САУ ЭТУ

САУ ЭТУ Классификация САУ ЭТУ Разделение по классам ЭТУ и их САУ зависит от определенных производственных, проектных и организационных задач: - обеспечение назначения установки. Назначение определяет потребляемую мощность, потребность в многозвенной схеме управления и регулировании; - обеспечение мощности используемого силового источника питания, соответствующего способа изменения его мощности; - учет передаточной функции регулирующего органа, контроль переменных и параметров, адекватное отражение качества процесса, учет характеристик используемых датчиков; - выбор способа регулирования выходной величины. Выбор структуры регулятора. его параметров и методы настройки реализованной схемы; - надобность в программном управлении режимами работы, в автоматизации смены режимов, в обеспечении равномерной загрузки сетей питания, перемещение нагреваемых тел, в управлении газовой атмосферы и потребности в др. функциях. Критерии к электрооборудованию ЭТУ, схемам его включения. Схемам защиты, режимам управления ЭТУ диктуются правилами П.У.Э.(главный документ, обеспечивающий безопасность людей и защиту экономической безопасности всех субъектов). Электротермическим установкам отведён пункт 7.5 П.У.Э. П.У.Э. выделяет 5 видов ЭТУ: 1. ЭТУ сопротивления прямого и косвенного действия с твердыми и жидкими нагревательными элементами, в том числе электрошлаковые переплавки и литья; 2. ЭТУ дуговые: прямого, косвенного и комбинированного действия. При комбинированном Электроэнергия преобразуется в тепловую омическую () или в энергию дуги (рудотермические, феррорасплавные и плавильные печи); 3. индукционные нагреватели. Закалочные и плавильные печи, в том числе и тигельные; 4. ЭТУ диэлектрического нагрева; 5. Электронно-лучевые ЭТУ. Перечень вопросов решаемых при автоматизации ЭТУ 1. Построение двухуровневой САУ. Первый уровень обеспечивает необходимый порядок технологического процесса по средствам ручного и программного устройства включения и отключения, безопасную эксплуатацию благодаря блокировкам и защитным отключениям, дополнительную организацию управления (“вилка сталевара”), разрешающую выполнение сигналов диспетчера, защиту электрооборудования от аварийных режимов (тепловых и токовых). Второй уровень (внутренний уровень автоматики) обеспечивает подачу электроэнергии и управление её дозами, преобразование её в тепловую и механическую и обеспечение необходимого показателя технологического процесса (быстродействие, точность, время переходного процесса). 2. обеспечение устойчивой и надежной работы; 3. качество процесса управления и регулирования, которые отвечают за точность регулирования (погрешность), время переходного процесса и форма переходного процесса. Назначение и особенности работы основных видов ЭТУ 1. Электрические печи сопротивления служат для термообработки материалов, подготовки их к деформации, стабилизации температурного режима. ЭПС работает в двух режимах: а) быстрый разогрев б) выдержка времени Используется так же частичный разогрев, если остывание идет слишком быстро, следовательно, важным показателем работы печей сопротивления является максимальная подводимая мощность при регулировании температуры. Качество переходного процесса не является критическим. Основными задачами синтеза САУ ЭТУ является: разработка программного устройства во внешнем контуре управления, выбор структуры системы регулирования и базы для реализации регуляторов, настройка параметров устройств внутреннего контура регулирования. 2. Индукционные ЭТУ. Основные виды: плавильные и нагревательные установки. В плавильных установках используется принцип максимальной подводимой мощности при расплаве. Они бывают тигельные и специальные безтигельные для зонной плавки. Индукционный нагрев применяется для комплексной термообработки, когда необходима выдержка поля и температуры. Кузнечно-индукционный нагрев применяется для обеспечения максимальной температуры не более допустимой, минимальной температуры не ниже заданной в любой части заготовки и минимального времени нагрева. Установки для нагрева под пластические заготовки (кузнечный автомат). В этих установках реализуются функции: a) управление загрузкой, выгрузкой и перемещением заготовки внутри установки; б) регулирования электрического режима нагревателя (поддержание стабильного напряжения, коэффициента мощности, ограничения тока и функции быстрого выхода на заданную температуру и ее постоянства). Высокочастотные ЭТУ применяются при малых площадях нагрева, сварки, наплавки. В них встраивают специальные устройства в канал обратной связи т.к. необходимо определить переменные(температура в очаге сварки, сопротивление индуктора, магнитное поле индуктора в очаге сварки ), но сделать это сложно. В индукционных установках применяют тиристорные и транзисторные источники питания, на старых производствах электромашинные преобразователи частоты и иногда ламповые. При управлении индукционными установками значение имеют регулировочные характеристики источника питания, для регулирования или поддержания напряжения, тока, частоты и коэффициента мощности. 3. Дуговые плавильные установки. Применяются для получения качественных сплавов и сталей. Для любых видов этих установок, включая рудотермические и электрошлаковые, обеспечивается максимальное выделение мощности при допустимом токе. Для этого в печах имеются подсистемы перемещающихся электродов и дозирования электрической энергии. Типы рудотермических печей: а) рудоплавильные без проведения химических реакций с управлением количества выделяемой энергии. б) рудовосстановительные для получения чугуна, ферросплавов, возгонки фосфора карбида кальция: - с концентрацией энергии в реакторной зоне(закрытая дуга); - с выделением энергии в массе шлака; - с выделением энергии на поверхности ванны благодаря открытой дуге и горящих колошниках. Для рудотермических печей характерно регулирование напряжения питания, наличие устройства для перемещения металла, вращаемого магнитным полем, наличие привода перемещения электродов, устройства шихтоподачи с регулированием скорости, устройства слива конечного продукта, системы охлаждения. Важно обеспечение взаимосвязи работающих подсистем, а основным критерием ЭТУ является максимальная выдаваемая мощность при допустимом тока трансформатора. Вакуумные дуговые печи позволяют влиять на направление дуги магнитным полем. Управление программное, большие требования к быстродействию. Кроме этих рассмотренных ЭТУ применяются: лазерные, электроннолучевые, плазменные. С точки зрения электротехники важными являются вопросы управления выделяемой мощностью, формирования импульсных режимов, управления отклонениями луча. Тепловые процессы и их динамика Проектирование и наладку ЭТУ начинают с расчета тепловых процессов. Количество тепла изменяет состояние обработки тела. Нагрев тела характеризуется тремя режимами связанными с изменением агрегатного состояния. при нагреве при плавлении Закон теплообмена ; Динамические свойства ЭТУ на примере печи сопротивления Если температура постоянна во всем объеме, то ; ; ; ; - коэффициент теплопроводности ; ; ; ; ; Передача тепла осуществляется тремя способами: 1. Конвекция (при свободном движении молекул газа и жидкости) 2. Теплопроводность разных материалов Материал Теплопроводность () Алюминий 0,485 Медь 0,918 Сталь 0,115 Железо 0,061 Кирпич 0,0015 Бетон 0,0022 Вода 0,00131 Воздух 0,0000568 Азот 0,0000524 3. Лучеиспускание (передача тепла через вакуум или вещество ), характеризуется диапазоном излучения. Интенсивность излучения тепла , где l – расстояние от горячего тела до среды. Метод динамических аналогий Для определения мощности источника тепла составляют зависимости для расчета количества тепла необходимой для нагревания тела массой m, теплоемкостью С до заданной температуры. К этому расчетному значению добавляют потери тепла (стенки, открытие дверцы, провода). При этом учитываются тепловые инерционные свойства ЭТУ. Динамические характеристики установки определяются аналогично цепям ; ; ; - тепловая емкость системы ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; Переменные состояния тепловых динамических систем Все ЭТУ являются многомерными или многоконтурными системами. Многомерная система: Эти системы регулируются с учетом обратной связи по множественным выходным переменным(кроме температуры изделия могут использоваться ток, напряжение, температура внешней оболочки печи, давление в системе подачи специального газа, температура и давление масла в печном трансформаторе), либо с учетом сигналов производных этих переменных, для задания характеристики переходного процесса или предотвращения аварийных ситуаций. Поэтому