Разработка аккумулирующего электроводонагревателя электродного типа (стр. 3 из 4)

8 Требования к автоматике управления ЭВН

Современные водонагревательные установки, как правило, работают без постоянного обслуживающего персонала, поэтому они должны быть оборудованы технологическими защитами, устройствами автоматизации и сигнализации при возникновении неноминальных режимов.

Электродная установка должна быть защищена автоматическими выключателями или другими устройствами отключающими установку при перегрузках и коротких замыканиях.

Системы автоматики и защиты должны быть быстродействующими, для предотвращения выхода из строя всей установки, а также для предотвращения несчастных случаев и травматизма у пользователей установки и обслуживающего персонала. Автоматика управления должна чётко регулировать потребляемую мощность для постоянного поддержания температуры воды в требуемом, как можно более узком диапазоне, и быстро реагировать на её изменение как в положительную так и отрицательную сторону с минимальной инерционностью. Для обеспечения всех этих качеств в настоящее время получили широкое распространение готовые регулирующие устройства на основе цифровой микропроцессорной техники, имеющие большую гибкость и высокую точность и вытеснили устройства с «жёсткой логикой» на дискретных элементах.

9 Выбор системы регулирования мощности установки

В настоящее время в регуляторах мощности потребителей переменного тока на силовых тиристорах или симисторах используются два основных метода: фазовый и по числу полупериодов. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

При фазовом методе в зависимости от требуемой величины потребляемой мощности меняется угол открытия тиристора или симистора, что обеспечивается системой импульсно-фазового управления (СИФУ). Фазовый метод используется для управления малоинерционными потребителями, быстро реагирующими на напряжение, а так же при управлении освещением – это его достоинства. Однако такой метод не может защитить питающую сеть от помех, высших гармоник и дополнительно загружает её реактивной мощностью, так как переключение силовых полупроводниковых элементов происходит не при нулевом значении сетевого напряжения – это недостаток фазового метода.

Метод управления по числу полупериодов позволяет значительно уменьшить уровень помех в электросети за счёт включения и отключения нагрузки в момент перехода сетевого напряжения через нуль – это его преимущество. То есть какое-то количество периодов промышленной частоты прибор находится под питанием, а какое-то отключен от сети. Поэтому этот метод регулирования мощности применяется только для инерционных нагрузок – это его недостаток.

Так как рассчитываемый нагреватель имеет значительный объём (более 3м3) и является аккумулирующим то для регулирования его мощности целесообразно выбрать метод по числу полупериодов, потому что в данном случае его достоинства перекрывают его недостатки.

Для обеспечения такого метода регулирования мощности потребителя промышленностью выпускаются готовые блоки управления симисторами или тиристорами (БУСТ) на основе микропроцессорной техники.

10 Выбор элементов схемы управления, защиты, блокировки и сигнализации

Наиболее применяемым законом регулирования одних параметров системы в зависимости от изменения и состояния других на данный момент является пропорциональный закон (П-регулятор). То есть при вхождении измеряемого сигнала в зону пропорциональности, регулятор будет выдавать управляющий сигнал пропорциональный разности значения уставки и текущего значения. Для его реализации промышленностью выпускаются готовые терморегуляторы на базе микропроцессорной техники. Такие контроллеры имеют высокую точность и скорость обработки данных, удобный для пользователя интерфейс и минимальное количество знаний для их установки и эксплуатации.

Для схемы управления нагревателем будем использовать одноканальный измеритель-регулятор ОВЕН ТРМ201-Щ1.И щитового исполнения с выходом управления – цифро-аналоговый преобразователь «параметр - ток 4 – 20 мА». Данный контроллер имеет универсальный вход для подключения широкого спектра датчиков температуры, давления, влажности и др., осуществляет цифровую коррекцию и фильтрацию входного сигнала для снижения влияния помех, а так же встроенный интерфейс RS-485 для связи с ПК с целью контроля параметров измеряемого сигнала, конфигурирования прибора и управления нагрузкой. Устройство питается от сети переменного тока напряжением 90…245В, имеет габаритные размеры 96х96х70 и степень защиты корпуса IP54. Из стандартного ряда поддерживаемых выбранным контроллером термодатчиков разного принципа действия выбираем термосопротивление ТСМ50М W100=1.426 с диапазоном измеряемых температур - 50… +200°С.

Для управления нагрузкой через тиристорные ключи применим промышленно изготовляемый блок управления симисторами и тиристорами (ОВЕН БУСТ). Он осуществляет автоматическое регулирование мощности активной нагрузки с помощью сигнала управления 4…20мА поступающего от регулятора. Имеет возможность фазового управления нагрузкой или по числу полупериодов. Защищает силовые тиристоры при возникновении аварийных ситуаций: короткое замыкание или превышения тока в нагрузке. Осуществляет плавный выход на заданный уровень мощности для предотвращения резких перегрузок питающей сети. Имеет встроенную светодиодную индикацию уровня мощности и возможность внешней блокировки управления нагрузкой. Работает с одно-, двух-, и трехфазной нагрузкой. Питается от сети переменного тока напряжением 220В.

