Hазработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева

alt="" width="2048" height="278" /> (Па);

потери давления в гидравлическом замке:

(Па);

потери давления в дросселе одностороннем:

(Па);

потери давления на регуляторе расхода:

(Па).

Суммарные потери давления в гидроаппаратуре:

р_АП=р_Ф+р_ГЗ+р_ДР+р_РП=0.19610⁶ (Па).

Выбор регулирующего органа. По рассчитанным значениям давления и расхода выбираем дросселирующий гидравлический распределитель с пропорциональным электрическим управлением типа РП20, имеющий следующие характеристики – таблица 2.6 потери давления в гидрораспределителе:

(Па).

Определяем выходные параметры насосной установки. Максимальное давление на выходном патрубке:

р_АМАХ=р_АП+р_ДС+р_ГР+р_Б=12.110⁶ (Па);

минимальное:

р_АМIN=р_АП+р_ДС+р_ГР=0.28210⁶ (Па).

Требуемая подача насоса:

Q_AMAX=Q_Б+Q_У,

где Q_У=Q_У.АП=25.910^-6 м³/с – суммарный расход утечек в гидроаппаратах.

Q_АМАХ=3.4210^-4+25.910^-6=3.6710^-4 (м³/с).

Площадь условного прохода дросселя:

м².

М
еханические и скоростные характеристики (рисунки 2.4 и 2.5) рассчитаем с помощью программы SPEED.

Р
исунок 2.4 – Механические характеристики привода торцового ориентирования

Рисунок 2.5 – Скоростные характеристики привода торцового ориентирования

2.1.3 Определение параметров насосной установки

Исходя из анализа работы печи, делаем вывод, что одновременная работа трех гидравлических приводов (вращения валка, торцового ориентирования и подъема крышки) невозможна. Тогда необходимая подача на выходном патрубке насоса будет равна наибольшему из расходов гидроприводов (привода вращения валка, в котором установлены два гидромотора), а требуемое давление – наибольшему из требуемых давлений на исполнительных органах (гидродвигатели привода вращения валка):

Q_АМАХ=Q_БМАХ=5.2610^-42=10,5210^-4 (м³/с),

р_АМАХ=р_БМАХ=14.8310⁶(Па),

где Q_БМАХ – наибольший из расходов приводов;

р_БМАХ – наибольшее из давлений в приводах.

По значениям расхода и давления выбираем трехсекционный шестеренный насос типа НШ-63-63-50 с номинальным давлением р_А=16 МПа и расходами по секциям (14.5-14.5-11.5) м³/с.

Определим необходимую мощность на валу насоса:

(кВт),

где =0.86 – полный КПД насоса.

Выбираем приводной двигатель для насосной установки типа 2ЭДКОФ250М4У2.5 исполнения JM4001.

Одна секция насоса с расходом 14.510^-4 м³/с работает на привод вращения валка, другая с расходом 14.510^-4 м³/с работает на привод торцового ориентирования и третья – на привод подъема крышки печи (в данном проекте не расчитывался).

2.1.5 Динамический расчет гидроприводов

С
оставляем расчетную функциональную схему гидропривода:

Рисунок 2.6 – Расчетная функциональная схема гидропривода

- передаточная функция генератора тока управления,

k_Y = I_ВЫХ/U_ВХ = 0.85/10 = 0.085 (А/В) - коэффициент передачи генератора тока;

Т_У = 0.002 с - постоянная времени генератора тока.

Таким образом:

.

- передаточная функция пропорционального электромагнита,

k_ПЭ = x₀/I_ВЫХ = 1.610^-3/0.85 = 1.8810^-3 (м/А) - коэффициент передачи электромагнита;

Т_Э = L_МАГН/R_МАГН = 0.01c - постоянная времени электромагнита.

Таким образом:

.

- передаточная функция гидравлического потенциометра с обратной связью,

- коэффициент передачи потенциометра:

= 538.08 (м²/c);

k_Д = k_Px₀/p_ВХ = 538.0810^-3/14.110⁶ = 0.0310^-6 (м⁵/Нс);

= 15.910^-4 (м²);

= 64.0510⁵ (Н/м);

тогда k_П = 4.52;

= 210^-3 (с) - постоянная времени потенциометра;

- относительный коэффициент демпфирования колебаний.

