Исследование двух позиционного реле-регулятора.

Двухпозиционный реле – регулятор температуры

Цель работы

Целью работы является изучение структуры, принципа построения и электрической схемы промышленного двухпозиционного реле – регулятора температуры Т419 – М1 и экспериментальное определение верхнего и нижнего значений температур переключений в зависимости от значений заданной температуры и ширины зоны возврата.

Предварительные сведения

2.1. Двухпозиционный реле – регулятор температуры предназначен для поддержания температуры тепловых объектов в заданных пределах. Принцип построения реле – регуляторов и их электрическая схема изучаются на примере электронного датчика – реле температуры Т419 – М1. Приборы этого типа используются для поддержания температуры в подвижных и стационарных установках и рассчитан на эксплуатацию в условиях морского тропического климата (обозначение ОМБ на лицевой панели).

Приборы относятся к невосстанавливаемым, неремонтируемым и однофункциональным изделиям со сроком службы не менее 8 лет.

Основные технические характеристики датчика – реле Т419 – М1:

¾ Диапазон установок температуры для различных исполнений от ;

¾ Зона возврата регулируется в пределах ;

¾ В качестве датчика температуры применяются медные термопары сопротивления типа ТСМ 50. Линия связи датчика с реле – регулятором трехпроводная экранированная длиной до 300 м и сопротивлением каждой жилы не более 5 Ом;

¾ Исполнительное реле прибора коммутирует при напряжении 12…250 В частотой 50 Гц активную нагрузку с длительным током протекания 0,1…6,0 А или индуктивную нагрузку () с током 0,1…2,5 А. Прибор выпускается в нескольких вариантах. Вариант А обеспечивает размыкание исходно замкнутого контакта при превышении температурой объекта верхнего заданного значения.

Визуальная индикация состояния выходной цепи осуществляется светодиодом красного цвета на лицевой панели прибора;

¾ Напряжение питания прибора – 220В, 50Гц;

¾ Потребляемая мощность не превышает 3Вт.

В настоящее время ЗАО «Орлэкс», г. Орёл, выпускает следующее поколение датчиков – реле Т419 с индексом 2М, имеющих расширенный диапазон установок. При работе с медным термометром сопротивлений ТСМ 50 диапазон установок остался прежним, а при использовании платинового термометра ТСП 100 – охватывает положительные температуры при неизменных параметрах прибора.

2.2. Реле – регулятор предназначен для реализации алгоритма двухпозиционного регулирования. Он включает нагреватель теплового объекта, если температура последнего ниже нижнего установленного значения Т_Н, и отключает его, когда температура объекта достигнет верхнего установленного значения Т_В.

Таким образом, температура непрерывно колеблется внутри некоторой заданной области шириной , называемой зоной возврата. Среднее значение температуры объекта лежит в середине зоны возврата.

При настройке регулятора на заданный режим поддержания температуры объекта устанавливают среднее значение температуры объекта и ширину зоны возврата . Тогда верхнее и нижнее допустимые значения температур определяются соотношениями:

Включение и отключение нагревателя осуществляется контактами исполнительного реле – регулятора. Если мощность нагревателя слишком велика для исполнительного реле, то коммутация нагревателя производится с использованием магнитного контактора. Исполнительное реле прибора тогда подключает и отключает обмотку электромагнита контактора.

2.3. Статическая характеристика реле – регулятора и аналогичные характеристики релейных элементов, применяемых в автоматике при решении аналогичных задач регулирования, приведены ниже на рисунке 1.

Рисунок 1.Статические характеристики релейных элементов. а) реле-регулятор; б) элемент с зоной нечувствительности и гистерезисом; в) электронный компаратор (нуль-компаратор).

Статическая характеристика реле – регулятора полностью отражает работу прибора как при первоначальном разогреве объекта, так и при последующем поддержании его температуры в заданных пределах. Действительно, после включения регулятора (рисунок 1а) температура объекта ниже Т_В, контакты исполнительного реле замкнуты, и нагреватель подключен к электрической сети. Температура объекта начинает расти.

После достижения верхнего значения температуры Т_В контакты исполнительного реле разомкнутся и нагрев прекратится. Объект начинает остывать и это остывание будет продолжаться до тех пор, пока его температура не снизится до значения Т_Н.

