В процессе эксплуатации электроустановок или совершенствования работы оборудования иногда необходимо самостоятельно выполнять небольшие монтажные и наладочные работы без привлечения специализированных организаций, выполняющих по заказу проекты этих электроустановок с последующим их монтажом.
До начала этих работ необходимо выяснить их целесообразность, затем четко сформулировать задачу, собрать исходные данные, определить номенклатуру оборудования, приборов, кабельно-проводниковой продукции, монтажных материалов и т.п., продумать места установки электрических аппаратов, подключение их к электросети и защиту от аварийных режимов работы, вопросы электробезопасности, стоимость работ.
Проектирование является творческим процессом, и его невозможно жестко регламентировать, однако при этом необходимо учитывать целый ряд ограничений и указаний, предусмотренных различной нормативно-справочной литературой и местными условиями реализации проекта. Это ряд документов, являющихся основными и определяющими весь процесс проектирования, монтажа и эксплуатации электрооборудования: Правила устройства электроустановок (ПУЭ), Строительные нормы и правила (СНиП), Правила технической эксплуатации (ПТЭ), Правила техники безопасности (ПТБ).
Собственно проектирование складывается из нескольких обязательных стадий. Первой является постановка и составление задания. Постановка задачи выполняется работниками смежных служб - механиками, технологами и др. Если дело касается усовершенствования собственно электроустановки, то постановка задачи осуществляется электриками. Задание составляется после тщательного обдумывания ситуации.
Чем тщательнее продумано задание, тем успешнее последующее проектирование и монтаж. В задании должны быть отражены существующее положение, обстановка, а также составлены подробные эскизы, например, установки, здания. В задании ставится конкретная задача, отражающая реальную потребность: увеличение производительности и безопасности труда, экономия электроэнергии, воды, топлива и т.п., повышение качества регулирования уровня, давления, температуры, установка в каком-то помещении аппаратуры управления и сигнализации, использование определенного типа оборудования и др.
Например, на рис. 1 схематически показано водоснабжение технологических агрегатов в цехе. Здесь имеется бак постоянного напора и запаса воды 1, расположенный на крыше здания и снабженный переливной трубкой 2. Вода поступает в бак через подающую трубу 3 от насоса 4. За уровнем воды в баке наблюдает персонал цеха. При подходе уровня воды к верхней предельной отметке избыток воды вытекает через трубку 2 в канализацию.
Рис. 1. Система технологического водоснабжения
Эта система обладает целым рядом недостатков. Здесь налицо значительный перерасход воды, поскольку не всегда персонал, занятый работой, замечает перелив бака, да и отключение насоса при этом не всегда выгодно, поскольку при постоянном расходовании воды из бака на технологические нужды уровень падает и происходит упуск воды.
Если же насос не выключать, чтобы он работал постоянно, а подачу воды регулировать вентилем 5 на трубопроводе 4, то и при таком способе нет никакой гарантии, что не будет упуска воды из-за непостоянства расхода воды из бака. Кроме того, происходит перерасход электроэнергии и износ постоянно работающего насоса 6.
Необходимо поставить общую задачу намечаемой работы:
-
уменьшить расход и перерасход воды;
-
уменьшить перерасход электроэнергии;
-
уменьшить износ насоса и его электродвигателя;
-
улучшить условия труда;
-
не отвлекать персонал, рабочих от выполнения основной работы;
-
повысить качество водоснабжения.
Как видно, на этой простой системе водоснабжения можно поставить целый ряд эффективных целей, достижение которых значительно улучшит работу и экономичность системы.
Сбор исходных данных показал, что установленный насос укомплектован электродвигателем 4А80А2 с номинальными данными: частота вращения 2850 об/мин, переменное напряжение 380 В, 50 Гц, 3,3 А, КПД-0,81, cosφ = 0,85, Iп = 6,5; баком вместимостью 1,5 м3 (бак не заземлен), подающим 1 трубопроводом диаметром 42 мм.
После стадий постановки задачи и сбора исходных данных необходимо их проанализировать, наметить желательное направление решения задачи и принять решение.
Можно было бы задачу решить путем установки регулятора уровня на подающей трубе в баке. Но такое решение нельзя признать удовлетворительным, поскольку, решая задачу регулирования уровня, совершенно не удовлетворяем требованиям по экономии электроэнергии и уменьшению износа насоса.
Возможен вариант установки регулирующего клапана на трубопроводе с электрическим исполнительным механизмом, управляемого от датчиков уровня в баке. Здесь налицо недостатки предыдущего способа, а также увеличенный расход электроаппаратуры.
Из обсуждения этих вариантов, очевидно, следует: регулирование уровня в баке должно производиться путем включения насоса при понижении уровня воды, и, что совершенно ясно, включение должно быть автоматическим.
После этого необходимо сформулировать задание, т.е. определить объем проекта. При проектировании следует:
1) разработать принципиальную схему питания и защиты электродвигателя;
2) разработать принципиальную схему автоматического управления;
3) разработать принципиальную схему аварийной сигнализации;
4) выбрать электрооборудование и аппаратуру управления и сигнализации;
5) составить планы и виды расстановки электрооборудования и аппаратуры;
6) составить электромонтажные схемы, или, как и их еще называют, схемы соединений и подключений;
7) выбрать кабельно-проводниковую продукцию и монтажные изделия;
8) если не будет возможности использовать типовые способы установки оборудования и прокладки электропроводок, то составить соответствующие эскизы;
9) нанести на план помещения электрооборудование и аппаратуру управления и сигнализации с помощью условных обозначений;
10) составить план производства работ, сдачи электроустановки в эксплуатацию;
11) составить смету, т.е. определить стоимость оборудования, а если понадобится, то и стоимость монтажных работ.
Собственно проектирование заключается в разработке состава технических средств, работа которых удовлетворяет всем пунктам требований задания. Соединения (схемы) этих средств должны обеспечивать заданные алгоритмы функционирования электроустановки с максимальной отдачей и безопасностью для персонала. Так, в данном случае схема питания была неудовлетворительной, ее необходимо переделать.
Покажем процесс проектирования в приведенной выше последовательности по пронумерованным пунктам.
1. Для управления электродвигателем, т.е. для преобразования электроэнергии, необходим пускатель, в качестве которого принимаем магнитный пускатель типа ПМЕ-122. Тип пускателя зависит от номинального тока электродвигателя. При нашем токе 3,3 А ближайшим номинальным током пускателя является 10 А, что и отражается первой цифрой в его типе.
Далее, поскольку пускатель устанавливается в помещении, он должен иметь защищенную оболочку - это цифра 2 в типе пускателя (параллельно сообщим, что 1 - пускатель без оболочки, 3 - пылебрызгозащищенный, степень защиты IP54).
Далее, электродвигатель должен иметь защиту от перегрузки, и она осуществляется с помощью электротеплового реле. В пускателе имеется такое реле, его тип ТРН-10. Наличие тепловой защиты в типе пускателя отражается третьей цифрой, в данном случае - 2 (1 - нереверсивный пускатель без защиты, 2 - нереверсивный с защитой, 3 - реверсивный без защиты, 4 - реверсивный с защитой).
Номинальный ток теплового реле выбираем стандартный - 4 А, т.е. ближайший больший от тока двигателя. Поскольку реле имеет возможность регулирования тока срабатывания в небольших пределах, помещаем указание в проекте о значении такого регулирования соответственно току нагрузки при нормальном режиме работы электродвигателя.
Кроме указанного типа существуют и другие пускатели, например серии ПМЛ со встроенными электротепловыми реле РТЛ. В нашем случае можно было бы применить пускатель марки ПМЛ-121002В, однако он не удовлетворяет некоторым требованиям со стороны схемы управления, о чем будет сказано в п. 3 проектирования.
Далее, линия электроснабжения насоса нуждается также в защите от токов короткого замыкания, а также в аппарате, дающем возможность в случае необходимости отключать пускатель и электродвигатель от сети электроснабжения. Эти требования можно выполнить с помощью автоматического выключателя, например типа АП50Б-ЗМ, соединив его последовательно с пускателем со стороны источника питания.
