УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОГРУЖНОГО НАСОСА

Изобретение относится к области автоматического управления электродвигателем, в частности электродвигателем погружного насоса с помощью электроконтактного манометра, устанавливаемого на трубопроводе, подающем воду в напорный резервуар.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса, содержащее электромагнитный пускатель, реле управления, замыкающий контакт которого включен последовательно в цепь питания катушки магнитного пускателя, и электроконтактный манометр, при этом замыкающие контакты магнитного пускателя включены последовательно между выводами для подключения сети и выводами для подключения питания электродвигателя погружного насоса, блок питания в составе понижающего трансформатора напряжения, двухполупериодного диодного выпрямителя, конденсатора, причем первичная обмотка трансформатора подключена к выводам для подключения источника питания, а вторичная - ко входу диодного двухполупериодного выпрямителя, выход которого образует выходные шины блока питания, к которым подключен конденсатор, а также содержащее компаратор напряжений со своими входными резисторами и резистором обратной связи, резисторные делители напряжения, эмиттерный повторитель, которые подключены к шинам блока питания, две RC-цепи, диоды развязки цепей, диод защиты транзистора и транзисторный усилитель, при этом выход первого резисторного делителя напряжения через первый входной резистор компаратора подключен к первому входу компаратора напряжений, а также соединен с анодом первого и катодом второго диодов, каждый из которых подключен к контактам соответственно нижнего и верхнего уровней давления электроконтактного манометра, а выход второго резисторного делителя напряжения через второй входной резистор компаратора подключен ко второму входу компаратора напряжений и соединен с первым выводом резистора обратной связи компаратора напряжений, второй вывод этого резистора подсоединен к выходу компаратора напряжений, к которому подключены входной резистор транзисторного усилителя и первые выводы резисторов RC-цепей, первая из которых содержит последовательно соединенный анодом со вторым выводом первого резистора третий диод, причем второй вывод резистора второй RC-цепи соединен с катодом третьего диода, а также с первой обкладкой конденсатора и входом эмиттерного повторителя, а вторая обкладка конденсатора, общего для обеих RC-цепей, соединена с первой из шин блока питания, обмотка реле управления, зашунтированная четвертым диодом, первым выводом соединена с катодом этого диода и второй шиной блока питания, а вторым выводом обмотка реле управления соединена с коллектором транзисторного усилителя, база которого соединена со вторым выводом входного резистора транзисторного усилителя и первым выводом резистора смещения, соединенного вторым выводом с эмиттером транзистора и первой шиной блока питания, выход эмиттерного повторителя соединен с общим контактом электроконтакного манометра, а также содержит второй компаратор напряжений со своими входными резисторами, два последовательно соединенных выпрямительных диода, второй транзисторный усилитель, конденсатор, диод развязки цепей, токоограничивающий резистор, светодиод со своим токоограничивающим резистором, два делителя напряжения, один из которых - резисторный и второй - резисторно-транзисторный, а также три соединенных по схеме звезда резистора, которые подключены к выводам для подключения сети, а искусственная нулевая точка звезды через токоограничивающий резистор соединена с общей точкой последовательно соединенных двух выпрямительных диодов, при этом катод первого диода соединен с первой шиной блока питания, которая соединена с входным резистором транзисторного усилителя, с катодом светодиода и с первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом второго диода и резистором смещения транзисторного усилителя, а коллектор транзистора соединен со вторым выводом резистора второго делителя напряжения и через первый входной резистор второго компаратора напряжений подключен к первому его входу, а выход резисторного делителя напряжения через второй входной резистор второго компаратора напряжений подключен ко второму его входу, выход этого компаратора соединен через токоограничивающий резистор с анодом светодиода и через диод развязки цепей подключен к выходу первого резисторного делителя напряжения первого компаратора напряжений; второй компаратор напряжений и его делители напряжения подключены к шинам блока питания [1].
Это устройство обеспечивает надежное отключение электродвигателя погружного насоса при пропаже одной или двух фаз и при превышении допустимой несимметрии фазных напряжений элетросети.
