указывают число проводов или число токопроводящих жил кабеля.

Структурные схемы позволяют иметь упрощенное изображение основных элементов в виде прямоугольников и линии связи между элементами. Внутри прямоугольников вписывают наименование элементов, а также основные параметры (мощность, напряжение), позволяющие создать общее представление об установке.

Функциональные схемы являются дальнейшим развитием структурных схем и служат для более углубленного ознакомления с электроустановками. При помощи условных графических обозначений изображены все элементы каждого прямоугольника. Связи между отдельными элементами конкретизируются и расшифровываются. Функциональные схемы имеют подробную характеристику всех элементов.

Принципиальные схемы изображают все электрические элементы и связи между ними для пояснения принципов работы электрифицированной установки. Все элементы вычерчивают в отключенном положении. Каждый элемент, входящий в схему, должен иметь буквенно-цифровое обозначение по государственному стандарту.

Все элементы электрических схем разделены на виды, каждому из которых присвоен буквенный код в виде заглавной латинской буквы, являющийся обязательным в обозначении. Для уточнения вида элемента к первой букве кода может добавляться вторая буква, образуя двухбуквенный код. После одно- или двухбуквенного кода ставится номер элемента в виде одной или нескольких цифр. Вид и номер элемента являются обязательной частью обозначения.

Цифры порядковых номеров, которые указывают на нумерацию одинаковых элементов, должны быть выполнены одним размером шрифта с буквенными обозначениями элемента. Например, на схеме имеется два контактора с двумя и тремя контактами. Электромагнитные катушки контакторов обозначаются К1, К2, их контакты К 1.1, К 1.2 и К2.1, К2.2, К2.3.

В принципиальных схемах условные графические обозначения элементов устройств выполняют совмещенным или разнесенным способом. При совмещенном способе электрические элементы устройства размещают на схеме с учетом их конструкционных связей (например, втягивающие катушки контактора рядом с графическим изображением его контактов). При разнесенном способе условные графические изображения электрических элементов устройства располагают в разных местах схемы, не принимая во внимание конструктивного исполнения этого устройства. Элементы на схеме располагают с учетом прохождения по ним тока. Цепи токов в разнесенной схеме размещают параллельно одна под другой, образуя строчный способ выполнения схемы. Для облегчения чтения схемы при строчном способе рекомендуется параллельные цепи (строки) нумеровать. В зависимости от назначения цепей на принципиальных схемах выделяют: силовую цепь, цепи управления, сигнализации, возбуждения, электрических измерений.

Силовой цепью называется электрическая цепь с устройствами, вырабатывающими, передающими и распределяющими электрическую энергию, а также преобразующими ее в энергию другого вида или в электрическую энергию с другими параметрами. Силовая цепь содержит элементы, по которым протекают токи якоря машины постоянного тока, статора и ротора асинхронной машины и т.д.

Цепью управления называется электрическая цепь с устройствами, назначение которых состоит в приведении в действие электрооборудования и отдельных электротехнических устройств или в изменении значений их параметров.

Цепью сигнализации называется электрическая цепь с устройствами, приводящими в действие сигнальные устройства.

Цепь возбуждения — электрическая цепь, содержащая обычно параллельную обмотку возбуждения.

Цепь электрических измерений — электрическая цепь с электроизмерительными приборами.

Электрические схемы раскрывают способы управления электродвигателем, которые слагаются из следующих этапов: пуска, изменения частоты вращения, реверса, торможения и выключения. Пуск двигателя, например, может быть прямым, т. е. непосредственным включением его в сеть, или происходить по заданному режиму.

В  установках, где мощность питающей сети во много раз превышает мощность включаемого электродвигателя, можно непосредственно включать электродвигатели больших мощностей, нежели , где мощности электростанций ограничены.

Способы управления зависят от многих факторов (типа двигателя, мощности, требований к эксплуатации). Поэтому в электроприводе применяется большое число разнообразных систем управления. Основными из них являются контроллерная, реостатная, контакторная, Г — Д, с использованием управляемых магнитных усилителей и др.

В зависимости от условий эксплуатации используют ручную, дистанционную и автоматическую системы управления двигателем.

