 |
|
Постановка задач дослідження
В результаті аналізу технічних характеристик контролерів були визначені наступні основні задачі дослідження:
ü розробити функціональну схему контролера ТК-5;
ü вдосконалити систему керування контролером елементів геліосистеми;
ü замінити схему з використанням електромагнітного реле на схему з використанням симісторного ключа;
ü розрахувати параметри схеми симісторного ключа.
Висновки
В першому розділі було розглянуто важливість використання сонячної енергії в повсякденному житті людини. В даній кваліфікаційній роботі було проаналізовано сонячні системи гарячого водопостачання. Переваги використання геліосистеми це насамперед невичерпність джерела та його доступність а також те що вона не здійснює шкідливих викидів в атмосферу. Геліоколектори мають термін служби 15 – 25 років. Геліосистеми можна використовувати для нагріву води не тільки для сан вузлу а й для підігріву води в басейнах а взимку для опалення будинку разом з котлом.
Проведено аналіз технічних характеристик двох контролерів один з яких встановлений і використовується в ЧДУ імені Петра Могили а саме модель ТК-5, інший більш сучасний це VITOSOLIC 100.
З технічних характеристик контролерів ТК-5 та Vitosolic 100 систем гарячого водопостачання видно, що в контролерах використовуються електромагнітні реле для ввімкнення потужного додаткового обладнання. Електромагнітне реле, має обмежену кількість ввімкнень близько 10000 разів. Тому я пропоную замінити електромагнітне реле симісторним ключем.
РОЗДІЛ 2
МОДЕРНІЗАЦІЯ КОНТРОЛЕРА ТК-5
Електромагнітне реле
Реле – електричний пристрій, призначений для комутації електричних ланцюгів (стрибкоподібної зміни вихідних величин) при заданих змінах електричних або не електричних вхідних величин.
Перше реле було винайдено американцем Дж. Генрі в 1831 р. і базувалася на електромагнітному принципі дії (рис. 2.1.), слід зазначити що перше реле було не комутаційним, а перше комутаційне реле винайдено американцем С. Бризом Морзе в 1837 р. яку надалі він використовував у телеграфному апараті.
Рис. 2.1. Перший релейний пристрій.
Слово реле виникло від англійського relay, що означало зміну втомлених поштових коней на станціях або передачу естафети (relay) втомленим спортсменом.
Релейні елементи (реле) знаходять широке застосування в схемах управління і автоматики [5], так як з їх допомогою можна:
· управляти великими потужностями на виході при малій потужності вхідного сигналу;
· виконувати логічні операції;
· створювати багатофункціональні релейні пристрої;
· здійснювати комутацію електричних ланцюгів;
· фіксувати відхилення контрольованого параметра від заданого рівня;
· виконувати функції запам'ятовуючого елемента і т. д.
Реле класифікуються за різними ознаками: за видом вхідних фізичних величин, на які вони реагують; за функціями, які вони виконують в системах управління; по конструкції і т. д. По виду фізичних величин розрізняють електричні, механічні, теплові, оптичні, магнітні, акустичні і т.д.. При цьому слід зазначити, що реле може реагувати не тільки на значення конкретної величини, але і на різницю значень (диференціальні реле), на зміну знака величини (поляризовані реле) або на швидкість зміни вхідної величини.
Реле зазвичай складається з трьох основних функціональних елементів: сприймаючого, проміжного і виконавчого.
Сприймаючий (первинний) елемент сприймає контрольовану величину і перетворює її на іншу фізичну величину.
Проміжний елемент порівнює значення цієї величини із заданим значенням і при його перевищенні передає первинну дію на виконавчий елемент.
Виконавчий елемент здійснює передачу дії від реле в керовані ланцюга. Всі ці елементи можуть бути явно вираженими або об'єднаними один з одним.
Сприймаючий елемент в залежності від призначення реле і роду фізичної величини, на яку він реагує, може мати різні виконання, як за принципом дії, так і по будові. Наприклад, в реле максимального струму або реле напруги сприймає елемент виконаний у вигляді електромагніту, в реле тиску - у вигляді мембрани або сильфона, в реле рівня - у вигляді поплавця і т.д.
По пристрою виконавчого елемента реле поділяються на контактні і безконтактні.
Контактні реле впливають на керований ланцюг за допомогою електричних контактів, замкнутий або розімкнений стан яких дозволяє забезпечити повне замикання або повний механічний розрив вихідного ланцюга.
Безконтактні реле впливають на керовану ланцюг шляхом різкої (стрибкоподібного) зміни параметрів вихідних електричних ланцюгів (опору, індуктивності, ємності) або зміни рівня напруги (струму).
Основні характеристики реле визначаються залежностями між параметрами вихідний і вхідний величини.
