Универсальная станция управления и защиты электронасосов водоподачи

Авторы: Н.Н. Супроненко, Б.Н. Муханов, О.В. Критченкова, А.Б. Щеголева

Источник: Достижения науки и техники АПК, № 03-2011

Резюме

Разработана универсальная станция управления электронасосами водоподачи с набором эффективных устройств защиты электродвигателя от наиболее опасных аварийных режимов. Приведено описание блок-схемы системы автоматического управления и контроля режимов работы электронасоса, устройства и принципа работы отдельных блоков, а также перечень функциональных возможностей и технических характеристик разработанной станции управления и защиты электронасосов. Применение станции позволяет снизить аварийный выход из строя погружных электродвигателей на 35…40 %.

Ключевые слова: вода, насос, электродвигатель, управление, авария, защита.

Водоснабжение сельхозпотребителей – ответственный и трудоемкий процесс, для реализации которого нужна безаварийная работа электронасосных агрегатов определяемая наличием в системе управления эффективной защиты, исключающей аварийные режимы работы.

Погружные асинхронные водозаполненные электродвигатели предназначены для работы с номинальными нагрузками практически без технического обслуживания, что в сочетании с низким качеством электроснабжения и отсутствием достаточной защиты приводит к высокой аварийности. Выход из строя двигателя насосного агрегата влечет за собой большие экономические потери, связанные с необходимостью приобретения нового насоса и выполнения дорогостоящих работ по его замене. Длительные перерывы в водоснабжении, вызванные этими причинами, приводят как к технологическим потерям, так и к социальным издержкам.

Эксплуатируемые сегодня станции управления электронасосами не учитывают некоторых аварийных ситуаций в электроснабжении, губительно действующих на обмотку электродвигателей установок, работающих в автоматическом режиме[1,2,3].

Анализ причин отказа электронасосных агрегатов показывает, что основная из них – выход из строя статорной обмотки электродвигателя, который происходит вследствие пропажи фазы и несимметричного питания, заклинивания ротора, обрыва провода управления к датчику нижнего уровня и др.[4,5].

Цель нашей работы – улучшение защитных функций станции автоматического управления погружными электронасосами водоподъема для снижения аварийности электродвигателей.

Условия, материалы, методы

Для достижения поставленной цели мы разработали универсальную станцию управления электронасосами водоподачи с защитой электродвигателя от различных аварийных ситуаций (рис.1).

Рисунок 1 – Монтажная панель станции управления погружными электронасосами: 1 – автоматический выключатель; 2 – трансформаторы тока; 3 – выходное рыле; 4 – электромагнитный пускатель; 5 – трансформатор питания; 6 – электронная плата.

Монтажная панель станции установлена внутри металлического шкафа с передней дверцей навесного типа. Назначение установленных на ней устройств следующее. Автоматический выключатель – 1 подает напряжение в силовую цепь и схему управления и защищает цепь автоматический выключатель – электродвигатель от коротких замыканий. Трансформаторы тока 2 включены в каждую фазу и контролируют фазные токи электродвигателя, выходное реле 3 управляет электромагнитным пускателем 4. Трансформатор питания 5 понижает напряжение и питает электронную плату управления 6, которая формирует сигналы управления и защиты, управляет работой выходного реле 3, обеспечивая автоматический режим водоподъема по сигналам от двухпозиционных датчиков уровня или давления и защищает электродвигатель от аварийных режимов работы.

Электронная плата состоит из нескольких блоков управления в зависимости от способа контроля уровней воды в башне, формирователя задержек времени и набора противоаварийных защит (рис. 2). Ее питание осуществляется от понижающего трансформатора стабилизированным напряжением 5 В.

Рисунок 2 – Блок-схема электронной платы станции управления

Результаты и обсуждение

Основной узел электронной платы – блок управления выходным реле. Он выполнен с использованием асинхронного RS-триггера собранного на элементах И-НЕ 555 серии и на дискретных полупроводниковых элементах. В зависимости от состояния инверсного выхода триггера этот блок осуществляет подачу или снятие напряжения с катушки выходного реле, которое в дальнейшем своим замыкающим контактом управляет магнитным пускателем, включающим или отключающим электродвигатель погружного насоса.

Блок управления от электроконтактного манометра выполнен на дискретных элементах и подает соответствующие сигналы (на включение или отключение насоса) на входы RS-триггера. При подаче сигнала на включение, инверсный выход триггера переключается в уровень логического нуля, а при подаче сигнала на отключение электродвигателя – в уровень логической единицы.

Блоки управления от реле давления и от датчиков уровня также выполнены на дискретных полупроводниковых элементах и воздействуют на входы RS-триггера.

Для устранения ложных переключений, которые возможны при колебаниях стрелки манометра, возникающих при гидравлических ударах, предусмотрен формирователь задержек времени на обратную коммутацию. Он выполнен на компараторе напряжений 554 серии, логическом элементе ИЛИ-НЕ 555 серии и дискретных элементах. Выходные сигналы с компаратора и логического элемента подаются на входы RS-триггера, разрешая или запрещая его переключение на время, необходимое для успокоения системы, что дает возможность, предотвращать ложные срабатывания.

