УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ПОГРУЖНОГО НАСОСА

Устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса относится к области автоматического управления электродвигателем, в частности электродвигателем погружного насоса с помощью электроконтактного манометра, установленного на трубопроводе, подающем воду в водонапорный резервуар.
Наиболее близко по технической сущности к заявляемой полезной модели является устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса [1], содержащее электромагнитный пускатель, реле управления, первый замыкающий контакт которого включен последовательно в цепь питания катушки магнитного пускателя, и электроконтактный манометр, при этом замыкающие контакты электромагнитного пускателя включены последовательно между выводами для подключения сети и выводами для подключения питания электродвигателя погружного электронасоса, первое и второе промежуточные реле и реле времени, при этом обмотка реле управления, второй замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт реле времени образуют первую последовательную цепь, подключенную крайними выводами к выводам для подключения источника питания, последовательно включенные второй замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт реле времени шунтированы цепью из последовательно включенных второго замыкающего контакта реле управления и включенных параллельно между собой размыкающего контакта второго промежуточного реле и размыкающего контакта реле времени, обмотка управления реле времени и включенные параллельно между собой первый замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт второго промежуточного реле формируют вторую последовательную цепь, обмотка первого промежуточного реле и контакт нижнего уровня электроконтактного манометра формируют третью последовательную цепь, а обмотка второго промежуточного реле и контакты верхнего уровня электроконтактного манометра формируют четвертую последовательную цепь, при этом упомянутые первая, вторая, третья и четвертая последовательные цепи включены параллельно между собой.
Включение электронасоса производится при замыкании контакта нижнего уровня давления электроконтактного манометра, отключение, соответственно, - при замыкании контакта верхнего уровня давления. Наличие в устройстве реле времени, включенного в цепи прохождения сигналов управления от электроконтактного манометра, обеспечивает защиту от ложных включений и отключений электронасоса при срабатывании электроконтактного манометра при гидроударах.
В этом устройстве имеется защита от потери фаз электросети за счет схемного решения - цепь включения катушки магнитного пускателя подключена на линейное напряжение между фазами А и В, а первая, вторая, третья и четвертая последовательные цепи включены параллельно между собой и подключены к третьей фазе - С.
Однако эта защита эффективно действует лишь при полном исчезновении напряжения одной либо двух фаз трехфазной питающей электросети при неработающем двигателе.
В сельском хозяйстве, где широко применяются погружные насосы, часто наблюдаются спонтанные и на неопределенное время понижения фазных напряжений (асимметрия) сети, которые всегда существуют в питающей трехфазной линии из-за подключения однофазных потребителей. Недостатком устройства [1] является то, что оно не реагирует на исчезновение напряжения одной из фаз сети при двигательном характере нагрузки, поскольку в случае обрыва одного из линейных проводов сети питания напряжение в этой фазе двигателя не исчезнет, а лишь уменьшится - на обмотке электродвигателя в этом режиме, подобно обмотке трансформатора, развивается значительное напряжение. Это напряжение еще больше увеличивается при вращении ротора двигателя в неполнофазном режиме за счет генерации этой фазой дополнительной электродвижущей силы. Кроме того, для обеспечения долговечности электродвигателей, использовать их при напряжении ниже 90% от номинального не рекомендуется [2].