в динамических системах имеется столько переменных состояний, сколько элементов системе способных запасать соответствующую энергию. Поведение линейной системы описывается дифференциальным уравнением: - корни рули - корни полюса Устойчивость системы определяется полюсами. Вводя вектор переменных состояний можно представить дифференциальное уравнение высокого порядка соответствующим числом дифференциальных уравнений первого порядка записанных в форме Коши. Для этого вводят: x = x1; x11 = x;; x21 = x3 … xn-11 = xn;; xn1- производная от переменной с высшим индексом; - пространство состояний Пример: ; ; ; ; ; . Скорость запасания энергии в переменных Хi зависит от суммы произведений многих переменных состояния на соответствующие коэффициенты матрицы динамических состояний. Возникает возможность для взаимной замены входящих в выражение переменных в некоторых пределах. Это основа решения задач оптимизации по выбранным критериям. Передаточные функции, матричные передаточные функции с расширенным вектором состояния. ; , где Экспериментальное нахождение Матричные передаточные функции ; ; ` Применяют расширенный вектор состояний, в котором кроме собственно переменных состояний включены дополнительные переменные состояния . Это позволяет перейти к многомерным исследованиям динамических состояний и определению воздействий любой переменной состояния из расширенного вектора состояний на любую другую. Расширенный вектор переменных состояний Имитация динамического моделирования предполагает, что любая переменная состояния, в том числе и входящие в расширенный вектор состояний, формируется на выходе интегратора. Модель ДПТ с расширенным вектором состояний Формирование расширенной матрицы динамики системы 0- показывает, что Uя и Мс формируются не с помощью производных. преобразование Лапласа , , (1), где Ф(t)- переходная матрица. - скалярная форма - векторная форма А- матричный экспонентциал Матричная переходная функция Матричная переходная функция позволяет по средствам простого умножения начальных состояний переменной на соответствующие коэффициенты матрицы переходной функции получить отклик аналогичной переходной функции если начальные значения (Х0) оцениваются как скачкообразное воздействие. Рассмотрим (1), для линейной системы справедливо Для определения составляющих переходной матрицы динамической системы целесообразно использовать имитационную динамическую модель. На диаграмме ИДН(схема переменных состояний) вводятся качественные условия(выходные значения интеграторов и t=0). Предположим что только интегратор имеет значение 1 (), а остальные интеграторы ,тогда вектор V(t) находим как произведение матричной передаточной функции на вектор нулевых начальных условий. Vj(t) измеряемая в момент времени более поздний чем начальный период процесса будет иметь вид: То есть элемент передаточной матрицы динамики системы определяется : Условие равносильно единичному ступенчатому воздействую, а каждый элемент матрицы Ф(t) оказывается равным реакции системы на единичное ступенчатое воздействие измеренное на iом интеграторе. Для использования ИДМ в этих целях производят этапы: 1. На модели реализуют уравнения, описывающие динамику систему с обобщенным вектором состояния. 2. На Jом интеграторе устанавливают единичные начальные условия, а на другом интеграторе нулевые. По очереди с каждым интегратором. 3. После каждой установки начальных условий модели она включается и устанавливается через Т сек. 4. Измеряются значения всех выходных сигналов интеграторов (переменные состояния) и определяется jый столбец матрицы Ф(Т0). Получаем всю матрицу Ф(Т0). Поскольку каждое переменное состояние характеризует долю энергии, сосредоточенной системой в определенном элементе системы, то для обеспечении наивысшей производительности установки эти переменные состояния регулируются так, чтобы обеспечивались определенные критерии(минимальный расход энергии для выполнения производственной программы; минимальное время достижения цели; обеспечение заданного закона изменения во времени). Это обеспечивается решением задач оптимизации. Электрическая система ЭТУ для регулирования переменных состояний. Программное устройство реализует алгоритм реализации технологами. Выходной сигнал программного устройства ставят в соответствии с выходной мощностью и заданной температурой, связывая их в зависимости от требуемой производительности печи. Переключатель питания в соответствии с максимальной мощностью задания по средствам некоторого устройства формирует на выходе соответствующее напряжение. Это напряжение подеётся на зажимы электрической печи сопротивления , либо через выключатель S(при нагреве). Возможна подача напряжения через исполнительный коммутатор. Коммутатор управляется с выходного регулятора. Таким путем энергия поступает в ЭПС при необходимом регулировании температуры в целях: - ее поддержания; - повышение температуры в заданной функции; - управляемого остывания детали во времени. В этих случаях программное устройство работает на канал формирования заданного тепла. Индукционные ЭТУ Регулируемыми переменными состояниями являются : температура нагреваемого изделия, напряжение индуктора, его частота. Частота чаще всего определяется видом и(или) размерами обрабатываемого материала и чаще всего не ставится в функцию тепла. Систему ЭТУ можно рассматривать как систему подчиненного регулирования тепла внутренним контуром , который является контуром регулирования напряжения индуктора Основной регулируемой подсистемой в ДСП является подсистема управления положением электрода. Однако в системах управления приводом перемещения электрода физически отсутствует контур непосредственного управления положением. Его роль исполняет внешний контур управления электрической мощностью дуги. Которая косвенно зависит от положения электрода. Контур автоматического регулирования температуры в ДСП трудно реализовать , следовательно он осуществляется только на уровне АСУ. В ДСП используется ряд дополнительных подсистем таких как устройства для перемещения металла, устройства шихтоподачи с изменением скорости, устройства слива конечного продукта. Схема управления этих устройств: Системы релейно-контакторной автоматики Системы РКА предназначены для управления основными состояниями электрооборудования: включены, выключены, изменение направления потока энергии (реверс), а также для защиты оборудования и блокировок, недопустимых в настоящий момент функций. Релейно-контактной схемой называется электрическая схема, состоящая из соединённых между собой контактов и реагирующих органов, на которые эти контакты воздействуют. В настоящее время получили распространение твёрдые твёрдотельные реле программируемые контроллеры, на которых также реализуется релейно-контактные схемы и по тем же правилам синтеза РКС, реализуемых на электромагнитных реле. Т.о РКС – это необходимый внешний уровень управления любой электрической установкой, в котором могут применяться бесконтактные элементы, однако основные электрические выходные цепи коммутируются механическими контактами. В ЭТУ важную роль играет релейная защита. Это комплекс реле и автоматов, собранных в электрические схемы, задача которых: отключение повреждённого элемента, за время не более 0,1, не более 0,3 секунды. Релейная защита должна реагировать на ненормальные режимы работы установки и действовать либо путём включения оповещающих сигналов (мигалок, сирен), либо по средствам отключения технических элементов, которые нельзя оставлять в работе. Требования к релейной защите: - избирательность - быстродействие - достаточная чувствительность - реализация по наиболее простой схеме с минимальным числом аппаратов - достаточная надёжность Основным элементом всякой схемы релейной защиты, является реле. Реле – это автоматически действующий аппарат, предназначенный производителем скачкообразное изменение в управляемых системах, при заранее определённом значении воздействующей величины. Для основного устройства ЭТУ печного трансформатора в зависимости от его мощности, типа, вместо установки и назначения могут быть предусмотрены защиты: - от однофазных замыканий на землю - от многофазных к.з. в обмотках и на выводах - от токов перегрузки и внешних к.