13. Практические схемы
Безопасность перед каждой схемой
Приведённые здесь чертежи — учебные, принципиальные схемы. Это не монтажный проект, не раскладка клемм или проводов, и они не дают права работать под напряжением. С цепями сетевого напряжения (230/400 В) должен работать только уполномоченный специалист; защита, заземление, сечение проводов и требования на месте всегда имеют приоритет.
Как читать схемы? На чертежах используются обычные упрощённые обозначения электрических принципиальных схем, а вместо текста — позиционные обозначения аппаратов (их значение приведено в конце каждого пункта). Выключатели, контакты и кнопки изображены в исходном состоянии (не приведены в действие, катушки обесточены). Цвета служат лишь подсказкой: коричневый = фаза (L1), чёрный и серый = L2 и L3, синий = нулевой рабочий проводник (N), зелёно-жёлтый = защитный проводник (PE); в цепях постоянного тока красный = +, синий = 0 В. Штриховая линия означает механическую связь (например, между катушкой реле и его контактом). В обозначениях F — защита (предохранитель, автоматический выключатель, реле перегрузки), Q — выключатель или вводной выключатель, S — выключатель или кнопка, K и KM — реле и контактор, M — двигатель, E — освещение, B — датчик, G — источник питания.
1. Подключение светодиода: учитесь на низком напряжении
Для начала подходит низковольтная цепь, например 12 В постоянного тока. Светодиод — это диод: он проводит ток только в одном направлении. Анод (A) обращён к плюсу, катод (K) — к минусу; при обратной полярности он не светится и может выйти из строя. Ток светодиода сам не регулируется: после достижения прямого напряжения (UF) ток резко растёт, поэтому нужен последовательный резистор или драйвер со стабилизацией тока, без этого светодиод повредится. Предохранитель (F1) защищает провод и сторону питания от короткого замыкания, но ток светодиода не ограничивает.
Читайте схему по направлению тока — от плюса к минусу: источник питания G1 → предохранитель F1 → выключатель S1 → резистор R1 → светодиод D1 (анод → катод) → обратно на минус G1.
Значение резистора рассчитайте по паспорту: R1 = (U − UF) / IF. Например, при напряжении питания 12 В, UF ≈ 2 В и IF = 20 мА R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ом; выберите ближайшее большее стандартное значение (510 Ом), тогда ток составит около 19,6 мА. На резисторе рассеивается около 0,2 Вт, поэтому применяйте резистор ½ Вт.
Обозначения: G1 — источник питания 12 В постоянного тока, F1 — предохранитель, S1 — выключатель (замыкающий контакт), R1 — резистор, D1 — светодиод, I — направление тока. Для подключения драйвера светодиодов на сетевое напряжение схема не годится.
2. Подключение двигателя: разные роли силовой цепи и цепи управления
Пуск трёхфазного двигателя — это не просто подключение трёх проводов. Силовая цепь (L1, L2, L3 → двигатель) и цепь управления (катушка контактора, кнопки) — отдельные цепи. На схеме показана силовая цепь прямого пуска: Q1 защищает от короткого замыкания и отключает, главные контакты контактора KM1 коммутируют двигатель, тепловое реле перегрузки F2 следит за длительной перегрузкой, двигатель M1 получает три фазы на клеммы U1, V1, W1, а защитный проводник (PE) идёт к корпусу двигателя. Катушка контактора (A1–A2) и вспомогательный контакт F2 (95–96, размыкающий) относятся к цепи управления: справа на схеме показана только их связь, а подключение дано в пункте 9.
Если используется автомат защиты двигателя, имеющий и тепловой, и электромагнитный расцепитель, отдельное F2 можно не ставить, так как такой аппарат защищает и от перегрузки. Ток срабатывания нужно выставить по номинальному току с паспортной таблички двигателя. Категорию применения контактора (для двигателей обычно AC-3), способ пуска, аварийный останов, порядок чередования фаз (он определяет направление вращения) и выбор защитных аппаратов определяют паспортная табличка двигателя и проектировщик.
Обозначения: Q1 защита от короткого замыкания (автомат защиты двигателя или автоматический выключатель), KM1 контактор (главные контакты 1–2, 3–4, 5–6; катушка A1–A2), F2 тепловое реле перегрузки (вспомогательный контакт 95–96), M1 трёхфазный двигатель (3~), U1 V1 W1 клеммы двигателя.
