Оглавление
1 Аппаратура защитного отключения, выпускаемая серийно или подготавливаемая к производству заводами СНГ
2 Программно-технический комплекс для систем управления с рассредоточенными объектами
3 Защита и управление при эксплуатации погружных электронасосов
4 Отечественные асинхронные двигатели стандарта CENELEC
5 Типы и применение регуляторов
6 «Диалог»

            В связи с падением промышленного производства, практически полным отсутствием заказов от сельского хозяйства на аппаратуру защитного отключения, заводы, производящие УЗО трехфазного исполнения, прекратили (УЗО25 – с 1993 г.) или на порядок сократили выпуск. Разработка новых изделий, инициатором которой в 70-80 гг. являлось Министерство сельского хозяйства СССР, не ведется.
           Усилия разработчиков сосредоточены на УЗО бытового и аналогичного применения.
 Ниже приведены описания двух новых изделий, заказчиком которых является Мосстройкомитет.

            Модуль защитного отключения МЗО11 (разработка 1989 г., документ на поставку ТУ16-90 ИГРФ.648229.001ТУ). Предназначен для защиты электрооборудования в двух-, трех- и четырехпроводной сети. Состоит из блока реле и выносного датчика – дифференциального трансформатора тока. В качестве коммутационного аппарата, управляемого блоком реле, используют электромагнитный контактор 2/5 габарита или автоматический выключатель с независимым расцепителем (например, серии А 3700).
            Может быть использован  для сигнализации как средство контроля состояния изоляции. Сигнализация включенного состояния – световая. Разработан взамен РУД-05УЗ. Тактико-технические характеристики изделия приведены в табл. 1.

          Предлагаемое на рынке оборудование  часто включает в свой состав локальную сеть, по  которой происходит сбор информации на ЭВМ  и передача команд. Если такая сеть не использует международный стандарт, провести наладку, ремонт или модернизацию бывает очень сложно.
          Для  решения этой проблемы разработан международный стандарт ISO-11898, который определяет работу недорогих безинтеллектуальных контроллеров в сети.
Система предполагает работу в режиме реального времени, что позволяет использовать ее при управлении технологическими процессами.
            Появление локальных сетей в составе АСУ ТП как средства системного объединения станций обработки данных обусловлено, прежде всего, желанием избавиться от громоздкого кабельного хозяйства и, тем самым, сократить число ошибок при кроссировке и увеличить помехоустойчивость. Стандартизация интерфейсов и протоколов локальных сетей породила Базовую эталонную модель Взаимосвязи Открытых Систем (OSI/ISO 7498), а специфические требования «промышленных» и «офисных» применений привели к появлению в рамках этой модели двух спецификаций: МАР (Manufacturing Automation Protocol) – протокола автоматизации производства и ТОР (Technical and Office Protocol) – протокола учрежденческого использования.

