13. Практичні схеми підключення
Безпека перед кожною схемою
Наведені тут малюнки — навчальні, принципові схеми. Це не монтажний проєкт, не розкладка клемних колодок чи проводів, і вони не дають дозволу на роботи під напругою. У колі з мережевою напругою (230/400 В) має працювати лише фахівець, який має на це право; захист, заземлення, переріз проводів і вимоги на місці завжди мають пріоритет.
Як читати схеми? На малюнках використано звичні спрощені умовні позначення електричних принципових схем, а замість тексту — позначення апаратів (їхнє значення наведено наприкінці кожного пункту). Вимикачі, контакти та кнопки накреслено в стані спокою (не задіяні, котушки знеструмлені). Кольори лише допомагають: коричневий = фаза (L1), чорний і сірий = L2 і L3, синій = нульовий робочий провідник (N), зелено-жовтий = захисний провідник (PE); на постійній напрузі червоний = +, синій = 0 В. Штрихова лінія означає механічний зв’язок (наприклад, між котушкою реле та його контактом). У позначеннях F — захист (запобіжник, автоматичний вимикач, реле максимального струму), Q — автоматичний або вступний вимикач, S — вимикач або кнопка, K і KM — реле та контактор, M — двигун, E — освітлення, B — датчик, G — блок живлення.
1. Підключення світлодіода: вчіться на низькій напрузі
Для початку підійде коло низької напруги, наприклад 12 В постійного струму. Світлодіод — це діод: він проводить струм лише в одному напрямку. Анод (A) звернений до плюса, катод (K) — до мінуса; за зворотної полярності він не світиться, а також може вийти з ладу. Світлодіод сам свій струм не обмежує: після досягнення прямої напруги (UF) струм різко зростає, тому потрібен послідовний резистор або драйвер зі стабілізацією струму, без цього світлодіод вийде з ладу. Запобіжник (F1) захищає провід і сторону живлення від короткого замикання, але струм світлодіода не обмежує.
Читайте схему за напрямком струму, від плюса до мінуса: блок живлення G1 → запобіжник F1 → вимикач S1 → резистор R1 → світлодіод D1 (анод → катод) → назад до мінуса G1.
Значення резистора розрахуйте за паспортом: R1 = (U − UF) / IF. Наприклад, за напруги живлення 12 В, UF ≈ 2 В і IF = 20 мА: R1 = (12 − 2) / 0,02 = 500 Ом; виберіть найближче більше стандартне значення (510 Ом), тоді струм становитиме близько 19,6 мА. На резисторі розсіюється близько 0,2 Вт, тому використовуйте резистор на ½ Вт.
Позначення: G1 блок живлення 12 В постійного струму, F1 запобіжник, S1 вимикач (замикальний контакт), R1 резистор, D1 світлодіод, I напрямок струму. Схема не придатна для підключення драйвера світлодіодів на мережеву напругу.
2. Підключення двигуна: окрема роль силового кола та кола керування
Пуск трифазного двигуна — це не просто підключення трьох проводів. Силове коло (L1, L2, L3 → двигун) і коло керування (котушка контактора, кнопки) — окремі електричні кола. Схема показує силове коло прямого пуску: Q1 захищає від короткого замикання та відокремлює двигун від мережі, головні контакти контактора KM1 вмикають двигун, F2 — теплове реле — стежить за тривалим перевантаженням, двигун M1 отримує три фази на затискачах U1, V1, W1, а захисний провідник (PE) іде до корпусу двигуна. Котушка контактора (A1–A2) і допоміжний контакт F2 (95–96, розмикальний) належать до кола керування: праворуч на схемі показано лише їхній зв’язок, а підключення — у п. 9.
Якщо застосовано автоматичний вимикач для захисту двигуна, який має і тепловий, і електромагнітний розчіплювач, окреме F2 можна не ставити, бо вимикач захищає й від перевантаження. Значення спрацювання слід встановити за номінальним струмом на паспортній табличці двигуна. Категорію застосування контактора (для двигунів зазвичай AC-3), спосіб пуску, аварійну зупинку, послідовність фаз (вона визначає напрямок обертання) і вибір захисних апаратів визначають за паспортною табличкою двигуна та проєктувальник.
Позначення: Q1 захист від короткого замикання (автоматичний вимикач для захисту двигуна або автоматичний вимикач), KM1 контактор (головні контакти 1–2, 3–4, 5–6; котушка A1–A2), F2 теплове реле (допоміжний контакт 95–96), M1 трифазний двигун (3~), U1 V1 W1 затискачі двигуна.