3. Чтение принципиальной схемы: лампа с управлением из двух мест
В схеме с проходными выключателями одну и ту же лампу управляют два проходных выключателя. Фаза (L) через автоматический выключатель F1 приходит на общую клемму (COM) S1. Между двумя другими клеммами S1 и двумя соответствующими клеммами S2 проходят два перемычных провода. От общей клеммы S2 провод идёт к лампе (E1). Нулевой рабочий проводник (N) подключается непосредственно к лампе. Переключение любого из выключателей меняет состояние лампы: если оба выключателя стоят на одном и том же перемычном проводе, цепь замкнута и лампа светится; если на разных — цепь разомкнута. На схеме показано выключенное состояние.
Выключатели коммутируют фазу, а не нуль, поэтому в выключенном состоянии патрон лампы не находится под фазой. Защитный проводник (PE) — отдельный, непрерывный проводник: он идёт к корпусу светильника и не может прерываться контактом выключателя. Для управления из трёх и более мест между двумя проходными выключателями в перемычные провода включают перекрёстный выключатель.
Порядок чтения схемы: сначала определите питание и потребитель, затем коммутирующие элементы, и в конце отдельно проследите путь фазы, нуля и защитного проводника. Цвета проводов: фаза обычно коричневая (или чёрная, серая), нуль голубой, защитный проводник зелёно-жёлтый; у перемычного провода специального цвета нет, но голубой и зелёно-жёлтый для него не используйте. Цвета на схеме только иллюстрируют; для фактической маркировки всегда пользуйтесь проектом, документацией на аппарат и применимыми требованиями.
Обозначения: F1 автоматический выключатель, S1 и S2 проходной выключатель (COM = общая клемма), E1 лампа, L фаза, N нуль, PE защитный проводник.
4. Кнопка и реле: зачем отделять управление?
Катушку реле приводит в действие слабый управляющий сигнал (здесь 24 В постоянного тока), а его контакт коммутирует отдельную цепь, гальванически развязанную от катушки (здесь цепь лампы на 230 В, защищённая F1). Так кнопка коммутирует только малый ток катушки, но не ток потребителя. Пока вы удерживаете S1, K1 срабатывает, и контакт 13–14 замыкается; при отпускании K1 возвращается. Для длительной работы нужен самоподхват (пункт 9).
Параллельно катушке постоянного тока включают защитный диод (V1): его катод обращён к плюсу, поэтому в нормальном режиме он заперт, а при отключении катушки он отводит индуктивный выброс напряжения, который мог бы повредить схему управления. Во многих реле и релейных модулях такой диод уже есть; диод чувствителен к полярности, а при обратном включении вызывает короткое замыкание. Номинальное напряжение, ток и категорию применения контакта нужно выбирать по фактической нагрузке (для драйвера светодиодов и индуктивной нагрузки важен и пусковой бросок тока); напряжение катушки согласуется с цепью управления. Уровень изоляции между цепью управления 24 В и цепью нагрузки 230 В гарантирует паспорт реле.
Обозначения: S1 кнопка (замыкающая), K1 реле (катушка A1–A2, замыкающий контакт 13–14), V1 защитный диод, F1 предохранитель, E1 потребитель (лампа). На схеме показаны две отдельные цепи; штриховая линия — механическая связь катушки и контакта.
5. «Звезда–треугольник»: не каждый двигатель пускается одинаково
У более мощных двигателей лёгкого пуска (например, вентилятор, насос) пусковой ток снижает пуск «звезда–треугольник». Для этого нужен двигатель с шестью выводами, обмотки которого могут работать треугольником на линейном напряжении сети. Это видно по паспортной табличке: в сети 400 В подходит двигатель «400 В Δ» (например, 400/690 В Δ/Y), а двигатель с табличкой 230/400 В Δ/Y при 400 В может работать только звездой, поэтому здесь не подходит.
По схеме: сетевой контактор KM1 подаёт сеть на клеммы U1, V1, W1. Контактор «звезда» KM2 соединяет клеммы W2, U2, V2 (нейтральная точка): двигатель пускается звездой, обмотки получают 1/√3 линейного напряжения (около 58 %, при 400 В — около 230 В), а пусковой ток и пусковой момент составляют около трети от значений прямого пуска. По временной диаграмме KM2 замыкается чуть раньше (на несколько десятков миллисекунд) KM1, чтобы не коммутировать цепь под нагрузкой, а через время t (его задаёт реле времени с учётом разгона механизма) KM2 отпускает, и после короткой паузы замыкается контактор «треугольник» KM3: он соединяет клеммы U1–W2, V1–U2, W1–V2, и двигатель работает треугольником на полном напряжении.