Розрізняють такі основні характеристики реле:
1. Величина спрацьовування Хср реле - значення параметра вхідної величини, при якій реле включається. При Х <Хср вихідна величина дорівнює Уmin, при Х≈Хср величина У стрибком змінюється від Уmin до Уmax і реле включається. Величина спрацьовування, на яку відрегульоване реле, називається уставкою.
2. Потужність спрацьовування Рср реле - мінімальна потужність, яку необхідно підвести до сприймаючого органу для переведення його із стану спокою в робочий стан.
3. Керована потужність Рупр - потужність, якою управляють комутуючі органи реле в процесі перемиканні. За потужністю управління розрізняють реле ланцюгів малої потужності (до 25 Вт), реле ланцюгів середньої потужності (до 100 Вт) і реле ланцюгів підвищеної потужності (понад 100 Вт), які належать до силових реле і називаються контакторами.
4. Час спрацювання tср реле - проміжок часу від подачі на вхід реле сигналу Хср до початку впливу на керований ланцюг. За часом спрацьовування розрізняють нормальні, швидкодіючі, уповільнені реле і реле часу. Зазвичай для нормальних реле tср = 1с, для швидкодіючих реле tср = 50 ... 150 мс.
Електромагнітні реле, завдяки простому принципу дії і високій надійності, одержали саме широке застосування в системах автоматики і в схемах захисту електроустановок. Електромагнітні реле діляться на реле постійного та змінного струму. Реле постійного струму діляться на нейтральні і поляризовані. Нейтральні реле однаково реагують на постійний струм обох напрямків, що протікає по його обмотці, а поляризовані реле реагують на полярність керуючого сигналу.
Робота електромагнітних реле заснована на використанні електромагнітних сил, що виникають в металевому сердечнику при проходженні струму по виткам його котушки. Деталі реле монтуються на підставі і закриваються кришкою. Над сердечником електромагніту встановлений рухливий якір (пластина) з одним або кількома контактами. Навпроти них знаходяться відповідні парні нерухомі контакти.
У вихідному положенні якір утримується пружиною. При подачі напруги електромагніт притягує якір, переборюючи її зусилля, і замикає або розмикає контакти в залежності від конструкції реле. Після відключення напруги пружина повертає якір у вихідне положення. В деякі моделі, можуть бути вбудовані електронні елементи. Це резистор, підключений до обмотки котушки для більш чіткого спрацьовування реле, або (та) конденсатор, паралельний контактам для зниження іскріння і перешкод (рис. 2.2.).
Рис. 2.2. Електромагнітне реле.
Керований ланцюг електрично ніяк не пов'язана з керуючим ланцюгом, більш того в керованого ланцюга величина струму може бути набагато більше ніж у керуючого.
Тобто реле по суті виконують роль підсилювача струму, напруги та потужності в електричному ланцюзі.
Реле змінного струму спрацьовують при подачі на їх обмотки струму певної частоти, тобто основним джерелом енергії є мережа змінного струму. Конструкція реле змінного струму нагадує конструкцію реле постійного струму, тільки сердечник і якір виготовляються з листів електротехнічної сталі, щоб зменшити втрати на гістерезис і вихрових струмах.
Електромагнітне реле має ряд переваг, відсутніх у напівпровідникових конкурентів:
· здатність комутації навантажень потужністю до 4 кВт при обсязі реле менше 10 см3;
· стійкість до імпульсних перенапругам і руйнуючих перешкод, що з'являються при розрядах блискавок і в результаті комутаційних процесів у високовольтній електротехніці;
· виняткова електрична ізоляція між керуючим ланцюгом (котушкою) і контактною групою - останній стандарт 5 кВ є недоступною мрією для переважної більшості напівпровідникових ключів;
· мале падіння напруги на замкнутих контактах, і, як наслідок, мале виділення тепла: при комутації струму 10 А малогабаритне реле сумарно розсіює на котушці і контактах менше 0,5 Вт, у той час як симісторне реле віддає в атмосферу понад 15 Вт, що, по-перше, вимагає інтенсивного охолодження, а по-друге, посилює парниковий ефект на планеті;
· екстремальна низька ціна електромагнітних реле в порівнянні з напівпровідниковими ключами.
Відзначаючи гідності електромеханіки, відзначимо і недоліки реле:
· мала швидкість роботи;
· обмежений електричний та механічний ресурс;
· створення перешкод при замиканні і розмиканні контактів;
· проблеми при комутації індуктивних навантажень і високовольтних навантажень на постійному струмі.
Типова практика застосування потужних електромагнітних реле - це комутація навантажень на змінному струмі 220 В або на постійному струмі від 5 до 24 В при струмах комутації до 10-16 А. Звичайними навантаженнями для контактних груп потужних реле є нагрівачі, малопотужні електродвигуни, лампи розжарювання, електромагніти та інші активні, індуктивні та ємнісні споживачі електричної потужності в діапазоні від 1 Вт до 2-3 кВт.
