Lucrarea 5 STUDIUL REGULATOARELOR BIPOZIŢIONALE ŞI TRIPOZIŢIONALE 1. Obiectul lucrării constă în studiul construcţiei, funcţionării şi influenţei parametrilor de acord asupra formei caracteristicilor statice ale unor regulatoare bi şi tripoziţionale. 2. Principii de realizare a regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale În cazul unor instalaţii tehnologice (IT) nepretenţioase şi care se încadrează în categoria proceselor lente, reglarea poate fi realizată cu ajutorul unor regulatoare cu structură simplă, deci ieftine şi fiabile. În plus, costul întregii bucle de reglare se mai reduce şi deorace nu sunt necesare elemente de amplificare a puterii, complicate şi costisitoare. În categoria acestor regulatoare simple pot fi încadrate cele bipoziţionale şi tripoziţionale fără legi de reglare speciale (PI, PD, PID). Schema bloc a unor asemenea bucle de reglare simple are aspectul din fig.1, unde: SE P r - x r ε = x a RBP RTP x c EE u = x m IT y T Fig.1 Buclă de reglare cu regulator bipoziţional sau tripoziţional - IT este instalaţia tehnologică (cuptor, schimbător de căldură, rezervor etc.); - EE - element de execuţie (ventil de reglare, servomotor, dozator cu bandă etc.); - T - traductor principal de reacţie; - RBP/RTP - regulator bi- sau tripoziţional. În cazul RBP/RTP mărimea de comandă x c de la ieşirea regulatorului, poate lua în regim staţionar numai anumite valori bine precizate. Anume, în cazul RBP, această mărime poate lua numai două valori distincte în funcţie de mărimea de acţionare x a (sau abatere ε). Deoarece ieşirea unor asemenea regulatoare este realizată prin intermediul unor contacte de relee, rezultă că cele două valori pot fi "0" logic (contact deschis) sau "1" logic 1
(contact închis). Trecerea de la o valoare staţionară la alta poate avea loc teoretic, pentru o singură valoare a mărimii de acţionare în cazul regulatoarelor ideale, fără histerezis (fig.2.a, pentru o anumită valoare ε a ) sau pentru două valori distincte, în cazul regulatoarelor reale cu histerezis (fig.2.b), anume pentru ε ε a are loc trecerea de la valoarea logică "0" la valoarea logică "1", iar pentru ε ε r are loc trecerea inversă. Datorită formei neliniare a caracteristicii statice (fig.2), asemenea regulatoare sunt denumite şi regulatoare neliniare. x x c c 1 1 h 0 ε a ε 0 ε ε r a ε a) b) Fig.2 Caracteristici statice ale regulatorului bipoziţional ideal (a) şi real (b) Principial, un RBP cuprinde (fig.3a): un element de comparaţie (EC) în care se formează semnalul de abatere x a (sau ε), un amplificator (A) liniar (în general nesimetric) şi un element neliniar cu prag (ENP) în care are loc comutaţia şi realizarea zonei de histerezis "h". r x r EC A ENP x c r x - r ε A REM a b Fig.3 Schema de principiu a unui regulator bipoziţional Deoarece releele electromecanice (REM) nu au o caracteristică de basculare fermă, în vederea eliminării vibraţiilor posibile ale armăturii mobile, se obişnuieşte încadrarea unor circuite electronice cu prag (de basculare fermă) între amplificatorul liniar şi releul electromagnetic, ca convertor electromagnetic (fig.3.b). Datorită formei caracteristicii statice, RBP pot realiza, aşa cum se va vedea la alte lucrări, reglări de tipul "tot sau nimic" (fig.4.a) sau reglări de tipul "mai mult sau mai puţin" (fig.4.b). Diagramele din fig.4 se referă, de exemplu, la reglarea bipoziţională a temperaturii prin intermediul curentului de încălzire. 2