При ручной системе все этапы управления могут значительно отличаться от расчетных, особенно при переходных режимах электродвигателя. Для ручных операций по управлению двигателями всегда требуется больше времени, чем при наличии автоматизации, и производительность выполняемых работ всегда меньше. Ручные системы встречаются редко.

При дистанционной системе управление двигателем может осуществляться автоматически, с помощью релейно-контактной аппаратуры, однако сигнал для включения элементов автоматического управления подается вручную с помощью кнопочных командоаппаратов или командоконтроллеров.

Схемы прямого пуска двигателей постоянного и переменного тока с контакторным управлением показаны на рис. 3.1. Цепь управления для обоих электродвигателей строится одинаково и включается к выводам X1 и Х2. Отличие состоит в том, что для управления электродвигателем постоянного тока (рис. 3.1, а) применяется контактор постоянного тока с двумя замыкающими главными контактами, а для управления асинхронным двигателем (рис. 3.1, б) — трехполюсный контактор переменного тока.

Включение электродвигателей осуществляется нажатием на кнопочный выключатель «Пуск» S2 (рис. 3.1, в). Катушка контактора К1 получает питание, и контактор, сработав, подключает своими замыкающими контактами электродвигатель к сети. Если кнопочный выключатель S2 отпустить, то его замыкающий контакт разомкнётся. Однако двигатель остается включенным, так как питание катушки контактора сохраняется через вспомогательный контакт К1.3, шунтирующий контакт S2. Для отключения электродвигателя необходимо нажать кнопочный выключатель «Стоп» S1. Катушка контактора теряет питание, и он отключает электродвигатель от сети.

При выключении питающего напряжения вследствие значительной индуктивности параллельной обмотки возбуждения в ней возникают значительные э. д. с. самоиндукции и перенапряжения, которые могут привести к повреждению изоляции обмотки. Для уменьшения перенапряжений параллельно этой обмотке подключают разрядный (гасящий) резистор R. Во избежание лишних потерь энергии в разрядном резисторе последовательно с ним иногда включают полупроводниковый вентиль V. При выключении цепи возбуждения создается замкнутый контур, замедляющий уменьшение тока в обмотке возбуждения, способствующий снижению э. д. с. самоиндукции и перенапряжения в ней.

Рис. 3.1. Схемы прямого пуска двигателя с контакторным управлением.

На рис. 3.2 приведены принципиальные схемы управления электродвигателями постоянного и переменного тока, которые обеспечивают изменение направления их вращения (реверс).

Рис. 3.2. Схемы пуска и реверсирования двигателей с контакторным управлением.

В зависимости от того, какая будет нажата кнопка, сработает контактор К1 или К2, и двигатель начнет вращаться в ту или иную сторону.

Реверсирование двигателя постоянного тока (рис. 3.2, а) осуществляется изменением направления тока в обмотке якоря, а асинхронного двигателя (3.2, б) — переключением двух фаз.

Весьма важным в реверсивных электроприводах является исключение возможности одновременного включения контакторов К1 и К2, так как это приводит к короткому замыканию силовой сети главными контактами. Такое явление может возникнуть вследствие, например, одновременного нажатия на кнопочный выключатель «Пуск вперед» и «Пуск назад» (S2 и S3) или нажатия на кнопочный выключатель S2 (S3) в то время, когда главные контакты контакторов приварились. Для устранения этого явления в цепях управления предусматривают специальные блокировки. В схеме на рис. 3.2, в блокирование осуществляется применением кнопок с замыкающими и размыкающими контактами. При одновременном нажатии на обе кнопки цепи катушек обоих контакторов оказываются разомкнутыми и ни один контактор сработать не сможет. При сваривании контактов силовой цепи у одного из контакторов предпочтительным является блокирование с помощью размыкающих вспомогательных контактов К1.3 и К2.3 (рис. 3.2, г). В ответственных электроприводах, помимо электрического блокирования, применяют механическое, которое исключает возможность втягивания якоря одного контактора, если втянут якорь другого.

Управление электродвигателем в электроприводах грузовых механизмов осуществляется при помощи контроллеров.

