Автоматическое управление электронасосом

Автоматическое управление электронасосом
А. Калинский

Описываемое устройство предназначено для автоматического управления центробежными скважинными насосами водоподъема с погружными электродвигателями мощностью 1…11 кВт и контроля необходимых уровней воды в водонапорных башнях. Оно может найти применение и для других целей в системе водоснабжения сельскохозяйственных и промышленных предприятий как питьевой, так и промышленной водой.

Устройство представляет собой более совершенный вариант блока управления садовым электронасосом, описанного А. Субботиным в журнале «Радио» (1984, № 1, с. 30—31). По сравнению с ним описываемое устройство позволяет применять не только однофазные, но и трехфазные насосы. В устройстве используется электронный бесконтактный датчик уровней воды вместо трудоемких в изготовлении электромеханических, требующих надежной изоляции для обеспечения безопасной эксплуатации. Кроме того, применение электронного датчика уровней позволяет осуществлять прием информации о контролируемых уровнях воды по двум проводам, что обеспечивает их экономию примерно в два раза. Это немаловажно при значительном удалении скважины от наполняемого резервуара.

Принцип действия устройства поясняется рис. 1 и основан на фиксации изменения — проводимости между корпусом наполняемого резервуара и двумя металлическими электродами, омывающимися или не омывающимися водой (в зависимости от ее уровня).
Анализирующая часть устройства выполнена на микросхеме КМОП структуры, включающей в себя четыре элемента 2И-НЕ.

Рис. 1. Датчик уровня:
а — электрод уровня не соприкасается с водой; б—электрод уровня соприкасается с водой.

Большое входное сопротивление, высокая помехоустойчивость и температурная стабильность, наличие защитных стабилитронов на входах микросхемы позволяют применить ее в схеме анализирующей части устройства. Соединив электрод уровня с входами элемента 2И-НЕ, как показано на рис. 1, можно получить датчик, фиксирующий изменения проводимости между электродом и корпусом резервуара. Действительно, если электрод уровня не соприкасается с водой (рис. 1, а), то сопротивление (R2) между ним и корпусом наполняемого резервуара велико. Оно равно сопротивлению изоляции электрода и реально более 1 МОм. В этом случае напряжение Ur2, приложенное к входам элемента DD1.1, будет больше порогового значения, которое для микросхемы К176ЛА7 примерно равно Uпит./2=4,5 В. Это напряжение воспринимается элементом DD1.1 как уровень логической 1 и инвертируется в уровень логического 0. При поднятии уровня воды до электрода (рис. 1, б) сопротивление R2 во много раз уменьшится из-за относительно высокой электропроводности воды. Сопротивление R2 в этом случае зависит от площади сечения электрода и, в основном, от применяемой воды. Для питьевой и технической воды, взятой из различных источников, то сопротивление может быть от 1 до 10 кОм. Оно зависит от количества солей и различных примесей, влияющих на электропроводность воды. В результате уменьшения сопротивления до указанных пределов напряжение Ur2 окажется намного меньше порогового значения и будет равно 0,3…0,7 В (устанавливается подбором резистора R1 при настройке устройства). Такой уровень напряжения воспринимается элементом DD1.1 как логический 0 и инвертируется в логическую 1. Напряжения логической 1 и 0 поступают на RS-триггер, который производит необходимые включения или выключения исполнительного устройства.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная схема управления электронасосом.

Для его питания используется четырехпроводная сеть с тремя фазными (А, В, С) и одним нулевым (N) проводами. Устройство содержит: элементы защиты электродвигателя насоса — автоматический трехполюсный выключатель SF1, нагревательные элементы 1РТ, 2РТ и размыкающие контакты К1.1РТ, К1.2РТ теплового реле; электромагнитный пускатель К1, включающий насос, блок питания, преобразующий напряжение ~220 В (между фазным С и нулевым N проводами) в постоянные 9 В и 15 В и состоящий из трансформатора Т1, диодов VD1 —VD5, конденсаторов С1 — СЗ, датчик уровней воды, управляющий работой устройства в автоматическом режиме и содержащий триггер Шмитта на элементах DD1.1 — DD1.2, RS-триггер на элементах DD1.3 — DD1.4, исполнительное устройство на транзисторах VТ1 —VТ2 и реле К2; электроды нижнего и верхнего уровней воды (на схеме не показаны), подключаемые соответственно к клеммам 1 и 2. Конденсаторы С4 — С5 и триггер Шмитта предназначены для повышения помехоустойчивости устройства.