Разработанную схему, как правило, вычерчивают на бумаге (рис. 2).
Рис. 2. Схема электроснабжения насоса
Поскольку защита от перегрузки обеспечивается пускателем, выключатель будет обеспечивать защиту от токов короткого замыкания. С учетом рабочего тока двигателя и тока теплового реле пускателя номинальный ток автоматического выключателя должен быть не менее 4-6 А, а для отстройки от тока теплового реле ток срабатывания расцепителя должен быть на одну-две ступени выше.
Поскольку номинальный ток автоматического выключателя АП50Б-ЗМ составляет 50 А, необходимым требованиям он удовлетворяет, а ток срабатывания токового расцепителя принимаем по шкале стандартных значений -10 А.
2. Принципиальную схему автоматического управления насосом разрабатывают, основываясь на типовых и общепринятых схемах.
Например, на рис. 3, а изображена схема ручного управления, осуществляемого с помощью кнопок "Пуск" (замыкающий контакт) и "Стоп" (размыкающий контакт).
Рис. 3. Проектирование схемы управления
При нажатии кнопки "Пуск" напряжение через замкнутый контакт кнопки "Стоп" подается на катушку пускателя КМ, который срабатывает и замыкает свои контакты. Один из контактов включен параллельно кнопке "Пуск", поэтому после отпускания этой кнопки питание катушки будет обеспечено через этот контакт, именуемый вспомогательным.
Для отключения пускателя нажимается кнопка "Стоп", контакт которой размыкается и разрывает цепь питания катушки, которая отпускает свои контакты.
В целях автоматизации можно включить контакт нижнего уровня НУ датчика уровня SL параллельно кнопке SB2 (рис. 3, б).
По достижении воды уровня НУ датчик включит пускатель и насос. Однако в этой схеме нет автоматического отключения насоса при подъеме уровня воды выше отметки НУ. Поэтому необходимо ввести второй контакт датчика SL в схему управления. Понятно, что этот контакт должен быть размыкающим, и поскольку его действие аналогично кнопке "Стоп", то и включаем его последовательно такой кнопке (рис. 3, в).
В этой схеме ручное и автоматическое управление совмещено в общих электрических цепях. Однако это представляет собой неудобства, да и подобное дублирование нерационально, поэтому, как правило, такие цепи разделяют. Разделение выполняется с помощью переключателя. Соответствующая схема изображена на рис 3, г.
Введенный переключатель SA имеет три коммутационных положения - ручное управление (Р), отключено (О) и автоматическое управление (Л). Положение О необходимо для отключения схемы при ремонтах, авариях и других случаях, один из которых описан ниже.
Приведенная схема используется, когда между регулируемыми параметрами имеется соответствующий диапазон, в данном случае уровня, например, 0,5-1 м. Такая схема позволяет избежать слишком частых пусков насоса. Она же может быть использована и для других целей, например для регулирования температуры в помещении.
Но в нашем случае уровень в баке следует поддерживать на одном-единственном уровне, и указанною схему можно упростить, поскольку в данном случае она будет неоправданно усложнена технически из-за большего числа датчиков. Такого недостатка можно избежать, если проектируемую схему привязать к особенностям используемой аппаратуры.
Например, определенный выигрыш можно подучить за счет использования поплавкового реле уровня типа РП-40. Реле содержит в своей конструкции ртутные переключатели, которые осуществляют переключение с некоторой выдержкой, обусловленной временем переливания ртути в контактном устройстве. Это позволяет добиться несрабатывания реле в небольшом диапазоне, что и требуется. В данном случае - это 20-25 мм, что удовлетворяет точности поддержания уровня в соответствии с технологическими требованиями производства.
Если использовать другие датчики уровня, например ДПЭ или ЭРСУ, то они срабатывают мгновенно, и для предотвращения частых пусков насоса нужно было бы в схему управления вводить реле времени для задержки срабатывания, а это уже усложнение схемы. Следовательно, умелый подбор аппаратуры позволяет решить многие проблемы уже на стадии проектирования.
