4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И СИГНАЛИЗАЦИИ
Из технического задания ясно, что и при каких условиях должно обеспечиваться будущей электроустановкой, и что дает возможность разделить проектируемую схему на основные части и вести дальнейшую работу над каждой из них в отдельности. Поэтому рис. 2 и разделен на три части: а) управление электродвигателем; б) сигнализация уровня; в) освещение технического кабинета.
Далее необходимо составить принципиальную схему и отразить в ней два основных положения:
а) каждое условие действия должно удовлетворяться электрической цепью;
б) каждая электрическая цепь должна содержать хотя бы по одному из следующих элементов: электроприемник (электродвигатель, лампа, звонок, печь, обмотка реле, контактора, первичная обмотка трансформатора и т. п.), источник тока (генератор, аккумуляторная батарея, вторичная обмотка трансформатора, зажимы, на которые подано напряжение), провода (прямые и обратные), контакты коммутирующих устройств (рубильников, реле, контакторов, магнитных пускателей, путевых выключателей и т. п.).
На рис. 2,а условие — электродвигатель насоса перекачки должен автоматически включаться и отключаться в зависимости от уровня воды в баке — удовлетворяется цепями 1, 2, 3. В них контакты реле уровня У включают и отключают электродвигатель М (электроприемник), который получает питание от сети трехфазного тока а, б, с (источник тока).
На рис. 2,6 цепь 4—5 отвечает следующему условию: лампа ЛH включается на время работы электродвигателя насоса.
Рис. 2. Принципиальные схемы.
а— управления электродвигателем; 6 — сигнализации; в —освещения технического кабинета.
Цепью 6—7 выполняется условие: лампа Л А управляется контактом реле аварийного уровня АУ и сигнализирует недопустимое снижение уровня. Другой контакт реле А У управляет цепью 8—9 звонка Зв. В цепях 4—5, 6—7 и 8—9 постоянного
или однофазного переменного тока (род тока для каждой цепи определится в процессе дальнейшей работы над схемой) достаточно двух проводов.
На рис. 2, в показаны штепсельные розетки Ш1 — ШЗ (цепи 10—11, 12-13, 14—15) и две группы люминесцентных светильников (цепи 16—17, 16—19 и 18—21, 18—23). Первая группа управляется выключателем BI, вторая — выключателем В2, что дает возможность включать освещение как по частям, так и полностью.
Рассмотрим сначала развитие схемы управления электродвигателем. Затем возвратимся к схеме сигнализации и, наконец, закончим схемой освещения технического кабинета, которую рассмотрим в § 16.
Кроме элементов, без которых нельзя обойтись, — иначе условия действия не будут выполнены — в схему обычно приходится вводить оборудование, обеспечивающее долговечность электроустановки и безопасность ее обслуживания.
Поэтому на следующем этапе работы нужно включить предохранители от токов короткого замыкания (токов к. з.). что и выполнено на рис. 3,а.
Предохранители хорошо защищают электроустановки от токов к. з., так как при к. з. ток резко и значительно возрастает. Однако они не способны защитить электродвигатели от перегрузки. Следовательно, придется переработать те части схемы, в которых возможна перегрузка, чтобы обеспечить от нее защиту. В нашем примере это касается электродвигателя, который может перегрузиться из-за заедания в насосе, а также при перегорании предохранителя в одной из фаз (подробнее см. рис. 12).
Защиту от перегрузки можно выполнить несколькими способами. Кроме предохранителей (которые в данном случае также необходимы, так как защита от перегрузки не исключает необходимости защиты от токов к. з.), можно установить магнитный пускатель МП со встроенной тепловой защитой РТ1 и РТ2 (рис. 3,в). Можно установить контактор К в сочетании с двумя тепловыми реле РТЗ и РТ4 (рис. 3,г).
Можно не ставить предохранители, магнитный пускатель или контактор с тепловыми реле, а заменить их автоматом с комбинированным расцепителем АМТ (рис. 3,6). Такой автомат одновременно защищает электродвигатель от перегрузки (при перегрузке срабатывает тепловой расцепитель) и сеть от к. з. (срабатывает электромагнитный расцепитель).
Заметьте, как резко изменилась схема. В цепях 1, 2, 3 электродвигателя теперь включены не контакты реле уровня У, а контакты магнитного пускателя МП (рис. 3,е) либо контакты контактора К (рис. 3,г). Появились новые цепи 26—27 управления катушкой магнитного пускателя МП (рис. 3,в) или 28—29 управления катушкой контактора (рис. 3,г). Этими цепями управляют контакты реле уровня У, и в них введены контакты реле тепловой защиты.
Рис. 3. В схему введена защита.
а — предохранителями от токов к. з.; б — автоматом от токов к. з. и перегрузки электродвигателя; в и г — предохранителями от токов к.з. и тепловыми реле от перегрузки электродвигателя.
Несколько ниже, в § 7, рассматривается вопрос о том, почему в схему введено не одно, не три, а два тепловых реле и откуда известно, что их контакты нужно соединять не параллельно, а последовательно. Пока же отметим, что даже в столь простом случае, как управление одним электродвигателем, уже приходится сравнивать варианты, с тем чтобы отдать предпочтение одному из них. Выходит, таким образом, что по мере продвижения проектирования количество вопросов, подлежащих решению, не уменьшается, а, сколь это ни странно на первый взгляд, возрастает.
Как же быть?
Чтобы ограничить круг вопросов и не заниматься детальной разработкой маловероятных вариантов, необходимо время от времени возвращаться к техническому заданию, а также оценивать реальность предполагаемых решений и сразу исключить нереальные. В данном случае вариант по рис. 3,6 отпадает. Во-первых, в задании ясно сказано, что двигатель циркуляционного насоса должен питаться от первой секции шин щита 380 В с использованием резервного присоединения, а как следует из рис. 4,а, на этом щите установлены рубильники и предохранители, а не автоматы. Ради одного присоединения менять принятую систему не следует. Во-вторых, реле уровня У имеет один, а не три замыкающих контакта. Значит, схема, требующая трех контактов, просто неосуществима.
Сравнивая схемы на рис. 3,в и г, следует отдать предпочтение схеме на рис. 3,е, так как всегда желательно иметь один аппарат — в данном случае магнитный пускатель со встроенными тепловыми реле — вместо трех (контактор и два тепловых реле). Кроме того, магнитный пускатель имеет оболочку (кожух) и допускает установку на стене и т. п.; для контактора и тепловых реле нужен щиток. Наконец, контакторы применяют для управления электродвигателями большой мощности (десятки киловатт), а в нашем случае, что совершенно очевидно (и это несколько позже подтвердится при конкретизации схемы), нужен электродвигатель небольшой мощности.
Катушка магнитного пускателя обычно питается от той же сети, что и управляемый двигатель. Поэтому цепи 1, 2, 3 и 26— 27, изображенные на рис. 3,в, можно совместить. Это и выполнено на рис. 4,е. Обратите внимание: цепь 26—27 присоединена выше контактов магнитного пускателя МП. В противном случае двигатель нельзя было бы включить.
Рис. 4. Присоединение электродвигателя к первой секции щита 380 В. а — однолинейная схема 1-й секции; 6 — трехлинейная схема резервного присоединения; в — присоединение электродвигателя насоса.
Осуществив защиту от токов к. з. и перегрузки, нужно обеспечить безопасность обслуживания. Для этого:
1) Вводят в схему аппараты, дающие возможность полностью, т. е. всеми полюсами и фазами, снять с нее напряжение; в данном случае это требование уже выполнено: на схеме рис. 4, в имеется трехполюсный рубильник Р8.
Заземляют нетоковедущие части, могущие оказаться под напряжением при повреждении изоляции, например корпус электродвигателя. Обязательно нужно заземлить корпус металлического бака или арматуру железобетонного бака. Что и как нужно заземлять, подробно описано в [15], а также обусловлено гл. 1-7 ПУЭ [17].
Принимают особые меры безопасности, если они нужны в данном конкретном случае. В нашем примере такие меры нужны. Действительно, реле уровня У установлено на металлическом баке, а его контакт входит в схему, которая получает питание от сета 380 В. В этих условиях прикосновение к реле чрезвычайно опасно, и если есть сомнения в том, что недостаточно квалифицированный персонал прикоснется к токоведущим деталям реле, не отключив предварительно рубильник Р8 (рис. 4, в), то необходимо ввести в схему трансформатор Тр1 (рис. 5,6), который понижает напряжение до 42 В*. Один из выводов вторичной обмотки трансформатора должен быть заземлен, чтобы обеспечить безопасность в случае нарушения изоляции между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Подробно этот вопрос рассмотрен в [15]. От вторичной обмотки трансформатора получает питание через контакт реле уровня У его повторитель — реле У1 (рис. 5,6). А в цепь катушки магнитного пускателя МП вводится не контакт реле У, как было сделано на рис. 4, в, а контакт реле У/ (рис. 5, я).
Обратим внимание читателей на то, что в электроустановках, обслуживаемых квалифицированным персоналом, понижающий трансформатор не ставят, ограничиваясь кожухом, который закрывает контакты, и надписью: «Прежде чем снимать кожух, отключите питание». Здесь же рассматривается более сложная схема с применением трансформатора, так как она дает возможность пояснить существо очень важных вопросов.
Цепи 27—26 и 31—30 целесообразно объединить, как показано на рис. 5, в, используя для них предохранители П2.
Проверяют, верно ли выбран способ электропитания катушки магнитного пускателя. Дело в том, что ПУЭ требует, чтобы при защите электродвигателя предохранителями катушка магнитного пускателя получала питание от двух фаз (380 В).
Рис. 5. Обеспечение безопасности в схеме управления электродвигателем насоса.
Если же электродвигатель защищен автоматом, то катушку магнитного пускателя можно присоединить между фазой и нулем (220 В). Разъяснение этого сложного вопроса, непосредственно связанного с безопасностью персонала, дано в § 7.
Остается ввести в схему электроизмерительные приборы и счетчики, если в них есть необходимость.
Напомним, что схему проектируемой установки мы в самом начале работы разделили на три части и вели пока работу только над одной из них. Теперь время приступить к разработке второй части схемы. Но прежде уместно возвратиться к началу § 4 и прочитать только напечатанное курсивом. Тогда получится план разработки схемы, причем такой план, следуя которому мы не рискуем обойти вниманием ни один важный вопрос.
Из сказанного, конечно, не следует, что в любой схеме все перечисленные в плане вопросы важны. Но подумать нужно о каждом из них, и если тот или иной вопрос разрабатываться не будет, то отказываться от разработки нужно сознательно.
После этих предварительных замечаний читателям будет ясна техника построения дальнейшего изложения материала: курсивом напечатан рассматриваемый вопрос, затем либо дается на него ответ, либо поясняется, по каким причинам в данном конкретном случае разработка опускается.
Составляем схему сигнализации по условиям действия. Эта работа уже выполнена на рис. 2,6, и пояснения к нему даны выше.
Вводим защиту (предохранители) от токов к. з. (рис. 6, а).
Вводим защиту от перегрузки. В данном случае она не нужна, так как в столь простых цепях перегрузки быть не может.
Ограничиваем круг разрабатываемых вопросов. Обращаясь к техническому заданию, выясняем, что звонок должен присоединяться к существующей схеме предупредительной сигнализации. Эта схема приведена на рис. 6, в (черные линии) и работает следующим образом. При возникновении какого-либо сигнала замыкается контакт X, Y или Z и включает лампу ЛX, ЛY или JJZ соответственно через входное сопротивление Лвк реле импульсной сигнализации типа РИС-ЭЗМ. При этом напряжение с выводов а и 6 сопротивления Rm через выпрямитель В1 заряжает конденсатор С, включенный последовательно с обмоткой / поляризованного реле Р. Импульса зарядного тока достаточно для срабатывания поляризованного реле*. Его контакт в цепи 38—45 замыкается, включает промежуточное реле РП и остается замкнутым.
Рис. 6. Принципиальная схема сигнализации. Для контроля уровней использовано поплавковое реле типа РМ-51.
Контакт реле РП в цепи 40—47 включает звонок Зв. Звонок деблокируют кнопкой К, включая ею по цепи 36—43 другую обмотку II поляризованного реле Р, благодаря чему его якорь перебрасывается в исходное положение: контакт Р размыкается. Обращается внимание на то, что кнопка К имеет два контакта, причем контакт в цепи 38—45 размыкается раньше, чем замыкается контакт в цепи 36—43. Благодаря такой последовательности переключений цепь катушки реле РП размыкает относительно мощный контакт кнопки, а не контакт чувствительного поляризованного реле Р. Реле РП, отпуская, отключает звонок.
Если предыдущий сигнал еще не снят, но уже возник следующий сигнал, то включается еще одна лампа и, следовательно, ток, проходящий через RBX, возрастает. Соответственно повышается напряжение между точками а и б, к. конденсатор дозаряжается. Вновь срабатывают поляризованное реле Р и реле РП. которое включает звонок. Схема рассчитана на прием нескольких сигналов.
При снятии сигнала ток, проходящий через RBia уменьшается, и, следовательно, напряжение между точками а и б снижается, и конденсатор С должен разрядиться до нового значения напряжения. Но разрядный ток имеет направление, для которого выпрямитель В1 непроходим. Поэтому в схему введен разрядный резистор Rb присоединенный параллельно конденсатору.
Недостаток схемы реле РИС-ЭЗМ состоит в зависимости между световым (лампа) и звуковым (звонок) сигналами, так как при неисправности лампы теряются как световой, так и звуковой сигналы. Для проверки исправности ламп служит кнопка КОС (опробование сигнализации), которой по цепям 34—35 включают все лампы.
Диоды ДХ, Д¥, ffZ дают возможность включать все лампы для проверки одной кнопкой, но они разделяют рабочие цепи ламп. Способ разделения, иллюстрируемый рис. 6, г, состоит в следующем. Ток через контакт X проходит только в лампу ЛX (левая синяя стрелка), а в лампу ЛY пройти не может, так как диоды ДХ и ДУ включены встречно. По той же причине ток через контакт Y проходит только через лампу ЛY (правая синяя стрелка). Но через кнопку КОС ток проходит в обе лампы — красные стрелки, что и требуется.
Выполним теперь требования технического задания, присоединив цепь 6—7 (рис. 6.а) к точке а и введя еще один разделяющий диод ДА.
Предохранители П11 теперь явно не нужны, так как их роль выполняет предохранитель П5, защищающий всю схему сигнализации. Не нужна и цепь 8—9; те же контакты реле АУ в цепи 34—7 (9) включат уже имеющийся звонок (правда, не непосредственно, а через РИС-ЭЗМ и реле PIT). Что же касается цепи 4—5, то она создана вновь, но не требует предохранителей, так как ее защищает предохранитель П5. Чтобы иметь возможность кнопкой КОС проверить исправность лампы J7H, введен еще один диод ДН.
Новые присоединения на рис. 6. в выделены синими линиями.
Обеспечиваем безопасность обслуживания. Электропитание с вновь введенных элементов схемы сигнализации снимается совместно с действующими, и потому новое решение не требуется.
*Напряжение 42 В введено в ПУЭ-76, изд. 5-е. В предыдущих изданиях нормировалось 36 В.
Недопустимо оставлять в цепи 34—7 (9) контакт реле уровня АУ, так как оно установлено на металлическом баке в сыром помещении*. Нужно воспользоваться понижающим трансформатором Тр2 (рис. 6,6), включить от его вторичной обмотки повторитель реле аварийного уровня А У реле АУ1, а его контакт использовать в схеме сигнализации. По той же причине в цепи 4—5 нельзя оставлять контакт реле У, надо использовать контакт реле У/. Включение реле У1 показано выше, на рис. 5,6.
Один из выводов вторичной обмотки понижающего трансформатора Тр2 должен быть заземлен.
Вводим в схему электроизмерительные приборы и счетчики. В данном случае они не нужны.
Следующим этапом работы является объединение технологически связанных первой и второй частей схемы. Эти схемы технологически связаны, так как вторая часть схемы (сигнализация) контролирует работу первой (управление двигателем насоса). Сравнивая рис. 5 и 6. видим, что надобности в двух понижающих трансформаторах нет: можно обойтись одним. С изменениями, перечисленными выше, схема управления и сигнализации изображена на рис. 7. Будем ее считать предварительным вариантом принципиальной схемы. Предварительным потому, что в процессе дальнейшей работы не исключено, что в схему снова придется вносить некоторые изменения. Но пока данных для этого еще нет.
Проектирование освещения технического кабинета, не связанного с первой и второй частями схемы и имеющего по сравнению с ними ряд специфических особенностей, рассмотрено ниже в § 16.
Рис. 7. Предварительный вариант принципиальной схемы управления электродвигателем насоса и сигнализации. Для контроля уровней использованы поплавковые реле типа РМ-51.