Importanţa şi efectul unor asemenea modalităţi de reglare vor fi studiate, de asemenea, la alte lucrări. În cazul RTP mărimea de comandă x c, de la ieşirea regulatorului, poate lua trei valori distincte, în funcţie de abaterea ε. I [A] I [A] I M I M I m 0 t 0 t a) b) Fig.4 Reglare discontinuă de tipul "tot sau nimic" (a) şi "mai mult sau mai puţin" (b) Anume, în cazul RTP ideale, fără histerezis, caracteristica statică are aspectul din fig.5.a, iar în cazul RTP reale, cu histerezis, caracterisitca statică se prezintă ca în fig.5.b. x c x c h -ε a 1 -ε a 1 -ε r ε r 0 ε a ε 0 z i ε a ε -1-1 a) b) Fig.5 Caracteristici statice ale regulatorului tripoziţional ideal (a) şi real (b) Cele trei valori distincte ale mărimii de comandă, 1, 0 şi -1, pot fi realizate prin utilizarea unor structuri asemănătoare cu a RBP, dar folosind un amplificator diferenţial (sensibil la fază sau polaritate) şi un element neliniar cu prag realizat cu două relee electromagnetice (REM1 şi REM2) (fig.6). Datorită formei caracteristicii statice, asemenea regulatoare pot comanda organe de execuţie (ventile, clapete) acţionate de servomotoare electrice reversibile (de c.c. sau de c.a.). 3
Ca urmare, mărimea de execuţie x m u, de la intrarea instalaţiei tehnologice, poate lua orice valoare în domeniul de variaţie admis. Aceasta deoarece organul de execuţie poate fi poziţionat, prin comenzi corespunzătoare asupra organului de acţionare, în funcţie de eroare. Anume, pentru valori ale erorii ε > ε a, organul de acţionare determină o deplasare într-un sens al organului de execuţie, deci, de exemplu, scăderea mărimii de execuţie, iar pentru ε <-ε a are loc deplasarea în sens invers, deci creşterea mărimii de execuţie. În intervalele de variaţie ale erorii de la -ε r la ε a şi respectiv de la ε r la -ε a, deci în cadrul zonei de insensibilitate Z i, organul de acţionare nefiind alimentat, mărimea de execuţie păstrează o anumită valoare constantă (vezi fig.5 de la lucrarea 3). Efectul unei asemenea modalităţi de reglare se va studia experimental în cadrul altor lucrări de laborator. 2.1. Regulatorul X 72 B r x - r ε A Fig.6 Schema de principiu a unui regulator tripoziţional - REM 1 REM 2 Regulatorul X 72 B este un regulator specializat, destinat reglării temperaturii în domeniul -50 0 C... 500 0 C. Regulatorul X 72 este alcătuit dintr-un comparator (C), un amplificator sensibil la fază (ASF) şi două relee intermediare (d 1, d 2 ). Comparatorul C funcţionează pe principiul punţii Wheatstone. Temperatura impusă se fixează prin intermediul potenţiometrului P i. Puntea compară temperatura impusă prin potenţiometrul P i cu temperatura măsurată de termorezistenţa Pt 100 (fig.7). În fig.8 se dă schema electrică desfăşurată. Abaterea sub forma unui semnal de tensiune U 1 (2mV/ 0 C) obţinut la bornele B, D ale punţii, este aplicat pe intrarea ASF. În funcţie de sensul abaterii este excitat releul intermediar d 1 sau d 2. Rezistenţa de gamă R g stabileşte domeniul de măsurare (fig.8). Banda de proporţionalitate se stabileşte prin potenţiometrul BP montat pe calea de reacţie. Prin BP se realizează o reacţie negativă de tensiune (U 2 aplicată pe emitorul lui T 1 ). Când BP este 2%, U 2 este minim, iar când BP este 25%, U 2 este maxim. Această tensiune U 2 se compară cu U 1 prin intermediul tranzistorului T 1, căutând să aducă regulatorul pe poziţia de echilibru (d 1, d 2 în poziţie de repaus). Sensibilitatea S se stabileşte prin potanţiometrul P s montat pe calea de reacţie a primelor trei etaje ale ASF. Prin P s se realizează o reacţie negativă. Cu cât reacţia negativă este mai mare cu atât sensibilitatea scade. Regulatorul X 72 B poate fi utilizat în următoarele moduri: 4