При включении погружного электронасоса в трубопроводе возникают резкие скачки давления, а в электроконтактном манометре (ЭКМ) - резкие колебания стрелки ЭКМ, при которых возможно длительное замыкание контактов верхнего или нижнего уровней с контактом стрелки ЭКМ. Также в процессе эксплуатации возможны замыкания в проводах управления и присоединительных зажимах ЭКМ и устройства управления. В этих случаях возникает аварийный режим работы электродвигателя, характеризующийся частыми включениями и отключениями электродвигателя, что приводит к перегреву статорной обмотки пусковыми токами и к межвитковым замыканиям [2].
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности электродвигателя погружного насоса за счет введения в устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса (далее устройство) защиты погружного электродвигателя от перегрева статорных обмоток частыми повторяющимися пусковыми токами. Это позволит своевременно отключать электродвигатель от питающей сети, не допускать разрушения фазных обмоток статора электродвигателя и тем самым повысить надежность его работы.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что в устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса, содержащее электромагнитный пускатель, реле управления, замыкающий контакт которого включен последовательно в цепь питания катушки магнитного пускателя, и электроконтактный манометр, при этом замыкающие контакты магнитного пускателя включены последовательно между выводами для подключения сети и выводами для подключения питания электродвигателя погружного насоса, блок питания в составе понижающего трансформатора напряжения, двухполупериодного диодного выпрямителя, конденсатора, причем первичная обмотка трансформатора подключена к выводам для подключения источника питания, а вторичная - ко входу диодного двухполупериодного выпрямителя, выход которого образует выходные шины блока питания, к которым подключен конденсатор; а также содержащее два компаратора напряжений со своими входными резисторами, три резисторных делителя напряжения, первый резисторно-транзисторный делитель напряжения, эмиттерный повторитель, которые подключены к шинам блока питания, две RC-цепи, четыре диода развязки цепей, диод защиты транзистора, два транзисторных усилителя, два выпрямительных диода, два конденсатора, резистор обратной связи, токоограничивающий резистор, светодиод со своим токоограничивающим резистором, три соединенных по схеме звезда резистора, которые подключены к выводам для подключения сети, при этом выход первого резисторного делителя напряжения через первый входной резистор компаратора напряжений подключен к первому входу первого компаратора напряжений, а также соединен с анодом первого и катодом второго диодов развязки цепей, каждый из которых подключен к контактам соответственно нижнего и верхнего уровней давления электроконтактного манометра, а выход второго резисторного делителя напряжения через второй входной резистор компаратора напряжений подключен ко второму входу первого компаратора напряжений и соединен с первым выводом резистора обратной связи первого компаратора напряжений, второй вывод этого резистора подсоединен к выходу первого компаратора напряжений, к которому подключены входной резистор первого транзисторного усилителя и первые выводы резисторов двух RC-цепей, первая из которых содержит последовательно соединенный анодом со вторым выводом первого резистора третий диод, причем второй вывод резистора второй RC-цепи соединен с катодом третьего диода, а также с первой обкладкой первого конденсатора и входом эмиттерного повторителя, а вторая обкладка этого конденсатора, общего для обеих RC-цепей, соединена с первой из шин блока питания, обмотка реле управления, зашунтированная диодом защиты транзистора, первым выводом соединена с катодом этого диода и второй шиной блока питания, а вторым выводом обмотка реле управления соединена с коллектором первого транзисторного усилителя, база которого соединена со вторым выводом входного резистора этого транзисторного усилителя и первым выводом резистора смещения, соединенного вторым выводом с эмиттером транзистора и первой шиной блока питания, выход эмиттерного повторителя соединен с общим контактом электроконтактного манометра, искусственная нулевая точка звезды через токоограничивающий резистор соединена с общей точкой последовательно соединенных двух выпрямительных диодов, при этом катод первого диода