3. Читання схеми: лампа, якою керують із двох місць
У схемі з прохідними вимикачами одна лампа керується двома прохідними вимикачами. Фаза (L) через автоматичний вимикач F1 потрапляє на спільний (COM) затискач S1. Між двома іншими затискачами S1 та двома відповідними затискачами S2 прокладено два з’єднувальні провідники (перемички). Від спільного затискача S2 провід іде до лампи (E1). Нульовий провідник (N) приєднується безпосередньо до лампи. Перемикання будь-якого вимикача змінює стан лампи: якщо обидва вимикачі стоять на одному з’єднувальному провіднику, коло замкнене, і лампа світиться; якщо на різних — коло розімкнене. Схема показує вимкнений стан.
Вимикачі розмикають фазу, а не нуль, тож у вимкненому стані патрон лампи не перебуває під фазою. Захисний провідник (PE) — окремий неперервний провідник: він іде до корпусу світильника і не може розриватися контактом вимикача. Для керування з трьох і більше місць між двома прохідними вимикачами у з’єднувальні провідники вмикають перехресний вимикач.
Порядок читання схеми: спершу визначте живлення та споживач, потім комутаційні елементи, нарешті окремо простежте шлях фази, нуля та захисного провідника. Колір проводів: фаза зазвичай коричнева (або чорна, сіра), нуль — світло-синій, захисний провідник — зелено-жовтий; з’єднувальні провідники окремого кольору не мають, але світло-синій і зелено-жовтий для них не використовуйте. Кольори на схемі лише ілюструють; для фактичного маркування завжди користуйтеся проєктом, документацією виробу та чинними вимогами.
Позначення: F1 автоматичний вимикач, S1 і S2 прохідний вимикач (COM = спільний затискач), E1 лампа, L фаза, N нуль, PE захисний провідник.
4. Кнопка та реле: навіщо розділяти керування?
Котушку реле вмикає малий сигнал керування (тут 24 В постійного струму), а його контакт, гальванічно відокремлений від котушки, комутує окреме коло (тут коло лампи 230 В, захищене F1). Тому кнопка комутує лише малий струм котушки, а не струм споживача. Поки ви тримаєте S1 натиснутою, K1 спрацьовує, і контакт 13–14 замикається; після відпускання K1 відпадає. Для тривалої роботи потрібне самоутримання (п. 9).
Паралельно до котушки постійного струму вмикають зворотний діод (V1): його катод звернений до плюса, тому в нормальному режимі він закритий, а під час вимкнення котушки гасить індуктивний викид напруги, який міг би пошкодити схему керування. Багато реле чи релейних модулів уже мають такий діод; діод чутливий до полярності, і якщо підключити його навпаки, виникне коротке замикання. Номінальну напругу, струм і категорію комутації контакту слід вибирати відповідно до реального навантаження (для драйвера світлодіодів та індуктивного навантаження враховують і пусковий струм); напруга котушки відповідає колу керування. Рівень ізоляції між колом керування 24 В і колом навантаження 230 В гарантує паспорт реле.
Позначення: S1 кнопка (замикальна), K1 реле (котушка A1–A2, контакт 13–14 замикальний), V1 зворотний діод, F1 запобіжник, E1 споживач (лампа). Схема показує два окремі електричні кола; штрихова лінія — механічний зв’язок між котушкою та контактом.
5. Зірка–трикутник: не кожен двигун запускається однаково
У великих двигунів із легким пуском (наприклад, вентилятор, насос) пусковий струм зменшує пуск за схемою зірка–трикутник. Для цього потрібен двигун із шістьма виводами, обмотки якого можуть працювати трикутником на лінійній напрузі мережі. Це видно з паспортної таблички: для мережі 400 В двигун «400 В Δ» (наприклад, 400/690 В Δ/Y) підходить, а двигун із табличкою 230/400 В Δ/Y на 400 В може працювати лише зіркою, тому для цього не годиться.
За схемою: мережевий контактор KM1 подає мережу на затискачі U1, V1, W1. Контактор зірки KM2 з’єднує затискачі W2, U2, V2 (нульова точка зірки): двигун запускається зіркою, обмотки отримують 1/√3 лінійної напруги (близько 58 %, за 400 В — близько 230 В), і пусковий струм та пусковий момент становлять приблизно третину від прямого пуску. За часовою діаграмою KM2 замикається трохи (на кілька десятків мілісекунд) раніше за KM1, щоб не комутувати навантажене коло, а після часу t (його задає реле часу, узгоджуючи з розгоном механізму) KM2 відпадає, і після короткої паузи замикається контактор трикутника KM3: він з’єднує затискачі U1–W2, V1–U2, W1–V2, і двигун працює трикутником на повній напрузі.
