СПОСОБ ЗАЩИТЫ НАСОСА ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И "СУХОГО ХОДА" И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR PROTECTING PUMP FROM OVERLOADING AND "DRY RUNNING" AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты насосов от перегрузок и исчезновения воды - «сухого хода».
Технический результат заключается в повышении надежности и быстродействия защиты насосов различных типов от перегрузок и «сухого хода», при различной рабочей нагрузке на них и отсутствии датчика протока воды.
Известен способ защиты от перегрузки и «сухого хода» насоса (патент на устройство № 2309298 от 27.10.2007 г.), в котором для защиты насоса от перегрузки сравнивают ток нагрузки насоса с его номинальным током, а для защиты от «сухого хода» сравнивают сдвиг фазы тока нагрузки от фазы напряжения электросети, для чего с помощью активных и реактивных сопротивлений выделяют сигналы тока и напряжения, которые подают на элементы сравнения, усиления, сигнализации и управления электронными и релейными компонентами схемы. При превышении номинального тока выше определенного значения и при значительном изменении реактивной составляющей тока срабатывают элементы схемы, включают сигнализацию и отключают электродвигатель насоса.
Устройство защиты содержит три трансформатора тока, устанавливаемые в фазы питающей сети, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, потенциометр, RC-цепь с диодом, первый компаратор, элемент индикации и выходное реле, также введены два компаратора, трансформатор тока, подключенный к одной из фаз сети, один выход которого соединен с общей шиной, другой подключен к инвертирующему входу второго компаратора, инвертирующий вход третьего компаратора подключен к фазному проводу той же фазы, выход второго компаратора соединен с первым входом логических элементов (ЛЭ) 2И и 2И-НЕ, выход ЛЭ 2И-НЕ соединяется с вторым входом ЛЭ 2И, выход которого соединен с инвертирующим входом интегратора, к выходу которого присоединен один вывод ключа, второй вывод ключа присоединен к резистору, резистор также подключен к конденсатору и не инвертирующему входу повторителя, инвертирующий вход и выход которого соединены в общую точку, которая соединяется с вторым входом логического элемента ИЛИ и вторым RS-триггером, к выходу которого подключен второй элемент индикации.
При номинальном токе нагрузки напряжение на инвертирующем входе первого компаратора меньше, чем на его, не инвертирующем входе, поэтому на выходе первого компаратора напряжение отсутствует.
При перегрузках электродвигателя по току, через выдержку времени, определяемую параметрами RC-цепи, на не инвертирующем входе первого компаратора напряжение превышает потенциал входа, на выходе первого компаратора, переключающее RS-триггер в единичное состояние, сигнализируя с помощью лампы о перегрузке. Одновременно на выходе элемента ИЛИ - «1», включающего выходное реле, отключается электродвигатель насоса.
При исчезновении воды в скважине происходит резкое изменение реактивной составляющей фазного тока, тем самым изменяется (увеличивается) угол между током и напряжением, вследствие чего через интегратор подается большее напряжение, что приводит к срабатыванию выходного реле, которое воздействует на исполнительный орган, отключая электродвигатель насоса. Одновременно срабатывает RS-триггер, включая элемент индикации, свидетельствующий о возникновении «сухого хода».
Данное техническое решение хотя и позволяет осуществлять защиту от перегрузок и «сухого хода», однако не обеспечивает высокой надежности и быстродействия при различных условиях работы различных по типу насосов. Так, например, для некоторых типов насосов в режиме малых нагрузок возникает изменение угла сдвига фаз, сравнимое с «холостым ходом» электродвигателя насоса, т.е. с режимом его «сухого хода», что приводит к сбоям работы насоса.