з. - от понижения уровня масла в системе охлаждения В ЭТУ кроме релейной защиты предусматривают защитные технологические блокировки, целью которых является создание безопасности труда обслуживающего персонала. Блокировка – это фиксация рабочих органов аппарата в определённом положении таким образом, чтобы оказалось невозможным сочетание действий, или последовательности действий, создающих аварийную или безопасную ситуацию. Примеры этого: - ключ плавильщика (вилка сталевара), удаление которого приводит к выключению силового выключателя. - электрошлаковая печь включается только при условии, если есть вода в кристаллизаторе и поддоне. - индукционная ЭТУ отключает напряжение питания, при открывании двери конденсаторного помещения. - Индукционные и другие ДСП установки с печными трансформаторами обязательно используют схем управления переключателя ступеней напряжения через размыкающий контакт силового выключателя. Технологические блокировки. Связаны с необходимостью последовательного проведения технологических процессов, и в основном реализуются с помощью путевых выключателей, датчиков достижения заданных значений и реле времени. Примеры. 1. Вакуумная индукционная печь. Система блокировок связывает разлив металла по изложницам охлаждения слитков и извлечения их из плавильной камеры. Здесь система блокировок даёт разрешение, подготавливает цепи для следующего сигнала управления, чем определяет возможность проведения последующей операции после завершения предыдущей. 2. Агрегат закаливания и отпускания металлов. Система состоит из путевых выключателей, которые «заготавливают» сигналы на открытие или закрытие очередной камеры. - А в дуговой сталеплавильной печи включат нагреватели лишь после предварительного поднятия электрода и только после поднятия электрода позволяют повернуть свод. Таким образом осуществляется автоматическое управление последовательных процессов, при помощи блокировок. Элементы из которых состоят релейно-контакторные схемы, можно разделить на 3 группы: 1) приёмные элементы, воспринимающие внешнее воздействие, и в соответствии с ним замыкающие или размыкающие отдельные цепи схем. 2) Исполнительные элементы, выполняющие функции, для которых и предназначена электросхема: эл. двигатели, электромагниты, сигнальные устройства 3) Промежуточные элементы, обеспечивающие определённую последовательность работы элементов схемы, определённые временные интервалы между срабатыванием элементов. Примеры таких элементов являются контакторы ускорения, реле выдержки времени Приёмные элементы обычно обозначают первыми буквами латинского алфавита, а принадлежащие им контакты, нормально открытые: A,B,C…a, b, c, … Исполнительные элементы обозначают последними буквами латинского алфавита. X,Y,Z, x, y, z, … Промежуточные: N,P,Q… n,p,q… Принципиальные электрические схемы изображают в виде структурных схем. Таких, у которых вместо контактов и реагирующих органов изображаются соответствующие им буквы. В теории релейно-контакторных схем приняты следующие классификации: по числу реагирующих органов. А) одноэлементная схема, имеющая 1 реагирующий орган, принадлежащий исполнительному элементу. Б) многоэлементная схема со многими реагирующими органами, которые могут принадлежать как исполнительным, так и промежуточным элементам. Классификация по характеру работы: А) Однотактные Б) Многотактные Проектирование с помощью синтеза схемы – когда по заданному условию определяется тип схемы, последовательность работы, характер соединения элементов. Исследование существующей или спроектированной схемы ведется с помощью анализа (определение условий работы каждого элемента и последовательность их работы). С помощью анализа можно добитья упрощения схемы. К математическим аппаратам (ТРКС) относятся законы алгебры-логики. Наиболее общий метод синтеза логических схем является метод: нормально дезъюктивных функций (построение таблицы истинности на основе желаемых реакций на воздействие). Пример 1 а3 а2 а1 Х1 Х5 1 1 1 1 1 1 а2а3 а1 1 Пример 2 а3 а2 а1 х 1 1 1 1 1 а2а3 а1 1 1 Пример 3 При На 2 ИНЕ По таблице истинности записываются уравнения для выходных переменных В дизъюнктивной нормальной форме (ДНФ). Эти уравнения могут подвергаться анализу в целях упрощения карты Карно, а могут быть непосредственно реализованы при помощи: 1.Инверторов. 2.Элементов «И» для каждой составляющей векторного уравнения. 3.Суммирующая логическая схема «ИЛИ» для объединения выходов, составляющих векторного выходного сигнала. Дизъюнкция. Именно такой способ реализован в программируемых логических интегральных схемах ПЛИС. В них при помощи программирования производятся нужные соединения. Для этого используют специальное программное обеспечение. Программаторы и оценочные платы. Таким образом, проектируется комбинационные схемы, в которых выходные величины зависят от комбинаций входных величин. При изменении любой из входных величин, получаемых с датчиков, немедленно изменятся соответствующие выходные величины(переменные), независимо от предыдущего состояния схемы. Однако, существует необходимость в организации процессов управления, когда выходная величина должна зависеть не только от входных сигналов, но и от предыдущих состояний схемы. Такая схема называется последовательностная схема, она обязательно содержит элементы памяти – это регистры, построенные на триггерах. Они реализуются при помощи автоматов Милля или автоматов Мурра. Для реализации таких автоматов применяются цифровые вычислительные устройства (ЭВМ или микропроцессоры). Они реализуют вычислительный процесс по некоторой программе, с учётом сигналов на выходе элементов памяти. Проектирование релейно-контакторной схемы Приведём пример синтеза схемы электропривода, построенной на физических элементах. Исходные данные: привод имеет 2 двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, работающие поочерёдно. Если произойдут какие-то отклонения от номинального режима или в аварийном случае работающий двигатель должен аварийно отключиться, а другой – включиться в работу. Условия работы привода: электропривод должен выполнять след операции: 1) Включать и отключать двигатели при поступлении соответствующих команд. 2) Переключать нагрузки на другой двигатель, при нагреве первого (работающего) до температуры больше или равно 100 градусов Цельсия. 3) Не допускать возможности обратного переключения независимо от температуры работающего двигателя, пока t 1-го отключенного двигателя не снизится до значения меньше или равно 90 градусов Цельсия. 4) Отключать двигатель, вышедший из строя по причине к.з. или по причине обрыва питающей цепи и одновременно включать в работу другой двигатель, независимо от его температурного состояния. А также исключать возможность последующего включения аварийного двигателя. 5) Защищать электродвигатель от перегрузок 6) Обеспечивать аварийное включение привода при выходе из строя коммутационной аппаратуры. 7) Указывать световой сигнализацией, какой из двигателей работает. Определение числа элементов привода Составим таблицу, где укажем наименование элементов, включаемых в схему, их назначение и условное обозначение. № Наименование эл-та Назначение эл-тов Условное обозначение 1 Командное реле Включение ЭП A 2 Первый электродвигатель Исполнительный двиг-ль X1 3 Второй эл.дв Исполнительный двиг-ль X2 4 Силовой контактор Включение 1-го эл.дв К1 5 Силовой контактор Включение 2-го эл. дв К2 6 Полупроводниковое термосопротивление Контроль t 1-го эл.дв Rt 7 Промежуточное реле Отключение 1-го эл.дв при 140 градусах Цельсия и выше и включение 2-го эл.дв L 8 Промежуточное реле Контролирует обрыв в цепи 1-го эл. дв M1 9 Промежуточное реле Контроль обрыва в цепи 2-го эл.дв М2 10 Автомат тепловой защиты Защита 1-го ЭД от перегрузок N1 11 Автомат тепловой защиты Защита 2-го ЭД от перегрузок N2 12 Лампа сигнальная Сигнализация исправной работы 1-го ЭД Q1 13 Лампа сигнальная Сигнализация исправной работы 2-го ЭД Q2 Структурные формулы элементов и схем ЭП 1) Элемент Х1 получает питание при срабатывании К1 и не срабатывании N1 2) Элемент Х2 получает питание при срабатывании К2 и не срабатывании N2 3) Элемент k1 срабатывает при срабатывании А и не срабатывании L или не срабатывании М2 4) Элемент k2 срабатывает при срабатывании А и не срабатывании L или не срабатывании М1 5) М1 замыкает своими контактами при срабатывании к1 и не срабатывании n1 6) М2 замыкает своими контактами при срабатывании к2 и не срабатывании n2 7) Q1 8) Q2 9) L Структурная схема ЭП получается путем сложения структурных формул отдельных ее элементов. Fстр = F(x1)+ F(x2)+ F(k1)+ F(k2)+ F(M1)+ F(M2)+ F(Q1)+ F(Q2) +F(L) Представим в виде многомерного структурного вектора, составляющие которого могут принимать значения 0 и 1. Значение истинно 1 если элемент получает питание. По этой функции строим схему ЭП По структурной схеме можно построить принципиальную схему. Порядок работы схемы для разных ситуаций в символичной форме описывается при помощи формул включений. Рассмотрим случайное переключение на 2ой двигатель из-за нагрева 1го да 140 градусов. Включенное состояние “+”, выключенное “-”. Формула включений: П1 = +L + k2 + x2 + M2 + Q2 – k1 - x1 - M1 - Q1 Рассмотренная схема представляет собой последовательностную схему. В них исполнительный элемент срабатывает при заданной комбинации не только входных сигналов, но и под действием элементов, срабатываемых в результате появления определенного состояния исполнительного и промежуточных элементов схемы. Последовательностные схемы могут бать асинхронными, срабатывающими в любой момент времени при появлении соответствующей комбинации выходных сигналов, но чаще всего исполняются синхронными (тактируемые). Срабатывание в них элементов при условии одновременного формирования: необходимой комбинации выходных сигналов и синхроимпульса от тактового генератора. В электрических установках РКС относят к асинхронным, они могут быть комбинационными и последовательностными, но процессы идут параллельно. Метод позволяет описывать : Сети Петри, позволяет убедиться в логической корректности функционирования, достичь нескольких составляющих, найти тупиковые состояния и др характеристики. Позволяет исследовать параллельные процессы от юриспруденции до проектирования робастных систем. Представление реальной системы в виде сети Петри – наглядно и формально. Сеть Петри – направленный двудольный граф в котором кроме ребер (стрелки) есть2 типа вершин (переходы и позиции). Графически сеть Петри изображается диаграммой переходов и состояний. Позиция своими выходами соединяется со входом(ми) перехода ti . ti – ым возможно срабатывание если позиция соединена с этим входом хотя бы одним маркером. Из предыдущей позиции убирается 1 маркер, который передается по каждому выходу перехода в другие места. Это правило реализации сетей Петри. Оно характеризует работу последовательно-паралельных схем и позволяет проследить возможность срабатывания всех элементов. - Состояние позиции - переход Если в позиции есть маркер, он по дуге идёт по переходу, который возбуждается и маркер с выхода перехода переходит в другую позицию. А также вектором переходов Описывающие системы связей со входами и выходами переходов Input зависит Определяет наличие маркера в от позиции Динамика сетей Петри зависит от исходной разметки позиции - исходная разметка позиции Динамика срабатывания схемы отображается на ней в виде копий структуры, в которых маркер будет переходить с позиции на позицию. То есть, последовательность срабатывания данной сети Петри будет отображаться последовательностью векторов разметки. Сеть Петри называется активной, если все переходы в ней могут сработать при смене состояний от до , при этом символы появятся во всех позициях за период цикла. Тупиковое состояние – это случай, когда при всех разметках какой-то переход не может сработать, если в сетях Петри возникло тупиковое состояние, это свидетельствует об ошибки либо при описании, либо при моделировании. Следовательно, необходимо повторное исследование. Схемы с контакторно-релейной аппаратурой К настоящему времени разработано множество схем, отражающих всевозможные узлы автоматизации. Эти схемы собраны в справочниках и каталогах. Автоматизация процессов управления технологическими, силовыми, тепловыми и термодинамическими процессами строятся функцией: положения (пути), скорости, давления, t, и других величин, характеризующих технологический процесс. Датчиками этих величин (аргументом функции срабатывания узлов автоматики) являются: путевые выключатели, фотореле, ёмкостные и индукционные приборы работающие в функции «положение механизма», «деформации» и др. А также: контактные манометры, реле времени и т.п. Примерами узлов схем автоматизации могут быть: - схемы ручного и автоматического управления. - схемы управления приводом ручных или агрегатных инструментов, с применением избирателя направления, с автоматическим выбором движения вперёд или назад. - управление приводом с применением шайб путевого выключателя. - схема, обеспечивающая механическое, возвратно-поступательное движение. - схема с управлением в функции времени. Для дальнейшего изучения систем автоматического управления реальными установками, необходимо иметь знания о конкретных элементах таких групп как: 1) датчики, измеряющие величины переменных состояния технологического процесса и объектов управления, 2) исполнительные элементы, регулирующие потоки энергии и вещества в автоматизированных процессах А также необходимо описание самих объектов управления. Датчики систем управления ЭТУ Датчики – это элементы, формирующие некоторую значимую для технологического процесса величину, пропорциональную определённой переменной состояния. К датчикам условно можно отнести и задатчики, которые формируют заданное значение этой некоторой переменной состояния. О температуре судят по изменению физических свойств (электрическое сопротивление, размеры, объем и др.). В зависимости от используемых физических свойств вещества различают виды чувствительных элементов: • Жидко-стеклянные, основаны на различном тепловом распирании жидкости и стекла (градусник) • Биметаллические элементы, основаны на различном коэффициенте теплового расширения 2ух соединенных металлических пластин • Термоманометрические, основаны на изменении давления жидкости, пара или газа в замкнутом объеме при изменении их температуры • Термоэлектрические, основаны на изменении термо ЭДС в месте контакта 2ух разнородных металлов • Термометрические сопротивления, основаны на изменении сопротивления металлов от температуры • Фотоэлектрические, основаны на изменении в зависимости от температуры силы тока, возникающей при освещении фотоэлемента потоком излучаемым нагретым телом • Полупроводниковые, основаны на изменении тока или прямого падения напряжения р-n перехода при изменении температуры Приборы, предназначенные для измерения температур до 500-600 градусов Цельсия, принято называть пирометрами. А для измерения более высоких температур. Интервалы температур, в которых возможны применения тех или иных приборов. № Тип чувствительности элементов Диапазон температур 1 Термометрические расширения -200 оС…500 оС 2 Манометрические термометры -130 оС…550 оС 3 Термометры сопротивления -200 оС…500 оС 4 Термоэлектрические пирометры (ТЛ) +200 оС…1600 оС 5 Пирометры излучения от +400 о Схемы термометров расширения Термометр расширения с плоской пружиной. Термометр расширения со спиральной металлической пружиной Схемы термомонометрических термометров 1 – ампула с наполнителем (чувствительный элемент) 2 – копиляр 3 – сильфон 4 – выходной шток По роду вещества, заполняющего ампулу, различают жидкостные, паровые и газовые термометры. Жидкость – это ртуть или ксилол. В паровых термометрах используется в качестве наполнителя тугокепящая жидкость: хлор-этил, хлор-метил, бензол, ацетон. Газовые термометры заполняются азотом или гелием. Копиляр и манометр заполняют вспомогательной жидкостью. Это смесь глицерина с водой или спиртом. Термометр сопротивления Если ток I2 не будет равен току I3, значит ток через гальвонометр нулю не будет равен. При равновесии токи должны быть равны, тогда гальвонометр нам ничего не покажет. Здесь он как индикатор равновесия баланса. Термометрические сопротивления делаются в виде тонкого проводника из меди или платины. Термометрическое сопротивление делают ввиде тонкого проводника, намотанного на каркас из изоляционного теплостойкого материала (например слюда) и помещённого в защитный чехол. Для изменения температуры среды в неё помещается термометрическое сопротивление, через которое пропускается ток. По изменению сопротивления, судят о температуре среды. Для измерения сопротивления широко применяются измерительные мосты. Схема уравновешенного моста на токе работает так: Для измерения температуры мост должен быть уравновешен. Для этого, перемещая движок R3, добиваются состояния схемы, при котором нуль-гальванометр Г показывает отсутствие тока в диагонали моста. При этом, справедливы следующие уравнения: Условия равновесия моста не зависит от изменения напряжения питания Ub. Это и обеспечивает высокую точность измерения. Уравновешивание моста обычно осуществляют автоматически, для чего движок реостата передвигается под воздействием гальванометра Г. Термоэлектрические пирометры Термоэлектрический чувствительный элемент. (открыл Зеебек) Зависимость от температуры горячего спая позволяет по величине термоэдс судить о температуре среды, омывающей термопару. Термопара из неблагородных металлов: Хромель-алюменль Железо-копель Медь-копель Пригодны для изменения t от 0 до 500 0С, при этом ЭДС у них будет 5мВ: Однако, для измерения термоЭДС, применяют автоматические потенциометры, реализующие компенсационный метод измерения ЭДС. Здесь напряжение Uп