Регулирование расхода газообразных или жидких сред.

Регулировать расход, т.е. скорость потребления продукта в массовом или объёмном выражении (m / dt или V / dt), приходится при управлении такими технологическими процессами, в которых правильное прохождение химических реакций требует дозирования процентного соотношения реагентов. В технологических печах различного назначения и котельных для обеспечения полного и эффективного сгорания топлива требуется обеспечивать заданное соотношение «газ / воздух». В других случаях измерение и воздействие на величину расхода может потребоваться для повышения точности дозирования, допустим при отпуске бензина на АЗС или иных продуктов в технологических, складских, расфасовочных или каких- то ещё процессах.

Во всех этих случаях исходная информация для управления получается с датчиков расхода - расходомеров, а инструментом воздействия на величину расхода с целью регулирования являются как правило управляемые клапаны, задвижки и т.п., которые принято называть регулирующими устройствами.

В одних случаях регулирующие устройства устанавливаются последовательно в цепь продуктопровода, в других – используется включение их в обводную цепь, соединяющую выход насосного агрегата с его входной (питающей) магистралью, Такая цепь часто называется байпасом (рис.5.1).

Рис.5.1

Работа байпаса в режиме дозированного отпуска продуктов начинается при закрытой заслонке ЭЗ–1, когда весь поток нагнетаемого продукта поступает в приёмную ёмкость. При подходе к верхнему пределу отпускаемого объёма ЭЗ-1 дискретно открывается, и счётчик на малом проходящем потоке точно дозирует объём.

В другом применении, когда происходит включение насоса на выходную магистраль, важно не допустить резкого скачка давления, вызывающего гидравлический удар. В этом случае насос надо включить при открытой заслонке ЭЗ-1, чтобы насос начал работать «на себя», а затем плавно её закрыть.

Применение байпасного регулирования очень распространено для предотвращения гидравлических ударов.

В качестве регулирующего устройства можно выбрать допустим, один из двух изображённых на рис. 5.2 клапанов: запорно – регулирующий седельный типа КР или регулирующе–отсечной КМПО с позиционером SIPART RS2. Клапан КР - седельный, так как принцип регулирования интенсивности проходящего потока основан на перекрывании седельногоотверстия эластичной шайбой. Шайба закреплена на торце штока, имеющего резьбу, поэтому при вращении штока она перемещается вдоль оси отверстия и изменяет тем самым сечение проходного отверстия.

Вращение штока в клапане КР осуществляет двигатель с питанием от сети переменного тока 220 вольт 50 Гц.

Автоматическое управление двигателем (а, следовательно, и пропускной способностью клапана) в режиме «больше / меньше» может выполняться от контроллера путём тут надо определиться

а

б

Рис. 5.2

В отличие от клапана типа КР регулирующе – отсечной клапан КМРО снабжен позиционером, позволяющим регулировать положение штока из исходного состояния (нормально открытого или нормально закрытого) простым изменением унифицированного токового сигнала 0/4…20mA. Благодаря применению позиционера положение штока будет автоматически отслеживать величину управляющего сигнала независимо от направления его изменения и без необходимости каких–либо переключений со стороны контроллера.

Для того, чтобы рассмотреть пример на использование управляемо­го клапана в системе автоматического регулирования, обратимся к рис. 5.3 , где показан фрагмент окна оператора управления печью. Мы не будем касаться сути протекающего в печи технологиче­ского процесса, а ограничимся лишь указанием параметров технологического режима, которые требуется обеспечить.

Важнейшим параметром является температура в рабо­чей зоне печи (точка съёма ТП1 на рис. 5.4), на которую можно воздействовать с целью регулиро­вания (точнее будет сказать – с целью поддержания заданной температуры при изменении её от разного рода дестабилизирующих факторов). При появлении отклонения температуры от заданного значения регулируемый клапан по команде контроллера изменит интенсивность подачи газа в камеру сгорания в таком объёме, который необходим для возвращения температуры к установленному значению. Одновременно с этим для информации оператору контролируются температуры на стенках печи (ТП2, ТП3, ТП4 на рис. 5.4) и в газоходе (ТП5).

