97

L6. 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 bipoziţionale şi tripoziţionale. 2. Principii de realizare a regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale În cazul unor instalaţii tehnologice 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 deorece nu sunt necesare elemente de amplificare a puterii, complicate şi costisitoare. În categoria acestor regulatoare simple pot fi încadrate regulatoarele bipoziţionale şi tripoziţionale fără legi de reglare speciale (PI, PD, PID). Schema bloc a unor asemenea bucle de reglare simple are aspectul din figura 1:

+

-

r

xr

T

RBPRTP

EE

SE P

yu = x mx cx aε =IT

Fig. 1 Buclă de reglare cu regulator bipoziţional sau tripoziţional

În figura 1: - IT este instalaţia tehnologică (cuptor, schimbător de căldură, rezervor etc.);

98

- EE - element de execuţie (ventil de reglare, servomotor, dozator cu bandă etc.);

- T - traductor principal de reacţie; - RBP/RTP - regulator bipoziţional sau tripoziţional. În cazul regulatoarelor bipoziţionale sau tripoziţionale mărimea de comandă cx de la ieşirea regulatorului, poate lua în regim staţionar numai anumite valori bine precizate. Anume, în cazul regulatorului bipoziţional, această mărime poate lua numai două valori distincte în funcţie de mărimea de acţionare ax (sau abatere ε). Deoarece mărimea de ieşire a regulatoarelor bipoziţionale electrice este realizată prin intermediul unor contacte de relee electromecanice, rezultă că cele două valori pot fi "0" logic (contact deschis) sau "1" logic (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 (figura 2.a, pentru o anumită valoare aε ) sau pentru două valori distincte, în cazul regulatoarelor reale cu histerezis (figura 2.b), anume, pentru aεε ≥ are loc trecerea de la valoarea logică "0" la valoarea logică "1", iar pentru rεε ≤ are loc trecerea de la valoarea logică "1" la valoarea logică "0". Datorită formei neliniare a caracteristicii statice regulatoarele bipoziţionale sunt denumite şi regulatoare neliniare.

xc

0 ε ε0

xc

1 1

h

rε aεaε

a) b)

Fig. 2 Caracteristici statice ale regulatorului bipoziţional ideal (a) şi real (b)

99

Principial, un regulator bipoziţional cuprinde (figura 3a): - un element de comparaţie (EC) în care se formează semnalul de abatere xa (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

xcEC A ENP

a

+

-

rREM

x r

εA

+

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, (figura 3.b). Datorită formei caracteristicii statice, regulatoarele bipoziţionale pot realiza, aşa cum se va vedea la alte lucrări de laborator, reglări de tipul "tot sau nimic" (figura 4.a) sau reglări de tipul "mai mult sau mai puţin" (figura 4.b). Diagramele din figura 4 se referă, de exemplu, la reglarea bipoziţională a temperaturii prin intermediul curentului de încălzire.

I [A] I [A]

I MI M

I m

t t0 0

a b) )

Fig.4 Reglare discontinuă de tipul "tot sau nimic" (a) şi "mai mult sau mai puţin" (b)

100

Importanţa şi efectul unor asemenea modalităţi de reglare vor fi studiate, de asemenea, la alte lucrări. În cazul regulatorului tripoziţional mărimea de comandă cx , de la ieşirea regulatorului, poate lua trei valori distincte, în funcţie de abaterea ε. Anume, în cazul regulatoarelor tripoziţionale ideale, fără histerezis, caracteristica statică are aspectul din figura 5.a, iar în cazul regulatoarelor tripoziţionale reale, cu histerezis, caracterisitca statică se prezintă ca în figura 5.b.

-1

1

x c

εεa

εa-

+

-1

1

x c

εεa

εa-

+

εrεr

-

+

h

0 0 z i

b)a)

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 regulatorului bipoziţional, dar folosind un amplificator diferenţial (sensibil la fază sau polaritate) şi un element neliniar cu prag realizat cu două relee electromagnetice (REM1 şi REM2) (figura 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.). Ca urmare, mărimea de execuţie uxm = , 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.

101

+

-

r

xr

εA

REM 1

+

REM 2

-

Fig. 6 Schema de principiu a unui regulator tripoziţional

Anume, pentru valori ale erorii aεε +> , organul de acţionare deplasează organul de execuţie în sensul pentru creşterea mărimii de execuţie mx , iar pentru aεε −< organul de acţionare deplasează în sens invers organul de execuţie pentru scăderea mărimii de execuţie mx . În intervalele de variaţie ale erorii de la rε− la aε+ şi respectiv de la rε+ la aε− , deci în cadrul zonei de insensibilitate iZ , organul de acţionare nefiind alimentat, mărimea de execuţie mx păstrează o anumită valoare constantă (vezi figura 5 de la lucrarea 4). Efectul unei asemenea modalităţi de reglare se va studia experimental în cadrul altor lucrări de laborator.

3. Regulatorul specializat X 72 B

Regulatorul X 72 B este un regulator specializat, destinat reglării temperaturii în domeniul -50 0C ... +500 0C.

Regulatorul X 72 B este alcătuit dintr-un comparator (C), un amplificator sensibil la fază (ASF) şi două relee intermediare ( 1d , 2d ), conform schemei bloc din figura 7.

102

Fig. 7 Schema bloc a regulatorului X 72 B

Comparatorul C funcţionează pe principiul punţii Wheatstone. Temperatura impusă se fixează prin intermediul potenţiometrului P.

Puntea compară temperatura impusă prin potenţiometrul P cu temperatura măsurată de termorezistenţa Pt 100. În figura 8 este prezentată schema electrică desfăşurată a regulatorului X 72 B.

Fig. 8 Schema electrică a regulatorului X 72 B

103

Abaterea sub forma unui semnal de tensiune 1U (2mV/0C) obţinut la bornele B, D ale punţii, este aplicat pe intrarea amplificatoruluo sensibil la fază ASF. În funcţie de sensul abaterii este excitat releul intermediar 1d sau

2d . Rezistenţa de gamă Rg stabileşte domeniul de măsurare. Banda de proporţionalitate se stabileşte prin potenţiometrul BP montat pe calea de reacţie. Prin potenţiometrul BP se realizează o reacţie negativă de tensiune 2U aplicată pe emitorul lui 1T . Când BP este 2%, 2U este minim, iar când BP este 25%, 2U este maxim. Această tensiune 2U se compară cu 1U prin intermediul tranzistorului 1T , căutând să aducă regulatorul pe poziţia de echilibru ( 1d , 2d în poziţie de repaus). Sensibilitatea S se stabileşte prin potanţiometrul sP montat pe calea de reacţie a primelor trei etaje ale amplificatorului sensibil la fază ASF.

Prin sP 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:

- 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 servomotor electric; în acest caz fiind necesară utilizarea unui poziţioner

zP (conţinând un potenţiometru de 100 Ω ). 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 din punte, există posibilitatea ca mărimea prescrisă să fie fixată continuu. La ieşirea regulatorului se află două relee 1d şi 2d , cu contactele lor scoase pe panoul frontal al instalaţiei, la bornele 1C şi 2C , respectiv 3C şi 4C .

104

4. 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 de măsură minus (-) de la prima semiunitate cu borna de măsură plus (+) de la a doua (figura 9). La regulatorul dublu bipoziţional cele două semiunităţi au intrări de măsură separate, fiind folosite pentru reglări separate.

Fig. 9 Schema de principiu a regulatorului ELX 176 Curentul de măsură de la un traductor cu semnal unificat, care variază între 2...10 mA, determină o cădere de tensiune pe 1R notată 1rU . Această tensiune se compară cu tensiunea 1iU obţinută cu un generator de curent constant H 51 şi nişte rezistenţe montate la bornele acestuia din urmă. Tensiunea 1iU reprezintă tensiunea de referinţă.

Valoarea tensiunii 1iU se poate modifica prin schimbarea poziţiei cursorului potenţiometrului 1P . Tensiunea 3U rezultată din compararea celor două tensiuni, cea de referinţă 1iU şi cea de reacţie 1rU , este:

1r1i3 UUU −= (1)

105

Tensiunea 3U se aplică la intrarea amplificatorului operaţional 741Aμ , conform schemei electrice prezentate în figura 10.

Fig. 10 Schema electrică a regulatorului ELX 176

Releul de la ieşirea amplificatorului operaţional 741Aμ are un contact normal închis 22 LC − şi un contact normal deschis 22 CH − .

Regulatorul este astfel conceput ca la "semiunitatea inferioară" releul să fie anclanşat când semnalul de măsură 1rU este mai mare ca cel de referinţă 1iU , deci 0U3 < , iar la "semiunitatea superioară" releul să fie anclanşat când semnalul de măsură 1rU este mai mic ca cel de referinţă

1iU , deci 0U3 > . Dacă tensiunea 1rU este mai mică decât valoarea la care s-a reglat

limita inferioară, atunci se stabilesc contactele 11 HC − şi 22 HC − .

106

Dacă semnalul de măsurat 1rU este cuprins între cele două limite atunci se închid contactele 11 CL − şi 22 HC − . Dacă valoarea semnalului de măsurat este mai mare decât limita superioară, atunci se stabilesc contactele: 11 CL − şi 22 CL − . Fixarea limitelor superioară şi inferioară se face cu ajutorul a două potenţiometre elicoidale 1P şi 2P fixate pe panoul frontal, (fig. 9 şi 10). Regulatorul ELX 176are două becuri de semnalizare, pentru fiecare unitate, roşu şi verde, care semnalizează starea contactelor menţionate. În figura 11 este prezentată schema electrică a generatorului de curent constant H 51.

Fig. 11 Schema electrică a blocului H 51

Blocul H51 furnizează un curent continuu constant mA5I = . Generatorul de curent constant H 51 conţine un stabilizator de tensiune tip derivaţie cu diode Zener cu două trepte de stabilizare. Caracteristicile tehnice ale blocului H 51 sunt: - tensiunea de alimentare: 23,5V - tensiunea stabilizată: 6V ± 0,1 % - rezistenţa la sarcină: 1200 ohmi - variaţia tensiunii de ieşire: ± 0,05 %. Caracterisicile tehnice ale regulatorului ELX 176 sunt: - Semnalul de intrare: 2...10 mA c.c. - Rezistenţa de intrare: 100 Ω pentru regulatorul bipoziţional şi 2 x 100 Ω

pentru regulatorul tripoziţional;

107

- 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 -100C...+450C - umiditatea aerului: 65% ± 20%; - Montare: -pe panou în încăperi închise şi în locuri lipsite de vibraţii. Punerea în funcţiune a regulatorului ELX 176 - 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); - verificarea 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.

108

5. Chestiuni de studiat - Studierea standului de încercare a regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale. - Principii de realizare a regulatoarelor bipoziţionale şi tripoziţionale. - Identificarea construcţiei şi funcţionării regulatorului specializat X 72 B şi a regulatorului unificat ELX 176. - Trasarea caracteristicilor statice.

6. Modul de lucru în laborator 6.1. Studiul regulatorului specializat X 72 B Se realizează montajul din figura 12.

MAVO 35 MAVO 35

Rd

X 72220

A

B

b 3 2 1

3 2 1

d 1

d 2

ΩΩ

C1C2C3C4

Fig. 12 Montaj pentru studiul regulatorului specializat X 72 B

Bornele A, B, b ale regulatorului X 72 B, unde se conectează termorezistenţa Pt 100 sunt legate la o priză cu şapte contacte pe panoul lateral dreapta al standului din laborator. Pentru simularea traductorului de temperatură. termorezistenţa Pt 100, se foloseşte rezistenţa decadică calibrată Rd, conectată la o fişă cu şapte contacte. Contactele releelor 1d şi 2d de la ieşirea regulatorului X 72 B sunt scoase pe panoul frontal al standului la bornele 1C - 2C , respectiv 3C - 4C .

109

Poziţiile contactelor releelor 1d şi 2d se vor observa cu ajutorul a două ohmmetre de tip MAVO-35. După realizarea montajului, regulatorul X 72 B este pus sub tensiune închizând comutatoarele 0b şi 2b de pe panoul frontal al standului. Se studiază funcţionarea regulatorului X 72 B în regim bipoziţional şi tripoziţional. Se determină mai întâi zona temperaturilor în care se poate utiliza regulatorul studiat. Se determină caracteristicile statice )(fxc ε= pentru diverse mărimi de prescriere prin potenţiometrul P şi se studiază influenţa sensibilităţii S asupra acestora. Se studiază în continuare funcţionarea regulatorului X 72 B, ca regulator de tip P, cu reacţie după poziţia organului de acţionare. Regulatorului X 72 B i se asociază un servomotor electric echipat cu un potenţiometru de reacţie după poziţie zP . 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

zP , sunt scoase pe panoul frontal al standului. Se realizează montajul din figura 13.

Rd

X 72

220

A

B

b 3 2 1

3 2 1

d1

d 2

C1C2C3C4

1 2 3BRM 2

H

C

L

SMH

C

L

220

Pz

Fig. 13 Montaj pentru studiul regulatorului X 72 B ca regulator de tip P

110

Se va determina caracteristica statică a ansamblului, regulator X 72 B - servomotor cu reacţie după poziţie, )(fSM εα = , pentru diferite valori ale benzii de proporţionalitate BP şi sensibilităţii S. 6.2. Studiul regulatorului unificat ELX 176 Se realizează montajul din figura 14.

220ELZ 101

+-

+

-

+

-

Masurasup.

Masurainf.

ELX 176

220

R 1

R2

H 2

C2L 2H 1

C 1L 1

Fig. 14 Montaj pentru studiul regulatorului unificat ELX 176

Regulatorul ELX 176 fiind un echipament din sistemul unificat "ε", mărimea de intrare a acestuia, curent continuu ce variază în limitele 2...10 mA, se obţine de la sursa de curent constant ELZ 101 sau de la blocul de referinţă cu motor 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 1L , 1C , 1H , respectiv 2L , 2C , 2H , scoase pe panoul frontal al standului. Regulatorul ELX 176 este pus sub tensiune prin închiderea comutatoarelor 0b şi 1b de pe panoul frontal al standului. Se studiază regulatorul ELX 176 cu cele două semiunităţi funcţionând ca regulatoare bipoziţionale. Pentru fiecare semiunitate, se determină caracteristica statică

)(fxc ε= .

111

Starea contactelor releelor de ieşire 1R şi 2R 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 sursa de curent unificat ELZ 101 (conform figurii 9) sau BRM 1. Se determină caracteristica statică a regulatorului tripoziţional

)(fxc ε= . Se conectează regulatorul ELX 176 pe bornele blocului cu referinţă cu motor BRM 2 şi se studiază funcţionarea. 7. 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 B - BRM 2; - Se explică comportarea ansamblului regulator ELX 176 - BRM 2; - Ce se întâmplă la inversarea legăturilor 1-2 din figura 8 şi figura 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.

Tehnică, Bucureşti, 1986.