Тогда:

.

- передаточная функция основного золотника.

Для привода вращения валка: k₃ = Q_Б/L = 0.098;

для привода торцового ориентирования: k₃ = Q_Б/L = 0.049.

- передаточная функция гидроцилиндра и гидромотора.

Для привода торцового ориентирования:

= 26.31 (м^-2) - коэффициент передачи гидроцилиндра;

= 22.110³ (Н/м) - жесткость гидроцилиндра;

= 1.23 (с) - постоянная времени гидроцилиндра;

= 0.28 - относительный коэффициент демпфирования колебаний;

тогда:

.

Для привода вращения валка аналогично:

.

- передаточная функция звена для получения выходного параметра - скорости. Принимаем дифференцирующее звено с глубиной дифференцирования а=1 и постоянными времени Т₁=Т₂=0.1:

.

Т.к. в приводе последовательно включены два звена второго порядка, то в области высоких частот ЛАЧХ привода будет иметь наклон порядка -120 dB/дек, что неприемлемо для приводов (рисунок 2.7).

Желаемая ЛАЧХ для медленных приводов имеет вид - рисунок 2.8.

Рисунок 2.7 - ЛАЧХ и ЛФЧХ гидропривода без корректирующих звеньев

Рисунок 2.8 - Желаемые ЛАЧХ и ЛФЧХ гидропривода с корректирующими звеньями и обратной связью по скорости

Для получения наклона в области высоких частот порядка -40...-60 dB/дек необходимо включение корректирующих дифференцирующих звеньев (+20 dB/дек). Определение параметров корректирующих звеньев производим по методике [2] с помощью программы SIAM (рисунки 2.9, 2.10).

Рисунок 2.9 - ЛАЧХ и ЛФЧХ корректирующего звена №1

Рисунок 2.10 - ЛАЧХ и ЛФЧХ корректирующего звена №2

Рисунок 2.11 - График переходного процесса в гидроприводе торцового ориентирования

Рисунок 2.12 - График переходного процесса в гидроприводе вращения валка

Проанализировав полученные графики переходных процессов, можно сделать следующие выводы:

время переходного процесса, до входа заданного параметра в 5% зону для привода вращения валка t_ПП2.1 с; для привода торцового ориентирования - t_ПП1.8 с, что для данного объекта, рабочий цикл которого составляет для разных марок стали и типоразмеров валков от 4-5 до 24 часов, является вполне приемлемой величиной;

колебательность, проявляющаяся при разгоне приводов, не превышающая 1% при заданном желаемом значении 20%, значительно ниже и при высокой инерционности приводов влияния на качество переходного процесса не окажет.

Таким образом, спроектированные приводы являются высококачественными, удовлетворительными по мощности, потреблению энергоносителей, качеству переходных процессов в динамических режимах (разгон-торможение) и высокому постоянству поддержания заданного параметра (скорости и отработки положения) в статических (рабочих) режимах.

Кроме того, в составе приводов отсутствуют дорогостоящие импортные электрические и гидравлические аппараты (в отличие от базового варианта, на котором установлены аппараты немецкой фирмы “KromSchroder”), что существенно снижает стоимость как самих приводов, так и автоматизированных систем управления ими.

2.2 Поверочный расчет тепловых режимов в ПСН

Нагрев металла в печах – распространенная операция (применяется при отжиге, нормализации, плавке и т.д.). Металл желательно нагревать быстро, т.к. в этом случае уменьшается его угар, увеличивается производительность печи и уменьшается удельный расход топлива на нагрев. Из этих соображений целесообразно выбирать оптимальный температурный режим печи, обеспечивающий, с одной стороны, быстрый нагрев металла, а с другой, не создающий в нагреваемом металле чрезмерных механических напряжений, которые могут привести к образованию трещин.

При рассмотрении процесса нагрева металла в печи необходимо учитывать законы теплового излучения, передачу теплоты теплопроводностью и конвекцией, движение газов в печном пространстве, взаимодействие печных газов с металлом и т.д. Процессу теплообмена должны быть подчинены: горение топлива – превращение химической энергии в тепловую, движение газов в рабочем пространстве печи и т.д.

Конструкции промышленных печей постоянно совершенствуются в направлении интенсификации процессов теплообмена при непрерывном повышении уровня их автоматизации и механизации.

Данные рассуждения вылились в современную теорию печей [3], основные принципы которой заключаются в следующем:

1. создание наилучших условий для обеспечения максимального теплового потока к нагреваемому материалу;

2. интенсивный подвод теплоты в печь при возможно более полном ее использовании в рабочем объеме печи;

3. обеспечение развитого принудительного движения газов в печи;

4. совмещение топочного пространства с рабочим пространством печи;

5. возможно более полная герметизация печи для устранения выбивания печных газов и подсасывания атмосферного воздуха.

Проведем упрощенный поверочный расчет теплового режима для прогрева валка из стали 75ХМФ диаметром 1200 мм на глубину 120 мм до температуры 920С.

К горелкам печи подводится газовоздушная смесь, содержащая 10% природного газа (в расчетах принимаем метан) и 90% атмосферного воздуха. Теплота, выделяемая при горении 1кг такой смеси:

(Дж),

где q_МЕТ – удельная теплота сгорания метана.

Потери теплоты на нагрев воздуха, подходящего к горелке не учитываем, считая, что он полностью расходуется на поддержание горения и в процессе передачи тепла к валку не участвует.

Теплота, необходимая для прогрева валка с указанными выше параметрами:

,

где с_СТАЛЬ – удельная теплоемкость стали 75ХМФ,

с_СТАЛИ=0.385 кДж/кгС;

m_ВАЛКА – масса прогреваемой части валка, кг;

Т₁=450С и Т₂=920С – соответственно начальная и конечная температура валка, С.

Определим (приблизительно) массу прогреваемой части валка:

,

где _СТАЛИ=7850 кг/м³ – плотность стали 75ХМФ;

V – объем прогреваемой части бочки валка, м³,

,

где h=1500 мм – длина бочки валка;

R=600 мм – внешний радиус бочки;

r=540 мм – внутренний радиус прогреваемой части.

(м³);

(кг);

(Дж).

Теплота от горелок к бочке валка передается конвекцией, теплопроводностью и излучением. В наибольшей степени сказывается конвекция и теплопроводность, причем теплопроводность оказывает скорее отрицательное влияние – из-за нагрева воздуха в рабочем пространстве печи до валка доходит гораздо меньшее количество теплоты, чем отдают горелки. Определим потери теплоты на нагрев воздуха в печи, учитывая, что он разогревается от нормальной температуры 20С до конечной температуры поверхности валка:

Обозначения аналогичны формуле (2. ).

(кг);

(Дж).

Если учесть постоянное вентилирование рабочего пространства печи, обеспечивающее трехкратный обмен атмосферы в течение часа, то получаем:

(Дж).

Таким образом, необходимое количество теплоты для нагрева валка:

(Дж).

Исходя из проведенных расчетов, определим необходимую величину подачи газовоздушной смеси к горелкам и необходимую скорость вращения валка для равномерного распределения градиента температур по поверхности бочки валка.

Как было указано выше, из проведенных экспериментальных исследований становится ясно, что оптимальным временем прогрева для валков из стали 75ХМФ является величина порядка 1.5 – 2 часа при интенсивности нагрева 250 – 300 С/ч.

Разность температур валка при его загрузке в ПСН и выдаче в спрейерную установку составляет 920-450=470 С. При прогреве с интенсивностью 250 С/ч время прогрева составит около 2 часов, учитывая возможные потери теплоты.

Определим необходимую подачу газовоздушной смеси. Потребление теплоты в час:

(Дж).

Учитывая КПД горелки, равный _ГОР=0.75, получаем:

(Дж).

Масса газовоздушной смеси:

(кг),

и ее объем:

(м³).

Таким образом, часовое потребление газовоздушной смеси составит 7.272 м³, из них: 0.7272 м³ – природного газа (метана) и 6.5448 м³ – воздуха для поддержания горения.

Для равномерного распределения градиента температур на поверхности бочки валка необходимо поддержание скорости вращения валка с заданной точностью на заданном уровне. В целом, закон изменения скорости вращения валка в зависимости от прогрева поверхностного слоя довольно сложен и описывается дифференциальными уравнениями II порядка, но для ориентировочного расчета применим упрощенную методику.

Допустимая неравномерность температуры по поверхности валка составляет _t=5С. Для нагрева на 5С необходимо сгорание 0.0033 кг газовоздушной смеси (или 0,0029 м³). При расходе R=7.272 м³/ч такое количество газа сгорит за

(ч) или t₅=39 (с).

Следовательно, за это время валок должен сделать три четверти оборота, отсюда, полный оборот будет совершен за

(с),

т.е. минимальная скорость вращения валка:

(с^-1).

При этом неравномерность распределения градиента температур по поверхности бочки валка составит не более _t=5С.

2.3 Требования к проектируемой системе управления,

регулирования, контроля и регистрации потребления

энергоносителей

Исходя из проведенных выше расчетов и требований, указанных в задании на проектирование, можно сделать следующие выводы:

• автоматизированная система управления должна позволять автоматическое регулирование скорости вращения валка для обеспечения равномерного распределения градиента температур по поверхности бочки валка, что также позволит несколько снизить потребление природного газа за счет оптимального вращения валка (автоматическое управление гидроприводами – регулируемый привод вращения валка и следящий привод торцового ориентирования);

• автоматизированная система регулирования потребления энергоносителей (природного газа) должна таким образом настраивать регуляторы расхода (схема пневматическая газовая принципиальная – чертеж ДП10.), чтобы подача газа была минимально возможной при сохранении оптимальных параметров нагрева в печи ПСН (согласование работы привода вращения валка и системы подачи газовоздушной смеси на горение);

• автоматизированная система контроля потребления энергоносителей (природного газа и электроэнергии) должна производить замеры потребления энергоносителей и в случае отклонения от допустимых параметров (увеличение силы тока, снижение напряжения, увеличение или снижение расхода или давления газовоздушной смеси) выдать предупреждающий или аварийный сигнал на пульт оператора (а при работе в автономном режиме проанализировать – возможно ли дальнейшее функционирование ПСН до окончания цикла прогрева и, в зависимости от принятого решения либо заблокировать работу объекта сразу либо завершить цикл нагрева валка и после этого запретить дальнейшее функционирование до устранения неисправности);

• автоматизированная система регистрации потребления энергоносителей должна обеспечивать запись, хранение и считывание информации о потреблении энергоносителей (природного газа и электроэнергии) за некоторое время работы ПСН (один цикл прогрева валка, смена, либо любой другой на выбор оператора). Причем хранение информации должно обеспечиваться даже при отключении напряжения питания сети.

Кроме того, алгоритмы работы проектируемой системы управления не должны вносить каких-либо кардинальных изменений в общий алгоритм работы участка ДТО, который управляется от одной общей управляющей ЭВМ на базе микропроцессора семейства INTEL Pentium II. Все средства сопряжения должны быть рассчитаны на подключение к портам ввода-вывода именно этого типа ЭВМ и, в то же время, обладать достаточной гибкостью и поддерживать нормальное функционирование в случае замены микропроцессора на другой, более новый или построенный по отличающейся архитектуре.

ВВЕДЕНИЕ

Целью дипломного проекта является разработка системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева (ПСН) для участка дифференцированной термической обработки валков для прокатных станов, установленной в термическом цехе №2 ЗАО НКМЗ. Необходимость данной разработки вызвана экономической неэффективностью существующей системы.

В данный момент на рассматриваемом объекте установлена система управления, не выполняющая функции контроля и регулирования потребления энергоносителей. При этом приводы печи (электро- и гидроприводы) работают в регулируемых режимах, не обеспечивая слежения за ходом прогрева валка.

Кроме указанных недостатков существуют и другие, не менее важные.

В связи с возрастающими объемами производства, значительно увеличивается потребность в высококачественном прокатном оборудовании. При имеющемся объеме производства производительности старой системы не достаточно. Это замедляет работу металлургических предприятий (Енакиевский металлургический завод, Мариупольский комбинат имени Ильича и другие), повышает расходы по эксплуатации и ремонту оборудования, что в конечном итоге сказывается на себестоимости выпускаемой продукции.

Следующий аспект проблемы, рассматриваемый в данном дипломном проекте, напрямую связан с проблемами энергетической отрасли Украины. Цены на природный газ постоянно возрастают при постоянном росте его потребления. В связи с этим возникает необходимость точного контроля и регистрации потребления топлива, так как установленные нормы потребления зачастую намного превышают действительный расход газа.

Основной целью дипломного проекта является проектирование такой системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей (газ, воздух, электроэнергия), которая позволила бы рационально их использовать, управляя процессом нагрева с наиболее оптимальными параметрами путем синхронизации работы приводов и регуляторов подачи газо-воздушной смеси в рабочее пространство печи.

Практическая ценность разрабатываемой системы регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей заключается в повышении рентабельности производства прокатного оборудования ЗАО НКМЗ. Расчет экономического эффекта от внедрения разрабатываемой системы автоматического управления и диагностики также произведен в данном дипломном проекте.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

Результатом данного дипломного проекта является спроектированная система регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей печью скоростного нагрева (ПСН) участка дифференцированной термической обработки прокатных валков, установленной в термическом цехе №2 ЗАО НКМЗ, ориентированная на снижение затрат на ремонт и эксплуатацию как самой печи, так и валков.

Решение о необходимости данной разработки было принято в результате анализа объекта. Было выяснено, что на состояние рабочей поверхности валков значительное влияние оказывает режимы термической обработки. В соответствии с этим были сделаны выводы о необходимости контроля режимов прогрева валка и потребления природного газа и их оптимизации. Выполнение этих функций было возложено на проектируемую систему.

Анализ существующей системы управления выявил недостаточную точность, поэтому была спроектирована новая система, обеспечивающая контроль, регулирование и регистрацию потребления энергоносителей, а также оптимизацию процесса нагрева валка путем синхронизации работы регуляторов подачи газовоздушной смеси и привода вращения валка.

В качестве центральной ЭВМ системы используется промышленный контроллер фирмы Siemens, управляющий всем участком дифференцированной термической обработки. Для связи системы управления с приводами и регуляторами, были разработаны блоки сопряжения с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобразователями.

Для определения экономической целесообразности проекта был проведен расчет технико-экономических показателей, который показал, что применение данной системы позволит получить годовой экономический эффект в размере 2979,66 грн. и обеспечить полную окупаемость затрат за 3,41года.

Были проведен анализ опасных и вредных производственных факторов и определены пути минимизации их влияния на здоровье оператора. Так же был произведен анализ устойчивости объекта к воздействию ударной волны при взрыве 116 тонн пропана на расстоянии 455 метров и намечены мероприятия, направленные на повышение устойчивости объекта.

Таким образом, спроектированная система обеспечивает все требования предъявленные в задании. Кроме основного назначения, заключающегося в обеспечении регулирования, контроля и регистрации потребления энергоносителей, система позволяет оптимизировать процесс прогрева валка. Невысокая стоимость, простота и гибкость позволяют применить эту систему для модернизации существующего оборудования на металлургических предприятиях тяжелого машиностроения.

3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка структурной схемы системы регулирования, контроля и регистрации потребления

энергоносителей

Определим структуру проектируемой системы управления процессом градиентного нагрева.

В состав системы управления (рисунок 3.2) входят следующие структурные блоки:

• объект управления (горелки, двигатели и цилиндры приводов);

• регулирующие и управляющие органы (регуляторы расхода и давления);

• регистрирующие органы (блок памяти и накопитель на магнитном диске управляющей ЭВМ);

• измерительные преобразователи обратных связей (датчики расхода, давления, скорости, перемещения, температуры, тока и напряжения);

• устройства согласования (ЦАП, АЦП, генераторы стабильного тока, блоки сопряжения);

• формирователи адресов устройств (дешифраторы адреса, демультиплексоры каналов ввода-вывода, аналоговые и цифровые ключи);

• регистры промежуточного хранения информации;

• гальванические развязки силовой, измерительной и управляющей цепей (оптические, трансформаторные).

У
ЭВМ – центральная управляющая ЭВМ; RG – буферные регистры данных; DAC – цифро-аналоговый преобразователь; ADC – аналого-цифровой преобразователь; MUX – аналоговые двунаправленные дешифраторы-демультиплексоры; DCA – дешифратор адреса; ПМУ – пульт местного управления; БАС – блок аварийной сигнализации; ГСТ – генераторы стабильного тока; РР – гидравлические и пневматические регуляторы расхода; ИП – промежуточные преобразователи; ИПОС – измерительные преобразователи обратных связей.

Рисунок 3.2 – Структурная схема системы управления ПСН

3.2 Разработка средств сопряжения объекта с системой управления

3.2.1 Выбор первичных измерительных преобразователей

По полученным ранее значениям скорости вращения валка, величины перемещения при торцовом ориентировании, расходов газа и воздуха, давлений газа и воздуха, давлений в гидросистеме, токов и напряжений и заданным значениям температур и уровня масла в баке принимаем к установке следующие типы измерительных преобразователей:

для измерения и контроля давления в поршневых полостях гидроцилиндров, в статорах гидродвигателей и на выходе насоса: датчики давления типа «САПФИР – 22ДИ» с техническими характеристиками:

• измеряемое давление, МПа  100;

• максимальный выходной ток, мА  20;

• напряжение питания, В 360.72;

• сопротивление нагрузки, кОм 0.1…2.5;

• тип блока питания 22БП36 по ТУ25-02720159-81;

• закон изменения выходного тока ;

для измерения и контроля тока статоров двигателей приводов насосной станции и вентиляторов: трансформаторы тока типа ТКЛМ-0.5-300/5 с технической характеристикой:

• номинальное напряжение, кВ 0.66;

• номинальный первичный ток, А 300;

• номинальный вторичный ток, А 5;

• номинальный класс точности 0.5;

• номинальная частота, Гц 50;

• технические условия

• ГОСТ 7746-78;

• техника безопасности ГОСТ 12.2.007.0-75;

для измерения и контроля напряжений на двигателях приводов насосной станции и вентиляторов: трансформаторы напряжения типа И-50-0.2-3/0.1 с характеристиками:

• номинальное первичное напряжение, кВ 3;

• номинальное вторичное напряжение, В 100;

• номинальная мощность, ВА 10;

• максимальная мощность, ВА 200

• номинальная частота, Гц 50;

для измерения и контроля температур двигателей, насоса и масла в гидробаке: терморезистор прямого подогрева типа СТ3-19 с характеристиками:

• предел измерения температур, С 0…150;

• номинальное сопротивление, кОм (при 20С) 5,1;7,5;10;15;100;

• номинальная мощность, Вт 0,125;

• номинальное напряжение, В до 300.

для измерения и контроля температуры в рабочем пространстве печи: термоэлектрический преобразователь ТХК-51Б с характеристиками:

• предел измерения температуры, С 0…1100;

• максимальная термо-ЭДС, В 1,25;

• длина рабочей части, мм 1200;

• масса, кг 4,25;

для измерения и контроля расхода газа и воздуха: расходомер ДРПГ-60 с характеристиками:

• номинальное давление, МПа 0,6;

• максимальный контролируемый расход, м³/ч 12;

• максимальный выходной ток, А 0,02;

• напряжение источника питания, В 24;

• сопротивление нагрузки, Ом, не менее 10;

для измерения и контроля скорости вращения валка: тахогенератор ТГ-14/400 с характеристиками:

• максимальная измеряемая частота, с^-1 400;

• ЭДС при максимальной частоте, В 11;

• масса, кг 2,35;

для измерения и контроля величины перемещения при торцовом ориентировании: фотоэлектрический линейный датчик перемещения HSM-150/2 с характеристиками:

• длина рабочей части, м 0,85;

• погрешность измерения по всей длине, % 0,01;

• дискретность, имп./мм 150;

• напряжения источников питания, В +5;-5;+12;

• уровень выходного сигнала ТТЛ;

• тип выходных сигналов: 2 последовательности, сдвинутых на 90 относительно друг друга для определения направления движения.

3.2.2 Разработка средств сопряжения с датчиками

д
авления

Схема включения датчика давления приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Схема включения датчика давления типа САПФИР-22ДИ

Расчет элементов схемы.

Определим величину сопротивлений R1 и R2. Максимальный измеряемый ток I_MAX=20 мА, выходное напряжение датчика U_ВЫХ=36 В, измеряемое напряжение U_ИЗМ=10 В, тогда:

;

откуда: .

По техническим характеристикам датчика R1=0.1…2.5 кОм, принимаем R1=1.5 кОм, тогда:

= 576.9 (Ом).

Принимаем R2=560 Ом, тогда:

В.

3.2.3 Сопряжение с датчиками тока типа ТКЛМ-0.5-300/5

Трансформатор тока типа ТКЛМ-0.5Т3 на вторичной обмотке выдает ток 5 А частотой 50 Гц. Для подключения АЦП необходимо получить постоянное напряжение, пропорциональное току. Для этого применим двухполупериодное выпрямление измерительного сигнала и амплитудное детектирование (рисунок 3.4).

Р
исунок 3.4 – Принципиальная схема измерительного канала тока

Определим параметры элементов схемы.

Величина сопротивления резистора R1. На вход операционного усилителя должно подаваться напряжение не более 10 В. Тогда напряжение (синусоидальное) на резисторе R1: U_R1=20 В, откуда:

R1=U_R1/I_T1=20/5=4 Ом,

мощность резистора R1:

P_R1=I²R1=5²4=100 Вт.

Принимаем резистор R1 типа ПЭЛ-100-3.9. Тогда: U_R1=IR1=19.5 В.

Для определения параметров диодов моста необходимы параметры операционного усилителя (ОУ). Принимаем ОУ типа 140УД7, входной ток которого I_ВХ.ОУ=0.55 А. По этому значению тока и напряжения U_R1 принимаем диоды моста VD1, VD2 типа КД521Б. Стабилитроны VD3, VD4 предназначены для защиты ОУ от перегрузок по входному напряжению. По максимальному входному напряжению ОУ (U_ВХ.ОУ=10 В) выбираем стабилитроны типа КС210А. Диод VD5 – КД521А (U_VD5=10 В, I_MAX=0.55A). Транзистор VT1:

напряжение затвор-сток U_ЗС=U_ВЫХ.ОУ+U_ПИТ=10 + 15=25 В;

напряжение затвор-исток U_ЗИ0;

напряжение сток-исток U_СИ=U_ВЫХ+U_ПИТ=10 + 15=25 В;

ток стока (по входному току АЦП) I_С 10 мА.

По этим данным принимаем VT1 типа КП303В.

Резистор R2 – ограничитель тока стока VT1. Для нормальной работы детектора I_СI_ВЫХ.ОУ=10…15 мА, тогда:

R2= U_ПИТ/I_С= 15/(1510^-3)=1 кОм.

Постоянная времени интегрирования:

(с).

На не инвертирующий вход ОУ поступает импульсный сигнал. На инвертирующий – постоянное напряжение с выхода детектора. Усиленный ОУ DA1 разностный сигнал заряжает конденсатор с1, и образующееся на нем напряжение передается через истоковый повторитель (VT1) на выход устройства. Если напряжение на истоке транзистора VT1, а, следовательно, и на инвертирующем входе ОУ DA1 становится больше входного импульсного напряжения, разностный сигнал на выходе последнего исчезает и конденсатор начинает разряжаться через резистор R1. Разрядка продолжается до тех пор, пока напряжение на выходе детектора не станет меньше входного на несколько милливольт, в результате чего на выходе ОУ DA1 вновь появляется усиленный разностный сигнал и конденсатор с1 снова заряжается. Таким образом, создается динамический следящий режим работы, обеспечивающий равенство входного и выходного напряжений детектора с точностью до нескольких милливольт.

Резистор R3 ограничивает ток истока транзистора VT1 при коротком замыкании в нагрузке детектора.

3.2.4 Сопряжение с датчиками напряжения

Трансформатор напряжения типа И-50-0.2-3/0.1 на вторичной обмотке выдает напряжение 100 В. для подключения АЦП необходимо получить постоянное напряжение, пропорциональное входному. Для этого применим еще один понижающий трансформатор напряжения, двухполупериодное выпрямление и пиковое детектирование измерительного сигнала (аналогично каналу тока).

Р
исунок 3.5 – принципиальная схема измерительного канала напряжения

Трансформатор TV2 – типа ТПП207-127/220-50. Используются обмотки I’ – к трансформатору TV1 и III’ –к диодам моста. В остальном схема измерительного канала напряжения полностью повторяет схему канала тока.

С помощью каналов тока и напряжения строим канал измерения мощности – электронный фазометр [ ] – его схема приведена на чертеже ДП10.96502.007Э3 в графической части дипломного проекта.

Устройство позволяет измерять угол сдвига фаз в пределах 180. Сигналы на входе – в пределах 0.05…30 В. с выхода ФНЧ, собранного на микросхеме 140УД6