Архив / 1998 / №1(14) / 

Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов. Комплект «Высота» – управление электронасосом (Продолжение. Начало в №№ 5-13)

Схема управления электронасосом в комплекте «Высота» рассчитана и сконструирована так, что может работать как с датчиком давления, так и с датчиком уровня обогреваемым, либо необогреваемым.

Поскольку контактные пары у датчиков давления имеют высокую проводимость, а у датчиков уровня их проводимость обусловлена сопротивлением слоя воды в межэлектродном пространстве и имеет более низкое значение, то расчет схемы ориентирован именно на применение датчика уровня.

Отметим сразу, что термин «управление» здесь применен более широко и подразумевает коммутацию электронасоса не только с целью регулирования технологического процесса водоснабжения, но и с целью его защиты при возникновении или устранении аварийных ситуаций. Все функции управления в комплекте «Высота» реализованы с использованием современной релейной базы, которая в условиях систем водоснабжения намного надежней и работоспособней микросхемной.

Функции отключения электронасоса при возникновении перегрузки, обрыва фаз, короткого замыкания и включение его после устранения аварийных ситуаций были рассмотрены в предыдущих публикациях.

Управление электронасосом по сигналам датчика «сухого хода» (ДСХ) необходимо, чтобы исключить работу электронасоса при отсутствии воды в скважине. Он должен быть отключен, если уровень воды в скважине опустится ниже заданного уровня (обычно не менее одного метра до головки электронасоса) и включен при восстановлении статического уровня воды в скважине. Эта функция реализована с помощью схемы представленной на рис. 1.

При расчете схемы были учтены следующие особенности:

– при снижении уровня воды в скважине и выходе электродов датчика из воды напряжение на катушке реле определяется величиной ограничивающего резистора Rогр;
– при погружении ДСХ в воду напряжение на катушке реле определяется величиной сопротивления ограничивающего резистора и сопротивления ДСХ за счет его шунтирующего действия.

В качестве управляющего реле используется промежуточное реле постоянного тока типа РП20 с катушкой на номинальное напряжение Uр= 24 В и величиной потребляемой мощности при 250С не более P=1,5 Вт. Максимально допустимое напряжение на катушке реле 1,1 Uр или 26,4 В. Напряжение срабатывания реле Uр ср=14 В, а возврата Uр вз=11 В.

Величина удельного сопротивления воды r колеблется в пределах от 103 до 104 Ом.см, при этом соответствующая величина сопротивления контакта (межэлектродного пространства в воде) ДСХ, по конструкции идентичного контакту датчика уровня (ДУ), будет находиться в пределах от 18 до 180 Ом.

Рассмотрим случай, когда ДСХ погружен в воду и шунтирует реле.

Напряжение питания цепи по вторичной обмотке трансформатора при полной нагрузке Uтр = 28±10%.

Сопротивление подводящих проводов невелико и его в расчетах можно не учитывать.

В целях упрощения не учтено также падение напряжения на диодах, однако это приведет к запасу в обеспечении выполнения требований к максимальной величине RДСХ по шунтированию цепи.

Действующее значение напряжения на реле при шунтировании его контактом ДСХ, находящимся в воде, не должно превышать 0,8Uр ср, при этом напряжение питания должно быть максимальным. Отсюда справедливо неравенство:

где Rпар - сопротивление параллельно соединенных Rреле и RДСХ. Величину сопротивления реле определяем по величине потребляемой мощности и на-пряжения питания катушки Rреле=384 Ома. Зная величины этих сопротивлений выразим Rпар через Rреле и получим Rпар=0,32Rреле. Подставив известные числовые значения получим следующее неравенство: Rогр0,56Rреле.

Рассмотрим другой случай, когда контакты ДСХ вышли из воды. В целях получения более достоверных результатов рассмотрим наиболее худшие для срабатывания реле значения параметров цепи из всех их возможных величин.

Действующее значение напряжения на реле при минимальном напряжении питания не должно быть менее  Uр ср, отсюда справедливо неравенство:

которое после подстановки известных числовых значений примет следующий вид:

Объединив оба итоговых неравенства окончательно получим выражение, позволяющее выбрать величину ограничивающего резистора, обеспечив выполнение вышеприведенных условий:

Отсюда величина ограничивающего резистора может быть выбрана от 240 до 300 Ом, причем чем выше его величина, тем выше шунтирующее действие ДСХ, а следовательно обеспечивается бесперебойная работа электронасоса.