и ЭДС термопары направлены на встречу друг другу. Движок резистора R перемещается до тех пор, пока гальванометр не покажет отсутствие токов в сети термопары. При этом ЭДС Eтп будет скомпенсировано напряжение U12. Шкала перемещения резистора может быть градуирована в единицах температуры. Передвижение в автоматическом потенциометре движка осуществляется автоматически, с помощью системы стабилизации, поддерживающей ток в цепи пирометра, равный нулю, за счёт передвижения движка. Термоэлектрические пирометры применяются в тех точках, где температура относительно высокая: перегретый пар, термические установки, дымовые газы. Пирометры излучения 1. Оптические пирометры – это приборы, принцип действия которых основан на использовании зависимости интенсивности монохроматического излучения от температуры в видимой части спектра. Изобразим схему оптического пирометра «с исчезающей нитью» Излучение светящегося нагретого тела проходит через объектив 1 сквозь лампу накаливания 2, через которую пропускается ток от источника постоянного напряжения Uпит . Нить накаливания лампы помещается в фокусе объектива. Наблюдая за светящейся нитью и изображением источника излучения через светофильтр 3 и окуляр 4, перемещением движка реостата добиваются того, чтобы яркости нити лампы и источника совпадали. (Чтобы изображение нити исчезло). Светофильтр 3 пропускает лишь красный свет при длине волны . Яркость свечения лампы зависит от напряжения, измеряемого вольтметром 6, а с другой стороны, яркость излучения тела зависит от его t. Это позволяет градуировать шкалу вольтметра 6 в единицах яркостной t. Истиная t определяется вычислениями по формуле: , где Тя - яркостная температура, определяется по таблице. – коэффициент черноты монохроматического излучения. - длина волны. - коэффициент в мили Кельвинах Показание записывается, когда раскалённая нить лампы не видна на фоне источника. Такие пирометры применяются для измерения температуры в высокотемпературных печах и топках котлов. 2. Фотооптические пирометры. Это приборы, основанные на зависимости возникающего в фотоэлементе тока от интенсивности падающего на него монохроматического излучения. В фотоэлектрических пирометрах потокоизлучение нагретого тела проходит через объектив 1, в фокусе которого размещается элемент 3. Перед фотоэлементом устанавливают красный светофильтр 2, пропускающий лучи 0,65 микрон. Сила тока фотоэлемента служит выходной переменной чувствительного элемента, которая усиливается усилителем 4. Шкала вторичного прибора 5 градуируется в единицах яркостной температуры. Для получения истинной t необходимо воспользоваться следующей формулой*. Фотоэлектрические пирометры широко применяются в системах автоматики. Приборы для изменения давления. Давление жидкости или газа определяется силой, действующей на единицу площади поверхности по направлению к нормали поверхности. Различают 4 вида давления: - атмосферное, - абсолютное, - избыточное, - разряжение. Атмосферное (барометрическое) – (Ратм) – есть давление, производимое весом воздушного столба атмосферы. Оно медленно меняется во времени. Абсолютное давление – это полное давление, под которым находится жидкость, пар или газ в сосуде. Избыточное давление – это избыток абсолютного давления над атмосферным. Рабс – в сосуде. Ризб = Рабс - Ратм Разряжение – называется недостаток абсолютного давления до атмосферного. Рразр = Ратм - Рабс В международной системе единиц давление изменяется в Ньютонах на квадратный метр. В технике в качестве единицы измерения применяется та же атмосфера, равная: 1атм = 1 кгс/см2Бар Для измерение малых давлений используются миллиметры ртутного и водяного столба. Для систем автоматического регулирования контроля давлений применяют следующие чувствительные элементы и датчики: - жидкостные элементы, в которых измеряемое давление уравновешивается давлением столба жидкости. - упругие элементы, в которых используется зависимость деформации упругого тела от действующего на него давления. - электроманометрические элементы, основанные на изменении электрического сопротивления проводника, находящегося под действием давления окружающей среды. - индуктивные, ёмкостные и реостатные датчики. Основанные на преобразовании деформации упругого тела, вызываемой контролируемым давлением в изменение индуктивности, ёмкости и сопротивления электрической цепи - пьезоэлектрические элементы, - вырабатывающие электрические заряды при действии на них давления (как правило, пульсирующего давления). Приборы для измерения полного или избыточного давления называют манометрами, для измерения разряжения – вакуумметрами, а для измерения атмосферного давления – барометрами. Манометры, основанные на преобразовании деформации упругого тела под действием давления в изменении электрической величины, называют электрическими манометрами. Жидкостные чувствительные элементы В которых измеряемое давление сопоставляется с давлением столба жидкости. Применяется в измерительных приборах жидкостных манометрах. (U-образный жидкостный манометр и чашечный жидкостный манометр) U-образный изготавливается из вертикально укрепленной U-образной прозрачной трубки, заполненной жидкостью. Один конец трубки сообщается с резервуаром, в котором измеряется давление Px, а другой – с атмосферой, где давление Pатм. Величина измеряемого избыточного давления ; Где гамма – удельный вес рабочей жидкости, а h=h1+h2 h- разность высот столбов жидкости в 2-х коленах трубки. Если присоединить концы трубки к сосудам с разным давлениям, получим дифференциальный манометр. (диф. манометры - приборы для измерения разности давления) Чашечный манометр – позволяет упростить отсчёт, поскольку, в виду разности диаметров чашки и трубки малому опусканию уровню жидкости в чашке соответствует значительный подъём уровня в трубке. Поэтому h приблизительно – h1. Следовательно, вместо отсчёта 2-х величин, достаточно сделать отсчёт одной - h1. Жидкости для заполнения жидкостных манометров приведены в таблице. Жидкостные манометры используют в системах теплотехнического контроля, как показывающие приборы. Их достоинства: малая стоимость и простота, недостатки: небольшая величина измеряемых давлений и невозможность дистанционной регистрационной передачи и регистраций показаний. Рабочая жидкость Удельный вес при 200С С2Н5ОН 0,79 Керосин 0,82 Бензол 0,88 Толуол 0,864 Вода 0,998 Глицерин 1,257 Бромистый этилен 2,165 Ртуть 103,546 Упругие чувствительные элементы. В качестве упругих чувствительных элементов применяются сильфоны, плоские мембраны и трубчатые пружины. Одновитковые трубчатые пружину заполняются средой, давление которой контролируется. Один конец закреплен неподвижно и соединяется с резервуаром, в котором изменяется давление. Другой конец – запаянный. Перемещается при изменении давления внутри трубчатой пружины. Трубчатая пружина имеет эллипсоидальное сечение, и если давление ей распирает, она округляется и стремится выпрямится. Угол – функция давления. Сильфон – это цилиндр с гофрированными стенками. Перемещение дна сильфона, связанного с выходным рычагом пропорционально измеряемому давлению. При равных условиях, это перемещение больше, чем у одновитковой пружины в пространстве. Это достоинство, потому что повышенная чувствительность, однако погрешность измерения давления с помощью сильфонов – больше. Сильфоны изготавливаются из томпака (низкие давления), бериливой бронзы – (высокие давления) Плоская мембрана изготавливается из прорезининой ткани и применяется… В противном случае, мембрану надо делать толще – по соображениям прочности. Это сильно уменьшает чувствительность. Достоинством мембранных элементов является удобство её защиты от агрессивной среды, путём покрытия фольгой из серебра или платины. Но перемещение мембраны значительно меньше, чем перемещение дна сильфона. Если соединить подвижный конец этих чувствительных элементов с преобразователем перемещения в напряжение, то получим пружинный монометр. Мембранные приборы, предназначенные для измерения тяги или напора изменения котельных вентилятора, называются тягомерами или напоромерами. Приборы для измерения вакуума. В плазменных установках и в компрессорных печах где нагнетается газ, для того чтобы был лучший теплообмен, давление меняется соответственно: от 10-7 мм рт. ст. до n1000 атм. Для измерения глубины вакуума применяют термопарные термоэлектрические манометры. Их принцип действия основан на том, что разреженные газы хуже отводят тепло. Источником тепла является нагреваемый конец термопары. Энергия, преобразуемая в это тепло имеет нормируемую величину и по электрическому сигналу с термопары можно судить о глубине вакуума. Датчики, преобразующие