Автомат защиты насоса

Автор: SSMix
Опубликовано 13.09.2021
Создано при помощи КотоРед.

    В статье приведено описание конструкции защитного автомата для скважинного насоса.

    В частных домах и на дачах, где отсутствует централизованное водоснабжение, для удовлетворения нужд в питьевой воде обычно бурят скважину, опускают в неё насос, а в доме устанавливают сантехническое оборудование, включающее в себя, как правило, фильтр, гидроакумулятор с реле давления, раковину, унитаз, бойлер, стиральную машину и т.п.

    Скважина обычно имеет ограниченный запас воды, и при достаточно мощном насосе (для поддержания давления в системе) вода может выкачиваться быстрее, чем скважина будет наполняться. При нормальной работе насоса происходит его охлаждение протекающей через него водой. При отсутствии воды насос быстро перегревается и выходит из строя. Также производитель в инструкции часто ограничивает число допустимых включений насоса в час (обычно не более 20 раз).

    Ситуаций, в которых может возникнуть нештатная работа насоса, бывает множество и очень часто. За 5 лет, которые отработал описываемый автомат защиты, насос был им спасён от выхода из строя более десятка раз. Был случай, когда вышел из строя бачок унитаза – периодически западала кнопка и вода постоянно из него текла, что вызывало непрерывную работу насоса.
    В скважине на насосе обычно устанавливается клапан обратного хода, чтобы вода из системы не стекала обратно в скважину. Так вот этот клапан однажды забился глиной и начал выпускать воду из системы обратно в скважину. При этом насос работал частыми циклами, и сработала защита по превышению числа включений в час.
    Много раз напряжение в сети повышалось до 280В, и автомат при этом исправно отключал насос. Случаев пониженного напряжения в сети при мне не было, но такая защита тоже предусмотрена, ведь электродвигатель насоса при пониженном напряжении может не запуститься, что приведёт к повышенному потреблению тока. Но на этот случай защита по максимальному току также предусмотрена.
    Также при поливе растений со шланга были случаи, когда было израсходовано довольно много воды, скважина опустела, и сработала защита по сухому ходу по пониженному потреблению тока, ведь насосу воздух качать легче, чем воду, только при этом нет охлаждения и возможен перегрев обмоток его электродвигателя.
    Однажды забилось глиной реле давления, установленное на гидроаккумуляторе, и реле перестало выключаться. Насос при этом работал непрерывно, и спас его опять автомат защиты. Всё обошлось лишь заменой реле, а не насоса. Сама замена насоса – довольно трудоёмкая процедура, не говоря уже о финансовой стороне вопроса. Необходимо вытаскивать из скважины несколько десятков метров шланга с кабелем, всё это где-то располагать, ведь шланг довольно жёсткий, т.е. требуется несколько человек. Потом после замены насоса всё нужно проделывать в обратном порядке.
    При разработке описываемой конструкции ставилась задача создать экономичное компактное устройство, рассчитанное на круглосуточную долговременную работу, и при этом с широкими функциональными возможностями.
    В первую очередь возникла задача, чем коммутировать насос, ведь его мощность довольно значительная – 1,1 кВт, а это ток порядка 5 А. При использовании в качестве ключа симистора или твердотельного реле на его основе получается падение напряжения 1,5…2 В, а это рассеиваемая мощность 7,5…10 Вт ! Классический ключ переменного тока на двух полевых транзисторах тоже показал примерно такие же результаты. Может скоро появятся или уже появились доступные по цене мощные высоковольтные полевики с малым сопротивлением канала, но на момент разработки устройства в 2016 году таких транзисторов не было. К тому же, при коммутации электродвигателя неизбежны выбросы напряжения самоиндукции, поэтому требования по максимальному рабочему напряжению транзисторов должны быть довольно жёсткие.
    Ключ на основе мощного электромагнитного реле потребовал бы для питания обмотки довольно значительной мощности, а ведь стояла задача создать максимально экономичное устройство, не накручивающее лишние кВт-часы каждый месяц. К тому же питание данного устройства планировалось сделать без силового трансформатора - на гасящем конденсаторе, а это ток порядка нескольких десятков мА. Импульсный блок питания ввиду низкой долговременной надёжности при круглосуточной работе был исключен как вариант.
    После долгих переборов в качестве ключа для коммутации электронасоса было выбрано мощное поляризованное реле от китайских товарищей типа JMX-94F-A-Z, приобретённое на местном радиорынке. Реле рассчитано на коммутацию переменного тока до 80 А при переменном напряжении 220В, имеет два мощных вывода для коммутации нагрузки и обмотку сопротивлением 144 Ом, рассчитанную на импульс напряжения 12 В длительностью ≥60мс. Измеренное сопротивление замкнутых контактов у нового реле составило около 3…4 мОм. При токе нагрузки 5А падение напряжения на контактах составило 15…20 мВ, а рассеиваемая мощность – 75…100 мВт. Это на 2 порядка меньше, чем у твердотельного реле. Реле выполнено в герметичном неразборном корпусе и имеет посеребрённые (по datasheet) контакты. На случай возможного обгорания контактов реле с течением времени в описываемом устройстве предусмотрено измерение сопротивления контактов в процессе работы и отключения реле при превышении некоторого порогового значения. Это сделано для предотвращения перегрева контактов реле и оплавления корпуса. Забегая наперёд, отмечу, что после примерно нескольких сотен срабатываний за 5 лет сопротивление контактов реле возросло до 8…9 мОм. Столь частое срабатывание возникало по причине несколько перестраховочного алгоритма работы, для того, чтобы не доводить работу насоса до сухого хода, когда вода в скважине заканчивается от слова «совсем». Было измерено время выкачки скважины до прекращения подачи воды, а также ориентировочное время наполнения скважины до первоначального уровня, при котором выкачивался такой же объём воды. Эти данные и были установлены в меню настроек, только с небольшим запасом. Это, конечно, примерные величины, т.к. скорость выкачки воды зависит от напряжения в сети, а оно колеблется в широких пределах. Также, в зависимости от погодных условий и времени года скорость наполнения скважины тоже меняется. Тем не менее, небольшой запас позволил не доводить работу насоса до состояния сухого хода, продлевая ресурс его работы, ведь реле в автомате защиты заменить куда проще и дешевле, чем насос.

Разработанное устройство имеет следующие технические характеристики:
- напряжение питания, В………………………………………………………………..............................150-280
- ток потребления, мА……………………………………………………………………..............................20…25
- потребляемая мощность при напряжении 230В, Вт………………………........……….......….0,6
- пределы установки защиты по повышенному напряжению в сети, В…………….......…220-280
- пределы установки защиты по пониженному напряжению в сети, В……………….......150-220
- пределы установки защиты по максимальному току потребления, А……………......….2-20
- пределы установки защиты по минимальному току потребления (сухой ход), А…..0,2-9,9
- пределы установки защиты по числу включений насоса в час…………………….........…5-50
- габаритные размеры, мм……………………………………………………………….............................169х74х45

    Схема электрическая автомата защиты приведена ниже:

    Мозгом устройства является микроконтроллер DD1 ATmega168P в SMD исполнении. Вся информация выводится на монохромный дисплей H1 от Nokia 1202, 1203, 1280 с контроллером STE2007 разрешением 96х68 точек. Для точного измерения временных интервалов к контроллеру подключен часовой кварц ZQ1. Управление осуществляется от 3 кнопок SB1…SB3.
    Питается схема от сети 220 В через гасящий конденсатор C1 и выпрямительные диоды VD2, VD3. Стабилитрон VD1 совместно с накопительным конденсатором C4 образует источник напряжения 11В для питания реле, которое уже срабатывает в диапазоне 6…8,4 В. Для питания контроллера использована микросхема стабилизатора напряжения DA1 MCP1703T на 3,3 В. Напряжение на неё подаётся с конденсатора C4 через диод VD6 и накопительные конденсаторы C5, C6. Диод VD6 препятствует резкому уменьшению напряжения питания контроллера при пропадании напряжения в сети. При этом микроконтроллер переходит в энергосберегающий режим и счётчик времени продолжает работать вплоть до разряда конденсаторов C5, C6 до 2 В. Расчётное время работы составляет около 17 минут. Для увеличения времени работы предусмотрена установка ионистора GB1 по выходу стабилизатора DA1.
    Питание обмотки реле разнополярными импульсами напряжения реализовано при помощи микросхемы аудиоусилителя DA2 MC34119D. На выходы мостового усилителя вместо динамика подключена обмотка поляризованного реле. Диодные сборки VD12, VD13 – защитные от выбросов напряжения самоиндукции. Вывод 1 (Chip Disable) микросхемы через ключевой транзистор VT1 подсоединён в линии PB1 микроконтроллера, служащей для формирования импульса переключения реле длительностью 100 мс. Вывод 4 (Vin) аудиоусилителя через ключевой транзистор VT2 подсоединён к линии PB2 микроконтроллера, служащей для задания полярности импульса переключения.
    Для измерения сетевого напряжения использован резистивный делитель R4…R10, подключенный к линии ADC7 микроконтроллера.
    Контроль наличия напряжения в сети осуществляется по прерываниям по линии PC1 (PCINT9) через защитный резистор R6 и диод VD15.
    Для измерения потребляемого тока нагрузки применён токовый трансформатор T1, нагруженный на резистор R13. С него через защитный резистор R15 и диод VD8 полуволна синусоиды, амплитуда которой пропорциональна потребляемому току, подаётся на АЦП микроконтроллера ADC6, а также на вход компаратора PD7 (AIN1). На второй вход компаратора PD6 (AIN0) подано опорное напряжение 77 мВ с делителя R20, R21. Это напряжение примерно соответствует амплитуде тока нагрузки 1 А и используется для определения состояния нагрузки по потребляемому току, используя прерывания. Использование в качестве датчика тока трансформатора тока, а не интегрального датчика типа ACS711 и т.п. позволило повысить надёжность, стабильность работы и экономичность устройства, поскольку для интегральных датчиков требуется дополнительное питание.
    Параллельно контактам реле подключен делитель напряжения R3, R11, R12, R16, R18, R19, подключенный к АЦП ADC0 микроконтроллера. Благодаря этому возможно измерять падение напряжения на контактах реле и определять реальное состояние контактов – замкнуто/разомкнуто.
    Для защиты контактов реле от выбросов напряжения ЭДС электродвигателя насоса использован супрессор VD16, и искрогасящая цепочка R41, C19.
    Для звукового сопровождения режимов работы использован бузер BA1, подключенный к линии PB1 микроконтроллера.
    Светодиоды HL1, HL2 предназначены для дополнительной индикации работы: при аварии светится красный светодиод HL1. При наполнении скважины светится зелёный HL2. При работе насоса зелёный светодиод мигает. Т.к. сам насос находится вне дома и его работа происходит беззвучно, мигание светодиода позволяет издалека видеть текущее состояние работы.
    Разъём X1 с согласующими резисторами предназначен для программирования микроконтроллера.
    Собрано устройство в корпусе Z-52 с «ушками». В нижней части установлена стандартная евророзетка с заземляющими контактами.

    В её корпусе навесным монтажом установлены элементы подавления дребезга контактов VD16, R41, C19:

    Остальная часть схемы собрана на двух платах – силовой:

и контроллера:

    Часть элементов расположено под дисплеем. Монтировать их необходимо в первую очередь.
    Платы соединены между собой отрезками провода МГТФ-0,2. Точки соединения промаркированы цифрами.
    Конструктивно платы установлены одна над другой на стойках М3х23мм.
    Платы изготовлены из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5мм по лазерно-утюжной технологии:

Перечень элементов:

BA1 = KXG1205C (12х9,5мм)

C1 = 0,33х630В (MPX X2 0,33uF ~275V h=15мм)
C2 = 1000 (0603)
C3 = 470 (1206)
C4, C5 = 1500,0х16В (CapXon LZ 105°C d=10,H=20,5)
C6 = 47,0х16В (Танталовый, корпус B)
C7 = 0,01 (0805)
C8 = 0,01 (0603)
C9 = 22,0х10В (Танталовый, корпус А)
C10 = 100,0х16В (Танталовый, корпус B)
C11 = 4,7uF (0805 6,3В)
C12 = 0,1 (1206)
C13, C14 = 24pF (0805)
C15 = 0,1 (0805)
C16 = 1,0 (0603)
C17 = 10,0х10В (Танталовый, корпус А)
C18 = 0,47 (0603)
C19 = 0,1х630В (К73-17)
C20 = 0,47 (0603)

DA1 = MCP1703T-3302E/CB (SOT-32)
DA2 = MC34119D (SOIC-8)

DD1 = ATmega168PA-AU (TQFP-32)

GB1 = 0.22Fx5.5V (Ионистор)

H1 = STE2007 (Nokia 1202,1203,1280)

HL1 = 3 мм (Красный)
HL2 = 3 мм (Зеленый)

K1 = JMX-94F-A-Z (Реле поляризованное 12V, 144 Ом; 1А 1B , 80A 220VAC)

L1, L2 = 22uH (LGA0305)

R1 = 47...82 (2W)
R2 = 680к (МЛТ-0,5)
R3 = 390к±1% (1206)
R4 = 4,3к±1% (0805)
R5 = 10к±1% (1206)
R6 = 1М (0805)
R7-R12 = 390к±1% (1206)
R13 = 82±1% (1206)
R14 = 470 (0805)
R15 = 10к (0805)
R16 = 390к±1% (1206)
R17 = 1к (1206)
R18, R19 = 390к±1% (1206)
R20 = 100к (1206)
R21 = 2,4к (1206)
R22-R24 = 470 (MF-12)
R25 = 47к (0805)
R26 = 10к (0805)
R27 = 47к (1206)
R28-R31 = 47к (0805)
R32 = 470 (0805)
R33 = 22* (0805/1206)
R34 = 1к* (1206)
R35 = 4,7к (1206)
R36 = 4,7к (0805/1206)
R37-R40 = 1к (1206)
R41 = 100 (МЛТ-2)