KM2 и KM3 не должны срабатывать одновременно: вместе они вызвали бы короткое замыкание между фазами, поэтому электрическая блокировка обязательна, а механическая блокировка — общепринятая и рекомендуется. Звездой момент мал, поэтому для механизмов, пускаемых под нагрузкой, она не применяется, а при переключении возникают бросок тока и бросок момента. Реле перегрузки F2 здесь стоит в сетевой ветви и выставляется на номинальный ток двигателя; если оно контролирует фазный ток (последовательно с ветвью обмотки), его нужно выставить примерно на 58 % номинального тока. Выбор контакторов по размеру определяют таблицы изготовителя.
Обозначения: Q1 защита от короткого замыкания, KM1 сетевой, KM2 Y контактор «звезда», KM3 Δ контактор «треугольник», F2 реле перегрузки, M1 двигатель с шестью клеммами (U1 V1 W1 и W2 U2 V2), t время переключения.
6. Светодиодная лента: несколько секций — это не один длинный светодиод
Светодиодной ленте нужно питание постоянным напряжением (здесь 24 В постоянного тока), а номинальное напряжение источника питания должно совпадать с напряжением ленты. Лента состоит из заранее изготовленных ветвей (на схеме резистор и светодиод последовательно), которые параллельно подключены между положительной и отрицательной шинами, поэтому её можно разрезать на секции в местах, отмеченных изготовителем. На схеме для простоты в каждой ветви показан один светодиод и один резистор; в настоящей ленте на 24 В в каждой ветви последовательно с одним резистором стоит несколько светодиодов. Полярность: плюс на плюсовую шину, минус на минусовую.
На длинной ленте сопротивление токоведущей шины вызывает потерю напряжения, и конец ленты светится тусклее. Поэтому секции нужно питать независимо друг от друга, параллельно (а не цепочкой друг за другом), а длинную секцию — с обоих концов. Лента на более высокое напряжение (24 В) при той же мощности потребляет меньший ток, поэтому и потеря напряжения меньше. На схеме секции LS1 и LS2 получают от одного источника G1 отдельные пары проводов, каждая со своим предохранителем F1 и F2.
Считайте по мощности: I = P / U. Пример: 5 м ленты 14,4 Вт/м — это 72 Вт, то есть 3 А при 24 В. Мощность источника питания должна быть с достаточным запасом больше суммарной мощности лент, номинальный ток предохранителя — больше тока секции, но меньше допустимого тока провода. Наибольшую длину подключения ленты и её данные указывает паспорт изготовителя; не включайте ленту смотанной, она перегреется.
Обозначения: G1 источник питания постоянного напряжения 24 В, F1 и F2 предохранитель, LS1 и LS2 секция светодиодной ленты.
7. Однолинейная схема: логика щита в одной строке
Однолинейная схема изображает многопроводную цепь (здесь L, N и PE) одной линией и показывает не физические места монтажа, а последовательность защит и потребителей. На схеме: ввод (1N~ 230 В после счётчика электроэнергии) → вводной выключатель Q0 (отключение) → два УЗО (FI1, FI2, 30 мА) → за ними автоматические выключатели (F1–F4) → групповые линии: E1 освещение, XS1 и XS2 розетки, EH1 варочная панель. У кабеля рядом с косой чёрточкой указаны число жил и сечение (например, 3×1,5: три проводника, 1,5 мм²).
Почему два УЗО? Срабатывание одного общего аппарата отключает всю квартиру, а два аппарата это ограничивают. B10 и B16 — это времятоковая характеристика автоматического выключателя (B) и его номинальный ток (10 и 16 А соответственно). Примерные значения (B10 и 1,5 мм² для освещения, B16 и 2,5 мм² для розеток) носят лишь ознакомительный характер: фактическое значение определяют нагрузка, длина провода, способ прокладки и требования. Пример варочной панели EH1 действителен для однофазной панели мощностью не более ок. 3,6 кВт; более мощную панель обычно подключают к трёхфазной, отдельно рассчитанной цепи.
Обозначения: Q0 вводной выключатель, FI1 и FI2 УЗО (IΔ: срабатывает от дифференциального тока, то есть тока утечки), F1–F4 автоматический выключатель, E1 лампа, XS1 и XS2 розетка, EH1 варочная панель (стационарный потребитель).