Контроллерная система позволяет иметь все виды управления электродвигателями: пуск, регулирование частоты вращения, реверс, торможение, остановку и, кроме того, защиту двигателей от перегрузки и понижения или исчезновения напряжения в питающей сети. Защита осуществляется с помощью релейно-контактной аппаратуры.

В двигателях постоянного тока частоту вращения регулируют с помощью резисторов, установленных в цепи якоря. Для получения малой частоты вращения дополнительно включается еще один резистор параллельно цепи якоря.

Реверсирование достигается переключением тока в цепи якоря двигателя. Электрическое торможение осуществляется всеми тремя способами: рекуперативным, электродинамическим и противотоком.

Наряду с силовыми контроллерами применяются командоконтроллеры в контакторных схемах управления грузоподъемных механизмов (лебедки, краны). Все разновидности систем контроллерного управления, как правило, характеризуются ступенчатым регулированием режимов работы электродвигателя.

Электрическая схема с применением командоконтроллера для управления электродвигателями трехфазного асинхронного и постоянного тока приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Управление двигателем с помощью командоконтроллера.

Рукоятка командоконтроллера имеет семь положений: нулевое и по три положения «Вперед» и «Назад». Точками на соответствующих положениях помечают, какие контакты командоконтроллера замкнуты. Так, например, если рукоятка командоконтроллера установлена на первое положение «Вперед», то замкнется контакт 1-2 и включится катушка контактора К1. Якорь (ротор) двигателя начнет вращаться «Вперед» с малой частотой вращения, так как в цепь включены ступени реостатов R1 и R2.

Перемещение рукоятки командоконтроллера в том же направлении на следующие положения (второе и третье) приведет к последовательному замыканию контактов 5-6 и 7-8 и срабатыванию контакторов К3 и К4, к выключению ступеней реостатов и Я2 и последовательному увеличению угловой скорости двигателя.

При перемещении рукоятки командоконтроллера «Назад» от нулевого положения вместо контакта 1-2 замкнется контакт 3-4, сработает контактор К2 и включит двигатель на обратное направление вращения. Второе и третье положения командоконтроллера дадут ту же угловую скорость, что и в направлении «Вперед». Установка рукоятки командоконтроллера в нулевое положение приводит к отключению всех контакторов и двигателя от сети.

Размыкающими контактами К 1.2 и К2.2 осуществляется блокирование, устраняющее включение обоих контакторов при сваривании их контактов или контактов командоконтроллера.

Схемы соединений (монтажные) изображают расположение составных частей электрифицированного устройства в деталях с указанием метода прокладки проводов и кабелей. Схемы соединений входят в состав технической документации  и являются документом, по которому выполняют монтаж установки, а также эксплуатацию и ремонт. Схемы учитывают технологию монтажа электрических аппаратов и приборов, а также возможность прокладки кабельных трасс. Чертежи панелей с размещенными на них аппаратами и приборами изображают в масштабе.

Монтажная схема содержит схемы внутренних соединений, на которых указаны все соединения внутри отдельных сборочных единиц, и схемы внешних соединений, на которых показывают прокладку кабельных трасс  между отдельными сборочными единицами. Для возможности контроля схемы все электрические выводы аппаратов и концы токопроводящих жил проводов должны иметь маркировку (цифру или букву).

 Схема подключения нереверсивного магнитного пускателя

На рис. 1, а, б показаны соответственно монтажная и принципиальная схемы включения нереверсивного магнитного пускателя для управления асинхронным электродвигателем с короткозамкнутым ротором. На монтажной схеме границы одного аппарата обводят штриховой линией. Она удобна для монтажа аппаратуры и поиска неисправностей. Читать эти схемы трудно, так как они содержат много пересекающихся линий.

Рис. 1. Схема включения нереверсивного магнитного пускателя: а - монтажная схема включения пускателя, электрическая принципиальная схема включения пускателяНа принципиальной схеме все элементы одного магнитного пускателя имеют одинаковые буквенно-цифровые обозначения. Это позволяет не связывать вместе условные изображения катушки контактора и контактов, добиваясь наибольшей простоты и наглядности схемы.