ном
ном
ном
ном
ном
пит
Известен также способ защиты от перегрузки и «сухого хода» насоса (патент на устройство № 2397588 от 23.03.2009 г.), в котором для защиты насоса от перегрузки сравнивают ток нагрузки насоса с его номинальным током, для чего с помощью активных и реактивных сопротивлений выделяют сигналы тока и напряжения, которые подают на элементы сравнения, усиления, сигнализации и управления электронными и релейными компонентами схемы. При превышении номинального тока I выше 1.2⋅I значения и при снижении до 0,4⋅I, срабатывают элементы схемы, включают сигнализацию и отключают электродвигатель насоса. При превышении тока 1.2⋅I срабатывает сигнализация перегрузки и отключается насос от сети, а при снижении тока ниже 0,4⋅I срабатывает соответствующая сигнализация «сухого хода» и также отключается насос. Устройство защиты содержит три трансформатора, устанавливаемые в фазы питающей сети, трехфазный выпрямитель, потенциометр, два компаратора, два светодиода, индикаторы тока электродвигателя, логический элемент 2ИЛИ, выходное реле, контакт которого включен в цепь управления исполнительного органа, а силовые контакты выходного реле включены в фазы питающей сети, элемент выдержки времени, в устройство введены сглаживающая емкость, подключенная к выходам трехфазного однополупериодного выпрямителя, делитель напряжения, выполненный на трех резисторах, один из его выходов соединен с шиной +U, а другой с общей шиной, также делитель напряжения соединен с инвертирующими входами компараторов, инвертор, вход которого соединен с выходом второго компаратора, а выход соединен через резистор с входом второго светодиода и со вторым входом логического элемента 2ИЛИ, элемент выдержки времени, вход которого соединен с выходом логического элемента 2ИЛИ. При номинальном токе нагрузки величина напряжения на инвертирующем входе первого компаратора превышает напряжение на его неинвертирующем входе, следовательно, на выходе первого компаратора появится логический 0, а на инвертирующем входе второго компаратора величина напряжения меньше, чем на его неинвертирующем входе, следовательно, на выходе второго компаратора появится логическая 1, которая поступает на вход инвертора, на выходе которого появится логический 0. В итоге, ток через светодиоды не протекает, светодиоды не горят. Также на входы логического элемента 2ИЛИ поступают логические 0, в результате чего на его выходе появится логический 0, этот логический 0, пройдя через элемент выдержки времени, поступает на вход выходного реле, в результате чего выходное реле не изменит своего состояния (контакты выходного реле замкнуты) и электродвигатель продолжает работать.
ном
ном
При перегрузке по току, когда ток составляет 1,2⋅I, величина напряжения на инвертирующем входе первого компаратора становится меньше величины напряжения на его неинвертирующем входе, на выходе компаратора появится логическая 1, а на инвертирующем входе второго компаратора величина напряжения меньше, чем на неинвертирующем входе второго компаратора, следовательно, на выходе второго компаратора появится логическая 1, которая поступает на вход инвертора, на выходе которого появится логический 0. В итоге, на вход светодиода через резистор поступает логическая 1, светодиод загорается, сигнализируя о перегрузке, через светодиод индикатора начинает течь ток. Также на входы логического элемента 2ИЛИ поступают логическая 1 и логический 0, в результате чего на его выходе появится логическая 1, которая поступает на вход элемента выдержки времени, через заданное время, если неполадка не устранена, на выходе элемента выдержки времени появится логическая 1, которая поступает на вход выходного реле, в результате чего электродвигатель прекращает работать. При исчезновении воды в скважине (сухом ходе) происходит резкое уменьшение потребляемого электродвигателем тока до величины 0,4⋅I. Величина напряжения на инвертирующем входе первого компаратора превышает напряжение на его неинвертирующем входе, следовательно, на выходе компаратора появится логический 0, а на инвертирующем входе второго компаратора напряжение больше величины напряжения на его неинвертирующем входе, следовательно, на выходе второго компаратора появится логический 0, который поступает на вход третьего инвертора, на выходе которого появится логическая 1. В итоге, на вход сигнализирующего о перегрузке светодиода через резистор поступает логический 0, через светодиод ток не протекает, светодиод не горит. На вход светодиода, сигнализирующего о «сухом ходе», через резистор поступает логическая 1, через светодиод начинает течь ток, светодиод загорается, сигнализируя об исчезновении воды в скважине (сухом ходе). Также на входы логического элемента 2ИЛИ поступают логический 0 и логическая 1, в результате чего на его выходе появится логическая 1, которая поступает на вход элемента выдержки времени через заданное время, если неполадка не устранена, на выходе элемента выдержки времени появится логическая 1, которая поступает на вход выходного реле, и электродвигатель прекращает работать.
Данное техническое решение, хотя проще предыдущего и позволяет осуществлять защиту от перегрузок и «сухого хода», однако не обеспечивает надежности и быстродействия при различных условиях работы различных по типу насосов. Так, например, для некоторых типов насосов в режиме малых нагрузок ток насоса значительно снижается, что может приводить к ложным срабатываниям схемы и отключению насоса.