В этот момент контакты исполнительного реле вновь замкнутся и обеспечат подачу напряжения сети на нагреватель. Объект снова начинает нагреваться.

Таким образом, после выхода теплового объекта на заданный температурный режим рабочая точка А, отражающая состояние объекта, будет непрерывно скользить по статической характеристике по часовой стрелке.

Из рисунка 1б видно, что статическая характеристика реле – регулятора обратна характеристике обычного релейного элемента с зоной нечувствительности и гистерезисом, отсюда и название «реле – регулятор».

Анализ электрической схемы промышленного реле – регулятора Т419 – М1 позволяет увидеть общие принципы конструирования релейных регуляторов. Для этого необходимо посмотреть на его построение глазами разработчика.

2.4. Итак, исходно перед разработчиками прибора стояла задача разработки электронного устройства со статической характеристикой типа а) или б) используя обычные электронные компоненты. В состав релейного регулятора обязательно включен элемент с релейной характеристикой. Среди электронных компонент практически идеальной релейной характеристикой обладают компараторы на основе дифференциальных или операционных усилителей (рисунок 1б). В расчете на использование электронного компаратора была предложена функциональная схема, приведенная на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема реле-регулятора Т419-М1.

Реле – регулятор состоит из следующих основных узлов:

¾ Суммирующее устройство 1;

¾ Идеальный релейный элемент 2 без зоны нечувствительности и гистерезиса (компаратор);

¾ Усилитель мощности 3 с исполнительным реле К1;

¾ Формирователь ширины зоны возврата 4;

На рисунке также показаны некоторые дополнительные элементы (R, VD1, VD2), которые обеспечивают защищенный режим работы транзисторного усилителя мощности.

Рассмотрим принцип, заложенный в построении этих базовых узлов регулятора.

1. Суммирующее устройство. Суммирующее устройство производит суммирование напряжений, пропорциональных Т_зад, Т_факт, с учетом требуемого знака. В нашем случае выходное напряжение суммирующего устройства пропорционально DТ, где:

Здесь Т_зад – задаваемое с помощью задатчика среднее значение желаемой температуры объекта, ;

Т_факт – фактическая температура объекта;

– полуширина зоны возврата (знак перед этим членом определяется соотношениями (1));

В устройствах тепловой автоматики, где используются термометры сопротивления R_T, суммирующие устройства выполняются на основе измерительных мостов.

Рассмотрим вначале два базовых варианта измерительных мостов, осуществляющих операцию суммирования (2) в упрощающем предположении, что . Оба варианта мостов приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Суммирующие устройства на основе мостов.

 

Структура рассматриваемых измерительных суммирующих (вычитающих) мостов обусловлена необходимостью использования трехпроводной линии подключения термометра сопротивления, поскольку только такое подключение применяется в реальных производственных условиях.

Резистор R_П включается последовательно с сопротивлением R_Л провода питания линии связи термометра сопротивления с измерительным мостом, и поэтому выбирается с тем, чтобы температурные изменения сопротивления проводов линии связи не влияли на точность измерения температуры объекта. С целью упрощения будем считать сопротивление всех трех проводов линий связи равным нулю .

Токозадающие резисторы R₁ и R₂ определяют ток I₀ через верхние плечи моста. Сопротивления этих резисторов должны быть много больше температурных изменений термометра сопротивления R_T. Принципиально ничего не изменится, если принять следующие условия, упрощающие искомые соотношения:

Задатчик температуры представляет собой проволочный потенциометр с общим сопротивлением R_зад. Задаваемая температура объекта Т_зад определяется положением ползунка потенциометра, , где k– некоторый коэффициент связи с размерностью Ом/град.

R_q и R_ОП – дополнительный и опорный резисторы, назначение которых будет выявлено при последующем анализе вариантов суммирующих устройств.

Остальные обозначения ясны из рисунка 3.

При выполнении условий (3), напряжение моста будет равно:

и ток через плечи моста будет неизменным и не будет зависеть от температуры.

Определим выходное напряжение моста следующим образом:

Во многих случаях анализ работы подобных схем существенно упрощается, если использовать падение напряжения на верхних плечах моста U₃₁ и U₃₂ вместо падений напряжения на токозадающих резисторах U₁₀ и U₂₀.

Вариант А. Задатчик температуры и термометр сопротивления расположены в противоположных плечах моста.

В этом случае:

Выходное напряжение моста будет определяться выражением

или

Выберем элементы схемы таким образом, чтобы были справедливы соотношения:

Тогда напряжение на выходе моста будет пропорционально разности заданной и фактической температур:

Заметим, что равенство нулю выходного напряжения достигается в зависимости от заданной температуры при различных значениях напряжений и на клеммах 1,2 моста, т.е.

Обратимся к первому соотношению условия (4). Равенство означает, что нулевое выходное напряжение будет достигаться при верхнем положении ползунка задатчика, что соответствует нижнему значению задаваемой температуры . Если , то нижнее значение задаваемой температуры переместится в область положительных температур. , нижнее значение задаваемой температуры будет отрицательным.

Следовательно, резистор определяет нижнюю границу задаваемой температуры объекта. Верхняя граница задаваемой температуры будет, очевидно, определяться полным сопротивлением задатчика .

Вариант Б. Задатчик температуры и термометр сопротивления расположены в одном плече моста.

В этом случае:

.

Следовательно, выходное напряжение моста будет равно:

Выберем элементы схемы таким образом, чтобы были справедливы соотношения:

Тогда напряжение на выходе моста будет равно:

Таким образом, знак выходного напряжения моста для варианта Б обратен знаку варианта А. Это несущественное различие вариантов исполнения моста.

Более важным является то,что баланс моста достигается всегда при одном и том же значении напряжения на выходных клеммах моста независимо от величины задаваемой температуры.

Это обусловлено тем, что в левом плече моста установлено высокостабильное опорное сопротивление . Данное обстоятельство, как это будет видно позднее, выгодно выделяет второй вариант суммирующего моста по сравнению с первым вариантом и поэтому он применен в промышленном реле – регуляторе Т419 – М1.

2.5. Графическое представление условия баланса моста. Из схемы реле- регулятора видно, что на выходе суммирующего устройства стоит идеальный релейный элемент – компаратор напряжения 2. Переход выхода компаратора из одного состояния в другое происходит при очень малом отклонении суммирующего измерительного моста от состояния равновесия. Отсюда следует важность анализа условий, при которых достигается равновесие моста. На рисунке 4 условие равновесия моста для рассматриваемых вариантов представлено в графической форме.

Рисунок 4. Условие равновесия моста.

Условие баланса суммирующего измерительного моста или, иначе, его равновесие отражает факт равенства между собой сопротивлений верхних правого и левого плеч моста.

Для варианта Аэто равенство имеет место в точке А, т.е. в точке пересечения наклонной прямой С, представляющей собой зависимость термометра от температуры, и горизонтальной прямой В, соответствующей сумме сопротивлений правого плеча моста .

При изменении заданной температуры прямая В перемещается по вертикали параллельно самой себе, и точка А скользит вдоль наклонной С. Перемещение точки А по вертикали отражает синфазное изменение уровня напряжения на выходе моста при изменении .

В случае варианта Б горизонтальная прямая В при изменении не смещается, поскольку не меняется величина опорного резистора в левом верхнем плече моста. В то же время сопротивление правого плеча моста изменяется как при изменении , так и при изменении . Общее сопротивление этого плеча представлено наклонной , и при изменении точка пересечения прямых , т.е. точка А скользит вдоль прямой В по горизонтали. Перемещение точки А по горизонтали отражает факт неизменности синфазного уровня напряжения на выходе моста при изменении .

Исследование двух позиционного реле-регулятора.

Объект исследования. В работе исследуется двух позиционный реле-регулятор Т419 – М1.

Экспериментальный стенд. Экспериментальное исследование двух позиционный реле-регулятор проводится на стенде, включающем в себя исследуемый двух позиционный реле-регулятор Т419 – М1, и магазин сопротивления, используемый в качестве имитатора термометра сопротивления ТСП-50П.

На рисунке 5 стенд представлен в упрощенном виде.

Рисунок 5. Упрощенная схема стенда исследования двух позиционного реле-регулятора.

Магазин сопротивлений уже подключен к реле-регулятору вместо штатного терморезистора.

Электрическая принципиальная схема реле-регулятора представлена на рисунке 6.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: