02 ARwOiW Badanie siłowników elektrycznych. Współpraca

Politechnika
Białostocka
Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska
Katedra Ciepłownictwa
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie siłowników elektrycznych. Współpraca
siłownika elektrycznego z regulatorem pogodowym, nastawianie
krzywej ogrzewania
Ćwiczenie nr
Laboratorium z przedmiotu:
„Automatyczna regulacja w ogrzewnictwie i wentylacji”
Kod:
Opracował:
mgr inż. Tomasz Teleszewski
dr inż. Piotr Rynkowski
wrzesień 2008
1
Cześć I - Badanie siłowników elektrycznych.
1. Wprowadzenie
Zadaniem siłownika jest realizacja zmiany otwarcia zaworu regulującego lub przepustnicy.
Elementy napędowe w układach regulacji możemy podzielić na:
• siłowniki elektryczne,
• siłowniki pneumatyczne,
• siłowniki hydrauliczne,
• siłowniki elektropneumatyczne,
• siłowniki elektrohydrauliczne.
W siłowniku elektrycznym energia elektryczna przetwarzana jest na energię mechaniczną.
Podstawowym elementem siłownika elektrycznego jest silnik elektryczny. Napęd z silnika
przenoszony jest przez wielostopniową przekładnię zębatą na zespół wyjściowy, który
stanowi układ śruba-nakrętka. Siłowniki elektryczne pracują jako urządzenia trójstawne. Dwa
stany odpowiadają ruchowi silnika w jednym i drugim kierunku (otwieranie i zamykanie
zaworu), a trzeci postojowi. Sygnał trójstawny stałonapięciowy lub zmiennonapięciowy
powinien posiadać następującą charakterystykę:
stan +1 – znamionowe napięcie i proste następstwo faz lub biegunowość dodatnia,
stan -1 – wartość napięcia równa zeru,
stan -1 – znamionowe napięcie i odwrotne następstwo faz lub biegunowość ujemna.
Siłownik wyposażony jest w układ mikrowyłączników ograniczających ruch elementu
wyjściowego. Dla zabezpieczenia przed przeciążeniem w siłowniku znajdują się oddzielne
mikrowyłączniki wraz z układem regulacji nastawy wartości granicznych siły lub momentu.
Siłownik elektryczny może być wyposażony w nadajnik położenia. Nadajnik położenia
odwzorowuje położenie elementu wyjściowego w sposób ciągły, za pomocą sygnałów
elektrycznych, które mogą być wykorzystywane do sprzężenia zwrotnego w układach
regulacji automatycznej.
Siłowniki elektryczne wyposażane są w zespół napędu ręcznego umożliwiające ręczne
przesunięcie elementu wyjściowego.
Ze względu na ruch elementu wyjściowego siłowniki elektryczne możemy podzielić na:
1) siłowniki liniowe (element wyjściowy wykonuje ruch prostoliniowy, posuwistozwrotny),
2) siłowniki wahliwe (element wyjściowy wykonuje ruch obrotowy na drodze kątowej,
nie przekraczającej kąta pełnego),
3) siłowniki obrotowe (element wyjściowy wykonuje ruch obrotowy na drodze kątowej,
większej od kąta pełnego),
4) siłowniki stałoprędkościowe (element wyjściowy porusza się w określonym kierunku
ze stałą prędkością),
5) siłowniki zmiennoprędkościowe (element wyjściowy może poruszać się w
określonym kierunku ze zmienną prędkością, zależną od sygnału wejściowego).
Siłowniki charakteryzują się następującymi wielkościami:
1) udźwig nominalny (kN),
2) nominalny skok siłownika (mm),
3) prędkość ruchu trzpienia (mm/min).
Na rysunku 1 a) przedstawiono widok siłownika elektrycznego typu ESL-03 firmy
CONTROLMATICA ZAP-PNEFAL, na rysunku 1 b) przedstawiono siłowniki elektryczne
typu PSL firmy POLNA wraz zaworami, natomiast na rysunku 2 schemat elektryczny
siłownika typu ESL-03.
2
a)
b)
Rys. 1 Siłowniki elektryczne: a)ESL-03 firmy CONTROLMATICA ZAP-PNEFAL, b) PSL
firmy POLNA.
Rys. 2 Schemat połączeń elektrycznych siłownika elektrycznego typu ESL-03 firmy
CONTROLMATICA ZAP-PNEFAL: X1, X2 - uchwyty agregatowe; M – silnik;
C – kondensator; W01, W02, WZ1 , WZ2 - wyłączniki krańcowe od drogi;
WP0, WPZ - wyłączniki od przeciążenia.
3
2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego (cześć I)
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową i zasadą działania siłowników
elektrycznych, wyznaczenie wielkości charakteryzujących działanie siłownika.
3. Metodyka badań
a) opis stanowiska badawczego
1
2
3
Reg.
H
5
4
Rys. 6 Schemat stanowiska badawczego: 1-siłownik elektryczny, 2- regulator temperatury,
3-opornik dekadowy, 4-ultratermostat, 5-czujnik temperatury.
b) przebieg realizacji eksperymentu
1) Włączyć sterowanie ręczne na regulatorze (2).
2) Zmierzyć czas przesunięcia trzpienia siłownika w dół i w górę(1).
3) Obliczyć prędkość ruchu trzpienia ze wzoru:
L
v = [mm / s ]
t
gdzie:
L – skok trzpienia [mm],
t – czas przesunięcia [s],
v – prędkość ruchu trzpienia [mm/s]
4) Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 1.
5) Zapoznać się z budową siłownika – określić poszczególne część siłownika
elektrycznego.
Tabela 1
LP
Skok
Skok
t
t
Prędkość
[s]
1
2
[mm]
[mm]
[s]
[s]
[mm/s]
c) prezentacja i analiza wyników badań
Sporządzić szkic rysunku złożeniowego siłownika elektrycznego.
4
Cześć II - Współpraca siłownika elektrycznego z regulatorem pogodowym,
nastawianie krzywej ogrzewania
4. Zasada działania regulatora pogodowego
Temperatura powietrza zewnętrznego decyduje o zapotrzebowaniu budynku w na
ciepło . Regulacja układu grzewczego stosownie do temperatury na zewnątrz budynku
przynosi większe korzyści ekonomiczne niż regulacja według temperatury wewnętrznej.
Pogodowa regulacja ogrzewania gwarantuje utrzymanie równomiernej temperatury w
pomieszczeniu i prawidłowe wykorzystanie energii, gdyż temperatura wody zasilającej
regulowana jest w zależności od temperatury zewnętrznej. Regulacja „pogodowa” odbywa się
na podstawie zaprogramowanej charakterystyki ogrzewania zwanej krzywą grzewczą (rys. 7).
Krzywa ta określa zależność między temperaturą powietrza zewnętrznego a temperaturą
wody wychodzącej z kotła lub wymiennika. Do grzejników dostarczany jest czynnik
grzewczy o temperaturze odpowiedniej dla aktualnej temperatury zewnętrznej. Regulator
można dodatkowo wyposażyć w czujnik temperatury wewnętrznej. Opcja ta umożliwia
automatyczną korektę zaprogramowanej charakterystyki ogrzewania.
Rys. 7 Krzywe grzania
Regulatory pogodowe mają wszystkie funkcje programowalnego termostatu
pokojowego, a także zależnie od typu wiele dodatkowych, na przykład:
- możliwość ustawienia ograniczenia minimalnej i maksymalnej temperatury wody
zasilającej,
- przygotowanie ciepłej wody użytkowej,
- interfejs cyfrowy umożliwiający podłączenie regulatora do magistrali systemu
komputerowego lub interfejs realizujący połączenie z komputerem nadrzędnym za pomocą
modemu,
- zegar roczny z programami i automatycznym przełączaniem pracy na tryb letni i zimowy,
- sterowanie kilkoma obiegami jednocześnie (np. ogrzewaniem podłogowym i grzejnikowym)
Regulatory pogodowe najczęściej produkowane są jako regulatory P (proporcjonalne),
regulatory PI (proporcjonalno-całkujące) lub PID (proporcjonalno-całkująco-różniczkujące).
