Современные системы автоматического управления электротехническими и урбанизированными установками

2.1. Исторические сведения и классификация холодильников

С давних пор жители Земли старались каким-то образом сделать запасы еды на неблагоприятные периоды жизни, поэтому с течением времени выработались пять основных принципов сохранения еды (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Принципы сохранения еды

Нас в первую очередь интересует сохранение еды методом охлаждения. Охладители бывают искусственные и естественные. К естественным охладителям можно отнести специальные тыквы-кайасы (в Африке) у которых удаляют сердцевину, а молоко и воду можно сохранять охлажденными в течение 1-2 суток при более высокой температуре окружающей среды. Аналогичного эффекта добиваются и жители среднего пояса земли, используя гончарные изделия – неглазурованные горшки, в которых жидкость вследствие испарения через поры гончарного изделия имеет более низкую температуру внутри горшка по сравнению с температурой окружающей среды. Экзотический метод охлаждения использовали наши предки, помещая лягушку внутри горшка с водой или молоком.

Кроме того, в средних широтах земного пояса обычно жители сохраняли продукты на зимнее время, используя естественное осенне-зимнее похолодание.

В средних и северных широтах для хранения продуктов в естественном состоянии и до настоящего времени используют различного типа погреба, которые выкапывают глубоко в земле, где температура держится более-менее низкой и постоянной. Такого же эффекта достигают и искусственно построенные изо льда в зимнее время арочные склады-холодильники, обложенные сверху землей, соломой и т. д.

В северных и приполярных широтах используют свойства вечной мерзлоты, где в специально оборудованных ямах содержатся продукты в замороженном виде.

В больших урбанизированных городах вышеописанные методы сохранения продуктов чаще всего непригодны. Поэтому для сохранения продуктов в городских условиях были изобретены и разработаны электрохолодильники, которые бывают:

однокамерные с морозильным отделением и без него;

двухкамерные – с отдельной морозильной камерой;

холодильники-морозильники и промышленные морозильные шкафы большой емкости.

2.2. Электрооборудование холодильников

В электрооборудование холодильников входят:

электродвигатели компрессоров;

силовая коммутационная аппаратура;

автотрансформатор (при необходимости);

реле – тепловые, температурные, промежуточные, защиты;

осветительные приборы;

электроника – микрочипы, логические элементы;

диоды, конденсаторы, светодиоды, резисторы и другая дополнительная периферийная аппаратура.

2.3. Электроприводы холодильников

Принцип работы электропривода у всех холодильников практически одинаков (с небольшими особенностями). Рассмотрим принцип работы на нескольких примерах.

Управление электродвигателем холодильника.

На рис. 2.2 показана силовая электросхема холодильника. В электроприводе используется двухобмоточный асинхронный электродвигатель с двумя обмотками w1 и w2. Ток, протекающий, по обмотке w1 сдвинут примерно на 90 электрических градусов относительно тока, протекающего по обмотке w2 за счет дополнительной индуктивности, вносимой катушкой пускового реле РП.

При включении в сеть начинает протекать ток по цепочке: зажим 1, 2 нормально замкнутый контакт РТ1 теплового реле, нагревательный элемент РТ (обычно в качестве нагревательного элемента используется биметаллическая пластинка) зажим 3, катушка реле РП, зажим 4, обмотка двигателя w1, зажим 5, зажим 6, регулятор температуры, зажим 7.

Рисунок 2.2 – Электрическая схема холодильника.

Протекание тока через катушку реле РП вызовет ее срабатывание и замыкание ее контакта РП1, при этом включается обмотка двигателя w2, в ней протекает ток по цепи: зажим 1, зажим 2, нормально-замкнутые контакты РТ1, тепловой элемент РТ, зажим 3, замыкающий контакт реле РП1, зажим 8, обмотка w2, зажим 5, зажим 6, регулятор температуры, зажим 7.

Теперь на обмотки w1 и w2, также сдвинутые в пространстве на 90°, подается сдвинутое во времени примерно на 90 эл. градусов напряжение. Создается круговое вращающее поле статора. Электродвигатель начинает работать. Тепловой элемент регулятора температуры начинает нагреваться и в соответствии с установкой винта регулятора температуры через некоторое время разомкнется контакт регулятора температуры. Двигатель отключается от сети. Автоматическое его включение произойдет тогда, когда нагревательный элемент регулятора температуры остынет, и вернется в исходное состояние и замкнет контакт регулятора температуры. Произойдет включение электродвигателя по вышеописанному принципу.

Схема, представленная на рис. 2.3, отличается от предыдущей тем, что здесь используется автотрансформатор для повышения питающего напряжения, если напряжение сети ниже 220 В, что характерно, например, для сельских электрических сетей.

В представленной на рис. 2.3. схеме, переменный ток от зажима 10 начинает протекать через обмотку w1 автотрансформаторта от начала к концу через точки 8, 2 к зажиму 1 и через нагрузку через точки 3, 2 к зажиму 1 (показано стрелками). В этот момент времени обмотке w2 автотрансформатора наведется ЭДС от конца к началу (показано пунктиром). Эта ЭДС, замыкаясь через источник питания и нагрузку дает ток, действующий согласно с током источника питания переменного напряжения, т. к. в этом случае наведенная ЭДС и источник питания переменного напряжения U действуют на нагрузку последовательно и согласованно, повышая тем самым напряжение, поступающее на двигатель. При перемещении зажима 2-1 вверх, коэффициент трансформации будет увеличиваться. Принцип работы автотрансформатора представлен на рис. 2.4.

Рисунок 2.3 – Электросхема холодильника с автотрансформатором

Рисунок 2.4 – Схема автотрансформатора

2.4. Периферийные устройства типа «Закройте холодильник»

Схема «Закройте холодильник» – это прерывистые звуковые сигналы при незакрытом холодильнике, которые подает описываемое ниже устройство. Оно реагирует на свет электрической лампочки, включающейся при открывании двери холодильника и освещающей холодильную камеру. Звуковые сигналы устройство начинает подавать не сразу, а спустя некоторое время (его можно выбрать любым в пределах 5…30 с.), поэтому при кратковременных открываниях двери холодильника оно «молчит».

Принципиальная схема сигнализатора показана на рис. 2.5. В него входят два мультивибратора на элементах DD1.1, DD1.3, усилитель сигналов звуковой частоты (VT2) и электронный ключ (VT1).

Запитывается устройство от батареи напряжением 9 В при открывании холодильника, когда замыкается контакт Q1.

Рисунок 2.5 – Электрическая схема устройства типа «Закройте холодильник»

Сопротивление фоторезистора R2, размещенного в непосредственной близости от лампочки при ее загорании резко уменьшается. В результате транзистор VT1 открывается и замыкает цепь питания микросхем, транзистора VT2 и динамика ВА1. С этого момента начинают заряжаться конденсаторы С1, С2, С3. Быстрее всех зарядится конденсатор С3, затем конденсатор С2 и затем С1. Конденсатор С1 начинает заряжаться через резисторы R4, R5 и когда напряжение на нем достигнет уровня логической единицы, включается мультивибратор на элементе DD1.1 (время задержки включения DD1.1 устанавливают подстроечным резистором R5).

Мультивибратор работает следующим образом. При уровне логической единицы на выходе DD1.1 конденсатор С2 заряжается через диод VD1 и резистор R6, при уровне логического нуля на выходе DD1.1 – разряжается через диод VD2 и резистор R7. Номиналы R6, R7, C2 выбраны так, чтобы уровень логической единицы на выходе DD1.1 поддерживался примерно 2 с, а уровень нуля – 0,3 с.

Импульсное напряжении первого мультивибратора инвертируется элементом DD1.2 и периодически запускает мультивибратор DD1.3, вырабатывающий колебания с частотой 3…10 кГц (изменяется при помощи подстроечного резистора R9). Выходной сигнал этого мультивибратора в свою очередь инвертируется элементом DD1.4 и через ограничительный резистор R10 поступает на цепь базы транзистора VT2. В коллекторную цепь этого транзистора включена динамическая головка громкоговорителя ВА1.

3. Пылесосы

Следующими по значимости приборами современной урбанизации жилища являются пылесосы и полотеры. Электропылесосы относятся к группе бытовых уборочных машин. Они предназначены для уборки пыли с полов, ковров, мебели, салонов автомобилей, поездов, производственных помещений и выполнения операций, связанных с распылением порошков и мелкодисперсным разбрызгиванием маловязких жидкостей (побелка и окраска стен, потолков, окраска, лакирование и т. д.).

Наиболее эффективна вакуумная уборка пыли, осуществляемая пылесосами. Такая пылеуборка основана на использовании энергии движущегося потока воздуха и включает всасывание пыли с очищаемой поверхности, транспортирование взвешенной в воздухе пыли по трубопроводам пылесоса, фильтрацию запыленного воздуха и сбор пыли в пылесборнике. Кинетическая энергия движущегося потока воздуха должна быть такой, чтобы обеспечивать, отрыв пыли от очищаемой поверхности и перенос ее по трубопроводам до пылесборника.

3.1. Исторические сведения

Первый пылесос появился на свет одновременно с XX веком. Революционный механизм изобрел британский инженер Хуберт Бут.

Рисунок 3.1 – Инженер Хьюбер Сесил Бут, изобретатель пылесоса

Пылесос, получивший название «Фырчащий Билли», работал на бензине, был снабжен вакуумным насосом мощностью в пять лошадиных сил, а по размерам превосходил небольшой автомобиль и помещался далеко не во все интерьеры. Поэтому «Фырчащего Билли» парковали у обочины, а ковры для чистки выносили на улицу. Чудо инженерной мысли пользовалось в Лондоне большой популярностью. Однако в то время в британской столице было гораздо больше лошадей, чем пылесосов, и кони сильно пугались вида и рева «Фырчащих Билли», поэтому главный полицмейстер Лондона запретил их использование на улице.

Рисунок 3.2 – Первый пылесос Хьюбера Бута, 1901 г.

Рисунок 3.3 – Домашний электрический пылесос «Элмо», выпущенного фирмой «Сименс» в 1906 году

Появлением домашних пылесосов (как, кстати, и большинства современных бытовых механизмов) мы обязаны фанатичным приверженцам комфорта – американцам. Первую заокеанскую пыль засосало детище компании Geier в 1905 году. Изделие имело некоторый успех, и аналогичную продукцию начали выпускать еще несколько американских фирм, из которых только создание Уильяма Хувера дожило до наших дней.