SB1…SB3 = Кнопка тактовая 6х6х8мм

T1 = Трансф. тока (W1=2, W2=3000, 50A max, Rн<=232Ом)

VD1 = 1N4741A (DO-41)
VD2-VD4 = SM4007 (DO-213AB MELF)
VD5 = BZV55-C39V (SOD-80)
VD6 = SM4007 (DO-231AB MELF)
VD7 = BZV55-C39V (SOD-80)
VD8 = 1N4148-1206 (1206)
VD9 = 1N4007 (DO-41)
VD10, 11 = MBR0540 (SOD-123)
VD12, 13 = BAV99 (SOT-23-3)
VD14, 15 = S1M (SMA/DO-214AC)
VD16 = 1,5KE440CA (DO-201)

VT1, VT2 = BC847C (SOT23-3)

X1 = WSR-6 (Вилка на плату угловая, шаг 2мм)

ZQ1 = 32768 Гц

Программа для микроконтроллера написана на языке Си в среде WinAVR-20060125. Исходники прилагаются. Если в основном листнинге подключить библиотеку <util/delay.h>, то можно использовать более новую среду WinAVR-20100110.

Фьюзы МК:
CKSEL0=CKSEL2=CKSEL3=0 (CKSEL3..0=0010 - внутр.RC-генератор 8 МГц),
CKDIV8=1 (внутренний делитель частоты на 8 выключен),
SUT0=SUT1=0 (минимальная длительность задержки сброса);
BODLEVEL0=0 (BODLEVEL2..0=110 - включение схемы BOD: Ureset<1,8В)
EESAVE=0 (запрет стирания EEPROM программатором)
SPIEN=0, BUTRST=1, BUTSZ0=BUTSZ1=0, CKOUT=1
("0" - галочки установлены для PonyProg и для CVAVR Chip Programmer)
При прошивке контроллера используется внешенее питание от самого программатора.

    Внимание! Схема не имеет гальванической развязки от сети 230В, поэтому все наладочные работы необходимо проводить с соблюдением техники безопасности!

    После прошивки и запуска устройства необходимо провести начальную настройку, нажав кнопку "Уст", и войдя в меню настроек:

   Каждое последующее нажатие кнопки "Уст" приводит к переходу к следующему пункту меню настроек. Реализованы следующие настройки:
- контрастность дисплея;
- предполагаемое время полного наполнения скважины;
- предполагаемое время полной выкачки скважины;
- коррекция измеряемого напряжения в питающей сети;
- коррекция измеряемого сопротивления контактов реле;
- коррекция измеряемого тока нагрузки;
- установка максимального числа включений насоса в час;
- установка верхнего порога напряжения отключения насоса;
- установка нижнего порога напряжения отключения насоса;
- установка верхнего порога тока отключения насоса;
- установка нижнего порога тока отключения насоса (сухой ход);
- установка времени включения насоса после полной выкачки скважины (не ждать же все установленные 25 минут, если в скважине уже есть какое-то количество воды);
- включение/выключение звука.
   Если в меню настроек в течение 1 минуты не была нажата ни одна кнопка, происходит выход в рабочий режим:

При этом на дисплее отображается следующая информация:
- напряжение в сети - 223В;
- текущий режим работы - Р (рабочий режим), А (авария);
- состояние - В (выкачка), Н (наполнение), t (авария по таймеру), U (авария по напряжению сети), I (авария по превышению тока потребления), R (авария по сопротивлению контактов реле при превышении рассеиваемой мощности 2 Вт), N (авария по превышению максимального числа включений насоса в час), СХ (авария по току сухого хода);
- текущее число включений насоса в час - 4;
- ток потребления - 4,4 А;
- сопротивление контактов реле - 0,008 Ом;
- время наполнения скважины, автоматически пересчитываемое по текущему оставшемуся времени выкачки - 4 мин 7 сек;
- оставшееся время выкачки скважины при непрерывной работе насоса - 8 мин 21 сек;
- в нижней части дисплея расположена условная шкала оставшегося объёма воды в скважине с делениями.

   В режиме наполнения скважины, когда насос выключен, счётчик времени наполнения инкрементируется, а времени выкачки пропорционально пересчитывается согласно заданным в меню настроек значениям. Показания сопротивления контактов реле в этом режиме остаются с прошлого замера и мигают.

    Ток потребления устройства от сети составляет около 20…25мА. Потребляемая мощность, измеренная портативным ваттметром Lemanso LM602, составила 0,6 Вт при сетевом напряжении 230В. Коэффициент мощности при разрядности 0.00 не определился. Т.о. за сутки имеем потребление 0,6*24=14,4 Вт*ч. За месяц набегает 432 Вт*ч, т.е. менее 0,5 кВт*ч.

Файлы:
Файлы к статье

Все вопросы в Форум.