Технической задачей полезной модели является повышение надежности устройства автоматического управления электродвигателем погружного насоса (в дальнейшем устройства) за счет исключения режимов работы его электродвигателя при недопустимых понижениях напряжения питающей трехфазной электросети, которые могут быть вызваны подключением к сети мощных однофазных потребителей, либо обрывом линейных проводов сети питания при двигательном характере нагрузки, либо по причине очень протяженной линии трехфазной сети, что характерно для электроснабжения в сельском хозяйстве.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство автоматического управления электродвигателем погружного насоса, содержащее электромагнитный пускатель, реле управления, первый замыкающий контакт которого включен последовательно в цепь питания катушки магнитного пускателя, электроконтактный манометр, при этом замыкающие контакты электромагнитного пускателя включены последовательно между выводами для подключения сети и выводами для подключения питания электродвигателя погружного электронасоса, первое и второе промежуточные реле и реле времени, при этом обмотка реле управления, второй замыкающий контакт реле управления и размыкающий контакт реле времени образуют первую последовательную цепь, подключенную крайними выводами к выводам для подключения источника питания, последовательно соединенные второй замыкающий контакт первого промежуточного реле, замыкающий контакт реле времени и размыкающий контакт второго промежуточного реле подключены параллельно второму замыкающему контакту реле управления, обмотка управления реле времени и включенные параллельно между собой первый замыкающий контакт первого промежуточного реле и замыкающий контакт второго промежуточного реле формируют вторую последовательную цепь, обмотка первого промежуточного реле и контакт нижнего уровня электроконтактного манометра формируют третью последовательную цепь, а обмотка второго промежуточного реле и контакт верхнего уровня электроконтактного манометра формируют четвертую последовательную цепь, при этом упомянутые первая, вторая, третья и четвертая последовательные цепи включены параллельно между собой, дополнительно введены тиристор, в управляющей цепи которого включены последовательно соединенные замыкающий контакт кнопки для наладки и ограничительный резистор, реле защиты, подключенное между катодом тиристора и нейтралью сети, резисторные делители напряжения по числу фаз, подключенные через диоды к фазам питающей сети, и динисторы, подключенные анодами к выходам упомянутых делителей, а катодами к аноду тиристора и ограничительному резистору цепи управления тиристора, при этом первый размыкающий контакт реле защиты подключен параллельно первым замыкающим контактам первого и второго промежуточных реле второй последовательной цепи, замыкающий контакт реле защиты соединяет общую точку замыкающего контакта реле времени и размыкающего контакта второго промежуточного реле с выводом источника питания, а второй размыкающий контакт реле защиты шунтирует замыкающую кнопку.
Сущность изобретения поясняется чертежом Фиг.1, на котором представлен пример конкретного выполнения схемы устройства. На Фиг.2 представлена диаграмма мгновенных значений напряжений на анодах динисторов.
Устройство содержит катушку электромагнитного пускателя 1 и замыкающий трехфазный контакт 2 магнитного пускателя, обмотку реле управления 3, первый и второй замыкающие контакты 4 (3) и 5 (3) реле управления 3, обмотку управления реле времени 6, замыкающий контакт реле времени 7 (6) и размыкающий контакт реле времени 8 (6), обмотку первого промежуточного реле 9, первый и второй замыкающие контакты 10 (9), 11 (9) первого промежуточного реле 9, обмотку второго промежуточного реле 12, замыкающий контакт второго промежуточного реле 13 (12), размыкающий контакт второго промежуточного реле 14 (12), контакт нижнего уровня давления 15, контакт верхнего уровня давления 16, электроконтактный манометр 17, электронасос 18, полупроводниковые диоды 19-21, резисторные делители напряжения, образованные парами резисторов 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27, подключенные через диоды 19-21 к контролируемым фазам сети А, В и С. К выходам упомянутых делителей анодами подключены динисторы 28-30. Катоды последних соединены с анодом тиристора 31 и ограничительным резистором 32, подключенным последовательно с замыкающей кнопкой 33 (для наладки устройства) в цепь управляющего электрода тиристора 31. Реле защиты 34 подключено между катодом тиристора 31 и выводом нейтрали N.
Выводы сети А, В, С через трехфазные замыкающие контакты 2 магнитного пускателя 1 подключены к выводам для подключения питания электродвигателя погружного электронасоса 18. Между фазами А и В сети, являющимися выводами цепи питания катушки магнитного пускателя 1, подключена цепь из последовательно включенных первого замыкающего контакта 4 (3) реле управления и катушки 1 магнитного пускателя.
Первые выводы обмотки реле управления 3, обмотки управления реле времени 6 и обмоток первого и второго промежуточных реле 9 и 12 соединены с выводом фазы С сети. Второй вывод обмотки реле управления 3 через последовательно соединенные второй замыкающий контакт 5 (3) реле управления и размыкающий контакт 8 (6) реле времени соединен с выводом нейтрали N. Последовательно соединенные второй замыкающий контакт 11 (9) первого промежуточного реле 9, замыкающий контакт реле времени 7 (6) и размыкающий контакт 14 (12) второго промежуточного реле 12 подключены параллельно второму замыкающему контакту 5 (3) реле управления 3. Общая точка соединения замыкающего контакта 7 (6) реле времени 6 и размыкающего контакта 14 (12) второго промежуточного реле 12 соединена через замыкающий контакт 35 (34) реле защиты 34 с выводом нейтрали N. Второй вывод обмотки управления реле времени 6 через параллельно включенные между собой замыкающие контакты 10 (9), 13 (12) и размыкающий контакт 36 (34) реле защиты 34 соединены с выводом нейтрали N. Размыкающий контакт 37 (34) реле защиты 34 шунтирует замыкающую кнопку 33. Вторые выводы обмоток первого промежуточного реле 9 и второго промежуточного реле 12 через соответствующие контакты 15 и 16 электроконтактного манометра 17 соединены с выводом для подключения нейтрали N.
B
1
2
3
1
1
0
На Фиг.2 использованы следующие обозначения: 38, 39, 40 - кривые изменения напряжения на анодах динисторов (28, 29 и 30 соответственно) в нормальном режиме работы, 41 - кривая изменения напряжения на аноде динистора 28 при допустимом понижении напряжения (допустимой несимметрии фаз), 42 - кривая напряжения на аноде динистора 28 при недопустимом понижении фазного напряжения; U - напряжение включения динисторов, t, t и t - моменты включения динисторов (28, 29 и 30 соответственно) в нормальном режиме работы (т.е. питающая сеть симметрична относительно фазных напряжений); t' - момент включения динистора 28 при допустимом снижении напряжения; t” - момент включения динистора 28 при недопустимом снижении напряжения; t - момент времени окончания положительного полупериода напряжения фазы С.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы на зажимах А, В и С, питающей трехфазной сети, действует трехфазная симметричная система номинального напряжения. Диаграмма на Фиг.2 показывает изменения значений напряжении на выходах делителей напряжения.
Через диоды 19, 20, 21 на резисторные делители напряжения 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27 поступают положительные полуволны сетевого напряжения. Переменными резисторами 22, 24, 26 напряжение на выходах делителей выбирается так, чтобы включение каждого последующего динистора (например, динистора 29 в момент времени (2) происходило в положительную полуволну напряжения предыдущего динистора (в нашем примере 28). Выполнением этого условия достигается непрерывное протекание тока через тиристор, то есть его открытое состояние в нормальном режиме работы.
1
B
В момент времени t напряжение фазы А достигает напряжения включения динистора 28 - U. Динистор включается, на управляющий электрод тиристора по цепи: ограничительный резистор 32 - размыкающий контакт 37 (34), подается положительное напряжение, тиристор отпирается и обеспечивает питание реле защиты 34. Общая точка соединения замыкающего контакта 7 (6) реле времени 6 и размыкающего контакта 14 (12) второго промежуточного реле 12 подключается через замыкающий контакт 35 (34) реле защиты 34 к выводу нейтрали N, первым размыкающим контактом 36 (34) реле защиты 34 отключает второй вывод обмотки реле времени 6 от нейтрали N, а вторым размыкающим контактом 37 (34) реле защиты размыкает цепь управляющего электрода тиристора 31.
Электроконтактный манометр 17 устанавливается на трубопроводе, подающем воду из скважины в водонапорный резервуар. При давлении меньше установленного нижнего уровня контакт нижнего уровня давления 15 электроконтактного манометра 17 замыкается. Обмотка 9 первого промежуточного реле подключается к сети и своим первым замыкающим контактом 10 (9) подключает обмотку реле времени 6 к сети, вторым замыкающим контактом 11 (9) подготавливает к включению цепь питания обмотки 3 реле управления.
После срабатывания реле времени замыкается его замыкающий контакт 7 (6), при этом обмотка 3 реле управления через замыкающие контакты 11 (9), 7 (6) и 35 (34) подключается к напряжению сети (к фазе С и нейтрали N).
Первый замыкающий контакт 4 (3) реле управления 3 подключает катушку магнитного пускателя 1 к сети (к фазам А и В), после чего замыкаются контакты 2 магнитного пускателя; питание от сети подается на электродвигатель насоса 18, и он начинает работать.
