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.
12 Программирование и настройка элементов схемы управления
Для правильного функционирования системы в соответствии с заданными параметрами необходимо, следуя инструкциям в руководстве по эксплуатации, задать следующие переменные терморегулятора ТРМ201:
- в соответствии с выбранным термодатчиком параметру «in.t» в меню «Lvin.» присвоить значение «r426»;
- для отображения десятых долей градуса измеряемой температуры на дисплее, параметру «dPt» в меню «Lvin» присвоить значение «1»;
- ввиду большой инерционности системы для защиты измерительного тракта от единичных помех и повышения управляющей точности параметру «Fb» в меню «Lvin» присвоить значение «1», означающее, что изменение входной величины измеряемого сигнала прибор не может определять больше чем 1°С в секунду, а для экспоненциального сглаживания входного сигнала параметру «inF» присвоить значение «10»;
- для задания нижней и верхней границ изменения уставки (примем от 0 до 99°С)
В меню «LvoU» параметрам «SL.L» и «SL.H» присвоить соответственно значения «0» и «99»;
- для работы устройства в режиме П-регулятора нагревателя параметрам «dAC» и «СtL» в меню «LvoU» присвоить соответственно «0» и «HEAt»;
- при требуемой температуре горячей воды в 85°С обеспечим максимальную мощность нагревателя при нагреве воды от 0 до 75°С и пропорциональный закон регулирования при нагреве от 75°С до 85°С, при температуре выше 85°С – отключение питания нагревателя.
По выше приведённой выходной характеристике прибора работающего в режиме П-регулятора параметры уставки и зоны пропорциональности запрограммировать следующим образом: «SP» в меню «LvoP» присвоить «80», «XP» в меню «LvoU» присвоить «5»;
- для снятия мощности с установки при возникновении ошибки в терморегуляторе параметру «oEr» в меню «LvoU» присвоить значение «oFF».
Остальные параметры оставить запрограммированными по умолчанию.
Для работы БУСТа в выбранном ранее режиме и в соответствии с принципиальной схемой установить следующие перемычки:
- S1 для управления по числу полупериодов;
- S2 для работы устройства контроля тока защитного отключения;
- S3 – нормальный режим работы (при снятой осуществляется регулирование уровня тока защитного отключения);
- S4 для работы фазы В;
- S5 для работы фазы С;
- S6 для управления сигналом 4…20мА.
13 Расчёт и выбор элементов схемы управления ЭВН
Выбор трансформаторов тока.
Максимально допустимый преобразованный трансформатором ток нагрузки на входах контроля БУСТа составляет 2А, следовательно в нормальном режиме работы на полной мощности вторичный ток трансформатором должен быть не больше одного ампера. Для стандартных трансформаторов с коэффициентом трансформации N/5, где N-ток первичной обмотки, диапазон допустимых значений N определяется следующим образом:
Nmin=5*Iном; Nmax=10*Iном, тогда при токе в линии 105.6А
Nmin=5*105.6=528(A); Nmax=10*105.6=1056(А). Следовательно из стандартного ряда трансформаторов тока выбираем трансформаторы 800/5А
Выбор силовых тиристоров.
Для встречно-параллельного включения тиристоров выбираем их по следующим параметрам:
- среднее значение тока через тиристор
< Iт.ном.
- прямое напряжение на тиристоре
< Uт.пр
- обратное напряжение на тиристоре
< Uт.обр
Выбираем тиристоры Т-141-80 с номинальным током 80А, которые устанавливаем на радиаторы для лучшего охлаждения.
14 Расчёт местного освещения
Для расчёта осветительной установки зададимся следующими величинами:
- размеры помещения AxBxH=7x7x5 м;
- освещённость Ен=60 лк;
- коэффициенты отражения света от потолка, стен, расчётной поверхности площади ρп=0,3 ρс=0,1 ρр=0,1;
- высота подвеса светильников hсв=0,5 м.
Вычисление индекса помещения:
где hр=H-hсв=5-0.5=4.5 (м).
Для вычисленного индекса помещения и коэффициентов отражения по таблице коэффициент использования осветительной установки будет Иоу=0.2.
Разместим светильники следующим образом:
Определение светового потока одного светильника:
где
kз – коэффициент запаса ОУ;
Z – коэффициент неравномерности освещения;
n – количество светильников.
Выбираем лампы накаливания ЛН200 со световым потоком Фсв=2800 лм и мощностью 200 Вт при напряжении 220В.
Установленная мощность осветительной установки:
Pуст=n*Pсв=9*200=1800 (Вт).
15 Удельный расход электроэнергии на единицу продукции
Так как рассчитываемый электроводонагреватель по условиям задания работает в ночное время суток по льготным тарифам, то стоимость одного киловатта электрической энергии в расчёте будет С=12 коп/кВт*ч.
Удельной единицей продукции в данном случае будет 1м3 горячей воды с конечной температурой 85°С. При мощности нагревателя в 69.5кВт весь бак объёмом 3.49 м3 нагревается за 6 часов тогда 1м3 при той же мощности нагреется за время
Для чего потребуется 1.72*69.5=119.5 кВт*ч электрической энергии что в переводе на деньги составит Ц=119.5*0.12=14.3 (грн/м3).
Заключение
В ходе данного курсового проекта была проделана работа по разработке аккумулирующего электроводонагревателя электродного типа. Был принят ряд новых принципиальных технических решений по разработке технологической схемы установки, внедрению современной быстродействующей автоматической системы управления с высокой степенью защиты от аварийных режимов. Так же были закреплены и уточнены теоретические знания многих разделов. Существенное подтверждение проведенной работы имеет тот факт, что в процессе проектирования было проработано много различной литературы и справочного материала.
Данный курсовой проект является одной из важнейших ступеней по подготовке специалистов по специальности “Электрические системы электропотребления”.
Литература
1.Костров Е.П.:“Пособие по курсовому проектированию” , по дисциплине ПТЭ.
2. “Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок и потребителей.” Москва , Атомиздат , 1972.
3. “Тиристоры”. Справочник. Москва, Радио и связь. 1990.
4. “Блок управления тиристорами и симисторами”. Руководство по эксплуатации.
5. “Измеритель-регулятор одноканальный ТРМ201”. Руководство по эксплуатации.
6. Афанасьев В.В. “Трансформаторы тока”. Москва 1989г.
7. Конспект лекций