деформацию упругого тела под действием давления или механического усилия в электрический сигнал. Такое преобразование необходимо для построения систем автоматического регулирования. (В принципе существует система автоматического регулирования выполненная полностью на гидравлических и пневматических элементах). Для данной цели применяют индуктивные датчики, емкостные и преобразователи сопротивления. Использование потенциометра в электрических системах регулирования давления может быть в 2-х формах: Выходной величиной такого датчика может быть электрическое сопротивление, если потенциометр включен в электрическую цепь как реостат, или выходной величиной может быть напряжение, если потенциометр включен в цепь как делитель напряжения. Датчик, использующий эффект изменения индуктивности при перемещениях также может использовать 2 вида явлений: либо переменный коэффициент самоиндукции, либо переменный коэффициент взаимной индукции. В последнем случае такой датчик называется индуктивным трансформаторным датчиком. Сигнализаторы давления Они дают звуковой или световой сигнал при достижении контролируемого давления предельного значения. Сигнализаторы используют для получения информации о недопустимом повышении или понижении давления масла трансформаторов и картерах машин, воды в котлах и т.д. Датчики расхода Расход – количество вещества протекающее по трубопроводу в единицу времени. Бывает мгновенный и средний за определенный промежуток времени. Объемный расход: Q[м3/с], Массовый: М[кгс/с], Весовой: G ρ – кг/м3, γ – кгс/ м3 В САР жидкости, пара или газа применяют : - Анемометрический (анемометры) вертушки Q = V Sсечения - Дроссельный зависимость мгновенной скорости потока в данной точке от разности между полным и статическим давлением в этой точке. - Гидродинамические элементы. Основаны на зависимости мгновенной скорости потока в данной точке от разности, между полным и статическим давлением в этой точке. - Ультразвуковые элементы. Используют зависимость сдвига фаз ультразвуковых колебаний, распространяемых в потоке и в воздушной среде. (либо по направлению потока, либо против него) от скорости потока и следовательно мгновенного расхода. - Индукционные элементы. Основаны на зависимости ЭДС, наводящейся при движении потока проводящей жидкости между полюсами магнита, в зависимости от скорости потока. - Калориметрические элементы. Они устроены так: - Ротометрические элементы. Они основаны на зависимости расхода от перемещения поплавка, плавающего в вертикально установленном трубопроводе в коническом патрубке. Измерительные приборы, показывающие мгновенное значение расхода, называются расходомерами. Приборы, которые определяют суммарное количество вещества, прошедшее через трубопровод за определённый период времени, называются счётчиками расхода. Они позволяют определить среднее значение расхода за рассматриваемый период времени. Измерительные приборы основаны на непрерывном отмеривании порций объёма вещества, протекающего через трубопровод, называются объёмными счётчиками расхода. Приборы с анемометрическими, подсчитывающие количество протекающего через трубопровод вещества в зависимости от скорости потока, называют скоростными счётчиками расхода. Приборы с гидродинамическими чувствительными элементами позволяют замерить в определённых точках сечения трубопровода мгновенное значение скорости, и усреднив их, определить мгновенное значение расхода. Они называются скоростными расходомерами. Приборы с дроссельными чувствительными элементами позволяют определить мгновенное значение расхода в зависимости от перепада давления на сужающем устройстве. И носят название дроссельных расходомеров, или расходомеров переменного перепада давления. Объёмные счётчики расхода Их разделяют: - поршневые, - дисковые, - шестерёнчатые, - ротационные. Частота вращения крыльчатки пропорциональна скорости. При больших расходах применяют винтовые анемометры. Если анемометр соединить с тахогенератором, получим электрический скоростной расходомер. А если ось крыльчатки связать со счётным механизмом, получим скоростной счётчик расхода. Дроссельные чувствительные элементы Индукционные чувствительные элементы. Применяют в системах расхода электролитов и жидких металлов. Приборы для изменения уровня Уровень жидкости в резервуаре определяется высотой от точки начала отсчёта и измеряется в единицах длины. В системах автоматического регулирования контроля используются следующие элементы: Поплавковые элементы - основанные на поддержании полого тела силой Архимеда на поверхности жидкости, уровень которой изменяется. Мембранные элементы – воспринимающие пропорционально уровню давления высоты столба жидкости в резервуаре. Буйковые элементы – представляющие собой, подвешенные на пружине и частично погруженное в жидкость тело, на которое действует выталкивающая сила, меняющаяся при изменении уровня жидкости. Ёмкостные элементы – их действие основано на зависимости ёмкости конденсатора, пространство между пластинами которого заполнено жидкостью от уровня этой жидкости. Измерение электрических величин Измерители электрических величин переменного тока К ним относятся: напряжение (мгновенное, действующее, среднее и максимальное значение), ток (мгновенное, действующее, среднее и максимальное), частота периодического сигнала и фазовый сдвиг электрической величины относительно некоторой другой. Напряжение измеряется при помощи измерительных трансформаторов, как правило понижающих. Они должны иметь максимальное входное сопротивление и минимальную погрешность при передаче формы сигнала, а значит и фазы. Измерение мгновенного, среднего, действующего или амплитудного значения – это функции специальных преобразователей, подключенных к выходной обмотке трансформатора напряжения. Эта формула (1), она описывает напряжение на входе вольтметра. Относится к действующему, амплитудному, а в идеальном случае и к мгновенному значению напряжения. Для уменьшения ошибки, амплитуды, действующего значения и фазы, необходимо выполнение условий: 1) Ток I2’ должен быть стремящимся к нулю. Кроме того, абсолютное значении намагничивающего тока Iмю, поэтому число витков должно быть значительно больше числа витков обычного трансформатора Измерение мгновенных значений необходимо для построения регуляторов и средств защиты. При помощи импульсного элемента и элемента-формирователя, которые в совокупности могут быть реализованы вот такой схемой, обеспечивается измерение мгновенного значения напряжения. 2) Амплитудные значения также представляют собой мгновенное значение напряжения в момент достижения максимума. 3) Преобразователь действующего значения. Это величина напряжения, которая при подставлении в формулу даст такую же мощность, которую даёт 4) Среднее значение напряжения. Следует относить к выпрямленному напряжению, которое оказывает такое же действие, например на гальванический объект, либо на среднее значение момента электрической машины, или на среднее значение тока в обмотке электрической машины, как и равное по величине напряжение постоянного тока. Измерители тока Для того, чтобы в первичной обмотке трансформатора было минимальное паденение напряжения, число витков первичной обмотки должно быть минимально. Для уменьшения индукции в сердечнике, число витков W2 берётся возможно больше, исходя из противоречивых условий занимаемого объёма обмоткой и коэффициента передачи тока Поскольку, все основные съемы преобразования удобнее делать применительно к напряжению, а не к току, то для превращения измеренного тока в напряжение, вместо амперметра ставится Rэт . Сопротивление Rэт должны быть максимально возможными. Благодаря преобразованию тока в напряжение, возможно применение всех преобразователей переменного напряжения в мгновенное, амплитудное, в действующее и среднее, устанавливаемых после трансформатора тока. Измерение частоты Основано на принципе сравнения частоты измеряемого периодического сигнала с частотой переменного генератора. Если частота сети должна быть измерена с большой точностью, то целесообразно изменить роли генератора и источника периодического сигнала. То есть, следует период напряжения сети заполнять импульсами очень высокой частоты. Например, с периодом 1 мкс. Тогда счётчик будет показывать период напряжения сети с точностью до микросекунды, а частоту надо будет вычислить по средствам операции деления. Измерение фаз Измерение переменных в цепях постоянного тока В - индукция магнитного поля I – ток в пластине Δ – толщина пластины Кпос (относительная подвижность) – скорость при единичном градиенте напряжения n – концентрация носителей электричества е – заряд электронов Датчик Холла Эффект Холла в пластине с током в магнитном поле: он выражается в смещении носителей электричества к краям пластины в которой возникает эффект Холла. Обычно дина пласины намного больше ширины и толщины. Датчик Холла из металла не пригоден для практики т.