Методические указания по чтению электрических схем заключаются в рекомендациях по принятому порядку последовательности изучения электрифицированной установки. Чтение электрической схемы следует начинать с ее типа и вида по названию из углового штампа. Затем следует ознакомиться со схемой силовой цепи, начиная с источника тока. Схемы управления надо изучать поэлементно.

При наличии цепей с элементами электроники необходимо изучить работу отдельных электронных элементов, обратив внимание на прохождение электрических зарядов через полупроводниковые элементы. Следует помнить, что питание основных цепей в электронных устройствах принято однопроводное, поэтому окончание электрических цепей показано присоединением к корпусу аппарата.

Системы защиты, способные увеличить срок службы электродвигателя

Наиболее частые и основные причины возникновения аварийной работы асинхронных электродвигателей:

1. Однофазные и межфазные короткие замыкания – в кабеле, клемной коробке электродвигателя, обмотке статора (на корпус, межвитковые замыкания).

Внимание! КЗ(короткое замыкание) – наиболее опасный и частый вид неисправности в электродвигателе, т. к. сопровождается возникновением очень больших токов, приводящих к перегреву и сгоранию обмоток статора.

2. Тепловые перегрузки электродвигателя –возникают, когда вращение вала сильно затруднено (выход из строя подшипника, попадание мусора в шнек, запуск двигателя под слишком большой нагрузкой, либо его полная остановка).

Наиболее частой причиной тепловой перегрузки электродвигателя, приводящей к ненормальному режиму работы является пропадание одной из питающих фаз. Это вызывает значительное увеличение тока (в два раза превышающего номинальный) в статорных обмотках двух других  фаз.

В результате тепловой перегрузки электродвигателя –происходит очень сильный перегрев и разрушение общей изоляции обмоток статора, приводящий к замыканию обмоток и полной неработоспособности электродвигателя.

Итак как же защитить электродвигатель  от токовых перегрузок?

Главный секрет заключается в своевременном обесточивании электродвигателя при появлении в его силовой цепи или цепи управления больших токов, т. е. когда возникают короткие замыкания.

Чтобы защитить электродвигателей от коротких замыканий наиболее часто применяют плавкие вставки(предохранители), электромагнитные реле, автоматические выключатели с электромагнитным разрывом, подобранные так, чтобы они могли выдерживать высокие пусковые токи, но при этом незамедлительно срабатывали при появлении токов короткого замыкания.

Если стоит задача защитить электродвигатель от тепловых перегрузок в схему подключения электродвигателя применяют тепловое реле, имеющее в своём исполнении контакты цепи управления – посредством которых подаётся питающее напряжение на катушку магнитного пускателя.

Если  возникнут тепловые перегрузки - эти контакты разомкнуться и прервут питание катушки, что приведёт к возврату группы силовых контактов в первоначальное положение – электродвигатель обесточен.

Самым простым и безотказном способом  защиты электродвигателя от пропадания фаз будет добавление в схему подключения электродвигателя дополнительно магнитного пускателя:

При включение автоматического выключателя 1 происходит  замыкание цепи питания катушки магнитного пускателя 2 (при этом рабочее напряжение указанной катушки должно составлять ~380 вольт) и замыкание силовых контактов 3 пускателя, посредством которого (используется только один контакт) подаётся питание катушки магнитного пускателя 4.

Включение кнопки «Пуск» 6 непосредственно через кнопку «Стоп» 8 вызывает замыкание цепи питания катушки 4, следующего магнитного пускателя (её рабочее напряжение имеет значение как 380 так и 220 в), замыкает его силовые контакты 5, и на двигатель подаётся напряжение.

Если отжать кнопку «Пуск» 6, напряжение с силовых контактов 3 будет проходить через нормально разомкнутый блок-контакт 7, при этом обеспечивая неразрывность цепи питания катушки магнитного пускателя.

Как можно увидеть из этой схемы защиты электродвигателя, отсутствие(по каким-либо причинам) любой из фаз напряжение подаваемых на электродвигатель – обесточит электродвигатель, что сохранит его от тепловых перегрузок и преждевременного выхода его из строя.