соединен с первой шиной блока питания, которая соединена со входным резистором второго транзисторного усилителя, с катодом светодиода и с первым выводом второго конденсатора, второй вывод которого соединен с анодом второго выпрямительного диода и резистором смещения второго транзисторного усилителя, а коллектор транзистора соединен со вторым выводом резистора резисторно-транзисторного делителя напряжения и через первый входной резистор второго компаратора напряжений подключен к первому его входу, а выход третьего резисторного делителя напряжения через второй входной резистор второго компаратора напряжений подключен ко второму его входу, выход этого компаратора напряжений соединен через токоограничивающий резистор с анодом светодиода и через четвертый диод развязки цепей подключен к выходу первого резисторного делителя напряжения, третий конденсатор, который подключен параллельно резистору первого резисторно-транзисторного делителя напряжения; дополнительно введены блок питания цепей интегральной микросхемы, третий транзисторный усилитель второго резисторно-транзисторного делителя напряжения, логический элемент «И», два элемента ограничения сигнала и элемент задержки сигнала верхнего уровня, соединенные следующим образом: блок питания цепей интегральной микросхемы подсоединен к выходным шинам блока питания устройства управления, один вывод элемента задержки сигнала верхнего уровня соединен с контактом верхнего уровня электроконтактного манометра и анодом диода верхнего уровня, второй вывод элемента задержки сигнала верхнего уровня соединен с первым выводом элемента ограничения сигнала верхнего уровня, второй вывод элемента ограничения сигнала верхнего уровня подключен к одному входу логического элемента «И», один вывод элемента ограничения сигнала нижнего уровня соединен с контактом нижнего уровня электроконтактного манометра и катодом диода нижнего уровня, второй вывод элемента ограничения сигнала нижнего уровня подключен к другому входу логического элемента «И», выход логического элемента «И» соединен с первым выводом входного резистора третьего транзисторного усилителя, второй вывод входного резистора третьего транзисторного усилителя соединен с базой транзистора этого же усилителя и с первым выводом резистора смещения, эмиттер транзистора этого же усилителя соединен со вторым выводом резистора смещения и с первой шиной питания устройства управления, коллектор транзистора третьего транзисторного усилителя соединен с коллектором транзистора второго транзисторного усилителя и со вторым выводом резистора первого резисторно-транзисторного делителя напряжения, и через первый входной резистор второго компаратора напряжения подключен к первому его входу.
Сущность полезной модели поясняется Фигурой 1, на которой представлен пример конкретного выполнения схемы устройства автоматического управления электродвигателем погружного насоса.
Устройство содержит катушку электромагнитного пускателя 1 и замыкающий трехфазный контакт 2 магнитного пускателя, обмотку реле управления 3, замыкающий контакт 4(3) реле управления 3, блок питания 5 в составе понижающего трансформатора напряжения 6, двухполупериодного выпрямителя 7 и конденсатора 8, выход выпрямителя образует выходные шины блока питания, к которым подключен конденсатор 8. Устройство содержит компаратор напряжений 9 с входными резисторами 10 и 11, резистором обратной связи 12, резисторные делители напряжения, образованные парами резисторов 13 и 14, 15 и 16, эмиттерный повторитель 17, RC-цепи 18-19 и 20-19 с диодом 21, диоды развязки цепей управления 22 и 23, транзисторный усилитель 24 с защитой на диоде 25, с входным резистором 26 и резистором смещения 27, контакт нижнего уровня (НУ) давления 28, контакт верхнего уровня (ВУ) давления 29, электроконтактный манометр 30, электронасос 31.
Устройство содержит второй компаратор напряжений 32 с входными резисторами 33 и 34, резисторный делитель напряжения, образованный резисторами 35 и 36, резисторно-транзисторный делитель напряжения, образованный резистором 37 и транзисторным усилителем 38, включающим в свой состав транзистор 39, входной резистор 40 и резистор смещения 41. Устройство содержит два соединенных последовательно выпрямительных диода 42 и 43, конденсатор 44, диод развязки цепей 45, светодиод 46 со своим токоограничивающим резистором 47, а также три резистора 48, 49, 50, соединенных по схеме звезда и подключенных к выводам для подключения сети.
Выводы сети А, В, С через трехфазные замыкающие контакты 2(1) магнитного пускателя 1 подключены к выводам для подключения питания электродвигателя погружного насоса 31. Между фазами А и В сети, являющимися выводами цепи питания катушки магнитного пускателя 1, подключена цепь из последовательно включенных замыкающего контакта 4(3) реле управления и катушки 1 магнитного пускателя, первичная обмотка понижающего трансформатора 6 блока питания 5 одним выводом соединена с выводом фазы С сети, а другим  соединена с выводом нейтрали N. Вторичная обмотка подключена ко входу диодного выпрямителя 7, к выходу которого подключен конденсатор 8. К выходным шинам блока питания подключены: блок питания цепей интегральной микросхемы 60, компараторы напряжений 9 и 32 (контакты 6 и 11), резисторные делители напряжения 13 и 14, 15 и 16, 35 и 36, резисторно-транзисторный делитель напряжения 37 и 38, эмиттерный повторитель 17. Выход резисторного делителя напряжения 13 и 14 через первый входной резистор 10 компаратора 9 подключен к первому входу (3) компаратора 9, а также соединен с анодом диода 22, с катодом диода 23, с катодом диода развязки цепей 45, причем катод диода 22 подключен к контакту нижнего уровня давления 28 электроконтактного манометра 30, а анод диода 23 подключен к контакту верхнего уровня давления 29 электроконтактного манометра 30. Выход резисторного делителя напряжения 15 и 16 через второй входной резистор 11 компаратора напряжений 9 подключен ко второму входу (4) компаратора 9 и соединен с первым выводом резистора обратной связи 12 компаратора 9, второй вывод этого резистора подсоединен к выходу (9) компаратора 9, к которому подключены входной резистор 26 транзисторного усилителя 24 и первые выводы резисторов 18 и 20 RC-цепей, первая из которых содержит последовательно соединенный анодом со вторым выводом резистора 18 диод 21, а вторым выводом резистор второй RC-цепи 20 соединен с катодом диода 21, а также с первой обкладкой конденсатора 19 и со входом эмиттерного повторителя 17. Вторая обкладка конденсатора 19, общего для обеих RC-цепей, соединена с первой из шин блока питания. Обмотка реле управления 3, зашунтированная диодом 25, первым выводом соединена с катодом этого диода 25 и второй шиной блока питания, а вторым выводом обмотка реле управления 3 соединена с коллектором транзисторного усилителя 24. База усилителя 24 соединена со вторым выводом входного резистора 26 транзисторного усилителя 24 и первым выводом резистора смещения 27. Вторым выводом резистор смещения 27 соединен с эмиттером транзистора усилителя 24 и первой шиной блока питания. Выход эмиттерного повторителя 17 соединен с общим контактом стрелки электроконтактного манометра 30. Выход резисторного делителя напряжения 35 и 36 через второй входной резистор 34 компаратора 32 подключен ко второму входу (4) компаратора 32. Выход резисторно-транзисторного делителя напряжения 37 и 38 через первый входной резистор 33 компаратора 32 подключен к первому входу (3) компаратора 32. Выход (9) этого компаратора соединен через токоограничивающий резистор 47 с анодом светодиода 46 и через диод 45 развязки цепей с выходом резисторного делителя напряжения 13 и 14. Искусственная нулевая точка N трех соединенных по схеме звезда резисторов 48, 49, 50, подключенных к выводам для подключения сети, через токоограничивающий резистор 51 соединена с общей точкой диодов 42 и 43. При этом катод диода 42 соединен с первой шиной блока питания 5, которая соединена с входным резистором 40 транзисторного усилителя 38, с катодом светодиода 46 и с первым выводом второго конденсатора 44, второй вывод которого соединен с анодом диода 43 и резистором смещения 41 транзисторного усилителя 38. А резистор 37 резисторно-транзисторного делителя напряжения 37-38 зашунтирован третьим конденсатором 52.
Устройство содержит блок питания цепей интегральной микросхемы 60, который подключен к выходным шинам блока питания устройства управления, логический элемент «И» 56, один вход которого подключен к выходу элемента ограничения сигнала верхнего уровня 57, вход которого подключен к выходу элемента задержки сигнала верхнего уровня 59, вход элемента задержки сигнала верхнего уровня 59 подключен к контакту 29 верхнего уровня электроконтактного манометра и к аноду диода 23, другой вход логического элемента «И» 56 подключен к выходу элемента ограничения сигнала нижнего уровня 58, вход которого подключен к контакту 28 нижнего уровня электроконтактного манометра и катоду диода 22. Выход логического элемента «И» подключен к первому выводу входного резистора 55 третьего транзисторного усилителя 53, второй вывод резистора 55 подключен к базе транзистора 53 и к первому выводу резистора смещения 54 этого транзистора, эмиттер транзистора 53 соединен со вторым выводом резистора смещения 54 и с первой шиной питания устройства управления. Коллектор транзистора 53 подключен к коллектору второго усилительного транзистора 39 и ко второму выводу резистора 37 первого резисторно-транзисторного делителя напряжения, и через первый входной резистор 33 второго компаратора напряжения 32 подключен к первому его входу (3).
Резисторный делитель напряжения 13 и 14 и входной резистор 10 по своим параметрам соответственно равны резисторному делителю напряжения 15 и 16 и входному резистору 11.
При напряжении на входе (3) компаратора напряжений применяемого типа (МС серии К554СА3) большем, чем напряжение на входе (4), компаратор напряжений отключен, то есть выходной сигнал (контакт 9) равен нулю. А, при напряжении на входе (4) компаратора напряжений большем, чем на входе (3), компаратор напряжений включен, то есть на его выходе (9) появляется выходной сигнал положительной полярности [3].
Устройство работает следующим образом.
Электроконтактный манометр 30 устанавливается на трубопроводе, подающем воду из скважины в водонапорный резервуар. Напряжение с резисторного делителя 13, 14 через диод 22 и элемент ограничения сигнала нижнего уровня 58 постоянно подается на один из входов логического элемента «И» 56. При давлении меньше установленного нижнего уровня, контакт нижнего уровня давления 28 электроконтактного манометра 30 замыкается. При этом в резисторном делителе напряжения 13 и 14 параллельно резистору 14 через контакт 28 и диод 22 подключается резистор эмиттерного повторителя 17. Напряжение на входе (3) компаратора 9 уменьшится, при этом произойдет включение компаратора, то есть на выходе (9) компаратора 9 появится положительный сигнал. Это приводит, при воздействии обратной связи через резистор 12, к повышению напряжения на входе (4) компаратора 9 и увеличению разности входных напряжений компаратора. Одновременно, с включением компаратора 9 открывается транзисторный усилитель 24 и включается реле управления 3, замыкающие контакты 4 (3) которого подключат катушку магнитного пускателя 1 к сети (к фазам А и В), после чего замыкаются контакты 2(1) магнитного пускателя 1. Питание от сети подается на электродвигатель электронасоса 31, и он начинает работать.
Начиная с момента включения компаратора 9, происходит заряд конденсатора 19 по двум цепям - через последовательно соединенные резистор 18 и диод 21 и через резистор 20. В процессе заряда конденсатора 19 будет повышаться и выходное напряжение эмиттерного повторителя 17. Время полного заряда конденсатора 19, которое зависит от параметров указанных резисторов и самого конденсатора 19, по длительности устанавливают заведомо большим, чем длительность гидроударов, вызванных включением электронасоса. В этом случае возможные кратковременные замыкания контакта верхнего уровня давления 29 с контактом стрелки электроконтактного манометра 30 ввиду еще недостаточного по величине напряжения с выхода эмиттерного повторителя 17, подаваемого на вход (3) компаратора 9, не вызывают его отключение. При этом элемент задержки 59 не допускает подачу сигнала верхнего уровня на другой вход логического элемента «И» 56 и не вызывает его срабатывание [3].
Когда давление превысит установленный верхний уровень, контакт верхнего уровня давления 29 кратковременно замыкается с контактом стрелки электроконтактного манометра 30. При этом выходное напряжение эмиттерного повторителя 17 через контакт стрелки и контакт верхнего уровня 29 электроконтактного манометра 30 кратковременно подается на элемент задержки сигнала верхнего уровня 59 и через диод 23 на выход резисторного делителя напряжения, образованного парой резисторов 13 и 14. В результате действия элемента задержки сигнала 59 логический элемент «И» не сработает, а напряжение на входе (3) компаратора 9 превысит напряжение на входе (4). Компаратор 9 отключится и на его выходе (9) установится нулевой сигнал, что приведет к отключению транзисторного усилителя 24 обмотки 3 реле управления.