KM2 і KM3 ніколи не можуть спрацьовувати одночасно: разом вони спричинили б коротке замикання між фазами, тому електричне блокування обов’язкове, а механічне — поширене й рекомендоване. У зірці момент малий, тож для механізмів, що запускаються під навантаженням, цей спосіб не підходить, а під час перемикання виникає кидок струму та моменту. Реле максимального струму F2 тут стоїть у мережевій гілці й налаштоване на номінальний струм двигуна; якщо воно контролює фазний струм (послідовно з гілкою обмотки), його слід налаштувати приблизно на 58 % номінального струму. Вибір контакторів визначає таблиця виробника.
Позначення: Q1 захист від короткого замикання, KM1 мережевий, KM2 Y контактор зірки, KM3 Δ контактор трикутника, F2 реле максимального струму, M1 двигун із шістьма виводами (U1 V1 W1 і W2 U2 V2), t час перемикання.
6. Світлодіодна стрічка: кілька секцій — це не один довгий світлодіод
Світлодіодна стрічка потребує живлення стабільною напругою (тут 24 В постійного струму), а номінальна напруга блока живлення має збігатися з напругою стрічки. Стрічка складається з готових гілок (на малюнку — послідовно резистор і світлодіод), які з’єднані паралельно між позитивною та негативною шинами, тому її можна розрізати в місцях, позначених виробником. На малюнку для спрощення на кожну гілку припадає один світлодіод і один резистор; на справжній 24-вольтовій стрічці в кожній гілці кілька світлодіодів послідовно з одним резистором. Полярність: плюс — на плюсову шину, мінус — на мінусову.
На довгій стрічці опір струмопровідної шини спричиняє падіння напруги, і кінець стрічки світиться тьмяніше. Тому секції слід живити незалежно одна від одної, паралельно (не ланцюжком кінець до кінця), а довгу секцію — з обох кінців. Стрічка вищої напруги (24 В) за тієї самої потужності споживає менший струм, тож і падіння напруги менше. На малюнку секції LS1 і LS2 отримують окрему пару проводів від одного блока живлення G1, кожна зі своїм запобіжником F1 і F2.
Розраховуйте за потужністю: I = P / U. Приклад: 5 м стрічки 14,4 Вт/м — це 72 Вт, що за 24 В дає 3 А. Потужність блока живлення має з належним запасом перевищувати загальну потужність усіх стрічок, а номінальний струм запобіжника — бути більшим за струм секції, але меншим за допустимий струм проводу. Максимальну довжину підключення та дані стрічки визначає паспорт виробника; не вмикайте її в змотаному стані, бо вона перегріється.
Позначення: G1 блок живлення стабільної напруги 24 В, F1 і F2 запобіжники, LS1 і LS2 секції світлодіодної стрічки.
7. Однолінійна схема: логіка щита в одну лінію
Однолінійна схема зображує багатопровідне електричне коло (тут L, N і PE) однією лінією і показує не фізичні місця монтажу, а послідовність захистів і споживачів. На схемі: живлення (1N~ 230 В після лічильника) → вступний вимикач Q0 (відключення) → два ПЗВ (FI1, FI2, 30 мА) → за ними автоматичні вимикачі (F1–F4) → групові лінії: E1 освітлення, XS1 і XS2 розетки, EH1 варильна поверхня. На кабелі біля косої риски стоять кількість жил і переріз (наприклад, 3×1,5: три жили, 1,5 мм²).
Чому два ПЗВ? Спрацювання одного спільного апарата знеструмлює всю квартиру, а два апарати це обмежують. B10 і B16 — це характеристика спрацювання (B) і номінальний струм (відповідно 10 і 16 А) автоматичного вимикача. Приклади значень (B10 і 1,5 мм² для освітлення, B16 і 2,5 мм² для розеток) лише орієнтовні: фактичне значення визначають навантаження, довжина проводу, спосіб прокладання та вимоги. Приклад варильної поверхні EH1 стосується однофазної варильної поверхні потужністю не більш ніж близько 3,6 кВт; більшу варильну поверхню зазвичай підключають до окремо розрахованого трифазного кола.
Позначення: Q0 вступний вимикач, FI1 і FI2 ПЗВ (IΔ: спрацьовує від диференційного струму, тобто струму витоку), F1–F4 автоматичні вимикачі, E1 лампа, XS1 і XS2 розетки, EH1 варильна поверхня (стаціонарний споживач).