Через второй замыкающий контакт 5 (3) реле управления устанавливается в режим самоудержания и его обмотка 3 остается подключенной к напряжению сети через свой замкнутый контакт 5 (3), размыкающий контакт 14 (12) второго промежуточного реле 12, замыкающий контакт 35 (34) реле защиты 34 и после отключения первого промежуточного реле 9 и реле времени 6
1
При допустимом понижении напряжения одной из фаз питающего напряжения (например, фазы А) включение динистора 28 для кривой 41 происходит в момент времени t'; тиристор 31 остается открытым и реле защиты 34 включено.
Таким образом, при допустимом понижении напряжения в питающей сети, реле защиты 34 продолжает быть включенным и двигатель электронасоса 18 продолжает работать.
0
1
0
1
ном
При возможном дальнейшем понижении фазного напряжения (фаза А) наступает момент t, когда на аноде тиристора 31 уже отсутствует напряжение (фаза С). Ток удержания тиристора 31 снижается до нуля. Тиристор 31 закрывается и реле защиты 34 отключится. То есть в случае недопустимого понижения напряжения (кривая 42), включение динистора 28 происходит в момент t”; а поскольку в интервале времени t-t” напряжение на аноде тиристора 31 отсутствует и, следовательно, ток через тиристор 31 протекать не будет. Параметры резисторных делителей напряжения 22 и 23, 24 и 25, 26 и 27 и динисторов 28-30 подбирают таким образом, чтобы обеспечить отключение тиристора 31 и, следовательно, отключение реле защиты 34 при недопустимом понижении фазного напряжения питающей сети относительно номинального значения, например, ниже 90% U. В процессе подбора параметров резисторных делителей напряжения и динисторов для включения тиристора 31 используют кнопку для наладки 33.
Пусть фазное напряжение понизилось до недопустимого значения. Реле защиты 34 при этом отключается и замыкает свои размыкающие контакты 36 (34) и 37 (34) и размыкает замыкающий контакт 35 (34). После срабатывания реле времени 6, оно своим контактом 8 (6) отключает цепь питания реле управления 3 от нейтрали N, при этом отключается от сети катушка магнитного пускателя 1. Контакты 2 магнитного пускателя 1 отключают электродвигатель насоса 18 от питающий электросети.
ном
В результате разбора воды давление в резервуаре падает и, при давлении меньше установленного нижнего уровня воды, контакт нижнего уровня давления 15 электроконтактного манометра 17 замыкается. Обмотка 9 первого промежуточного реле подключается к сети и своим вторым замыкающим контактом 11 (9) подготавливает к включению цепь питания обмотки 3 реле управления, а первым замыкающим контактом 10 (9) шунтирует контакт 36 (34) реле защиты 34 в цепи обмотки управления реле времени 6. При восстановлении фазного напряжения сети до значения выше 90% U, реле защиты 34 включится и разомкнет свои размыкающие контакты 36 (34) и 37 (34) и замкнет контакт 35 (34). При этом обмотка 3 реле управления через замыкающие контакты 11 (9), 7 (6) и 35 (34) подключается к напряжению сети (к фазе С и нейтрали N).
Первый замыкающий контакт 4 (3) подключает катушку магнитного пускателя 1 к сети (к фазам А и В), после чего замыкаются контакты 2 магнитного пускателя, а питание от сети подается на электродвигатель насоса 18, и он начинает работать.
Через второй замыкающий контакт 5 (3) реле управления 3 устанавливается в режим самоудержания и его обмотка 3 остается подключенной к напряжению сети через свой замкнутый контакт 5 (3), размыкающий контакт 14 (12) второго промежуточного реле и замыкающий контакт реле защиты 35 (34).
При включении электродвигателя насоса 18 контакт нижнего уровня давления 15 (в результате последующих гидроударов, а также по причине повышения уровня воды в резервуаре) электроконтактного манометра 17 размыкается - первое промежуточное реле 9 отключается и своим контактом 10 (9) отключает обмотку 6 реле времени. Таким образом, обмотка 3 реле управления в дальнейшем надежно удерживается во включенном состоянии через последовательно соединенные контакты 5 (3) и 8 (6).