Рис. 5.3

Контур регулирования подачи газа на печь организован в соответствии с рис. 5.5,а ; расположение мест установки устройств управления и измерительных приборов показаны на рис. 5.4. Подача газа на печь разрешается только при наличии сигнала с сигнализатора пламени. В случае погасания горелки контроллер должен немедленно перекрыть газовую магистраль выключением (закрытием) клапана «Газ: открыть / закрыть».

Рис.5.4

Для наиболее эффективного сгорания топлива необходимо обеспечивать определённое соотношение расходов «газ / воздух». С этой целью расходомер, включенный в магистраль подачи газа, измеряет текущее значение сжигаемого газа, которое через соотношение расходов «газ / воздух» пересчитывается в требуемый расход

воздуха и используется как уставка в регулировании расхода воздуха. Это установленное значение сравнивается с текущими значениями, которые измеряются расходомером на магистрали подачи воздуха. По результатам этого сравнения контроллер формирует управляющее воздействие на управляемый клапан « Регулирование расхода воздуха» (рис. 5.4 и рис. 5.5, б).

Ещё один контур управления печью обеспечивает поддержание давления в газоходе (рис.5.4). Измеренное текущее значение давления (рис. 5.5) сравнивается в контроллере с установленным значением («Уставка» на рис. 5.5, в) и, в зависимости от величины и знака рассогласования, выдаётся сигнал, изменяющий степень открытия выходной шиберной заслонки.

Сделаем несколько замечаний по поводу блоков УСО, изображённых на рис. 5.5

В выходных цепях контроллера применение блоков УСО (Устройств согласования с объектом) обусловлено тем, что выходной сигнал контроллера по некоторым параметрам не соответствует тому, что должно быть выдано на приводы регулируемых задвижек. В этих случаях назначением УСО может стать промежуточное преобразование сигнала, передающего управляющее воздействие, с целью усиления его по току или мощности, преобразования рода тока (постоянный / переменный) или для обеспечения реверсивности управления. Во многом это определяется параметрами и способами управления регулируемых исполнительных устройств.

Рис.5.5

Во входных цепях контроллера ситуация иная. Устройства, измеряющие те или иные физические величины, преобразуют измеряемый параметр в некоторые промежуточные сигналы. Например, первичный преобразователь датчика расхода ДРЖИ – 25 преобразует расход в последовательность импульсов с изменяемой частотой от 0,2 до 300 Гц. Термопара преобразует измеряемую температуру в сигнал постоянного тока величиной порядка нескольких десятков милливольт и т.д. В таком виде эти сигналы подавать на вход контроллера или другого сопрягаемого устройства сложно, а в некоторых случаях - просто невозможно. Поэтому устройства, преобразующие измеряемый параметр в какой - либо сигнал, принято называть чувствительными элементами (ЧЭ) или первичными преобразователями (ПП). Их назначение состоит в том, чтобы получить какой угодно сигнал, лишь бы он адекватно отображал величину измеряемого параметра.

Если к выходу ЧЭ (ПП) подключить дополнительный преобразователь, который приведёт сигнал к виду, удобному для его дистанционной передачи или для сопряжения с каким-либо устройством, то полученную структуру (ЧЭ вместе с промежуточным преобразователем) можно назвать датчиком сигнала. Например, наличие промежуточного преобразователя у ДРЖИ – 25 превращает его в датчик расхода с нормированным выходом 4 – 20 mA.