Электронная плата позволяет эффективно предотвращать различные аварийные режимы работы и содержит защиту от понижения уровня воды в скважине (от сухого хода), от токовых перегрузок, от аварийных режимов питания и от обрыва контрольного провода к датчику нижнего уровня.

Защиты от токовых перегрузок и от аварийных режимов питания выполнены по единому принципу. Основной их элемент – узел сравнения, выполненный на компараторе напряжений 554 серии. Для контроля напряжений в фазах применен фильтр напряжений нулевой последовательности, а для контроля тока используется схема выделения наибольшего тока из 3-х фаз. Выходные сигналы с компараторов этих защит также поступают на входы RS-триггера, управляя его работой.

Защита от понижения уровня воды в скважине реализована на логических элементах И-НЕ 555 серии и дискретных полупроводниковых элементах. В случае достаточного уровня воды в скважине она не влияет на работу электронной платы. При отсутствии воды в скважине выдается сигнал, который блокирует инверсный выход триггера в состоянии логической единицы, и тем самым запрещает включение электродвигателя насоса. Защита от сухого хода имеет самоблокировку после срабатывания, иначе при недостаточном дебите воды в скважине установится повторно-кратковременный режим работы насоса, что угрожает перегревом обмотки электродвигателя от пусковых токов. Для снятия блокировки необходимо снять и снова подать напряжение питания на электронную плату.

Защита от обрыва контрольного провода к датчику нижнего уровня реализована на дискретных элементах и также блокирует инверсный выход триггера в состоянии логической единицы, запрещая подачу питания на катушку выходного реле. Она также имеет самоблокировку после срабатывания.

На электронной плате предусмотрена светодиодная сигнализация наличия питания и срабатывания защит. Плата съемная, поэтому в случае отказа ее можно быстро заменить и восстановить работоспособность станции.

Разработанная станция управления обеспечивает следующие эксплуатационно-технологические показатели:

• работу электронасоса в автоматическом режиме по сигналам от датчиков уровня в башне или скважине, от электроконтактного манометра или от реле давления;
• отключение электродвигателя насоса и создание запрета на включение при исчезновении напряжения в любой из фаз или в случае уменьшения напряжения в одной из фаз ниже 160 В, а также при несимметрии напряжений в фазах более 60 В;
• автоматическое снятие запрета на включение и временную блокировку включения электродвигателя после восстановления симметричного трехфазного питания;
• отключение электродвигателя при возникновении токовых перегрузок в любой из фаз выше тока уставки защиты с запретом на автоматическое включение; при понижении уровня воды в скважине ниже датчика сухого хода с блокировкой включения; при обрыве провода к датчику нижнего уровня с блокировкой включения; при коротких замыканиях в цепи автоматический выключатель – электронасос;
• создание временного запрета на отключение электродвигателя после его включения и на включение электродвигателя после его отключения (управление по давлению);
• контроль величины тока электродвигателя в одной из фаз;
• светодиодную сигнализацию наличия напряжения питания и действия любой из защит.

Разработанная станция управления и защиты применима для электронасосов водоподачи с мощностью электродвигателя от 4,5 до 130 кВт. Она имеет следующие технические характеристики:

• напряжение питающей сети, В – 3ф 220/380
• напряжение на контактах ЭКМ и датчиках уровней, В – 12
• напряжение в одной из фаз, вызывающее срабатывание защиты от несимметрии, В – 160
• несимметрия фазных напряжений, вызывающая срабатывание защиты, В – 60
• время срабатывания токовой защиты при Iуст=1,25 Iн и симметричной перегрузке, не более, сек
  • 1,35 Iн – 60
  • 1,5 Iн – 20
  • 5 Iн – 3
• длительность блокировки состояния выходного реле после переключения, сек.
  • после включения – 15…20
  • после отключения – 30….40
• габаритные размеры (до 16 кВт), мм – 400×180×560
• масса, кг – 9,5…12

Разработанные опытные образцы станций управления электронасосами водоподачи эксплуатируются в хозяйствах Смоленской области в течение 2-х лет и надежно защищают погружные электродвигатели. Их аварийный выход сократился на 35…40 % в год.

Выводы

Разработанная система автоматического управления насосами водоподачи с набором эффективных защит от наиболее опасных аварийных режимов электропитания, управления и работы, обеспечивает более высокий уровень защиты погружного электродвигателя, что улучшает качество водоснабжения сельхозпотребителей.

Годовой экономический эффект от использования предлагаемой станции управления и защиты на одной артезианской скважине составляет в среднем 15…20 тыс. руб.

Литература

1. Уссаковский В.М. Водоснабжение и водоотведение в сельском хозяйстве. – М.: Колос, 2000.
2. Станция управления и защиты для погружных и дренажных насосов Высота. Каталог электрооборудования для насосных станций и компрессоров. – ООО Агротехэлектро, 2006.
3. Устройство комплектное Каскад, Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт, 2003.
4. Мусин А.М. Аварийные режимы асинхронных электродвигателей и способы их защиты. – М.: Колос, 1979.
5. Грундулис, А.О. Защита электродвигателей в сельском хозяйстве. – М.: Агропромиздат, 1988.

Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел