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: utomatyczna 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 CONTROLMTIC ZP-PNEFL, na rysunku 1 b) przedstawiono siłowniki elektryczne typu PSL firmy POLN wraz zaworami, natomiast na rysunku 2 schemat elektryczny siłownika typu ESL-03. 2
a) b) Rys. 1 Siłowniki elektryczne: a)esl-03 firmy CONTROLMTIC ZP-PNEFL, b) PSL firmy POLN. Rys. 2 Schemat połączeń elektrycznych siłownika elektrycznego typu ESL-03 firmy CONTROLMTIC ZP-PNEFL: 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. Rys. 6 Schemat stanowiska badawczego: 1-siłownik elektryczny, 2- regulator temperatury, 3-opornik dekadowy, 4-ultratermostat, 5-czujnik temperatury. b) przebieg realizacji eksperymentu H 4 5 Tabela 1 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. LP Skok Skok t t Prędkość [s] [mm] [mm] [s] [s] [mm/s] 1 2 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 SMSON (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 SMSON: 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 SMSON 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: ( C ) ϑ = ϑ + K ϑ 1 20 o V V ϑv temperatura wejścia ϑ temperatura zewnętrzna ϑ temperatura wejścia przyϑ = 20 o C V1 zmiana _ temperatury _ wejscia ϑv K = = zmiana _ temperatury _ zewnętrznej ϑ Dostosowanie regulatora do zaplanowanej, specyficznej dla budynku krzywej ogrzewania odbywa się przy pomocy potencjometru wartości żądanej dla ϑ V1 i K. Równoległego przesunięcia krzywej ogrzewania ϑ V1 dokonuje się przy pomocy elementu obsługi (2) ϑ V przez nastawienie strzałki oznaczeniowej na konieczną wartość w zakresie od 20 do 80 o C. 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 ϑ V1 : Zaplanowana temperatura wejścia ϑ V : o o dla ϑ = 15 C:110 C Zaplanowana temperatura wejścia o o dla ϑ =+ 12 C: 60 C o o o ϑv 110 C 60 C 50 C K = = = = 1, 85 o o ϑ 12 C 15 27 C ϑ 1 = ϑ K 20 o C ϑ V V o ( C) ( ) o o o o o o ϑ V1 = 110 C 1,85* 20 C 15 C = 110 C 1,85*35 C = 45 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] -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 15 110,00 109,00 108,00 107,00 106,00 105,00 104,00 103,00 102,00 101,00 100,00 99,00 98,00 97,00 96,00 95,00 94,00 93,00 92,00 91,00 90,00 T[ o 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) naliza 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, rkady 1985, W. Chmielnicki: Podstawy automatyki w inżynierii sanitarnej, WPW, Wrocław 1977, L. Kołodziejczyk, S. Mańkowski, M. Rubik: Pomiary w inżynierii sanitarnej, rkady Warszawa 1980. 10