Для резервирования выбранной контроллерной системы управления водонагревателем в случае выхода из строя термодатчика или терморегулятора, его расстройки или неправильного выбора уставки по вине обслуживающего персонала применим регулируемое термореле ТУДЭ-9М1 с диапазоном рабочих температур +30…+100°С и биметаллической пластиной в качестве измерительного органа. Реле отстроено на срабатывание при температуре, превышающей 90°С.

11 Описание работы схемы управления

При подаче питания через автомат на линию питающую ЭВН загорается неоновая лампа HL. При нажатии на кнопку «ВКЛ» S2 включается контактор КМ1 и подаёт питание на тиристорные ключи, которые в начальный момент времени закрыты, трансформатор, питающий цепь АЦП и схему защит от перегрева и «сухого» хода, блок управления тиристорами и терморегулятор ТРМ201. Если ёмкость нагревателя полностью заполнена водой, то, выпрямленный мостом VD1 отфильтрованный и выпрямленный 15ти вольтовым стабилизатором, ток через резистор R3 и сопротивление воды поступает на базу транзистора VT1 и открывает его, срабатывает реле КА2 и размыкает свои нормально замкнутые контакты. В зависимости от пропорционального температуре воды тока, протекающего в цепи термодатчика ТД1, и величины запрограммированной уставки на выходе 5 ЦАПа контроллера А2 формируется требуемый уровень аналогового сигнала, который поступает через ограничивающий резистор R5 на входы 14,15 разъёма Х1 блока управления тиристорами А2. Цепь АЦП питается от вторичной обмотки трансформатора Т1 через выпрямитель VD2 и стабилизатор напряжения (15В) DA2. В зависимости от величины входного тока управления БУСТ формирует в нужное время импульсы, подаваемые на управляющие входы тиристоров, VS1-VS6 собранных в три сборки из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, для их открытия на требуемое число полупериодов питающей сети. Чем больше управляющий ток от терморегулятора тем большее количество периодов от общего числа в 256 периодов ( для счёта периодов сети в БУСТе используется 8и разрядный двоичный счётчик) тиристорные сборки открыты и пропускают ток на нагрузку. Текущий уровень мощности в БУСТе отображается шкалой из 10 светодиодов с квантованием в 10%. RC-цепи R7-C5, R8-C6, R9-C7 необходимы для защиты тиристоров от коммутационных перенапряжений в сети.

При возникновении КЗ в нагрузке или увеличении потребляемого ей тока, уставка которого задаётся переменным резистором R6, выше нормы БУСТ отключает нагрузку, получая эту информацию от трансформаторов тока TA1-TA3 включенных в силовую цепь.

Если по каким-либо причинам уровень воды в нагревателе опустится ниже минимально допустимого, разорвётся электрическая цепь между электродом сухого хода и корпусом, закроется транзистор VT1 и реле КА2 отключится, замкнув свои нормально замкнутые контакты. Замыкание контакта КА2.1 пустит через ограничительный резистор R2 ток в цепи светодиода VD4, сигнализирующего о «сухом» ходе установки. Замыкание второго контакта КА2.2 в цепи блокировки БУСТа приведет к отключению нагрузки до тех пор пока емкость нагревателя снова не заполнится. Автоматический возврат к нормальному режиму работы без сброса в данной защите предусмотрен по той причине, что в сетях водоснабжения с нестабильным и низким давлением случай частичного осушения ёмкости нагревателя может иметь место и не является аварийным или опасным режимом.

В отличии от защиты снижения уровня, защита от перегрева носит «триггерный» характер, то есть при её срабатывании для возврата к нормальному режиму необходим только сброс системы, осуществляемый обслуживающим персоналом, так как наступление такого случая носит аварийный характер, в следствие отказа основной контроллерной системы управления, и повторное включение установки в работу без устранения причины неисправности является недопустимым. Если температура воды превысила 90°С, срабатывает термореле ТР1 и под напряжением оказывается сигнальная цепь со светодиодом VD3 и реле КА1, которое срабатывая, замыкает свой нормально разомкнутый контакт КА1.1 и блокирует само себя (в этом и заключается триггерный эффект защиты). Контакт КА1.2 в цепи блокировки БУСТа замыкаясь отключает нагрузку. Таким образом даже после размыкания контакта термореле ТР1 реле КА1 остаётся включенным. Единственным выходом из такого режима является отключение питания всей системы управления (кнопка «ВЫКЛ.» S1), когда на вторичной обмотке трансформатора Т1 питающего цепь реле КА1 пропадет напряжение.