Regulatory PI i PID mają mniejszą odchyłkę regulacji niż regulatory P (rys. 8).
Układ regulacji pogodowej składa się z trzech podstawowych elementów:
- regulatora elektronicznego,
- czujnika temperatury powietrza zewnętrznego,
- czujnika temperatury czynnika grzewczego.
5
Zasada działania regulator cyfrowego TROVIS 5475 firmy SAMSON (rys.8-9):
Przetwarzanie sygnałów w regulatorze cyfrowym realizowane jest w module
mikrokomputera zawierającym mikroprocesor, układy pamięci, przetworniki analogowocyfrowe. Wartości temperatury wody zasilającej i powrotnej, temperatury w pomieszczeniu,
temperatury zewnętrznej itd. przesyłane są za pośrednictwem przetworników analogowocyfrowych do mikroprocesora. Mikroprocesor porównuje wielkości mierzone z odpowiednimi
wartościami zadanymi i na podstawie obliczonych uchybów regulacji wypracowuje sygnał
sterujący dla zaworów regulacyjnych. Który postać dwu- lub trójpunktowego sygnału
krokowego, w którym czas trwania impulsów oraz ich częstotliwość zależą od wielkości
uchybu regulacji, nastawionych parametrów PI oraz czasu przestawienia siłownika.
Dodatkowo regulator steruje pracą pompy obiegowej, pompy ładującej zasobnik i pompy
cyrkulacyjnej. Do regulatora można podłączyć proporcjonalny do przepływu chwilowego
sygnał impulsowy lub prądowy z ciepłomierza. Umożliwia to maksymalne lub minimalne
ograniczenie natężenia przepływu.
Rys. 8 Regulator cyfrowy TROVIS 5475 firmy SAMSON: 1 - wyświetlacz ciekłokrystaliczny, 2
- przyciski obsługi,3 - przełącznik trybu pracy, 4 - nastawnik wartości zadanej, 5 - gniazdo
przyłączeniowe przystawki programującej
Rys. 9 Schemat działania regulatora cyfrowego TROVIS 5475 firmy SAMSON
6
5. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego (cześć II)
Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową, obsługą i zasadą działania
elektronicznego regulatora ogrzewania oraz nastawieniem parametrów regulatora R303.
Rys. 10 Regulator R303: 1 - wartość żądana dla członu dwupunktowego, 2 - równoległe
przesuniecie krzywej ogrzewania, 3 - wznoszenie się krzywej ogrzewania, 4 - obniżenie
wartości żądanej, 5 - zakres proporcjonalny, 6 - czas nastawienia, 7 - czujnik programowy, 8
- wskazanie dzienne, 9 - czujnik programowy dla programu końca tygodnia, 10-11 - ręczne
sterowanie urządzeniem wykonawczym,12 - przełącznik ręczno-automatyczny, 13 - wskazanie
położenia członu nastawczego, 16 - wskazanie dla pracy sieciowej zegara [DTR 301-1]
Nastawienie krzywej ogrzewania
Związek pomiędzy temperaturą wejścia i temperaturą zewnętrzną wyrażony jest
równaniem:
ϑV = ϑV 1 + K ( 20o C − ϑA )
ϑV − temperatura wejścia
ϑA − temperatura zewnętrzna
ϑV 1 − temperatura wejścia przy ϑA = 20o C
K=
∆ϑ
zmiana _ temperatury _ wejscia
= V
zmiana _ temperatury _ zewnętrznej ∆ϑA
Dostosowanie regulatora do zaplanowanej, specyficznej dla budynku krzywej ogrzewania
odbywa się przy pomocy potencjometru wartości żądanej dla ϑV 1 i K .