При управлении достаточно сложными объектами (несколько сотен входных сигналов) контроллер сопрягается с целой линейкой унифицированных УСО. Каждый из них допускает подключение к ним до десятков датчиков (допустим, термопар или термометров сопротивлений), преобразует сигналы с них чаще всего в формат унифицированного стандарта последовательной двухпроводной передачи на основе интерфейса RS – 485. В случае применения простейших логических контроллеров базовый блок ПЛК дополняется специальным модулем расширения, обеспечивающим преобразование ненормированного сигнала, допустим, с платинового термометра сопротивления, к виду, удобному для восприятия контроллером.

В тех случаях, когда сигнал с датчика может быть непосредственно подан на контроллер, и контроллер способен правильно его воспринять, необходимости в применении УСО не возникает.

5.2.Средства и способы плавного регулирования в приводных системах.

А. Устройства плавного (мягкого) пуска(УПП) эффективно приме­нять при эксплуатации компрессоров, насосов, конвейеров, вентиля­торов и нагнетателей, а также при пуске различных потребителей от слабых источников (дизель - генераторов, длинных сетей питания). Общей целью использования УПП для пуска двигателей в этих установках является ограничение токов в начальные моменты разгона. Например, величина тока в цепи якоря двигателя постоянного тока I_а = (U_c –C ∙ n ∙ Ф) / r_а [В.Е.Китаев, А.А.Бокуняев, М.Ф.Колканов, Электропитание устройств связи, изд-во «СВЯЗЬ», М., 1975]в режиме установившегося вращения равна номинальному значению, которое соответствует моменту на валу двигателя. Иначе это соотношение проявляется при пуске, когда число оборотов вала машины n= 0. Практически всё напряжение сети приложено к якорной цепи и, в силу малости её сопротивленияr_а, по этой цепи протекает пусковой ток большой величины. Возникающие броски тока нагружают сеть, приводят к нарушению теплового режима обмоток двигателя и электрической прочности изоляции, возникающие ускорения создают угрозу работоспособности машины и приводимых ею устройств.

Назначение устройств плавного пуска – обеспечить ограничение величины пускового тока до безопасных значений за счёт регулируемого и плавного подъёма напряжения питания двигателя на этапе пуска . Как правило это реализуется применением тиристорного регулирования напряжения (рис.5.6). Для этого в схеме УПП типа Триол АС11[Корпорация Триол, КАТАЛОГ продукции и применений, 2002] использован трёхфазный тиристорный коммутатор (ТК), подачу управляющих сигналов на который выполняет микропроцессорный контроллер (МК) через формирователь импульсов (ФИ), оба из которых входят в общую систему управления (СУ).

В УПП регулирование напряжения выполняет подчинённую роль, оно используется лишь как средство воздействия на величину тока статорных обмоток двигателя. Главная задача состоит в поддержании заданного значения тока в течение всего времени разгона. Для этого датчиками тока ДТ 1 и ДТ 2, выполненными на трансформаторах тока, измеряются фактически протекающие токи. На основе сравнения их с заданной характеристикой разгона МК корректирует подаваемое на двигатель напряжение.

Рис.5.6

Наличие датчиков тока позволяет также обеспечивать защиту двигателя от перегрузок и коротких замыканий.

После окончания пуска, когда отпадает необходимость в регулировании напряжения, тиристорные группы ТК могут замыкаться накоротко либо контактами встроенного шунтирующего реле, либо двигатель по команде УПП переключается внешним контактором К на непосредственное питание от сети (рис. 5.7).

Рис.5.7

При выборе типа УПП для конкретного применения следует учитывать следующие соображения [Приводная техника].

· Ток мотора: 50 ÷ 100% тока УПП.

· Ограничение тока в режиме пуска в диапазоне от 0 до (80-100)% разгона машины до уровня 400% тока мотора, т.е. ток мотора при пуске не должен превышать 4-х номинальных значений.

· Время разгона: 2 ÷ 30 сек, для тяжелого пуска [Триол] – до 60 сек.

· Частота включений / час: 10 (равномерно).

ВНИМАНИЕ!Несмотря на несомненные достоинства устройств плавного пуска, их использование рекомендуется не для всех видов нагрузки. Существуют применения, для которых выбирать УПП нежелательно, если даже не более того.