При отключении обмотки 3 реле управления размыкается его контакт 4(3), при этом отключается от сети катушка 1 магнитного пускателя, размыкаются его контакты 2(1) и электронасос 31 прекращает работать. После отключения насоса возникают гидроудары. Одновременно с отключением компаратора 9 через резистор 20 начинает разряжаться конденсатор 19, и, следовательно, будет снижаться напряжение на выходе эмиттерного повторителя 17. Длительность времени разряда, которое зависит от параметров сопротивления резистора 20 и емкости конденсатора 19, устанавливают заведомо большим, нежели длительность гидроударов.
Поскольку сигнал на выходе эмиттерного повторителя 17 положителен, и диод 22 катодом соединен с контактом нижнего уровня 28, то возможные замыкания контакта нижнего уровня давления 28 электроконтактного манометра 30 не будут оказывать влияния на выходное напряжение резисторного делителя напряжения, образованного парой резисторов 13 и 14. По этой причине компаратор 9 все время осуществления разряда конденсатора 19 надежно находится в отключенном состоянии, и, следовательно, исключено включение обмотки 3 реле управления и электронасоса 31.
Во время безаварийного режима работы системы управления по мере расхода воды из резервуара, давление падает и, когда оно становится меньше нижнего установленного уровня, согласно вышеописанному алгоритму произойдет включение электродвигателя погружного насоса.
В процессе эксплуатации возможны замыкания проводов управления между манометром и устройством управления, а также замыкания на присоединительных клеммах этих проводов. При гидроударах возможны сцепления контакта верхнего уровня и контакта стрелки манометра 30. При этом напряжение с эмиттерного повторителя 17 через контакт верхнего уровня 29 поступает на вход элемента задержки сигнала 59. Через установленное время задержки напряжение поступает на вход элемента ограничения сигнала верхнего уровня 57 и на другой вход логического элемента «И» 56. При этом на выходе логического элемента появится положительный сигнал, который через входной резистор 55 поступает на базу транзистора 53 третьего транзисторного усилительного, что приводит к открытию транзистора 53. При этом происходит заряд конденсатора 52. Соотношение напряжений на входах (3) и (4) компаратора напряжений 32 изменится, и он включится. На его выходе (9) появится сигнал положительной полярности, о чем будет сигнализировать светодиод 46. Диод 45 при этом откроется. Соотношение значения выходного сигнала компаратора 32 и значение выходного напряжения резисторного делителя напряжения 13 и 14 таково, что на входе (3) компаратора 9 входное напряжение превысит входное напряжение на входе (4). Компаратор 9 отключится и на его выходе (9) установится нулевой сигнал, что приведет к отключению транзисторного усилителя 24 обмотки 3 реле управления. При отключении обмотки 3 реле управления размыкается контакт 4(3), при этом отключается от сети катушка 1 магнитного пускателя, размыкаются его контакты 2(1), и электронасос 31 отключается от сети.
Таким образом, в предлагаемом устройстве, по сравнению с прототипом, при часто повторяющихся пусках электродвигателя (например, при сцеплении контактов в электроконтактном манометре, при замыкании проводов управления или соединительных контактов) обеспечена защита электродвигателя погружного насоса от перегрева обмоток статора часто повторяющимися пусковыми токами. Тем самым в полезной модели решена техническая задача по повышению надежности электродвигателя погружного насоса.
Источники информации
1. Патент на полезную модель № 121403.
2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей, п. 2.5.12. Приказ Министерства энергетики Российской Федерации от 13 января 2003 г. №6 «Об утверждении Правил технической эксплуатации электроустановок потребителей».
3. Справочник «Интегральные микросхемы». М., «Радио и связь», 1984 г., (стр. 463-465).