Схема сетевого контроллера

            В качестве «безинтеллектуальных» контроллеров нижнего уровня используются модули CAN-D (устройство ввода/вывода дискретных сигналов) и CAN-A (устройство ввода/вывода аналоговых сигналов). Модули имеют два варианта исполнения: общепромышленное и расширенное промышленное с рабочими температурами от 0 до +55оС и  от -40 до +70оС соответственно. Они выполнены в алюминиевых корпусах, которые легко монтируются на 35 мм шине. Количество модулей ввода/вывода, подключаемых к сети CANbus – 63 (адрес 64 имеет управляющий модуль PC4).
           Модуль CAN-D обеспечивает ввод/вывод 24 дискретных сигналов, разделенных на три независимые группы. Возможны два варианта исполнения: с гальванической развязкой и без нее. Имеется светодиодная индикация состояния сигналов, питания и интерфейса CANbus. Благодаря тому, что CANbus является Multi-Master-сетью, модули CAN-D могут использоваться как устройства ввода «инициативных» сигналов: передачу начинает CAN-D, выставляя в поле данных только изменившиеся биты.
           Модуль CAN-A обеспечивает ввод 8/16 и вывод 2/8 аналоговых сигналов (±10 V, ±5 mA или  0-20 mA). Возможны два варианта исполнения: с гальванической развязкой и без нее. Имеется светодиодная индикация состояния сигналов, питания и интерфейса CANbus. Аналого-цифровой преобразователь – 12-разрядный     (10 мкс).
Возможности комплекса по вводу/выводу сигналов могут быть существенно расширены путем использования дополнительных модулей с коммутаторами (например, ТМХ32, USF8, TS16).
          Наработка на отказ отдельного модуля в сети CANbus составляет 100000 часов. Помехоустойчивость комплекса достигается за счет использования в качестве среды передачи данных двух витых пар проводников с подпиткой (модернизированный интерфейс  RS-485). Скорость обмена данными между модулями составляет:  1 Мбит/с при длине магистрали  40 м, 50 Кбит/с при длине 1,3 км. Предусмотрено применение повторителей магистрали, если необходимо иметь большие скорости обмена данными при длине магистрали в несколько километров. Приоритетный доступ к магистрали со стороны модулей позволяет иметь гарантированное время передачи для приоритетных пакетов данных. Использование идентификаторов сообщений при обмене данными позволяет легко переконфигурировать сеть (нет необходимости содержать «карту сети»).

           Рассмотрим работу защит, организованных по принципу причинности аварийной ситуации. Напомним, что к причинам аварийных ситуаций, приводящих к выходу из строя погружных электронасосов, относятся:
         – несимметрия питающей сети;
         – обрыв фазы сети;
         – несимметрия напряжений в нагрузке вследствие межвиткового замыкания;
         – увеличение момента сопротивления на валу электродвигателя из-за заклинивания ротора, пескования и других причин, приводящих к симметричным перегрузкам.
          Эти причины не всегда однозначно воздействуют на режимы погружных электродвигателей. Как уже упоминалось, параметры режимов зависят от условий, в которых работают двигатели, так что аварийная ситуация, выраженная в отклонении от штатной ситуации, может быть и не выявлена средствами защиты, действующими по сигналу причины.
          Очевидно, что организовать универсальную защиту, учитывающую все возникающие  причины аварийных ситуаций, довольно сложно, тем более, что при этом необходимо, чтобы схема защиты учитывала условия, в которых работает погружной электронасос. В противном случае действие защиты будет преждевременной, либо его вовсе не будет.
           Рассмотрим несколько примеров из практики.
          Значительная часть схемных решений самодеятельных авторов, специалистов хозяйств, основана на использовании контроля изменений напряжения нулевой последовательности между нулевым проводом и нейтралью с помощью  искусственной звезды, составленной из емкостей, резисторов или других сопротивлений, которая представляет собой фильтр нулевой последовательности.
          Принцип построения таких схем показан на рис.1 и 2. На емкостях С1  - С3 (резисторах R1 - R3)  формируется трехфазная система напряжений (токов), которая в случае обрыва фазы становится несимметричной. При этом напряжение (ток) между точкой О1 и нулевым проводом сети увеличивается, что фиксируется исполнительным элементом - реле (через триггер (рис. 2) или непосредственно (рис.1), которое отключает электродвигатель. Подобные схемы имеют время-токовую характеристику с одной фиксированной точкой срабатывания защиты. Но и в этом случае существуют определенные трудности в выборе ее.

Схема защиты на основе фильтра напряжения нулевой последовательности
непосредственного управления исполнительным элементом

 Схема защиты на основе фильтра тока нулевой последовательности
и управлением через триггер

          Рассмотрим этот вопрос подробнее.
          Как было уже сказано, в трехфазной сети, при нормальной ее работе, всегда присутствует напряжение нулевой последовательности, то есть имеет место смещение нейтрали. Это объясняется наличием однофазных потребителей, а также имеющимися в трансформаторах определенных сопротивлений нулевой последовательности.
          Приведенные исследования показывают, что смещение нейтрали U0 при полной загрузке трансформатора и коэффициенте мощности 0,6...0,8 заведомо превышает 5...8%, а при смешанной активно-индуктивной нагрузке трансформатора – на половину его мощности (cos f = 0,5...1,0) смещение нейтрали превышает 8...13 % [1].
С другой стороны, при потере фазы нагрузка двигателя, превышающая 0,4...0,6 номинальной, вызывает опасную перегрузку по току. Двигатель в этом случае должен быть отключен. Смещение нейтрали двигателя в этом режиме («АиП» № 6) составляет Ucм/U = 11...14%. Другими словами, срабатывание защиты должно быть настроено на этот уровень. Этот же уровень  будет обеспечен и при отсутствии обрыва фазы, но при наличии смещения нейтрали сети U0, что не вызывает опасных перегрузок в двигателе.
         Таким образом, в условиях эксплуатации сельских сетей нельзя рассчитывать на четкое действие защиты: реле либо не будет срабатывать при обрыве фазы, либо будет ложно срабатывать за счет несимметрии напряжения в сети при отсутствии повреждений.
         Аналогичные рассуждения справедливы и для случая применения схем с фильтрами тока нулевой последовательности (рис.2), поскольку токи нулевой последовательности, действующие в схеме, пропорциональны напряжениям действующих в тех же режимах в схеме с фильтром напряжения нулевой последовательности.
Другими словами, показатели защиты с использованием фильтров токов и напряжений нулевой последовательности одинаковы.
        Еще пример. В качестве защиты  от асимметричных режимов используют реле обрыва фаз типов ЕЛ-8, ЕЛ-12, которые предназначены для защиты электродвигателей от аварийных режимов при симметричных и несимметричных перегрузках, в том числе, обрыва фаз.
Принцип действия устройства основан на выделении напряжения обратной последовательности в фильтре, выходной сигнал которого, воздействуя на триггер Шмидта, отключает электродвигатель при перегрузке.
Устройства работают при температуре окружающей среды – 45...+40оС, обеспечивая срабатывание при уровне несимметрии 15±7% и более. Очевидно, что для погружных электродвигателей такой уровень высок и приведет к выходу из строя двигателя и при меньших значениях коэффициента несимметрии.
          Покажем это на расчетном примере – рассчитаем токи в фазах конкретного электродвигателя при коэффициенте несимметрии a=10%.
          Коэффициент несимметрии равен отношению напряжений прямой и обратной последовательностей в номинальном режиме.
          Выведем соотношение между коэффициентом несимметрии a и относительным изменением напряжения в фазе – DU/U,  где U - фазное номинальное значение напряжения сети.
         Соотношение для номиналь-ного режима будет иметь вид:

          Z1; Z2 - комплексные сопротивления соответственно прямой и обратной последовательностей.
Подставив выражение (2), (3) в (1), получим:

Считая справедливыми для номинального режима приближенные соотношения:

где КI - кратность пускового тока, перепишем (4) в виде:

приведенной зависимости для  КI = 6,0. Оценим перегрузку по току для несимметрии, не превышающей 10%. Для этого найдем зависимость тока фазы электродвигателя от мощности на валу при несимметрии питающего напряжения 10%. Зависимость находим методом симметричных составляющих.
       Токи прямой I1 и обратной I2 последовательностей  рассчитываем по известным формулам:

где Ix - ток при текущем значении нагрузки Рх.
Ix  определяем из графика зависимости фазного тока от нагрузки при симметричном режиме.
Полный ток рассчитываем по формуле:

где (p-g) – угол между векторами тока прямой и обратной последовательностей.
Максимальное значение полного тока соответствует величине угла  gmax = (2n-1)p/3, где n = 0,1,2... при этом

Минимальное значение соответствует той величине gmin,   при которой на диаграмме полных фазных токов двигателя  мгновенные значения токов соседних фаз равны.
Для определения величины gmin построим диаграмму фазных токов для принятой несимметрии при холостом ходе и номинальном режиме, воспользовавшись выражением (8).
Выберем интервал изменения угла Dgmin = p/6.
           Рассчитанные диаграммы приведены на рис.4.

Диаграммы полных токов и токов прямой и обратной последовательностей в фазах электродвигателя ПЭДВ 4,5-140 при a - 10%

Зависимость тока в фазах погружного
двигателя ПЭДВ от мощности на валу при
несимметрии питающего напряжения

         Рн  = 4,5 кВт,  Iн = 11,4А.
         По результатам расчета построим графики максимального и минимального полных токов в электродвигателе при питающем напряжении с коэффициентом несимметрии a = 10% (рис.5).
         Оценим перегрузку, возникающую в электродвигателе при Р2 = 0,7 Рн .
         Она составляет 1,7 Iф0,7 для максимума фазного тока и 1,5Iф0,7 для минимального.
         То есть, для номинального режима перегрузка значительно превосходит уровень 1,25Iн.
Фазочувствительные устройства защиты (ФУЗ) также можно отнести к устройствам, реагирующим на причины аварийной ситуации, за исключением тех модификаций, которые реагируют на величину фазного тока [2].
Простейшая базовая схема ФУЗ устроена так, что мгновенно отключает электродвигатель  при обрыве одной из фаз или  при симметричных перегрузках, равных 5,5 и выше номинальной нагрузки.
         Основным недостатком простейшей схемы фазной защиты является то, что она не реагирует  на промежуточные асимметричные аварийные режимы, а следовательно, не способно защитить двигатель при асимметричных перегрузках   до 5,5Iн.
         Другая модификация, ФУЗ-М, реагирует на промежуточные симметричные перегрузки, причем,  с переменной выдержкой времени.  Однако, время-токовая характеристика этой схемы идентична время-токовой характеристике устройства «Каскад», а следовательно, схема имеет те же недостатки, что и «Каскад» («АиП» № 5).   Существуют другие модификации ФУЗ: ФУЗ-У (позволяющая контролировать температуру статора), ФУЗ-И (контролирующая состояние изоляции фазных обмоток), однако они несут в себе недостаток предыдущих решений [2].
         Существует еще множество способов контроля причин аварийных ситуаций, но ни один из них, как и рассмотренные выше,    не учитывают при срабатывании  режимы электронасоса  и условия его работы в этот момент.

          В настоящее время часто приходится эксплуатировать импортное оборудование с двигателями зарубежного производства. В процессе эксплуатации может возникнуть потребность в определении российского аналога электродвигателя. Такими случаями может быть:
        – необходимость  быстрой замены при выходе из строя;
        – возможность использования двигателя для замены при ремонте оборудования (ресурс двигателей ведущих фирм достигает 40 тыс. часов, что, как правило, больше срока службы оборудования) или продажа на сторону для подобных целей.
         Для определения соответствия двигателя необходимо знать выполнен ли он по нормам СENELEC. Нормы СENELEC – это нормы европейского электротехнического комитета по стандартам. Этих норм придерживаются практически  все европейские фирмы, компании США, расположенные в Европе (на территории США и Канады действуют нормы на основе метрической системы измерений), фирмы Японии, Индии и т.д. Обратите внимание, что оборудование, выполненное в странах бывшего СЭВ, может иметь в своем составе двигатели, выполненые по стандарту Интерэлектро. Этому стандарту соответсвуют двигатели серии АИ. Двигатели этой серии выполнялись либо по ГОСТ-РС 3031-71 (АИРХХХХХХХХХХ) или по СENELEC (АИСХХХХХХХХХХ). Рассмотрим последнюю подробней.
Двигатели с привязкой мощности к установочным размерам по нормам CENELEC выпускаются с синхронными частотами вращения 3000, 1500, 1000 и 750 мин-1. Условное обозначение двигателя имеет вид АИСХХХХХХХХХХ:
  АИС – ассинхронный, серии интерэлектро, с привязкой мощности к установочным размерам по нормам CENELEC;
  Х – Р – с повышенным пусковым моментом,   С – с повышенным скольжением;
  ХХХ – габарит, мм;
  Х – установочный размер по длине станины (S,M,L);
  Х – длина сердечника статора (А или В), по умолчанию – первое;
  Х – число полюсов: 2, 4, 6, 8.
           Характеристики двигателей приведены в таблице.
           Двигатели габаритов 56-112 изготавливаются на напряжение 220 и 380В,  габаритов 132/380 – на напряжение 380/660 В.  Определив по фирме-производителю, соответствует ли двигатель нормам CENELEC, можно подобрать аналог в серии АИ. Серия АИ была разра-ботана в начале 80-х годов, поэтому возможно более целесообразно использовать для замены двигатель серии 5А. Двигатели серии АИ  легче двигателей серии 5А за счет низкой металлоемкости, но обладают немного меньшим КПД.
 

Тип двигателя	Номин. мощность, кВт	При номинальной мощности
		частота вращения, мин-1	ток статора при напряжении 380 В, А	КПД, %
С и н х р о н н а я  ч а с т о т а  в р а щ е н и я  3000 мин-1
АИС56А2 АИС5682 АИС63А2 АИС63В2 АИС71А2 АИС71В2 АИС80А2 АИС80В2 АИС90S2 АИC90L2 АИС100L2 АИС112М2  АИС132SА2 АИС132SВ2 АИС160МВ2 АИС160L2  АИС180М2 АИС200LА2 АИС200LВ2  АИС225М2 АИС250М2	0,09 0,12 0,18 0,25 0,37 0,55 0,75 1,1 1,5 2,2 3,0  4,0  5,5  7,5 15,0  18,5 22,0 30,0  37,0  45,0 55,0	2655  2655 2730 2730 2730 2730 2820  2805  2850 2850 2850 2850 2890  2895 2925 2925 2925  2925 2940  2940 2940	0,30 0,39 0,52 0,70 0,91 1,31 1,75 2,55 3,31 4,63  6,13 9,58 11,1 14,8 28,30 34,2 41,1 55,7 67,2 81,4 99,4	60,0 63,0 68,0 69,0 72,0 75,0 78,5 79,0 81,0 83,0 84,5 87,0 86,0 87,5 90,5 91,5 91,5 92,0 93,0 93,4 93,5
С и н х р о н н а я  ч а с т о т а  в р а щ е н и я  1500 мин-1
АИС56А4 АИС5684 АИС63А4  АИС63В4  АИС71А4 АИС71В4 АИС80А4 АИС80В4 АИС90S4 АИC90L4 АИС100LА4 АИС100LВ4 АИС112М4  АИС132S4 АИС132М4 АИС160L4  АИС180М4  АИС200L4 АИС200L4  АИС225S4 АИС225М4 АИС250М4	0,06 0,09 0,12 0,18 0,25 0,37 0,56 0,75 1,10 1,5 2,2  3,0  4,0  5,5 7,5 15,0 18,5  22,0 30,0 37,0 45,0  55,0	1335 1335 1350 1350 1320 1320  1360  1350 1395 1395 1395  1410 1410  1435  1425  1455 1455 1455 1455 1465 1465 1470	0,27  0,37 0,44 0,65  0,83 1,18 1,61 1,90 2,75 3,52 4,97 6,62 8,52 11,1  15,4 29,6  36,4 42,8 58,7 70,3 86,0 105,5	53,0 57,0 63,0 64,0 68,0 68,0 71,0 75,0 75,0 78,0 81,0 82,0 85,0 85,5 87,0 89,5 90,0 91,0 91,5 92,0 92,5 93,3