8. Реле времени: коммутация после определённой выдержки
Катушка реле времени (KT1) под действием управляющего сигнала запускает отсчёт и по истечении заданного времени t коммутирует свой контакт. На схеме показано реле с задержкой на включение (задержкой на срабатывание): при замыкании S1 на KT1 подаётся напряжение, через время t замыкается контакт 15–18 с выдержкой, и лампа E1 включается. Когда S1 размыкается, катушка обесточивается, и контакт немедленно размыкается. Временная диаграмма показывает именно это: включение запаздывает, отключение — нет. Небольшая дуга у контакта — признак выдержки времени; выпуклая сторона дуги обращена к движению с выдержкой, здесь — к замыканию.
Такое реле применяют, например, для последовательного пуска машин, для отсчёта времени переключения «звезда–треугольник» (пункт 5) или для задержки повторного пуска компрессора. Реле с задержкой на отключение после отключения ещё время t удерживает выход; это типичное решение для выбега вентилятора (например, в ванной) и для освещения лестничных клеток. Многофункциональные реле времени умеют и это, и импульсные, и циклические функции, функцию всегда нужно выбирать по типу аппарата.
Обозначения: S1 управляющий контакт (здесь источник сигнала, удерживаемый в замкнутом состоянии), KT1 реле времени (катушка A1–A2, замыкающий контакт с выдержкой 15–18), E1 коммутируемая нагрузка, t время задержки.
9. Самоподхват контактора: START не нужно удерживать
При самоподхвате короткое нажатие кнопки START (S1, замыкающая) включает контактор KM1. Собственный вспомогательный контакт 13–14 контактора KM1 замыкается параллельно S1 и берёт на себя питание катушки, поэтому S1 можно отпустить. Контакт STOP (S0, размыкающий) и размыкающий контакт 95–96 реле перегрузки F2 стоят последовательно с катушкой: любой из них разрывает цепь, KM1 отпускает, вспомогательный контакт тоже размыкается, и двигатель снова запустится только после нового нажатия START.
STOP — размыкающий (НЗ) контакт потому, что при обрыве провода или ослаблении клеммы наступает остановленное, безопасное состояние: неисправность цепи управления не должна удерживать двигатель включённым. Контакты коммутации стоят со стороны фазы (L), катушка — со стороны нуля, поэтому замыкание на землю не включит контактор. После пропадания напряжения схема с самоподхватом сама не запускается, это желательно; в цепи же с постоянно замкнутым выключателем (двухпроводной) машина при восстановлении питания может запуститься сама. Это логика управления, которую нужно проектировать вместе с реальными защитами, блокировками и защитой от неожиданного повторного пуска — по оценке риска для машины.
Обозначения: F1 предохранитель цепи управления, S0 STOP (размыкающий), F2 реле перегрузки 95–96 (размыкающий), S1 START (замыкающий), KM1 контактор (катушка A1–A2, вспомогательный контакт 13–14 замыкающий).
10. Свет с датчиком движения
Датчик движения (B1, здесь PIR, пассивный инфракрасный) своим внутренним коммутирующим контактом коммутирует фазный провод лампы (L → L′). У него три клеммы: L и N — собственное питание датчика, поэтому датчику нужны постоянная фаза и постоянный нуль; L′ — коммутируемый выход, который идёт к лампе. Другая клемма лампы подключается к нулю, а к корпусу светильника — защитный проводник. Если в установочной коробке нет нулевого проводника (есть только фаза и провод к лампе, как при обычной установке выключателя), трёхпроводной датчик подключить нельзя: для этого нужен датчик двухпроводного исполнения.
При изучении мысленно разделяйте обнаружение (PIR), решение (электроника датчика: чувствительность, задержка, порог освещённости), коммутацию (L′) и потребитель; это делает понятными большинство задач автоматического освещения. Допустимую нагрузку выхода, условия для светодиодной или индуктивной нагрузки (минимальная нагрузка, пусковой ток) и возможность ручного отключения автоматики всегда указывает документация на аппарат.
Обозначения: F1 автоматический выключатель, B1 датчик движения (PIR; L, N, коммутируемый L′), E1 лампа, L фаза, N нуль, PE защитный проводник.