к. возникающая ней ЭДС Холла соизмерим с ЭДС помех от магнитных полей. Большая ЭДС Холла возникает при электронной проводимости (германий, монокристаллы). Пленочные датчики наносятся с помощью распыления на металл слюды по поверхности толщиной 0,0002-0,005 см. Для изоляции и прочности используют шлаковые покрытия. Для компенсации погрешности используют: Компенсированная схема датчика постоянного тока с элементом Холла Подобные датчики тока позволяют измерять токи в области пропускания частотного сигнала вплоть до нулевых частот любой полярности. Однако, их полоса пропускания ограничивается частотами нескольких килогерц. Угловые решающие устройства К ним относятся синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы (СКВТ) и сельсины. СКВТ более точные. Эти датчики нужны для дистанционной передачи угла поворота вала, для синхронизации вращения 2-х валов, а также используя как чувствительный элемент в преобразователях: угол поворота - цифровой вход. Тахогенераторы К ним относятся устройства, для измерения скорости вращения, а в совокупности с интегратором – устройство для вычисления совокупного угла поворота. Более точными помехоустойчивыми и малоинерционными являются тахогенераторы переменного тока, построенные на основе 2-х фазной асинхронной машины с полым ротором. Переменным током создаётся пульсирующее магнитное поле по оси обмотки W1 . Датчики мощности Счетчики энергии можно использовать для измерений, но из-за инерционности процессов их не используют. В дуговых сталеплавильных печах ЭП перемещения электродов управляется функцией мощности дуги, при этом ток и напряжение, характеризующие длину дуги не синусоидальные. Следовательно требуется устройство измерения мощности выделяемой в дуге. Входным сигналом термопреобразователя является входное напряжение, подводимое к нагревателю, а выходным ЭДС термопары, в датчике мощности с 2мя термопреобразователями . - коэффициент датчика мощности- чувствительность ЭДС к чувствительности мощности. Исполнительные элементы системы управления ЭТУ Дискретное регулирующее устройство Дискретное изменение напряжения ЭТУ с помощью трансформаторов с отводами и коммутационной аппаратурой (контакторы, тиристорные переключатели). Для ЭПС применяются 1фазные или 3фазные масляные трансформаторы до 250 кВт с 4-10 ступенями напряжения, если переключение не используется, а положение перемычек изменяется в ручную при отключенной нагрузке, то автоматическое управлении не возможно, а следовательно переключение должно быть с возможностью автоматического переключения. ИНУ промышленной частоты: 1фазные или 3фазные с первичным напряжением 10кВ и вторичным (2,4-0,51)кВ и мощностью от 400 до 20кВт. Трансформаторы этой специальной серии с дистанционным переключением. При этом если мощность меньше 1МВт отводы переключаются под нагрузкой. ДСП и РТП: используют специальные 1фазные или 3фазные трансформаторы с масляным охлаждением. Мощность до 125 МВт и напряжением до 220 кВ. трансформаторы до 23 ступеней напряжения. Переход с одной ступени на другую производится в агрегате: при мощности до 10МВт – ПБВ (переключение без возбуждения), при мощности более 10 МВт – РПН (регулирование под нагрузкой). Из-за увеличения напряжения дистанционного переключения, время переключения с одной ступени на другую от 0,5 до 1 сек в схемах автоматического регулирования напряжения. Такой источник питания – интегральное звено. ЭШП: трансформаторы работают в более легких условиях, но имеют до 89 ступеней напряжения при мощности до 5 МВт. Вакуумные печи и плазмотроны: используются специальные трансформаторы в составе тиристорных преобразователей для тонкого регулирования мощности дуги. Аппараты дискретного регулирования мощности ЭТУ при снижении напряжения до 500В – электромагнитные контакторы и тиристорные переключатели. Они же служит и для позиционного и импульсного регулирования температуры ЭПС. Контактор с промежуточным реле используется для увеличения время срабатывания. tвклк1 = 0,03-0,05с, tвыклк1 = 0,01-0,02с fдоп = 600-1200 преключений/час Недостатки контакторов: - малый ресурс работы при частых вкл-откл - малая fдоп - сложность эксплуатации из-за профилактических работ - сильный шум при срабатывании При необходимости ШИР регулирования с высокой точностью применяют тиристорные переключатели. Их достоинства: - большая частота переключения до 8тысяч переключений/час - время службы до 8 лет при частоте переключений до 400 переключений/час - прост в обслуживании -искро и взрыво безопасен - отсутствие шума в работе Недостаток: стоимость в 4 раза больше чем Э/М контакторы. Для переменного тока используют схему тиристорного коммутатора: Тиристоры выполнены на токи до 250 Ампер, мощностью 25 кВт при 1фазном исполнении. Тиристоры работают в 3ех режимах: a) fк < fсети б) fк = fсети (фазовый регулятор) в) fк > fсети (GTO,IGCT) Устройства с плавным регулируемым напряжением питания К ним относятся: 1) трансформаторы с плавным регулированием коэффициента трансформации 2) индукционные регуляторы напряжения 3) магнитные усилители 4) тиристорные регуляторы напряжения Для плавного регулирования ЭПС Используют регулируемые трансформаторы до 25 кВт сухие и масляные. Снижение вторичного напряжения с помощью регулируемых связей первичной и вторичной обмоток путем перемещения вторичной относительно неподвижной первичной. Индукционные регуляторы напряжения: Представляют собой вертикально расположенный АД с ФР заторможенным, поворот его осуществляется с помощью вспомогательного ЭД через червячный редуктор. При изменении угла поворота обмотки ротора относительно статора напряжение меняется по зависимости U2 = kU1cosӨ Достоинством регулируемых трансформатором и пирометров является синусоидальная форма выходного напряжения во всём диапазоне регулирования. Недостаток – низкое быстродействие и надёжность. Динамические свойства таких регуляторов определяется временем перемещения подвижной обмотки электрической машины, а в системах управления такие регуляторы представляют в виде интегрирующего звена. Источники питания на магнитных усилителях В системах автоматического управления магнитные усилителя представляют инерционным звеном первого порядка, постоянная времени магнитного усилителя пропорциональна и зависит и составляет 0,1с для маломощных и РУ (Регулир. устройств) и 3-4 с для мощных усилителей. Магнитные усилители могут быть использованы в качестве насыщающего дросселя, который представляет собой сопротивление, изменяющееся либо при возрастании напряжения, - при этом скачкообразно снижается сопротивление этого дросселя, либо по средствам подачи большого тока управления на обмотку управления. В этом случае насыщающийся дроссель работает аналогично тиристорному коммутатору или тиристорному регулятору. Магнитные усилители превосходят в 10-ки раз тиристорные ключи и усилители по надёжности, перегрузкам, потоку и t. Поэтому они до самого последнего времени применялись в автономных объектах системах регулирования атомных электростанций, однако это целесообразно при высокой частоте питания. Тиристорные преобразователи Они получили широкое распространение в САУ: ЭПС, индукционными плавильными и нагревательными установками, дуговыми печами, плазменно-дуговыми и электронно-лучевыми установками, САУ электродвигателями различных механизмов любых ЭТУ. В номинальном режиме КПД больше равен 0,98 , но однако коэффициенты мощности даже на активные нагрузки = 0,865. Перегрузочная способность ТРН (тиристорных регуляторов напряжения) для токов нагрузки: 63-200 А, Кперегрузки (Кп) в течение времени 5 мин Однако регулирование напряжения в ТРН сопровождается снижением и появлением высших гармоник тока и напряжения. При этом мы пренебрегаем вероятностью несимметричного управления по фазам. Чем ниже сопротивление Zc, тем меньше провалы напряжения. Тесть, меньше коэффициент гармоник. Наиболее низкое сопротивление сети ЭС наблюдается в точке цепи с максимальной мощностью КЗ. Эти рассуждения заключения относились к фазоимпульсному регулированию мощности. Однако используют ШИМ или ШИР регулирования мощности на частоте fкоммутации < fсети. Такое ШИР приводит к образованию субгармоник токов нагрузки, что вызывает низкочастотные пульсации мощности и регулируемые переменные (температуры). Поэтому, регулирование такого вида не применяют при обработке малоинерционных (теплоинерционных) деталей: тонких проволок, электрических лент. С другой стороны – энергетические показатели при ШИР выше. больше – потери меньше. Показатели выше, чем при фазоимпульсном управлении. К исполнительным элементам САУ ЭТУ относятся и исполнительные электроприводы. Маломощные исполнительные приводы применяются для управления золотниковой арматурой мощных гидроприводов. Самым распространённым типом исполнительной машины является управляемый двухфазный асинхронный двигатель с полным ротором. Конструкция его полностью совпадает с конструкцией асинхронного тахогенератора. Ток и напряжение в обмотках возбуждения и управления сдвинуты между собой на 900, следовательно, создают вращающееся магнитное поле. Токи и напряжения могут быть не равны между собой, а значит, вращающееся магнитное поле является не круговым, а элептическим. Момент на валу двигателя пропорционален напряжению на обмотке двигателя. Нагрузочная характеристика двигателя не является критичной в области ее использования. В САУ ЭТУ, где такой привод используется для управления заслонками трубопроводов, изменением положения рабочего органа принципиальными являются достоинства: безинерционность, линейность регулировочных характеристик. Электропривод с ДПТ В ЭТУ в отличии от транспортных устройств не используется ДПТ последовательного возбуждения, широко используется ДПТНВ управляемый по цепи якоря т.к. цепь возбуждения обладает большой инерционностью. Исполнительный ЭП, например, в устройстве позиционирования заготовок в шахтной и индукционной печах, а так же золотниковых устройств работает в режиме управления моментом двигателя. Когда установившаяся скорость равна нолю, то двигатель уравновешен моментом нагрузки. Исполнительный ЭП подъема электродов в рудотермических, дуговых, эл/шлаковых печах работает в режиме управления скоростью. В виде динамических звеньев ДПТ можно представить: В этой структурной схеме не учитывается инерционность якорной цепи, что не всегда допустимо в системах с малым моментом инерции. Если учесть момент инерции якоря, то она будет описываться звеном 1го порядка. В САУ ДПТ используются вместе с машинными магнитные и тиристорные преобразователи. А в настоящее время с ШИП транзисторами. Все эти преобразователи, как правило, в структурной схеме САУ представлены звеном первого порядка. Гидравлический привод Широко применяется в различных механических устройствах: рудотермических печах (подъема крышек и т.д.) т.к. обладают наибольшей удельной мощностью из всех приводов. Этот привод безопасен в агрессивных средах. Развивает максимальный удельный момент и является сложной нелинейной системой. Подходы к регулированию температуры Наиболее управляемым ЭТУ является ЭПС. Рассмотрим методы регулирования температурой. Любой электротермический процесс может быть представлен 3мя стадиями. В начале цикла задают температуру нагревания. Она остается неизменной в течении периода нагревания. В этот период мощность печи постоянна (для роста температуры садки). Температура поверхности изделия растет быстрее, чем в центре изделия. Поэтому необходимо время выдержки для выравнивания температуры внутри и снаружи. Потребляемая мощность уменьшается и к концу выдержки мощность равняется тепловым потерям. Регулятор работает лишь во время выдержки. В период остывания печь чаще всего отключается, и охлаждение садки происходит вне печи, однако, в некоторых случаях формируется кривая остывания так же при помощи регулятора. Стараются применять скоростной нагрев при номинальной мощности нагревателя. Всегда есть ограничение, что максимальная регулируемая мощность регулятора меньше номинальной мощности. Точность к точному регулированию зависит от технологического процесса, и меняются в широких пределах. Технологический процесс Допустимые колебания Обработка под пластическую деформацию (ковка, прокат, штамповка) ±(25-50)0С Термическая обработка (закалка, отжиг, отпуск, нормализация) ±(5-10)0С Прецизионные процессы (выращивание п/п, монокристаллов, отжиг оптостекол) ±(0,5-1)0С Основной сложностью регулирования температуры садки в отсутствии возможности измерить ее температуру. Измерение и регулирование температуры печи (рабочего конца термопары) зависит от расположения в пространстве печи (совокупности температуры нагревателя, футеровки, изделия). Управление температурными режимами осуществляется методами: - Непрерывный – необходимо постоянное соблюдение соответствия подводимой и расходуемой мощностей. Поэтому необохидим источник питания с плавным регулированием напряжения. Применяется в печах прецизионного нагрева. - Дискретный метод – нобходимо соответствие приходящей энергии к ее потреблению досточного для средних значений и не обязательного для каждого момента времени. Применяются позиционное или ШИМ регулирование. Используется в большинстве печей из-за инерционности самой печи и ее загрузки. Регулирование температуры производится на основе ТАУ, но применительно к печам со своими особенностями. Для ЭПС: а) необходимо применение специфических сложных методов расчета тепловых переходных процессов. В настоящее время используют методы, разработанные 10 лет назад при компьютерном моделировании, поскольку процессы теплообмена связывают изделие, нагреватель, футеровку, термометр каждый со своей инструкцией. б) качества регулирования, устойчивость непрерывного регулирования, размах колебаний температуры при позиционном регулировании зависят от расположения термометра в печи, т.к. температура в камере различна. в) ЭПС – объект с самовыравниванием (с увеличением температуры увеличиваются потери(график потерь - экспонента) следовательно происходит само собой выравнивание) Общим методом регулирования температуры для всех печей является метод изменения мощности вводимой в печь. Все регуляторы должны быть построены так, что бы при подходе к режиму выдержки потребляемая печью мощность могла уменьшится до 30 % от номинальной. Если существует избыток мощности, то увеличиваются колебания температуры печи. В промышленных источниках питания ЭТУ это реализуется с помощью: - переключение обмотки с треугольника на звезду() - переключение обмотки регулируемого трансформатора с помощью контактора. Имеется 3 состояния: а) полная мощность, б) частичная мощность, в) печь отключена При работе позиционных регуляторов имеет значение расположение термопары в камере печи: - термопара вблизи нагревателя: в печи средняя температура заданной температуре, но изделие не нагревается. - если конец термопары близок к изделию, то наблюдается увеличение колебания температуры. В таких случаях применяют тепловые экраны между изделием, термопарой и нагревателем. Такие печи обеспечивают точность поддержания температуры изделия до 10 0С. Для прецезионых применяются непрерывные методы регулирования. Для синтеза регулятора используют частотные характеристики регулятора, источника питания, термопреобразователя и печи. При любом методе изменения подаваемой мощности в печь оптимально использовать эту мощностную зависимость от ряда факторов(чаще всего геометрических: взаимоположение нагревателя и футеровки). Особенно ярко выражается это в электродных печах (ДСП, РТП, ЭШП), в которых положение электродов относительно обрабатываемого материала обуславливает различный коэффициент полезного действия при одной и той же вводимой в печь мощности, т.е. изменяя длину пространства в котором выделяется тепло можно оптимизировать технологический процесс нагрева. Выбирая критерий эффективности процесса нельзя выбирать единственный критерий максимального КПД, т.к. для этих печей существуют понятия “коэффициент усвоения тепла” , “коэффициент влияния на футеровки”, следовательно перемещение электрода может осуществляться с помощью регулятора, который учитывает как единственный “критерий максимального КПД”и как совокупность всех критериев. Система перемещения электродов Измерение длины дуги невозможно физически, учитывая, что ее необходимо регулировать в цепях: стабилизация и оптимизация вводимой в печь мощности. , , Важнейшим вопросом разработки ДСП является выбор параметра регулятора(переменной по которой осуществляется обратная связь). Эти переменные только косвенно зависят от длины дуги. Их выбирают по критериям: • наличие функциональной связи с длиной дуги • реализуемость датчиков переменных • возможность автозажигания дуги при обрывах и пусках печи • возможность автономного управления фазами печи Регулирование мощности ДСП возможно по переменным тока и напряжения МПЭ – механизм перемещения электродов, УМ – усилитель мощности Рассмотрим 3 состояния плавления в печи: 1) Дуги не горят из-за большой длины дуги(UД = max, IД = 0) 2) технологическое к.з.(электроды вплотную к шихте UД = 0, IД = max) 3) Рабочее состояние 0