- regulator bipoziţional având ieşirea pe un releu care anclanşează fie la depăşirea, fie la scăderea temperaturii faţă de valoarea prescrisă; - regulator tripoziţional având ieşirea pe două relee dintre care unul anclanşează la depăşirea, iar celălalt la scăderea temperaturii faţă de temperatura prescrisă; - regulator de tip P format dintr-un regulator tripoziţional asociat cu un Fig.7 Schema bloc a regulatorului X 72 B servomotor electric; în acest caz fiind necesară utilizarea unui poziţioner P z (conţinând un potenţiometru de cca. 100 ohmi). Fig. 8 Schema electrică a regulatorului X 72 B Din punct de vedere constructiv, cutia regulatorului X 72 este realizată etanş pentru montarea pe teren (local) sau neetanş pentru montarea pe panou (centralizat). Regulatorul X 72 se execută în trei variante: X 72 A, X 72 B, X 72 C. Tipul constructiv studiat în laborator este X 72 B. Acesta este realizat sub formă miniaturizată pentru montarea pe panou. Prin intermediul potenţiometrului P i din punte, există posibilitatea ca mărimea impusă să fie fixată continuu. 5
La ieşirea regulatorului se află două relee, cu contactele lor scoase pe panoul frontal al instalaţiei, la patru borne: C 1, C 2, C 3, C 4. 2.2. Regulatorul ELX 176 Regulatorul ELX 176 face parte din categoria regulatoarelor unificate. Este constituit din două semiunităţi, ceea ce-i conferă posibilitatea ca acest regulator să poată funcţiona în montaj dublu bipoziţional sau tripoziţional. La regulatorul tripoziţional se conectează borna minus (-) de la prima semiunitate cu borna plus () de la a doua. La regulatorul dublu bipoziţional cele două semiunităţi au intrări separate, fiind folosite pentru reglări separate (fig.9). Curentul care variază între 2 10mA de la un traductor, determină o cădere de tensiune pe R 1 notată U r1. Această tensiune se compară cu tensiunea U i1 obţinută cu un generator de curent constant H 51 şi nişte rezistenţe montate la bornele acestuia din urmă. Tensiunea U i1 reprezintă tensiunea de referinţă. Valoarea acestei tensiuni se poate modifica prin schimbarea poziţiei cursorului potenţiometrului P 1,, Tensiunea U 3 rezultată din compararea celor două tensiuni, cea de referinţă şi cea de reacţie, este: U = U U 3 i1 r1 Fig.9 Schema de principiu a regulatorului ELX 176 Tensiunea U 3 se aplică la intrarea amplificatorului operaţional μa 741 (fig.10). Releul de la ieşirea amplificatorului are un contact normal închis H 2 - C 2 şi unul normal deschis (C 2 -L 2 ). Regulatorul este astfel conceput ca la "semiunitatea inferioară" releul să fie anclanşat când semnalul de măsură este mai mare ca cel de referinţă, iar la "semiunitatea superioară" releul să fie anclanşat când semnalul de măsură este mai mic ca cel de referinţă. Dacă tensiunea U r1 este mai mică decât valoarea la care s-a reglat limita inferioară, atunci se stabilesc contactele C 1 -H 1 şi C 2 -H 2. Dacă semnalul de măsurat este cuprins între cele două limite atunci se închid contactele L 1 -C 1 şi C 2 -H 2. Dacă valoarea semnalului de măsurat este mai mare decât limita superioară, atunci se stabilesc contactele: L 1 -C 1 şi L 2 -C 2. 6