Рис. 3 Эпюры напряжений в разных точках схемы в зависимости от уровня воды в резервуаре.

Устройство может работать в ручном и автоматическом режимах. При включенном выключателе SF1 и нейтральном положении переключателя SА1 устройство и электронасос отключены от сети. При необходимости для работы в ручном режиме переключатель SА1 устанавливают в верхнее по схеме положение. При этом срабатывает пускатель К1 и своими контактами К1.1 — К 1.3 включает электронасос, который будет подавать воду в резервуар.

Основной режим работы — автоматический. Для перевода устройства в этот режим переключатель SА1 устанавливают в нижнее по схеме положение, при этом включается в работу блок питания, который подает +9 В и +15 В на датчик уровней воды. Если вода в резервуаре находится ниже электрода нижнего уровня (рис. 3, tо), то величина сопротивлений между электродами уровней и корпусом резервуара большая, следовательно, на выводах 1, 2, 8 микросхемы DD1 присутствует напряжение логической 1. Элементом DD1.1 логическая 1 преобразуется в логический 0, который поступает на вход 3 (вывод 13) триггера, устанавливая его в единичное состояние. Уровень 1 с выхода (вывод 11) RS-триггера открывает транзисторы VТ1 и VТ2. Реле К2 срабатывает и своими контактами К2.1 — К2.2 включает пускатель К1, который в свою очередь включает электронасос. Насос начинает качать воду в резервуар. В процессе заполнения вода достигает электрода нижнего уровня (рис. 3, t1), сопротивление между ним и корпусом резервуара значительно уменьшается. На входе DD1.1 появляется уровень 0, а на выходе уровень 1, но состояние триггера не изменяется. Насос продолжает качать воду. В результате заполнения резервуара вода достигает электрода верхнего уровня (рис. 3, t2). На входе R (вывод 8 ) появляется уровень 0, который устанавливает триггер в нулевое состояние. В результате этого транзисторы VТ1, VТ2 закрываются, обесточивая реле К2. Электронасос выключается, подача воды прекращается. По мере потребления уровень воды понижается (рис 3, t3), но состояние триггера не меняется. Электронасос продолжает оставаться выключенным, но вновь включится в работу после того, как вода в резервуаре опустится ниже отметки, определяемой электродами нижнего уровня (рис. 3, t4). Цикл работы устройства повторится.

Если в процессе работы электронасоса ток через нагревательные элементы 1РТ, 2РТ протекает выше допустимого, срабатывает тепловое реле и контактами К1.1РТ, К1.2РТ обесточивает пускатель К1. Пускатель отключает электронасос от сети. При коротких замыканиях в обмотках электродвигателя насоса срабатывает автоматический выключатель SF1, отключая электронасос от сети.