Б.Для плавного управления частотой вращения асинхронных двигателей широко применяются частотные преобразователи (ЧП), которые являются практически специализированными устройствами для такого применения. Скорость вращения вала двигателя изменяется за счёт того, что его обмотки питаются напряжениями плавно изменяемой частоты, которые вырабатываются частотным преобразователем из постоянного напряжения. Работу силовой части преобразователя можно представить в виде структуры на рис.5. 8.

Рис.5.8

Однофазное или трёхфазное напряжение питающей сети вы­прямляется выпрямителем и сглаживается для уменьшения пульса­ций фильтром. После этого инвертор (преобразователь постоянного напряжения в переменное) формирует из него переменное напряже­ние, частота которого может управляться в заданных пределах. Это напряжение питает обмотки двигателя, частота вращения вала кото­рого будет совпадать с частотой питающего напряжения.

С точки зрения терминологии и степени реализации различных возможностей управления можно выделить следующие варианты.

- Если на входе преобразователя включен управляемый выпрямитель, позволяющий изменять амплитуду выпрямленного напряжения, а инвертор работает в режиме формирования напряжения фиксированной частоты, но разной амплитуды, то такой способ работы следует считать амплитудным управлением. Такой вариант широко применяется для управления двигателями постоянного тока, когда не требуется применения ни фильтра, ни инвертора.

- В другом случае, когда выпрямитель на входе является не­управляемым и используется только для бестрансформаторного по­лучения постоянного напряжения, а инвертор формирует перемен­ное напряжение неизменной амплитуды, но управляемое по частоте, получается частотное управление, которое уже применимо для частотного управления асинхронными двигателями.

- И только в том случае, когда одновременно используются возможности и амплитудного, и частотного управления, получается функционально наиболее полный принципамплитудно – частотного управленияасинхронным двигателем.

Инвертор напряжения по месту расположения компонентов напоминает выпрямительный мост с той лишь разницей, что постоянное напряжение питания инвертора Е₀ подключено к тем зажимам, с которых у выпрямителя снимается напряжение нагрузки, а нагрузка инвертора, соединённая звездой или треугольником, подключена к точкам, на которые в выпрямителях подаётся трёхфазная система сетевого напряжения (рис.5. 9,а) [В.В. Москаленко, Электрический привод, М.,2000].

Другой, не менее важной особенностью инверторов является то, что вместо неуправляемых диодов, на которых может быть по­строен выпрямитель, инвертор строится на основе управляемых ключей: тиристоров или (при меньших мощностях) - транзисто­ров.

Управляемость вентилей при включении обеспечивает возможность переключать в определённой последова­тельности ветви инвертора (рис.5.9,б), где обозначены временные интервалы нахождения всех вентилей инвертора в открытом состоянии.

Рис. 5. 9

Основными принципами управления инвертором являются:

- два ключа одной фазы включаются поочерёдно в течение периода выходной частоты, следовательно, интервал проводимости каждого из них равен π радиан.

- ключи соседних фаз работают таким же образом, но со сдвигом по фазе на 2π /3 радиан (120^о) друг относительно друга.

- одновременно в каждый момент времени в открытом состоянии находятся три ключа – по одному в каждой фазе. За счёт этого в каждый момент времени все фазы нагрузки подключены к постоянному напряжению питания инвертора Е₀ , и по ним течёт ток.