Fixarea limitelor superioară şi inferioară se face cu ajutorul a două potenţiometre elicoidale fixate pe panoul frontal. Aparatul are două becuri de semnalizare, pentru fiecare unitate, roşu şi verde, care semnalizează starea contactelor menţionate. Fig. 10 Schema electrică a regulatorului ELX 176 Blocul H 51 Acest bloc este un stabilizator de tensiune tip derivaţie cu diode Zener cu două trepte de stabilizare (fig.11). Caracteristicile principale sunt: - tensiunea de alimentare: 23,5V - tensiunea stabilizată: 6V ± 0,1 % - rezistenţa la sarcină: 1200 ohmi - variaţia tensiunii de ieşire: ± 0,05 %. Fig. 11 Schema electrică a blocului H 51 Caracterisici tehnice principale - Semnalul de intrare: 2...10 ma c.c. - Rezistenţa de intrare: 200 ohmi pentru regulatorul bipoziţional şi 2x200 ohmi pentru regulatorul tripoziţional; 7
- Puterea de rupere la tensiunea de lucru 220V c.a. sau c.c.; curentul maxim de rupere: - pe sarcină rezistivă 2A c.c. sau 2A c.a.; - pe sarcină inductivă (cos ϕ = 0,5-1A c.c. sau 1,5A c.a.) - Alimentare 220V c.a. 10% - 15% - Puterea absorbită: cca. 14 VA pentru regulatorul tripoziţional cca. 10 VA pentru regulatorul bipoziţional; - Condiţii climatice: -temperatura mediului -10 0 C...45 0 C - umiditatea aerului: 65% ± 20%; - Montare: -pe panou în încăperi închise şi în locuri lipsite de vibraţii. Punerea în funcţiune - Operaţii preliminare: După terminarea montării şi înaintea punerii în funcţiune se vor face următoarele verificări: - verificarea liniilor de alimentare şi a celor de transmitere a semnalelor (izolaţie, scurtcircuite, puneri accidentale la pământ); - verificarea instalaţiei de legare la pământ (sau la nul); - verificare corectitudinii legăturilor la bornele aparatului; - Verificarea tensiunii de alimentare a cărei valoare trebuie să se încadreze în limitele 220V ± 10%. - Se fixează valoarea semnalului de referinţă cu ajutorul potenţiometrului elicoidal montat pe panoul frontal; - Se aplică tensiunea de alimentare şi se verifică funcţionarea aparatului; - Când semnalul de măsură este în gama valorilor admise, se aprind becurile verzi; - Când semnalul de măsură iese din domeniul admis, se aprinde un bec roşu corespunzător limitei depăşite; - Dacă sensibilitatea nu este corespunzătoare, atunci se manevrează butonul "AMPLIFICARE" de pe amplificatorul H 22; - Dacă sensibilitatea este prea mare (instabilitatea releului) se va micşora nivelul amplificării; - Pentru o funcţionare normală, nu trebuie micşorată amplificarea sub valoarea de 50% reglată din fabrică. 3. Chestiuni de studiat - Studierea standului de încercare a regulatoarelor bi şi tripoziţionale. - Principii de realizare a regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale. - Identificarea construcţiei şi funcţionării regulatorului specializat X72B şi a regulatorului unificat ELX 176. - Trasarea caracteristicilor statice. 8
4. Modul de lucru în laborator 4.1. Studiul regulatorului X 72 B Se realizează montajul din fig.12. 220 X 72 R d A B b 3 2 1 d 1 d 2 C 1 C 2 C 3 C 4 3 2 1 Ω Ω MAVO 35 MAVO 35 Fig.12 Montaj pentru studiul regulatorului X 72 Bornele A, B, b ale regulatorului X 72, unde se conectează termoreizstanţa Pt 100 sunt legate la o priză cu şapte contacte pe panoul lateral dreapta al standului din laborator. Pentru simularea traductorului de temperatură, se foloseşte rezistenţa decadică calibrată Rd, conectată la o fişă cu şapte contacte. Contactele releelor d 1 şi d 2 la ieşirea regulatorului sunt scoase pe panoul frontal al standului la bornele C 1 -C 2, respectiv C 3 -C 4.. Poziţiile contactelor releelor d 1 şi d 2 se vor observa cu ajutorul a două ohmmetre de tip MAVO-35. După realizarea montajului, regulatorul X 72 este pus sub tensiune închizând comutatoarele b 0 şi b 2 de pe panoul frontal al standului. Se studiază funcţionarea regulatorului X 72 