Конструкция и детали.
В качестве электронасоса применен погружной электродвигатель водоподъема ПЭДВ-8 мощностью 8 кВт, коммутируемый контактами электромагнитного пускателя ПМЕ-222, в корпусе которого размещено тепловое реле ТРН-25УЗ. Нагревательные элементы этого реле включаются в два фазных провода, питающих электронасос, а размыкающие контакты — последовательно с обмоткой пускателя. Для подключения электродвигателя должен применяться провод или кабель стечением жил не менее 2,5 мм2, например провод АПР, автоматический выключатель SF1 — АП50-3МУЗ. Вместо последнего можно применить АЗ124 на ток срабатывания не менее 25 А. Переключатель SА1 — П2Т-1. Трансформатор Т1 — ТВК-110-Л2, применяемый в черно-белых телевизорах. Можно применить трансформатор, выполненный на магнитопроводе Ш16Х32. Обмотка 1—2 содержит 2200 витков провода ПЭВ-1 0,1, обмотка 3—4— 140 витков ПЭВ-1 0,3. Подойдет и имеющийся в наличии готовый трансформатор мощностью не менее 5 Вт с напряжением на вторичной обмотке 12… 13 В. Выпрямитель V01-V04 из серии КЦ405 с любым буквенным индексом. Конденсаторы: С1 — типа МБМ; С2, СЗ—К50-6; С4, С5 — К73ПЗ. Резисторы типа ОМЛТ или МЛТ. Микросхема DD1 может быть заменена на К561ЛА7 или К564ЛА7. Транзисторы VТ1, VТ2 могут быть с любым буквенным индексом. Вместо VТ1 можно применить КТ3102, а вместо VТ2 — КТ815, КТ817 с любым буквенным индексом. Реле К2 — РЭС6 (паспорт РФО.452.106) или РЭС9 (паспорт РС4.529.029—02, РС4.529.029—11).

Все детали устройства, кроме электродов уровней, переключателя SA1 магнитного пускателя К1, предохранителя и трансформатора Т1, размещены на печатной плате.

Рис. 4. Печатная плата (а) блока управления и расположение деталей на ней (б)

Печатная плата (рис. 4) и трансформатор Т1 размещаются в подходящем для этой цели корпусе, например от неисправного магнитного пускателя. На передней крышке корпуса устанавливается переключатель SА1 и предохранитель FU1. Корпус устройства соединяется с общим проводом блока питания и нулевым проводом сети. Нулевой провод заземляется. В качестве заземлителя можно использовать металлический кожух списанного электронасоса или металлическую трубу, по которой подается вода в резервуар, если она проложена в земле.

Корпус резервуара, заполняемого водой, также заземляется, так как земля выполняет роль общего провода к электродам уровней. Роль заземлителя могут выполнять металлические опоры, на которых установлен резервуар или металлический стержень сечением не менее 100 мм2 и длиной 2 м. Если применяется неметаллический резервуар, то на одной планке с электродами уровней устанавливают и заземляют третий электрод. По длине он должен быть больше электрода нижнего уровня.

В качестве электродов уровней можно применять конструкции из металлов, устойчивых к коррозии, например отрезки стальных оцинкованных труб, стержни из нержавеющей стали, алюминиевые уголки.
Нельзя использовать металлы, которые оказывают вредное воздействие на воду, например медь (это относится и к подводящим проводам). Один из вариантов конcтрукции электродов уровней представлен на рис.5

Рис. 5. Эскиз варианта конструкции датчика уровней.

На изолирующей от корпуса планке 1, например из текстолита, параллельно закрепляются при помощи болтов 2 диаметром 4 мм электроды нижнего 3 и верхнего 4 уровней. Электроды представляют собой отрезки алюминиевых уголков сечением 25×25 мм, длина которых зависит от конструкции резервуара и контролируемых уровней воды. Планка с электродами крепится к корпусу резервуара при помощи болтов 5 диаметром б мм через ограничительные деревянные бруски 6 в вертикальном положении. Для соединения электродов с датчиком уровней воды применен двухпроводный телефонный кабель 7П-274. Провод от электрода нижнего уровня присоединяют к клемме 1, от электрода верхнего уровня — к клемме 2.

Настройка устройства заключается в подборе сопротивлений резисторов R2, RЗ. Для настройки необходимо: подать питание на датчик уровней; между клеммой 1 и корпусом установить резистор с сопротивлением 3…10 кОм (эквивалент воды); подключить прибор для измерения постоянного напряжения параллельно резистору эквивалента воды; изменяя сопротивление R2, добиться показания прибора, равного 0,5…0,7 В; отсоединить резистор эквивалента воды — показание прибора должно быть около 9 В. Аналогично произвести подбор резистора RЗ.

В процессе эксплуатации устройства рекомендуется два раза в год производить профилактический осмотр и чистку электродов уровней.