20/3 Archives of Foundry, Year 2002, Volume 2, 3 Archiwum Odlewnictwa, Rok 2002, Rocznik 2, Nr 3 PAN Katowice PL ISSN 1642-5308 CHARAKTERYSTYKA STEROWANIA GRUPOWEGO W ZASILANIU ELEKTRYCZNYCH PIECÓW OPOROWYCH E. ZIÓŁKOWSKI 1 Wydział Odlewnictwa AGH, ul. Reymonta 23, 30-059 Kraków STRESZCZENIE Sterowanie elektrycznym piecem oporowym zasilanym z sieci energetycznej można zrealizować kilkoma sposobami. Wyboru optymalnego sposobu sterowania można dokonać po wnikliwej analizie techniczno-ekonomicznej oraz uwzględnieniu zalet i wad każdej z metod. W artykule przedstawiono stosunkowo nową metodę sterowania piecami oporowymi zasilanymi z sieci energetycznej. Opisano zalety i wady sterowania grupowego oraz podano przykładowy schemat elektroniczny mikroproc esorowego sterownika grupowego. Key words: group control for electric foundry furnaces 1. WPROWADZENIE Sterowanie elektrycznym piecem oporowym zasilanym z sieci energetycznej można zrealizować jednym z trzech sposobów. Pierwszy zakłada wykorzystanie autotransformatora, który umożliwia regulację napięcia zasilania i jednocześnie nie powoduje zniekształceń przebiegu sinusoidalnego (rys. 1a). Stosowanie autotransformatora ma jednak swoje poważne wady. Należą do nich duże gabaryty autotransformatora ze względu na niezbędną moc zasilania oraz wysoki koszt jego wykonania. Drugim sposobem jest regulacja fazowa, polegająca na zmianie opóźnienia momentu włączenia triaka po przejściu napięcia sieci przez zero (rys. 1b). Metoda ta jest bardzo prosta w realizacji, jednak posiada istotną wadę polegającą na generowaniu zakłóceń elektromagnetycznych. Przy dużych mocach zasilania pieca oporowego eliminacja takich zakłóceń jest bardzo trudna. Trzecią metodą regulacji mocy urządzenia grzejnego o charakterze rezystancyjnym jest regulacja grupowa. W tej metodzie odbiornik jest 1 dr inż., ez@agh.edu.pl
150 zasilany grupą przebiegów sinusoidalnych, włączanych zawsze przy napięciu bliskim zeru (rys. 3). W referacie przedstawiono charakterystykę sterowania grupowego oraz możliwości zastosowania tej metody w zasilaniu pieców oporowych o dużej mocy. a) b) Rys. 1. Przykłady zmian napięcia zasilającego: a w przypadku sterowania za pomocą autotransformatora b w sterowaniu fazowym. Fig. 1. Examples of supply voltage changes: a in control by means of an autotransformer; b in a phase control. 2. STEROWANIE GRUPOWE Sterowanie grupowe polega na zasilaniu odbiornika energii elektrycznej grupą sinusoid, których liczba decyduje o łącznej dostarczonej mocy. Na rysunku 2 pokazano przykładowy teoretyczny oscylogram przebiegu napięcia wyjściowego z układu zasilania odbiornika. Z rysunku tego wynika, że wyłączanie zasilania odbiornika zawsze jest realizowane w trakcie przejścia przebiegu napięcia przez zero i również w zerze jest to napięcie włączane. Taki spos ób sterowania mocą nie powoduje generowania zakłóceń elektromagnetycznych, które są charakterystyczne w układach sterowania fazowego. Ponieważ częstotliwość prądu przemiennego w sieci energetycznej wynosi 50 Hz, to oznacza to, że w ciągu jednej sekundy występuje 100 połówek sinusoidy. Ponieważ w zerze istnieje możliwość włączenia a następnie wyłączenia przepływu prądu na czas trwania równy wielokrotności czasu trwania każdej połówki sinusoidy, stąd mamy możliwość sterowania mocą w granicach od 0 do 100% z dokładnością co 1%. W ten sposób otrzymujemy niejako stupołożeniowy regulator mocy. Jedną z najważniejszych zalet sterowania grupowego jest możliwość traktowania regulacji 100 położeniowej jako regulacji quasi ciągłej, gdyż zmiana zadanej wartości mocy co 1% jest dla urządzeń grzewczych zmianą niemal płynną. Jednocześnie odpowiednio zaprogramowany mikroprocesor pozwala realizować klasyczne regulatory dwupołożeniowe i trójpołożeniowe bez żadnych dodatkowych elementów układu elektronicznego.
151 Rys. 2. Przykłady zmian napięcia zasilającego występujące w sterowaniu grupowym. Wykres górny dla 100% mocy, wykres dolny dla przebiegu z wyłączonymi 3 połówkami sinusoid, czyli dla 97% mocy. Fig. 2. Examples of supply voltage changes typical for group control. The upper chart for 100% power, the lower chart for 97% power (3 halfs of sine curve off). 3. PRZYKŁADOWY UKŁAD STEROWANIA GRUPOWEGO Układy sterowania grupowego najlepiej jest realizować z wykorzystaniem układów mikroprocesorowych. Obecnie łatwo dostępne są mikroprocesory AVR, które można programować bezpośrednio z portu równoległego komputera klasy IBM PC poprzez złącza ISP. Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono dwa moduły mikroprocesoro - wego układu realizującego sterowanie odbiorników zasilanych prądem zmiennym z sieci energetycznej 220 VAC. W prezentowanym układzie zastosowano jeden z najprostszych i najtańszych procesorów typu AT90S2313 firmy Atmel [1]. Moduł A (rys. 3) wykonuje trzy zadania. Pierwszym zadaniem jest uzyskanie dobrze odfiltrowanego i stabilizowanego napięcia stałego 5 V, które służy do zasilania mikroprocesora. Drugim zadaniem jest detekcja przejścia napięcia 220 VAC przez zero. Po wykryciu tego faktu do wejścia mikroprocesora jest dostarczany impuls. Impuls jest dołączony do portu P02 obsługującego przerwanie INT0 procesora. Układ detekcji przejścia przez zero jest galwanicznie odizolowany od układu mikroprocesora za pomocą optotranzystora. Trzecim funkcją realizowaną przez moduł A jest sterowanie odbiornikiem mocy. Sygnał sterujący z mikroprocesora poprzez optotriak jest dostarczany do bramki triaka, który jest bezpośrednim elementem doprowadzającym napięcie zasilające do odbiornika mocy. Zastosowanie optotriaka gwarantuje optyczne odseparowanie układu mikroprocesorowego od układu zasilania odbiornika, znacznie zwiększając bezpieczeństwo obsługi całego systemu. Moduł B (rys. 4) jest układem, którego sercem jest mikroprocesor AT90S2313, do którego są dołączone: kwarc taktujący o częstotliwości 8 MHz, wyświetlacz LCD, dwa przyciski sterujące układem oraz impulsator obrotowy, który umożliwia zmianę nastaw w przypadku realizacji sterowania fazowego mocą odbiornika. Mikroprocesor musi posiadać zaprogramowane menu umożliwiające wybór rodzaju sterowania (grupowe lub fazowe), wprowadzania początkowej wartości mocy sterującej oraz funkcję reagowania na informacje wprowadzane przez przyciski sterujące i impulsator obrotowy. Doprowadzone do wejścia P02 impulsy generują przerwanie, które z kolei powinno obsługiwać procedurę zliczającą dochodzące impulsy, a następnie przełączającą stan na wyjściu portu D.5 mikroprocesora. Należy
152 tutaj podkreślić, że jeżeli regulator ma realizować zarówno regulację grupową jak i fazową, to optotriak oznaczony na rysunku 3 jako Q2 nie może posiadać wbudowanego w strukturę układu detekcji przejścia przez zero. Regulacja fazowa w tym układzie wymaga stosowania obsługi wbudowanego w mikroprocesor timera, a nie obsługi przerwania INT0. Rys. 3. Schemat modułu A mikroprocesorowego regulatora mocy [2]. Fig. 3. Scheme of the A module of a microprocessor power controller [2]. 