Równoległego przesunięcia krzywej ogrzewania ϑV 1 dokonuje się przy pomocy elementu
obsługi (2) ϑV przez nastawienie strzałki oznaczeniowej na konieczną wartość w zakresie od
20 do 80oC. Wzrost K nastawiany jest w zakresie od 1:1 do 3,5:1 przy pomocy elementu
nastawczego (3) K w sposób bezstopniowy. Jako pomoc w nastawieniu służy diagram
krzywej ogrzewania na wewnętrznej stronie drzwiczek obudowy, na których można
odczytywać każdorazowy punkt pracy.
7
Przykład wyznaczenia wartości nastawienia K i ϑV 1 :
Zaplanowana temperatura wejścia ϑV :
dla ϑA = −15o C :110o C
Zaplanowana temperatura wejścia
dla ϑA = +12o C : 60o C
K=
∆ϑV
110o C − 60o C
50o C
= o
=
= 1,85
∆ϑA 12 C − ( −15o C ) 27o C
ϑV 1 = ϑV − K 20o C − ϑA
ϑV 1 = 110o C − 1,85* 20o C − ( −15o C ) = 110o C − 1,85*35o C = 45o C
Zgodnie poleceniem prowadzącego zajęcia należy wykonać dobór nastaw regulatora
R303, wyznaczyć wzór krzywej grzania oraz wykonać rozruch regulatora. Temperaturę
zewnętrzną należy zasymulować za pomocą opornika dekadowego (3) zgodnie z
charakterystyką przedstawioną na rysunku 11, natomiast temperaturę czynnika grzejnego
zasymulować podgrzewając czujnik (5) w ultratermostacie (4) (rys. 6).
8
R [om]
110,00
109,00
108,00
107,00
106,00
105,00
104,00
103,00
102,00
101,00
100,00
99,00
98,00
97,00
96,00
95,00
94,00
93,00
92,00
91,00
90,00
-25 -24 -23 -22 -21 -20 -19 -18 -17 -16 -15 -14 -13 -12 -11 -10 -9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11 12 13
14 15
o
T[ C]
Rys. 11 Charakterystyka czujnika PT100
9
6. Wymagania BHP
Do wykonania ćwiczeń dopuszczeni są studenci, którzy zostali przeszkoleni (na
pierwszych zajęciach) w zakresie szczegółowych przepisów BHP obowiązujących w
laboratorium.
W trakcie wykonywania ćwiczeń obowiązuje ścisłe przestrzeganie przepisów
porządkowych i dokładne wykonywanie poleceń prowadzącego.
Wszystkie czynności związane z uruchamianiem urządzeń elektrycznych należy
wykonywać za zgodą prowadzącego zajęcia.
Zabrania się manipulowania przy wszystkich urządzeniach i przewodach
elektrycznych bez polecenia prowadzącego.
7. Sprawozdania studenckie
Sprawozdania studenckie powinno zawierać następujące informacje:
1) Skład osobowy grupy oraz podpisy, nazwę kierunku studiów, laboratorium i tytuł
ćwiczenia, datę wykonania ćwiczenia,
2) Określenie poszczególnych zadań wraz z ich rozwiązaniem:
a) cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego,
b) niezbędne związki teoretyczne,
c) opis rzeczywistego stanowiska badawczego,
d) przebieg realizacji eksperymentu,
e) wykonanie potrzebnych przeliczeń i zestawień,
f) wykresy i charakterystyki (sporządzone na papierze milimetrowym),
g) zestawienie i analiza wyników badań.
3) Analiza dokładności pomiarów.
4) Posumowanie uzyskanych wyników w postaci syntetycznych wniosków.
5) Zestawienie łączników (protokołów, taśm rejestracyjnych, itp.).
8. Literatura
W. Chmielnicki, K. Kasperkiewicz, B. Zawada: „Laboratorium automatyzacji urządzeń
sanitarnych”, Arkady 1985,
W. Chmielnicki: „Podstawy automatyki w inżynierii sanitarnej”, WPW, Wrocław 1977,
L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: „Pomiary w inżynierii sanitarnej”, Arkady
Warszawa 1980.
10