Схема с поплавковым реле РП-40 приведена на рис. 3, д. Здесь следует пояснить изменение коммутационных положений переключателя SA. Дело в том, что принимаемый к установке подходящий переключатель типа ПКП10-48-2 имеет замыкания контактов, изображенные на рис. 3, д, а не такие, как первоначально было принято при разработке схемы на рис. 3, г. Но обе схемы замыкания контактов переключателей являются функционально равносильными.
Далее необходимо предусмотреть схему аварийной сигнализации. В данном случае аварийной ситуацией является несрабатывание насоса при уменьшении уровня воды в баке ниже допустимого. Сигнализацию принимаем звуковую при помощи звонка, например, типа ЗП-220.
Поскольку он должен реагировать на понижение уровня, т.е. на замыкание контакта датчика SL, а также контакта пускателя КМ, схема тут будет простейшей и будет состоять из последовательно включенных контактов датчика и размыкающего контакта пускателя КМ. Теперь все разработанные схемы можно свести в один чертеж (рис. 4), представляющий собой принципиальную электрическую схему электрооборудования и автоматического управления насосом системы водоснабжения.
Рис. 4. Схема электроснабжения и управления насосом
Все цепи на схеме между контактами и аппаратами маркируются цифрами 1,3, 5 и т.д. По схеме видно, что в ней использованы вспомогательные контакты пускателя КМ - один замыкающий и один размыкающий. Но поскольку пускатели серии ПМЛ до 10 А имеют только один такой контакт - замыкающий либо размыкающий, а вводить в схему управления промежуточное реле нецелесообразно из-за усложнения ее, в данном случае следует принять к установке пускатель с большим количеством вспомогательных контактов, и для этой цели подходит пускатель серии ПМЕ, который и был выбран ранее. Могут быть применены и другие пускатели с необходимой конструкцией. Кнопка SB может быть принята типа ПКЕ 722-2УЗ.
3. Третья стадия проектирования в отдельную не выделена из-за простоты и схемного единства со схемой управления.
4. Выбор электроаппаратуры на разработанной схеме, как было показано, может осуществляться уже в процессе разработки схем, что позволяет наиболее полно использовать их функциональные возможности и разрабатывать простые и экономичные схемы, максимально использующие все возможности аппаратуры.
Возможен иной вариант: выбор аппаратуры по готовым схемам. Но такой подход иногда приводит к техническому усложнению, например к увеличению числа промежуточных реле из-за перерасхода контактов в схемах при чисто теоретическом проектировании. Из этого следует, что прежде чем приступать к проектированию, необходимо тщательно изучить характеристики, конструкцию и возможности электрооборудования. Это необходимо при проектировании более сложных схем, когда не удается в процессе проектирования параллельно и интуитивно намечать конкретные типы электрооборудования.
5. Далее, исходя из конкретного места нахождения и расположения технологического оборудования, путей доступа к нему и местам предполагаемого размещения электрооборудования, составляются планы и виды расположения электрооборудования и аппаратуры.
В данном случае план был бы предельно прост и не нес максимума информации. Поэтому более целесообразно наметить фронтальный вид на стенку помещения возле насоса, где и располагается все запроектированное, изображаются вспомогательные монтажные изделия, например соединительные коробки, а также трассы электропроводок (рис. 5). Реле поплавковое РП-40 устанавливается на баке (рис. 5).
Рис. 5. Схема установки
6. Схемы соединений и подключений несут информацию сугубо практического характера о том, как и какими электропроводками выполнить соединения зажимов электрооборудования. Составляются они на основании принципиальных схем и в процессе реального электромонтажа на месте используются как основной документ, а принципиальные схемы выступают в этот момент как справочные и применяются при возникновении неясностей. Все схемы, вместе взятые, затем служат в качестве эксплуатационной документации.
Схема для нашего примера дана на рис. 6. Здесь показаны монтажные схемы всех запроектированных электроаппаратов и зажимы для присоединения внешних проводов. В соответствии с принципиальной электрической схемой на рис. 4 выполняются соединения зажимов этих аппаратов. В процессе соединений выявляются кратчайшие пути прокладки электропроводок, потребность в протяжных и соединительных коробках.