Функция автоматического управления электронасосом в зависимости от уровня воды в резервуаре необходима для поддержания заданного уровня воды при её расходе. Эта функция реализована с помощью схемы, представленной на рис. 2.

При расчете схемы учитыва-лись следующие особенности:

  • повышение уровня воды в резервуаре приводит к посте-пенному заполнению межэлектродного пространства контакта верхнего уровня (КВУ) датчика уровня (ДУ) и к уменьшению его сопротивления, при этом напряжение на реле будет увеличиваться, пока оно не сработает и не отключит электронасос;
  • при включении реле замыкается его нормально разомкнутый контакт, подключая параллельно КВУ контакт нижнего уровня (КНУ);
  • по мере расхода КВУ освобождается от воды и реле остается во включенном состоянии благодаря КНУ, который создает на нем напряжение, превышающее напряжение возврата;
  • по мере расхода и КНУ освободится от воды, после чего напряжение на реле ввиду увеличения сопротивления КНУ упадет ниже напряжения возврата и реле отключится, включив электронасос.

Таким образом реле, по мере наполнения резервуара и его опорожнения, оказывается в четырех различных режимах. Надежное срабатывание реле во всех режимах – условие для выбора ограничивающих резисторов. Величину падения напряжения на диодах выпрямительного моста примем равным 1 В и учтем его в значениях питающего напряжения Uтр max=29,8 В и Uтр min=24,6 В.

Первое ограничивающее сопротивление Rогр1 определим из условия, что при достижении верхнего уровня воды в резервуаре действующее напряжение на катушке реле не должно быть ниже напряжения срабатывания при минимуме напряжения питания и максимуме сопротивления цепи, то есть должно быть справедливо неравенство:

где Rпр = 4 Ом сопротивление проводов линии связи ДУ со станцией управления, при условии, что их сечение должно увеличиваться по мере увеличения расстояния между ДУ и станцией. Подставив известные значения и решив неравенство, получим предельную величину первого ограничивающего резистора Rогр1108 Ом. Нижнюю границу величины этого сопротивления определим из условия, что в момент срабатывания реле при достижении верхнего уровня воды в резервуаре действующее напряжение на катушке реле при максимуме питающего напряжения и минимуме сопротивления цепи не должно превышать максимально допустимую величину, то есть должно соблюдаться неравенство:

которое после подстановки известных значений даст величину нижней границы первого ограничивающего резистора. В итоге запишем

Величину второго ограничивающего резистора определим из условия, что при снижении уровня воды в резервуаре и выхода КВУ из воды действующее напряжение на катушке реле не должно быть ниже напряжения возврата реле, при этом напряжение питания должно иметь минимальное значение, а сопротивление цепи – максимальное.

Тогда будет справедливым неравенство:

Подставив известные значения и решив неравенство относительно Rогр2 получим допустимую величину второго ограничивающего резистора,

Очевидно, что нижняя граница величины второго ограничивающего резистора, из условия не превышения максимально допустимого напряжения на катушке, равна нулю.

Действительно, в этом случае мы получаем схему, соответствующую моменту срабатывания реле при достижения верхнего уровня, с той лишь разницей, что вместо RКВУ мы имеем RКНУ, и для которой проверка выполнения этого условия проведена выше. Остается проверить будет ли нулевая нижняя граница удовлетворять условию не превышения максимально допустимого напряжения на катушке реле при его срабатывании и подключении параллельно RКВУ, сопротивления контакта нижнего уровня RКНУ.

Очевидно, что при шунтировании RКВУ общее сопротивление контактов упадет, вызвав увеличение напряжения на катушке.

Для выполнения этого условия необходимо, чтобы действующее напряжение на катушке не превышало максимально допустимого при максимальном напряжении питания и минимальном сопротивлении цепи, то есть:

Как видно, условие выполняется, следовательно, можно для второго ограничивающего резистора записать следующее неравенство, определяющее все возможные его значения:

(Окончание следует).

Александр Гришин
к.т.н., зав. лабораторией ВИЭСХ