8. Реле часу: комутація після заданої витримки
Котушка реле часу (KT1) під дією сигналу керування запускає відлік часу і після заданого часу t комутує свій контакт. Схема показує реле із затримкою вмикання (із затримкою спрацювання): після замикання S1 на KT1 подається напруга, через час t замикається замикальний контакт 15–18 із витримкою, і лампа E1 вмикається. Коли S1 розмикається, котушка знеструмлюється, і контакт одразу розмикається. Часова діаграма це показує: вмикання запізнюється, вимикання — ні. Невелика дуга на контакті — ознака витримки; увігнутий бік дуги звернений до руху із запізненням, тут — до замикання.
Таке реле використовують, наприклад, для послідовного пуску машин, для часової витримки перемикання із зірки на трикутник (п. 5) або для затримки повторного пуску компресора. Реле із затримкою вимикання після відключення ще протягом часу t утримує вихід; це типове рішення для вентиляції після вимкнення (наприклад, вентилятор у ванній кімнаті) та освітлення сходових клітин. Багатофункціональні реле часу вміють виконувати і ці функції, і імпульсну та циклічну; функцію завжди слід вибирати за типом апарата.
Позначення: S1 керуючий контакт (тут джерело сигналу, що постійно залишається замкненим), KT1 реле часу (котушка A1–A2, замикальний контакт із витримкою 15–18), E1 комутоване навантаження, t час витримки.
9. Самоутримання контактора: START не лишається натиснутою
У схемі самоутримання коротке натискання кнопки START (S1, замикальна) втягує контактор KM1. Власний допоміжний контакт 13–14 контактора KM1 замикається паралельно до S1 і бере на себе живлення котушки, тож S1 можна відпустити. Контакт STOP (S0, розмикальний) і розмикальний контакт 95–96 реле максимального струму F2 увімкнені послідовно з котушкою: будь-який із них розриває коло, KM1 відпадає, допоміжний контакт також розмикається, і двигун запуститься знову лише після нового START.
STOP є розмикальним (NC) контактом тому, що навіть за обриву проводу чи послаблення затискача настає зупинений, безпечний стан: несправність кола керування не повинна утримувати двигун увімкненим. Комутаційні контакти стоять на стороні фази (L), а котушка — на стороні нуля, тож замикання на землю не втягне контактор. Після зникнення напруги схема із самоутриманням сама не запускається, і це бажано; а в колі, яким керує постійно замкнений вимикач (двопровідне керування), машина після відновлення напруги може запуститися сама. Це логіка керування, яку слід проєктувати разом зі справжніми захистами, блокуваннями та захистом від несподіваного повторного пуску відповідно до оцінки ризиків машини.
Позначення: F1 запобіжник кола керування, S0 STOP (розмикальна), F2 реле максимального струму 95–96 (розмикальний), S1 START (замикальна), KM1 контактор (котушка A1–A2, допоміжний контакт 13–14 замикальний).
10. Світло з датчиком руху
Датчик руху (B1, тут PIR, пасивний інфрачервоний) своїм внутрішнім комутаційним контактом комутує фазний провідник лампи (L → L′). Він має три затискачі: L і N — власне живлення датчика, тому йому потрібні постійна фаза й постійний нуль; L′ — комутований вихід, який іде до лампи. Інший затискач лампи приєднується до нуля, а до корпусу світильника йде захисний провідник. Якщо в монтажній коробці немає нульового провідника (є лише фаза та провід до лампи, як за традиційного монтажу з вимикачем), трипровідний датчик підключити не можна: потрібен датчик у двопровідному виконанні.
Під час навчання подумки розділяйте виявлення (PIR), рішення (електроніка датчика: чутливість, витримка, поріг освітленості), комутацію (L′) і споживач; завдяки цьому зрозумілим стає більшість завдань автоматичного освітлення. Допустиме навантаження виходу, умови для світлодіодного чи індуктивного навантаження (мінімальне навантаження, пусковий струм) і можливість ручного втручання завжди наводить документація на виріб.
Позначення: F1 автоматичний вимикач, B1 датчик руху (PIR; L, N, комутований L′), E1 лампа, L фаза, N нуль, PE захисний провідник.
11. Датчик 24 В на вході контролера
Трипровідний промисловий датчик використовує окремі проводи живлення та окремий провід сигналу. Звичайні кольори проводів і призначення виводів роз’єму M12: коричневий (BN, вивід 1) = +24 В, синій (BU, вивід 3) = 0 В, чорний (BK, вивід 4) = вихідний сигнал. Живлення датчик отримує від блока живлення G1, а ПЛК зчитує лише сигнал (чорний провід).