Когда давление превысит установленный верхний уровень, контакт верхнего уровня давления 16 электроконтактного манометра 17 замыкается. Обмотка второго промежуточного реле 12 подключается к сети, и при этом его замыкающий контакт 13 (12) подключает обмотку реле времени 6 к сети, а размыкающий контакт второго промежуточного реле 14 (12) размыкается и подготавливает к отключению цепь питания обмотки 3 реле управления от сети. После срабатывания реле времени 6 и размыкания его размыкающего контакта 8 (6), обмотка 3 реле управления отключается от сети, при этом отключается от сети катушка 1 магнитного пускателя и электронасос 18 прекращает работать.
При отключении обмотки 3 реле управления от сети размыкается его собственный контакт 5 (3), включенный последовательно в ее цепь питания, поэтому реле управления 3 не включается после отключения второго промежуточного реле 12 и реле времени 6.
По мере расхода воды из резервуара давление падает. Контакты 15 и 16 электроконтактоного манометра 17 при этом находятся в разомкнутом состоянии. Имеется вероятность понижения фазных напряжений электросети до недопустимых значений в этом промежутке времени. Это понижение, как было рассмотрено выше, вызывает отключение реле защиты 34, которое размыкает контакт 35 (34) и замыкает контакты 36 (34) и 37 (34).
В зависимости от скорости расхода воды из резервуара и времени нахождения питающей сети в состоянии недопустимого понижения фазных напряжений возможны два варианта работы предлагаемого устройства.
Первый, когда восстановление напряжения в сети выше 90% от номинального, то есть при котором допускается (рекомендуется) работа электродвигателя погружного насоса [2], произойдет после снижения давления воды в резервуаре, соответствующего установленному нижнему уровню давления электроконтактного манометра 17.
И второй, когда восстановление напряжения в сети выше 90% от номинального произойдет ранее снижения давления воды в резервуаре, соответствующего установленному нижнему уровню давления электроконтактного манометра 17.
Первый вариант работы устройства был рассмотрен выше, поэтому рассмотрим работу устройства, когда реле защиты 34 включится ранее, нежели замкнется контакт 15 электроконтактного манометра 17.
После включения реле защиты 34 замыкаются его контакты 35 (34), подготавливая к включению цепь питания обмотки 3 реле управления, и размыкаются контакты 36 (34) и 37 (34). Тем самым обесточивается отмотка реле времени 6 и размыкается цепь управления тиристора 31.
При снижении уровня воды в резервуаре до нижнего уровня происходит замыкание контакта 15 электроконтактного манометра 17. Обмотка 9 первого промежуточного реле подключается к сети и своим первым замыкающим контактом 10 (9) подключает обмотку 6 реле времени к сети, а вторым замыкающим контактом 11 (9) подготавливает к включению цепь питания обмотки 3 реле управления. После срабатывания реле времени 6 замыкается его замыкающий контакт 7 (6); при этом обмотка 3 реле управления через замкнутые замыкающие контакты 11 (9), 7 (6), 35 (34) подключается к напряжению сети (к фазе С и найтрали N).
Первый замыкающий контакт 4 (3) подключает катушку магнитного пускателя 1 к сети (фазы А и В), после чего замыкаются контакты 2 магнитного пускателя, питание от сети подается на электродвигатель электронасоса 18, и он начинает работать.
Через второй замыкающий контакт 5 (3) реле управления устанавливается в режим самоудержания и его обмотка 3 остается подключенной к напряжению сети через свой замкнутый контакт 5 (3), размыкающий контакт 14 (12) второго промежуточного реле и замыкающий контакт 35 (34) реле защиты 34 и после отключения первого промежуточного реле 9 и реле времени 6.
Когда давление превысит установленный верхний уровень, двигатель погружного насоса 18 прекращает работать и процесс повторяется.
Таким образом, за счет исключения режимов работы электродвигателя погружного насоса при недопустимых понижениях фазного напряжения питающей электросети, повышена в целом надежность устройства автоматического управления электродвигателем погружного насоса.
Источники информации
1. Патент №2247457 (13) C1. Н02Н 5/08.
2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей [Текст]: утв. М-вом энергетики Рос. Федерации 13.01.03: ввод. в действие с 1.07.03. - М: (пункт 2.5.9).