Задачей предлагаемого технического решения является повышении надежности и быстродействия защиты насосов различных типов как с однофазным, так и с трехфазным двигателем от перегрузок и «сухого хода», при различной рабочей нагрузке на них и отсутствии датчика протока воды. Предложенное техническое решение обеспечивает следующие функции защиты насоса:
- Плавный пуск и останов электродвигателя насоса;
- Защиту при коротком замыкании, особенно это актуально для трехфазных двигателей насоса;
- Защиту насоса по напряжению в заданном диапазоне;
- Автоматическое определение подключения нагрузки;
- Защиту насоса по «сухому ходу»;
- Защиту насоса от перегрузки по току;
- Управление насосом для обеспечения водоснабжения со стабильным напором воды нескольких удаленных друг от друга потребителей.
Изобретение позволяет с высокой надежностью повысить скорость срабатывания защиты насоса от перегрузки и «сухого хода» (до 0,5 с) при отсутствии датчиков протока воды. Надежность и скорость срабатывания защиты от перегрузки и «сухого хода» предложенного решения позволяет существенно повысить КПД насосов за счет уменьшения зазоров в рабочих органах насоса. В известных устройствах эти зазоры преднамеренно завышены для исключения их быстрого износа от трения при «сухом ходе» насоса.
Для достижения технического результата предлагается способ защиты насоса от перегрузки и «сухого хода», заключающийся в выделении сигнала тока, его сравнении с заданным значением тока и выделении угла сдвига фаз между током и напряжением и его сравнения с заданным значением угла сдвига фаз, управлением сигналами сравнения с помощью электронных компонентов сигнализацией и отключением электродвигателя насоса, в котором согласно изобретению сравнивают произведение действующего значения тока и угла сдвига фаз между током и напряжением (Cos ϕ) с заданными значениями произведения тока и Cos ϕ. Таким образом, выделенные сигналы тока, напряжения и сдвиг фаз Cos ϕ  сравнивают их с заданными значениями тока и Cos ϕ  не отдельно по значению тока или угла сдвига фаз, а по произведению действующего значения тока и Cos ϕ с заданным значением произведения тока и Cos ϕ. Сигналы сравнения используют для включения и отключения соответствующей сигнализации и электродвигателя насоса.
Изобретение позволяет создать надежное и универсальное устройство защиты от перегрузки и «сухого хода» для различных типов насоса. Для достижения технического результата в устройство защиты от перегрузки и «сухого хода», содержащее блок питания, блок индикации, блок контроля сетевого напряжения, блок формирования сигнала тока, блок управления силовым модулем, блок внешнего управления и силовой блок, согласно изобретению введены микроконтроллер с встроенной функцией выделения перехода напряжения сети через 0 и блок опорного напряжения. Дополнительно в устройство может быть введен блок внешнего управления.
Изобретение поясняется чертежом, на котором изображена блок схема устройства для защиты насоса с однофазным электродвигателем.
Устройство защиты от перегрузки и «сухого хода» содержит Блок питания 1, Силовой блок 2, Блок 3 формирования сигнала тока, Блок 4 контроля напряжения и формирования сигнала перехода через 0, Микроконтроллер 5 с встроенной функцией выделения перехода напряжения сети через 0, Блок внешнего управления 6, Блок индикации 7, Источник опорного напряжения 8 и Блок управления силовым модулем 9.
Устройство работает следующим образом. После подачи напряжения на Блок питания 1 и Силовой блок 2, в Блоках 3, 4 формируется сигнал тока и напряжения, позволяющий произвести запуск электродвигателя М, отобразить информацию о запуске в Блоке индикации 7, сформировать опорное напряжение в Блоке 8, подать питание на Микроконтроллер 5, Блок внешнего управления 6 и Блок управления силовым модулем 9. Микроконтроллером обеспечивается непрерывное сравнение тока насоса и угла сдвига фаз (Cos ϕ), произведение которых сравнивается с заданными значениями произведения тока на Cos ϕ. Блоком внешнего управления 6 предусмотрена возможность установки «обучения» значения произведения тока на Cos ϕ, что позволяет применить заявленное устройство для насосов различного назначения, мощности при разных нагрузках. Микроконтроллером обеспечивается также режим плавного пуска и останова электродвигателя и быстродействующая защита по току, которая не позволяет превысить определенное значение тока в период, не превышающий 7,2 мс. Предусмотрена функция автоматического определения подключения нагрузки и возможность подачи управляющих сигналов от нескольких потребителей для управления насосом. Аналогично работает устройство защиты от перегрузки и «сухого хода» насоса с трехфазным двигателем. Реализация данного устройства не представляет затруднений, т.к. в нем применены серийно выпускаемые детали и узлы, которые позволяют поместить предложенное устройство как в отдельном корпусе, так и в клеммовой коробке электродвигателя насоса.