11. Датчик на 24 В на входе контроллера
Трёхпроводной промышленный датчик использует отдельные провода питания и отдельный сигнальный провод. Обычные цвета проводов и назначение выводов разъёма M12: коричневый (BN, вывод 1) = +24 В, синий (BU, вывод 3) = 0 В, чёрный (BK, вывод 4) = выходной сигнал. Питание датчик получает от источника G1, ПЛК считывает только сигнал (чёрный провод).
Датчик PNP во включённом состоянии подключает свой выход к +24 В. При этом ток сигнала течёт через вход ПЛК и замыкается на 0 В, поэтому общая точка входа (здесь 1M) подключается к 0 В, и 0 В датчика, источника питания и входа — общий. Датчик NPN, напротив, подключает выход к 0 В, для него нужен вход обратной полярности. Тип входа, уровень напряжения и допустимую нагрузку датчика нужно согласовать по паспортам ПЛК и датчика; при несоответствии вход не работает или устройство может выйти из строя.
Обозначения: G1 источник питания 24 В постоянного тока, B1 датчик PNP (BN, BU, BK), PLC1 контроллер (DI0 дискретный вход, 1M общая точка входов), I ток сигнальной цепи.
12. Реверс двигателя
У трёхфазного двигателя перестановка двух фаз меняет направление вращения. На схеме KM1 подключает фазы L1, L2, L3 прямо к клеммам U1, V1, W1 (вперёд), а KM2 меняет местами фазы L1 и L2 (назад: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Оба контактора получают питание от одного ввода, поэтому при одновременном срабатывании между фазами возникло бы короткое замыкание. KM1 и KM2 никогда не должны работать вместе, поэтому блокировка не является необязательной.
Блокировку нужно выполнять электрически (размыкающим вспомогательным контактом одного контактора, например KM1 21–22, последовательно с катушкой другого контактора) и по возможности механически (механический элемент, соединяющий два контактора; на схеме — двойная стрелка между штриховыми линиями). Реверс на ходу вызвал бы сильные броски тока и момента, поэтому управление обычно разрешает пуск в обратную сторону только после остановки. Схема показывает силовую цепь, управление (отдельные START по направлениям, общий STOP) нужно дополнить по пункту 9; концевая защита, торможение и защита от неожиданного повторного пуска входят в план безопасности машины.
Обозначения: Q1 защита от короткого замыкания, KM1 контактор «вперёд», KM2 контактор «назад», F2 реле перегрузки, M1 трёхфазный двигатель, ⇄ между двумя контакторами — механическая блокировка.
13. Зачем делить на несколько цепей?
В щите потребители разного назначения, как правило, отходят от отдельных защитных ветвей. На схеме после вводного выключателя Q0 и УЗО FI1 идут три цепи: F1 освещение (E1–E3), F2 розетки (XS1–XS3), F3 варочная панель (EH1). Если в цепи розеток возникает сверхток или короткое замыкание (знак молнии), срабатывает только F2: освещение и варочная панель продолжают работать (на схеме сработавшая цепь показана штриховым серым цветом).
Преимущества: понятнее поиск неисправности (видно, какая цепь повреждена), более точная защита (каждая цепь получает автоматический выключатель, рассчитанный на свой провод и нагрузку) и лучшая непрерывность электроснабжения (неисправность розетки не оставит квартиру в темноте). Мощные потребители (варочная панель, духовой шкаф, бойлер, кондиционер) обычно получают собственную цепь. УЗО FI1 же срабатывает от тока утечки (от разности токов фазного и нулевого проводников, например при замыкании на корпус или утечке) и отключает все цепи за собой; поэтому в большом щите используют несколько УЗО (см. пункт 7). Точная группировка определяется по проекту, нагрузкам и применимым требованиям.
Обозначения: Q0 вводной выключатель, FI1 УЗО, F1–F3 автоматический выключатель (B10, B16 — характеристика и ток), E1–E3 лампа, XS1–XS3 розетка, EH1 варочная панель (пример меньшей однофазной).
Вопросы для самопроверки
- Зачем в цепи светодиода нужно ограничение тока и как рассчитать значение резистора?
- В чём разница между коммутационной функцией контактора и функцией защиты от перегрузки?
- Почему PE нельзя пропускать через выключатель?
- Почему для кнопки STOP используют размыкающий (НЗ) контакт?
- Почему нельзя одновременно включать контакторы «звезда» и «треугольник», а также «вперёд» и «назад»?
Если вы хотите наглядно документировать проект, продолжите главами об условных обозначениях и наборах обозначений, а затем о проводах и цепях.