Включенные состояния вентилей чередуются в определённой последовательности (рис.5.9,б), поэтому работу схемы можно представить поочерёдной сменой нескольких отличающихся друг от друга режимов. Схема замещения для одного из них имеет вид рис. 5.10

Рис.5.10

Из-за параллельного соединения нагрузок фаз A и C их общее сопротивление в два раза меньше, чем сопротивление нагрузки фазы В, поэтому и напряжение Е₀ поделится между ветвями в соотношении 2 / 1. Чередование таких режимов, в которых к одной фазной нагрузке прикладывается напряжение в два раза большее, чем к двум другим, определяет формы кривых напряжений, реально выделяющихся на нагрузках инвертора (рис.5.11)

Изменяя длительность включенного состояния вентилей, регулируют частоту f₁ формируемого напряжения на выходах инвертора, которая в свою очередь с погрешностью в несколько процентов из-за наличия скольжения определяет скорость вращения ώ₀ питающегося этим напряжением двигателя: ώ₀ = 2πf₁ / p, где p –число пар полюсов [Ю.К.Розанов, Е.М.Соколова, Электронные устройства электромеханических систем, М., ACADEMIA,2004].

При регулировании частоты приходится также регулировать и напряжение источника питания Е₀ вследствие того, что из примерного равенства Е₀ = c ∙ Ф ∙ f₁ следует: чтобы магнитный поток Ф в зазоре был постоянен при всех генерируемых частотах , надо поддерживать постоянство отношения(Е₀ / f₁). Если при неизменном напряжении питания Е₀уменьшится частотаf₁, то поток увеличится, из-за насыщения магнитопровода возрастёт ток намагничивания, двигатель станет перегреваться. Если частотаf₁ увеличится, то станет меньше магнитный поток, возникает эффект недоиспользования стали и снижается максимальный момент на валу машины. Поэтому частотное управление асинхронными двигателями приходится выполнять методами амплитудно – частотного управления.

Рис.5.11

Так как инвертор управляется встроенным микропроцессором, не представляет трудностей изменять последовательность, с которой отдельные ветви инвертора подключаются к общему источнику питания постоянного напряжения. В результате этого получают два вида трёхфазных напряжений, формируемых инвертором. На рис.5.11, а фазные напряжения, отстающие друг от друга по фазе на 120 градусов, чередуются в последовательности А – В – С. В отличие от этого на рис. 5.11, б две фазы (В и С) поменялись местами, что привело к изменению последовательности чередования фаз на А – С – В. В итоге это означает одно: обеим системам напряжения, изображённым на рис. 5. 11, соответствуют противоположные направления вращения вала машины.

Рис.5.12

На практике управление направлением вращения вала машины осуществляется подачей управляющего сигнала с кон­троллера на один из входов частотного преобразователя: STF (Вращение вперёд) или STR (Вращение назад). Эти входы показаны на схеме подключения частотного преобразователя FR-E540-1.5K-EC фирмы Mitsubishi Electric, приведённой на рис. 5.12.

Трёхфазное напряжение питания ЧП подаётся по входным линиям L1, L2, L3, а двигатель, являющийся нагрузкой ЧП, подключается к выводам U, V, W. Учитывая то, что частотный преобразователь является, к сожалению, достаточно сильным источником помех, между питающей сетью и ЧП в некоторых приложениях может потребоваться применение специальных модулей защиты от помех. В этих случаях напряжение сети подаётся на клеймы L1, L2, L3 модуля защиты от помех, а его выходы L1′, L2′, L3′ подключаются к питающим входамL1, L2, L3частотного преобразователя.

Выбор той или иной скорости вращения вала двигателя осуществляется подачей сигнала +24 В на соответствующий вход (RH, RMили RL) выбора скоростей. Задание числовых значений этих скоростей, а также времени разгона (t_раз) и торможения (t_тор) двигателя устанавливается в параметрах ЧП.

Предусмотрены возможности плавного управления скоростью вручную от потенциометра и в автоматическом режиме подачей токового сигнала от 4 до 20 mA.

Рассмотренные в этом разделе схема инвертора (рис.5.12) и способ управления им дают представление о принципе получения трёхфазного напряжения регулируемой частоты из постоянного напряжения питания. Для управления инверторами на уровне, в наибольшей степени соответствующем современному состоянию техники, используются более совершенные алгоритмы, так, например, в [Triol] можно найти сведения об алгоритме высокочастотного асинхронного ШИМ – управления транзисторным (IGBT) инвертором.