Рис. 6. Схема подключения электроаппаратуры
На рис. 6 потребность в соединительной коробке появилась в связи с необходимостью межаппаратных соединений, поскольку соединения проводов необходимо выполнять под болтовыми зажимами. Это связано с тем, что применяться будут алюминиевые проводники, пайка которых затруднена да и невозможна при малых сечениях, а кроме того, болтовые соединения выполняются быстро и допускают в дальнейшем различные пересоединения для проверок и обслуживания.
Поскольку для соединений понадобилось семь зажимов, для установки принимается соединительная коробка типа КСК-8 с восемью зажимами двустороннего присоединения пылезащищенного исполнения (степень защиты IP44). По окончании проектирования соединений между аппаратами выявляются линии электропроводок, содержащие в себе необходимое количество жил.
При этом необходимо учесть и некоторые другие требования. Например, как уже говорилось, бак с водой не заземлен. Однако теперь, в связи с установкой на нем электрического аппарата - реле РП-40, бак в заземлении нуждается в соответствии с требованиями электробезопасности.
Заземление можно выполнить специальным заземляющим проводником из стали круглого сечения диаметров 6 мм, присоединяемым к контуру заземления цеха.
Возможен и другой путь - поскольку реле РП-40 электроэнергии не потребляет и является аппаратом управления, для заземления его можно использовать контур заземления источника электроснабжения (трансформаторной подстанции), и проводником тут будет нулевой провод электросети, а заземление уже будет являться занулением - также эффективной мерой защиты от поражения электрическим током. Для этого в электропроводке между коробкой XT и реле SL предусматриваем третий проводник, с одной стороны присоединяемый к нулю, а с другой - к корпусу реле.
7. По окончании составления схем выбираются конкретные типы электропроводки - марки проводов и кабелей, способы их прокладки, на плане помещения или в натуре измеряются длины, и все это наносится на чертеж. Сечение выбирается согласно ПУЭ по длительно допустимому току нагрузки, пропускная способность кабеля должна быть выше тока нагрузки, в данном случае - больше тока электродвигателя.
От пускателя до электродвигателя электропроводку необходимо защитить от механических повреждений, что обычно выполняется стальной электросварной трубой с толщиной стенки не менее 2 мм.
Стальная труба, как правило, прокладывается по стенам в местах, подверженных механическим воздействиям и повреждениям, а во всех прочих местах, а также в бетонном полу, как в нашем примере, применяются пластмассовые трубы соответствующего диаметра. При малых расстояниях допустимо использовать цельный кусок стальной трубы.
Электропроводка от пускателя до коробки XT выполняется проводами в металлорукаве, прокладываемом по стене с креплением скобами. Аналогично выполняются электропроводки к кнопке и переключателю. К звонку можно проложить кабель.
Что касается электропроводки к датчику уровня на баке, то здесь обязательно принимаем провода в стальных трубах, поскольку таково требование к электропроводкам, прокладываемым по чердаку в целях пожарной безопасности, - ведь бак расположен на чердаке цеха.
8. Электропроводки в цехе прокладываются по простым трассам и без всяких конструктивных особенностей, следовательно, изготовления специальных чертежей не требуется.
9. Составление вида размещения электрооборудования уже выполнялось ранее, а план в данном случае был бы простейшим, поэтому в специальном чертеже не нуждается. Планы расположения электрооборудования и электропроводов с указанием мест и способов прокладки проектируются при большем числе оборудования - так, как показано в следующем примере проектирования.
10. План производства работ и сдачи электроустановки в эксплуатацию должен как минимум определять последовательность выполнения работ, например определять время выполнения работ без ущерба для цеха, количество электромонтажников, процесс наладки схемы управления, опробование смонтированной электроустановки, пробную эксплуатацию, передачу работникам цеха и т.п.
11. Перед составлением сметы необходимо составить спецификацию электрооборудования и материалов. Законченный проект подлежит утверждению.