în regim bipoziţional şi tripoziţional. Se determină mai întâi zona temperaturilor în care se poate utiliza regulatorul studiat. Se determină caracteristicile statice x c = f(ε) pentru diverse mărimi de prescriere prin potenţiometrul P i şi se studiază influenţa sensibilităţii S asupra acestora. Se studiază în continuare funcţionarea regulatorului X 72, ca regulator de tip P, cu reacţie după poziţia organului de acţionare. Regulatorului X 72 i se asociază un servomotor electric echipat cu un potenţiometru de reacţie după poziţie P z. Servomotorul este montat în blocul de referinţă cu motor BRM 2 de pe panoul din laborator. Bornele H, C, L pentru comanda servomotorului blocului de referinţă cu motor BRM 2 şi bornele 1, 2, 3 ale potenţiometrului de reacţie P z, sunt scoase pe panoul frontal al standului. Se realizează montajul din fig.13. 9
220 220 R d A d 1 B b 3 2 d 1 2 C 1 C 2 C 3 C 4 H C L H C L P z SM 3 2 1 X 72 BRM 2 1 2 3 Fig.13 Montaj pentru studiul regulatorului X 72 ca regulator de tip P Se va determina caracteristica statică a ansamblului, regulator X 72 - servomotor cu reacţie după poziţie, α SM = f(ε), pentru diferite valori ale benzii de proporţionalitate BP şi sensibilităţii S. 4.2. Studiul regulatorului ELX 176 Se realizează montajul din fig.14. 220 220 ELZ 101 - - Masura sup. R 1 H 2 C2 L 2 H 1 - Masura inf. R 2 C 1 L 1 ELX 176 Fig.14 Montaj pentru studiul regulatorului ELX 176 Regulatorul ELX 176 fiind un echipament din sistemul unificat "ε", mărimea de intrare a acestuia, curentul continuu ce variază în limitele (2-10) ma, se obţine de la sursa de curent constant ELZ 101 sau de la BRM 1 montat pe acelaşi panou de automatizare. Cele două semiunităţi ale regulatorului ELX 176, "Limita inferioară" şi "Limita superioară", au bornele de intrare "Măsură inferioară" respectiv "Măsură superioară" precum şi bornele releelor de ieşire L 1, C 1, H 1, respectiv L 2, C 2, H 2, scoase pe panoul frontal al standului. 10
Regulatorul ELX 176 este pus sub tensiune prin închiderea comutatoarelor b 0 şi b 1 de pe panoul frontal al standului. Se studiază funcţionarea regulatorului ELX 176 ca regulator bipoziţional. Pentru fiecare semiunitate, se determină caracteristica statică x c = f(ε). Starea contactelor releelor de ieşire R 1 şi R 2 se poate observa cu ajutorul becurilor de semnalizare verzi şi roşii montate pe fiecare semiunitate. Pentru studiul regulatorului tripoziţional ELX 176, se alimentează în serie intrările "măsură superioară" şi "măsură inferioară" de la sursă de curent unificat ELZ 101 (conform fig.9) sau BRM 1. Se determină caracteristica statică a regulatorului tripoziţional x c = f(ε). Se conectează regulatorul ELX 176 pe bornele blocului cu referinţă cu motor BRM 2 şi se studiază funcţionarea. 5. Prelucrarea şi analiza datelor obţinute - Se trasează caracteristicile statice ridicate experimental, pentru fiecare caz studiat; - Se stabilesc concluzii în legătură cu influenţa parametrilor de acord ale regulatoarelor respective; - Se explică comportarea ansambului regulator X 72 -BRM 2; - Se explică comportarea ansamblului regulator ELX 176 - BRM 2; - Ce se întâmplă la inversarea legăturilor 1-2 din fig.8 şi fig.13? Bibliografie 1. Nitu, C.; Matlac, I.; Feştilă, Cl., Echipamente electrice şi electronice de automatizare. Ed. Did. şi Ped.; Bucureşti, 1983. 2. Rădoi, C. şi al. Circuite şi echipamente electronice industriale. Ed. Teh., Bucureşti, 1986. 3. Feştilă, C., Regulatoare automate electronice. Îndrumar de laborator. I.P. Cluj, 1985. 11