Датчик PNP у ввімкненому стані комутує свій вихід на +24 В. Тоді струм сигналу тече через вхід ПЛК і замикається на 0 В, тому спільна точка входу (тут 1M) приєднується до 0 В, а 0 В датчика, блока живлення та входу є спільним. Датчик NPN, навпаки, комутує вихід на 0 В, і для нього потрібен вхід із протилежною полярністю. Тип входу, рівень напруги та допустиме навантаження датчика слід узгодити за паспортами ПЛК і датчика; за невідповідності вхід не працюватиме або пристрій може бути пошкоджено.
Позначення: G1 блок живлення 24 В постійного струму, B1 датчик PNP (BN, BU, BK), PLC1 контролер (DI0 цифровий вхід, 1M спільна точка входів), I струм кола сигналу.
12. Реверс двигуна
У трифазного двигуна зміна місцями двох фаз змінює напрямок обертання. На схемі KM1 з’єднує фази L1, L2, L3 прямо із затискачами U1, V1, W1 (вперед), а KM2 міняє місцями фази L1 і L2 (назад: L1 → V1, L2 → U1, L3 → W1). Обидва контактори живляться від одного вводу, тому якби вони спрацювали одночасно, між фазами виникло б коротке замикання. KM1 і KM2 ніколи не можуть працювати разом, тому блокування не є необов’язковим.
Блокування слід виконати електрично (розмикальний допоміжний контакт одного контактора, наприклад KM1 21–22, послідовно з котушкою іншого контактора) і, за можливості, механічно (механічний елемент, що з’єднує обидва контактори; на схемі — подвійна стрілка між штриховими лініями). Реверс під час ходу спричинив би великий кидок струму та моменту, тому схема керування зазвичай дозволяє пуск у протилежному напрямку лише після зупинки. Схема показує силове коло, а керування (окрема START для кожного напрямку, спільна STOP) слід доповнити за п. 9; кінцевий захист, гальмування та захист від несподіваного повторного пуску — частина плану безпеки машини.
Позначення: Q1 захист від короткого замикання, KM1 вперед, KM2 назад (контактори), F2 реле максимального струму, M1 трифазний двигун, ⇄ між двома контакторами — механічне блокування.
13. Навіщо розділяти на кілька електричних кіл?
У щиті споживачі різного призначення, як правило, відходять окремими захищеними лініями. На схемі після вступного вимикача Q0 і FI1 є три кола: F1 освітлення (E1–E3), F2 розетки (XS1–XS3), F3 варильна поверхня (EH1). Якщо в колі розеток виникає надструм або коротке замикання (знак блискавки), спрацьовує лише F2: освітлення та варильна поверхня залишаються в роботі (на схемі коло, що спрацювало, показано сірим штрихом).
Перевага цього — прозоріший пошук несправностей (видно, яке коло несправне), цілеспрямованіший захист (кожне коло отримує автоматичний вимикач, підібраний під свій провід і навантаження) та краща безперервність живлення (несправність у розетці не залишає квартиру в темряві). Потужні споживачі (варильна поверхня, духова шафа, бойлер, кондиціонер) зазвичай отримують власне коло. FI1 же спрацьовує на струм витоку (на різницю струмів фазного та нульового провідників, наприклад, за замикання на корпус чи витоку) і відключає всі кола за собою; тому у більшому щиті застосовують кілька ПЗВ (див. п. 7). Точне групування виконують за проєктом, навантаженнями та чинними вимогами.
Позначення: Q0 вступний вимикач, FI1 ПЗВ, F1–F3 автоматичні вимикачі (B10, B16 — характеристика та струм), E1–E3 лампи, XS1–XS3 розетки, EH1 варильна поверхня (менший однофазний приклад).
Запитання для практики
- Чому в колі світлодіода потрібне обмеження струму і як розрахувати значення резистора?
- Яка різниця між комутаційною функцією контактора та функцією захисту від перевантаження?
- Чому PE не можна пропускати через вимикач?
- Чому для кнопки STOP використовують розмикальний (NC) контакт?
- Чому контактори зірки й трикутника, а також контактори «вперед» і «назад» не можуть спрацьовувати одночасно?
Якщо хочете наочно задокументувати проєкт, перейдіть до умовних позначень і наборів умовних позначень, а потім до розділу проводи та електричні кола.