В оглавление

        В предыдущих статьях цикла рассматривались регуляторы с типовыми Т- и ПИД-законами регулирования. В данной статье цикла описаны алгоритмы и разновидности систем автоматического управления процессами, для которых обычные Т- и ПИД-регуляторы не обеспечивают требуемого качества управления.
       Приведем примеры сложных для регулирования и управления объектов:
       – АСУ технологическими процессами с большим транспортным запаздыванием. К таким достаточно компактным системам относятся и САУ кормоприготовителей, пастеризаторов и других подобных объектов. В этих системах обычно контролируется одна-две величины, содержатся один-два исполнительных органа,  несколько аварийных датчиков и механизмов. Так как, несмотря на конструктивные ухищрения, транспортное запаздывание велико, применение ПИД-регуляторов приводит к плохим динамическим и технологическим свойствам установки. Регулируемые объекты для данного класса процессов обычно содержат три  и  более режима работы (включение,  выход на режим, оптимизация производительности, выключение и пр.). В каждом из режимов управление производится по специальному алгоритму.
       – Системы управления микроклиматом.
        Наиболее простыми среди этого класса являются АСУ микроклиматом жилых и общепроизводственных помещений. В АСУ входят программный задатчик (он изменяет температуру в течение суток и по календарю, чем достигается экономия энергии), клапан центрального отопления, резервный калорифер, вентилятор. Как правило с вентиляцией и программным задатчиком сложностей не возникает, однако  система отопления имеет большое транспортное запаздывание, и применение ПИД-регуляторов приводит к слишком медленной реакции системы на возмущающее и задающее воздействие. Кроме того, при отключении центрального отопления, резком снижении температуры улицы необходимо изменять параметры алгоритма регулирования.
         К этим проблемам в САУ микроклиматом животноводческих помещений добавляются другие. Для этой задачи требуется более активная вентиляция, при этом применяются кондиционеры и экономайзеры. Кроме того, в птичниках требуется канал регулирования влажности. В процессе работы часто возникает необходимость изменять коэффициенты настройки регуляторов. Эти же проблемы возникают при автоматизации управления микроклиматом овощехранилищ. Дополнительная загрузка и разгрузка изменяют характеристики хранилища и ухудшают качество работы ПИД- регуляторов. Кроме того, на работу САУ оказывает большое влияние состояние измерительных элементов системы, их надежность.
          В России сосредоточено большое количество теплиц блочного типа, где используются морально и физически устаревшие системы автоматического управления технологическими процессами. Данный тип САУ, как правило, является многомерным. Используются регуляторы аналогового типа с ПИ- и ПИД- законами регулирования и одним контуром регулирования. Эти системы не обеспечивают качественного, энергоэкономного управления технологическими процессами: они обладают низкой точностью поддержания температуры, особенно при быстро меняющихся внешних воздействиях. При увеличении коэффициента передачи регулятора система переходит в неустойчивый режим работы. Основной причиной неустойчивой работы является запаздывание в контуре обогрева теплицы: на рис.1а показан процесс изменения температуры в теплице, при резком уменьшении температуры кровли и при регулировании системой G-200 (ПИД-закон регулирования). Как видно из рис.1а инерционность  водяного отопления (постоянная времени равна 35 мин.) примерно в три раза превышает соответствующие величины для охлаждения  кровли во время осадков. Транспортное запаздывание (Тз) в системе отопления  составляет 30мин., а для охлаждения кровли при осадках –отсутствует. Как видно из рис.1б, это несоответствие не позволяет САУ, построенной по типовым ПИ- и ПИД-схемам, обеспечить необходимую точность поддержания температуры. Люфт вентиля усугубляет эту проблему. Всё это приводит к длительному и значительному уходу температуры от оптимального режима и к лишним затратам тепловой энергии (рис.1б -Тв-ПИД ). При попытке увеличения коэффициента усиления ПИД-регулятора (для ускорения регулирования) система переходит в колебательный режим. Параметры регулятора установлены оптимальными по методике Циглера и  уточнены экспериментально. По кривой температуры воздуха в теплице видно неудовлетворительное качество регулирования – чрезвычайно большая длительность процесса установления необходимого температурного режима. К такому же длительному отклонению от режима выращивания приводят и другие источники воздействий (полив, солнечная радиация и т.п.), так как нет взаимосвязного регулирования температурой и другими параметрами и процессами. Это приводит к ухудшению режимов выращивания, снижению урожайности и увеличению потребления энергии. Улучшение качества управления микроклиматом  значительно повышает эффективность производства:  снижает энергозатраты и увеличивает урожайность.