Автоматическая релейная система поддержания температуры

Автоматическая релейная система поддержания температуры

1. Цель работы

Целью работы является разработка и сборка двухпозиционной релейной системы поддержания температуры в водяном баке с использованием промышленного реле-регулятора Т419-М1 и экспериментальное определение мощности тепловых потерь для заданной температуры бака.

2. Предварительные сведения

2.1. Двухпозиционное регулирование. Автоматическое поддержание заданной температуры теплового объекта является одной из самых распространённых задач в технике.

Если точность поддержания температуры не слишком велика, то обычно применяется двухпозиционное регулирование. Это означает, что нагреватель объекта включается автоматической системой регулирования (САР) при снижении температуры до нижнего допустимого предела и отключается при достижении температуры объекта верхнего допустимого предела.

Поведение температуры объекта при работе двухпозиционной системы регулирования показано на рисунке 1а.

Участок АВ продолжительностью tразг - “разгонный”. На этом участке происходит разогрев объекта от исходной температуры, равной температуре окружающей среды T₀ , до температуры, соответствующей верхнему допустимому пределу T_B.

В точке B нагреватель отключается, и объект начинает охлаждаться. Таким образом, участок BC-участок охлаждения объекта. Охлаждение вызывается потерей тепла за счёт конвекции воздуха и лучеиспускания, если нет других каналов тепловых потерь.

После снижения температуры до нижнего допустимого предела T_H (точка C), нагреватель снова включается, и температура объекта начинает повышаться. В точке D нагреватель отключается, и температура вновь снижается. Участок CD- участок нагрева объекта в цикле автоматического поддержания температуры.

Таким образом, температура объекта непрерывно колеблется вокруг некоторой средней температуры <T>.

Полный размах колебаний ∆_В = T_B - T_H представляет собой ширину области изменения температуры, называемую зоной возврата.

После выхода САР на стационарный режим происходит циклическое включение нагревателя с периодом tц на время tн (рис.1б). С возрастанием отбора тепла от бака длительность цикла сокращается, а продолжительность включения нагревателя увеличивается.

Если предположить, что ширина зона возврата ∆_В мала по сравнению со средней температурой объекта, то можно считать потери тепла во внешнюю среду постоянными и зависящими только от <T>. В этом случае количество тепловой энергии, передаваемой нагревателем объекту за время tн очевидно равно потере тепла за весь цикл регулирования - заштрихованная область на рис.1б.

Следовательно, можно записать простое уравнение баланса тепловой энергии:

Pн tн = Pпот tц

Откуда Pпот = (tн / tц) Pн (1)

Величина потерь Pпот зависит от средней температуры объекта <T> и от температуры окружающей среды T₀.

Так, при неизменной средней температуре объекта, снижение температуры среды ведет к увеличению скорости конвекции воздуха вокруг нагретого объекта, что сопровождается ростом конвективных тепловых потерь. Одновременно возрастают и лучистые потери вследствие интенсификации лучистого теплообмена между объектом и окружающими его конструкциями.

2.2. Релейная система регулирования температуры. Структурная схема лабораторной релейной САР, реализующей алгоритм двухпозиционного регулирования, приведена на рис.2.

Управляющим воздействием в САР является тепловая энергия, выделяемая в объекте регулирования нагревателем мощностью Рн.

Нагреватель периодически подключается к силовой питающей сети с помощью исполнительного устройства, представляющего собой силовое реле. В роли силового реле при низкой частоте переключения (tц велико) обычно используется магнитный контактор переменного тока.

Реле-регулятор температуры состоит из измерительно-задающего моста с задатчиками температуры Тзад и ширины зоны возврата _В. В его состав также входит релейный элемент, обеспечивающий широтно-импульсную модуляцию импульсов управления силовым реле.

Внутренняя обратная связь регулятора предназначена для формирования симметричной относительно Тзад зоны возврата [-∆_В/2, +∆_В/2].

Внешняя цепь обратной связи передает на вход регулятора значение температуры T объекта регулирования.

Дополнительно релейные системы автоматического регулирования всегда включают в себя блоки аварийной защиты, отключающие САР при выходе критических параметров объекта за допустимые пределы.

3. Функционирование блоков лабораторной САР. Рассмотрим работу отдельных блоков лабораторной САР температуры реального теплового объекта - бака с водой стенда.

■ Объект регулирования.

Объектом регулирования лабораторной САР является тепловой объект, представляющий собой цилиндрический бак с водой, снабженный нагревателем мощностью 750Вт, датчиками температуры и уровня жидкости.

Изменение температуры бака в первом приближении описывается дифференциальным уравнением:

С (dT/dt) = Pн - Pпот(T, Т₀),

(2)

где C- полная теплоёмкость бака, Дж/град;

T, T₀ – температура бака и окружающей среды, ⁰C;

Pн – мощность нагревателя, Вт;

Pпот(T, Т₀) – суммарная мощность тепловых потерь в Вт, обусловленных конвекцией воздуха вокруг бака, лучистым теплообменом с окружающей средой и теплопроводностью элементов подвеса бака. Эти потери зависят как от температуры бака, так и от температуры окружающей среды. Если T = T₀, то Pпот = 0.

Из уравнения следует, что в первый момент после включения нагревателя Pпот = 0, и температура бака возрастает с постоянной скоростью, определяемой мощностью нагревателя Pн и полной теплоёмкостью бака C. Это даёт возможность оценить из эксперимента по нагреву бака величину его полной теплоёмкости.

По мере роста температуры бака увеличивается его перегрев по отношению к окружающей среде и линейность возрастания его температуры нарушается. Последнее обстоятельство обусловлено тем, что доля мощности, идущей на нагрев воды, из-за роста тепловых потерь, непрерывно падает. Следовательно, скорость увеличения температуры бака dT/dt уменьшается.

После отключения нагревателя Pн = 0 под действием Pпот происходит охлаждение бака.

Уравнение (2) теперь позволяет найти величину тепловых потерь Pпот(T, T₀) для температуры бака T = <T> при данной температуре окружающей среды T₀ и при условии малости ∆_В. Для этого из эксперимента достаточно определить скорость снижения температуры бака dT/dt.

При экспериментальном исследовании лабораторной САР следует обратить внимание на задержку начала изменения температуры бака после включения нагревателя. Задержка отражает процесс развития устойчивой конвекции в жидкости бака, обеспечивающей перенос тепла от нагревателя к датчикам температуры и перераспределение его по всему объёму бака.

■ Реле - регулятор температуры.

В качестве реле-регулятора температуры в работе используется промышленный двухпозиционный регулятор T419. Упрощённая схема регулятора приведена на рис.3а.

Основным узлом регулятора является измерительно-задающий мост, образованный термометром сопротивления типа TCM50, обозначенным на схеме резистором Rt, потенциометром Rзад - задатчиком температуры Тзад, эталонным резистором R₀ и двумя равными по величине токозадающими резисторами R.

Термометр сопротивления для уменьшения влияния сопротивления проводов соединительной линии подключается к реле-регулятору по трехпроводной схеме.

Состояние небаланса моста определяется компаратором, который управляет транзистором усилителя мощности с исполнительным реле в коллекторной цепи.

Последовательно с обмоткой реле включен красный светодиод, указывающий на наличие тока в его обмотке.

Через контакты реле переменное напряжение сети подаётся на обмотку силового реле, включающего и выключающего нагреватель теплового бака в соответствии с фазовой диаграммой, приведённой на рис.3б.

Напомним, что на схеме регулятора положение контактов реле приведено для обесточенной обмотки реле (светодиод не горит). Цепь (3,1) замкнута, а цепь (3,2) разомкнута.

Установка заданной температуры бака Tзад и ширины зоны возврата ∆_В осуществляется с помощью ручек «T» и «∆_В» под крышкой прибора. Состояние реле индуцируется красным светодиодом.

Прежде, чем перейти к алгоритму работы реле-регулятора рассмотрим работу компаратора, включенного на выходе моста.

Его неинвертирующий вход подключен к плечу моста с опорным резистором R₀. Нетрудно заметить, что напряжение на этом входе V₀ неизменно, т.е. V₀ = Const.

Напряжение на инвертирующем входе зависит как от Rзад (заданной температуры Тзад), так и от Rt (фактической температуры объекта).

Компаратор скачком изменяет свое состояние при пересечении границы, определяемой равенством (Rt + Rзад) = R₀. В этот момент напряжения на обоих входах компаратора одинаковы и ∆V = 0.

Если после включения САР температура бака ниже Tmax = (Tзад + ∆_В/2), справедливо соотношение (Rt + Rзад) < R₀.

Тогда, вследствие меньшего падения напряжения на резисторах (Rt + Rзад) чем на резисторе R_0, потенциал инвертирующего входа будет ближе к +U_M. Это означает, что потенциал инвертирующего входа компаратора выше потенциала неинвертирующего, который при расчете ∆V всегда принимается за опорный, т.е. ∆V = (Vинв - V₀).

Следовательно, ∆V > 0, и на выходе компаратора установится отрицательное напряжение, запирающее выходной транзистор. Ток через обмотку реле не течет, реле обесточено, а его контакты находятся в исходном состоянии: (1-3) – замкнуты, а (2-3) – разомкнуты, как это и показано на рис.3а.

Если обмотка силового реле подключена к сети через размыкающие контакты (1-3), то на нагреватель подано напряжение и температура объекта регулирования начинает расти.

После того, как температура объекта станет чуть выше (Tзад + ∆_В/2), соотношение между сопротивлениями резисторов противолежащих плеч моста изменится на противоположное, (Rt + Rзад) > R₀. Напряжение на входе моста V станет отрицательным, V < 0, а напряжение на выходе компаратора положительным, транзистор откроется и реле перебросит свой подвижный контакт: контакты (1-3) разомкнутся и отключат нагреватель. Температура объекта начнет падать.

В соответствии с фазовой диаграммой рис.3б, снижение температуры будет длиться до тех пор, пока бак не охладится до температуры чуть ниже Tmin = (Tзад - ∆_В/2). Управляющее напряжение на входе компаратора станет снова положительным, ∆V > 0, и реле вернет свой подвижный контакт в сходное состояние. Контакты (1-3) вновь замкнуться, и восстановится режим нагрева бака.

■ Силовое реле. В лабораторной САР роль силового реле выполняет магнитный контактор переменного тока ПМЕ 111. Электрическая схема контактора приведена на рис.4а.

М агнитный контактор имеет 5 замыкающих и 2 размыкающих группы контактов. Такое большое количество групп контактов позволяет строить сложные релейные системы ручного или автоматического управления элементами объекта.

В лабораторной САР используются только две группы контактов для коммутации нейтрального (N) и фазового проводов сети ~220B.

На рис.4б показано независимое применение магнитного контактора КМ для включения какого-либо электрического потребителя с использованием кнопок «Пуск» и «Стоп», обозначенных на схеме как SA2 и SA1.

При нажатии на кнопку «Пуск» напряжение сети через замкнутый контакт SA1 поступит на катушку контактора и вызывает его срабатывание. Через замыкающие контакты магнитного контактора КМ электрический потребитель энергии RH подключается к силовой сети.

Одновременно кнопка «Пуск» блокируется одной из замыкающих групп контактов КМ, в данном случае КМ2, что обеспечивает подачу напряжения сети на обмотку контактора и после отпускания кнопки.

Кнопки «Пуск» и «Стоп» обычно выпускают в сборе в виде единого блока. Кнопка «Пуск» имеет чёрный цвет, а кнопка «Стоп» - красный.

■ Блок защиты. В лабораторной САР блок защиты построен на основе конструктива реле- регулятора.

Блок защиты (БЗ) предназначен для исключения следующих аварийных режимов объекта регулирования:

- снижение уровня воды в баке ниже допустимого уровня, так как дальнейшее понижение уровня неизбежно приведет к осушению нагревателя, его перегреву и выходу из строя;

- перегрева и выкипания воды из-за неотключения нагревателя бака после достижения заданной температуры, вызванным исчезновением напряжения питания регулятора, поскольку размыкающие контакты (3,1) так и останутся замкнутыми.

Система контроля уровня воды, используемая в лабораторной САР, показана на рис.5а.

В баке с водой 1 размещен защищаемый нагреватель 2. Бак с помощью силиконовой трубки 3 соединен с ненагреваемой цилиндрической ёмкостью 4, внутри которой плавает поплавок 5. Шток поплавка воздействует на постоянный магнит 6, расположенный на некотором удалении от геркона SL1.

Геркон (герметичный контакт) представляет собой два расположенных друг над другом контакта из магнитомягкой стали, размещенные внутри цилиндрического стеклянного корпуса заполненного инертным газом. Газ предотвращает окисление контактов и намного продлевает их срок службы.

Приближение постоянного магнита к корпусу геркона приводит к замыканию контактов, при удалении – к их размыканию.

Пока уровень воды в баке выше допустимого уровня магнит располагается непосредственно у геркона и его контакты замкнуты.

При снижении уровня воды ниже допустимого уровня Hдоп поплавок 5 опускается, магнит удаляется от геркона и его контакты размыкаются.

Выводы геркона SL1 через размыкающие контакты контрольной кнопки SA0 и зелёный светодиод VD1, расположенный на мнемосхеме бака, соединены с входом блока защиты.

Упрощённая электрическая схема блока защиты приведена на рис 5б.

Нажатием на кнопку SA0 имитируется снижение уровня воды ниже допустимого значения и, таким образом, проверяется работоспособность всего узла защиты нагревателя.

Работа блока защиты очевидна и не требует пояснений. Заметим, что зелёный светодиод VD2 расположен за прозрачным окном крышки корпуса блока. Его свечение говорит о положении перекидного контакта исполнительного реле блока защиты.

Если уровень воды в баке выше Hдоп и одновременно присутствует напряжение питания блока защиты и реле-регулятора, то контакты SL1 замкнуты, а обмотка реле запитана (светятся зелёные светодиоды). Это означает, что контакты (2-3) исполнительного реле блока защиты замкнуты, и через них в САР может быть подано разрешение на включение нагревателя бака.

В противном случае разрешение не выдаётся.