4. ZASTOSOWANIA REGULATORA GRUPOWEGO Przedstawiony powyżej przykład realizacji elektronicznej mikroprocesorowego regulatora mocy odbiorników zasilanych z sieci energetycznej można zastosować przede wszystkim do sterowania mocą elektrycznych pieców oporowych. Piece grzewcze charakteryzują się stosunkowo dużą bezwładnością w reagowaniu na zmiany parametrów zasilania. Sterowanie grupowe nie może być stosowane do zasilania na przykład żarówek oświetleniowych, gdyż doprowadzenie do włókna żarówki przebiegu charakterystycznego dla sterowania grupowego (rys. 2.) będzie powodować uciążliwe migotanie światła tej żarówki. Przedstawiony układ mikroprocesorowego sterownika mocy umożliwia realizację sterowania elektrycznym piecem oporowym z zastosowaniem różnych typów regulacji. Regulator może pracować jako: regulator dwupołożeniowy wówczas piec jest zasilany pełną mocą (100%) albo zasilanie jest wyłączone,
153 regulator trójpołożeniowy wówczas możliwe jest zasilanie pieca dla nastaw 100% (pełna moc), 50% (połowa mocy) albo 0% (piec wyłączony), regulator quasi ciągły, czyli jako regulator, w którym moc można nastawiać co 1%, regulator o niestandardowym algorytmie sterowania. Rys. 4. Schemat modułu B układu mikroprocesorowego regulatora mocy [2]. Fig. 4. Scheme of the B module of a microprocessor power controller [2]. Układ mikroprocesorowego sterownika grupowego można rozbudować o dodatkowe układy, które pozwolą znacznie rozszerzyć funkcjonalność całego systemu sterowania mocą. Przykład elektronicznej realizacji takiego rozbudowanego sterownika przedstawiono na rysunku 5. W tym układzie zamiast procesora AT90S2313 zastosowano mikroprocesor AT90S8535 również firmy Atmel. Procesor ten posiada między innymi wyprowadzenie szyny I 2 C, 1-WIRE, dzięki którym można dołączać dodatkowe moduły pomiarowo-sterujące. Sam procesor posiada 8 pomiarowych wejść analogowych o rozdzielczości 10-bitowej. Bardzo ważną cechą tego układu jest to, że po dołączeniu układu scalonego MAX232 firmy MAXIM jest możliwe połączenie sterownika z portem szeregowym RS232C komputera. Otrzymuje się wówczas system w którym układ mikroprocesorowy realizuje najbardziej czasochłonne funkcje pomiarowe i obsługi przerwań w ramach sterowania grupowego, natomiast program komputerowy może przetwarzać dane pochodzące z mikroprocesora, na przykład w celu archiwizacji, wizualizacji czy realizacji zaawansowanego algorytmu sterowania piecem. Zaprezentowane układy mogą również znaleźć zastosowanie w systemach automatycznej identyfikacji elektrycznych pieców oporowych [4].
154 Rys. 5. Schemat regulatora uniwersalnego z mikroprocesorem AT90S8535 firmy ATMEL [3]. Fig. 5. Scheme of the universal controller with AT90S8535 microprocessor made by ATMEL [3]. LITERATURA [1] www.atmel.com. [2] Z. Raabe: Uniwersalny mikroprocesorowy regulator mocy 220 VAC. Elektronika dla Wszystkich, nr 6/2002. Wyd. AVT Korporacja, Warszawa 2002. [3] Z. Raabe: PECEL. Elektronika dla Wszystkich, nr 9/2001. Wyd. AVT Korporacja, Warszawa 2001. [4] E. Ziółkowski: Opracowanie programu komputerowego automatycznej identyfikacji wybranych dynamicznych procesów odlewniczych. Raport z praca własnej nr 10.10.170.56. AGH, Wydział Odlewnictwa, 2002. Praca realizowana w ramach umowy z KBN nr 10.10.170.56. SUMMARY CHARACTERISTIC OF GROUP CONTROL IN ELECTRIC RESISTANCE FURNACES SUPPLY The paper presents a group control method designed for electric resistance furnaces. Examples of the schemes microprocessor group controllers have been included. Recenzent: prof. dr hab. inż. Józef Dańko.