В.Из рассмотрения назначения и возможностей частотных пре­образователей может сложиться впечатление, что один ЧП может обеспечить управление только одним двигателем. Из соображений минимизации затрат на проектируемую систему было бы желательно эффективней использовать такую мощную функциональную структуру, как частотный преобразователь.

Если по принципу работы объекта удаётся выделить интервалы времени, в которых ЧП свободен от управления «своим» двигателем, возникает естественное намерение в этой паузе использовать его для управления другой машиной. Для этого достаточно переключить его выходы на питание другой нагрузки; возникает только вопрос выбора подходящего коммутатора. Использовать для этих целей магнитные пускатели и контакторы неудобно, т.к. из- за невысокого быстродействия, искрения при коммутациях и ограниченного ресурса по числу срабатываний они больше применимы для нечастых переключений с длительным нахождением во включенном состоянии.

Для рассматриваемого применения больше подошли бы коммутаторы быстродействующие, желательно бесконтактные, выключающиеся без разрыва тока нагрузки, т.е. при переходе мгновенных значений тока через ноль, и потому не создающие больших помех. Такие коммутаторы есть, их называют твердотельными реле, они поставляются в виде функционально законченных модулей, и фирмы проявляют готовность выполнять их по спецзаказу на конкретные применения.

На рис. 5.13показаны схема и внешний видреле твердотельноготрёхфазного переменного тока 5П36.30ТСА1-10-8-Д1(Д2).

Рис.5.13

Между входными зажимами А1, В1,С1, к которым подключается коммутируемое напряжение трёх фаз Ф1, Ф2, Ф3, и выходными, с которыми в точках А2, В2, С2 соединена нагрузка, включены тиристорные ключи. При подаче управляющего сигнала U_вхтиристоры открываются и замыкают цепи подключения питающих напряжений к нагрузке. При снятии сигналаU_вхтиристоры закроются, и нагрузка будет обесточена.

На рис. 5.14 показано, как это можно использовать для управления двумя двигателями от одного частотного преобразователя путём поочередного переключения его выхода на питание одного или другого двигателя.

Рис.5.14

Если по выходной цепи O 01 контроллера ПЛК (рис.5.14) на вход STF (вращение вперёд) частотного преобразователя поступит управляющий сигнал, ЧП начнёт формировать трёхфазную систему напряжений c последовательностью чередования фаз, допустим, A – B – C. Под действием этого напряжения двигатель АД1 при вклю­ченном состоянии ТР1, имеющем место при активном сигнале с выхода O 05 контроллера ПЛК на ТР1, станет вращать вал продольного перемещения некоторого подвижного механизма в поступательном перемещении вперёд. При этом же напряжении, если будет включен не ТР1, а ТР2 выходным сигналом О 06 с ПЛК, двигатель АД2 будет вращать сопряжённый с ним вал поперечного перемещения каретки, допустим, вправо. Как видим, одним частотным преобразователем путём поочерёдного включения твердотельных реле удаётся управлять двумя двигателями, обеспечивая перемещение подвижного механизма по двум осям координат.

В том случае, когда управляющий сигнал контроллера появляется на входе STR частотного преобразователя, формируемая ЧП система напряжений изменит последовательность чередования фаз на A – C – B, что равносильно изменению направления вращения того двигателя, который будет в данный момент питаться этим напряжением через включенное «своё» твердотельное реле. За счёт этого двигатель АД1 будет способен перемещать каретку назад,а двигатель АД2 – влево, дополняя ранее реализованные направления перемещения до полнофункционального реверсивного управления двух двигателей от одного частотного преобразователя.

Если интервалы перемещений в любом из направлений разнесены во времени, то никаких проблем в работе возникнуть не должно: надо лишь запрограммировать контроллер на своевременную выдачу управляющих сигналов, что также несложно.