Симістор
Симіcтop (симетричний тріодний тиристор) або Тріак (від англ. TRIAC - triode for alternating current) - напівпровідниковий прилад, що є різновидом тиристорів і використовуваний для комутації в ланцюгах змінного струму. В електроніці часто розглядається як керований вимикач (ключ) (рис. 2.3.).
Рис. 2.3. Позначення в електроніці.
Чим же симістор відрізняється від своїх «побратимів» - триністорів (триністорів)? Згадайте про властивості цих приладів. Їх роботу часто порівнюють з дією звичайних дверей: прилад замкнений - струм в ланцюзі відсутній (двері закриті - проходу немає), прилад відкритий - в ланцюзі виникає електричний струм (двері відчинилися - ввійдіть). Але у них є спільний недолік. Тиристори пропускають струм тільки в прямому напрямку - так звичайні двері легко відкривається "від себе", але скільки не тягни її на себе - в протилежну сторону, всі зусилля виявляться марними.
Збільшивши число напівпровідникових шарів тиристора з чотирьох до п'яти і забезпечивши його керуючим електродом, вчені виявили, що прилад з такою структурою (названий згодом симістором) здатний пропускати електричний струм як у прямому, так і в зворотному напрямках.
На рис. 2.4., зображена будова напівпровідникових шарів симістора. Зовні вони нагадують транзисторну структуру р-n-р типу, але відрізняються тим, що мають три додаткові області з n-провідністю. І ось що цікаво: виявляється, дві з них, розташовані біля катода і анода, виконують функції тільки одного напівпровідникового шару - четвертого. П'ятий утворює область з n-провідністю, що лежить близько керуючого електрода.
Рис. 2.4. Будова напівпровідникових шарів.
Ясно, що робота такого приладу заснована на більш складних фізичних процесах, ніж у інших типів тиристорів. Щоб краще розібратися в принципі дії симістора, скористаємося його тиристорним аналогом. Чому саме тиристорним? Справа в тому, що поділ четвертого напівпровідникового шару симістора не випадково. Завдяки такій структурі при прямому напрямку струму, що протікає через прилад, анод і катод виконують свої основні функції, а при зворотному вони як би міняються місцями - анод стає катодом, а катод, навпаки, анодом, тобто симістор можна розглядати як два зустрічно-паралельно включених тиристора (рис. 2.5.).
Рис. 2.5. Еквівалентна схема симістора.
Уявімо, що на керуючий електрод поданий відмикаючий сигнал. Коли на аноді приладу напруга позитивної полярності, а на катоді - негативної, електричний струм потече через лівий за схемою триністор. Якщо полярність напруги на силових електродах поміняти на протилежну, включиться правий по схемі триністор. П'ятий напівпровідниковий шар, подібно регулювальника, рухом автомобілів на перехресті, направляє відмикаючий сигнал, залежно від фази струму на один з триністоров. При відсутності відмикаючого сигналу симістор закритий.
У цілому його дію можна порівняти, наприклад, з обертовими дверима на станції метро - в який бік не штовхни її, вона обов'язково відкриється. Дійсно, подамо відмикаючу напругу на керуючий електрод симістора - "підштовхнемо" його, і електрони, наче поспішають на посадку або вихід пасажири, потечуть через прилад в напрямку, диктуючої полярності включення анода і катода.
Завдяки симетричності вольт-амперної характеристики новий напівпровідниковий прилад був названий симетричним тиристором (скорочено - симістор). Іноді його називають Тріак (термін, що прийшов з англійської мови)[6].
При використанні симістора накладаються обмеження, зокрема при індуктивному навантаженні. Обмеження стосуються швидкості зміни електричної напруги (dU / dt) між основними електродами симістора і швидкості зміни робочого струму di / dt. Перевищення швидкості зміни напруги на симісторі (через наявність його внутрішньої ємності), а також величини цієї напруги, можуть призводити до небажаного відкривання симістора. Перевищення швидкості наростання струму між основними електродами, а також величини цього струму, може призвести до пошкодження симістора. Існують і інші параметри, на які накладаються обмеження відповідно до граничнодопустимого режиму експлуатації. До таких параметрів належать струм і напруга керуючого електрода, температура корпусу, що розсіюється приладом потужність та інше.
Небезпека перевищення по швидкості наростання струму полягає в наступному. Завдяки глибокому позитивному зворотному зв'язку, перехід симістора у відкритий стан відбувається лавино подібно, але, незважаючи на це, процес відмикання може тривати до декількох мікросекунд, протягом яких до симістора виявляються включені одночасно великі значення струму і напруги. Тому, навіть незважаючи на те, що падіння напруги на повністю відкритому симісторі невелика, миттєва потужність під час відкривання симістора може досягти великої величини. Це супроводжується виділенням теплової енергії, яка не встигає розсіятися і може призвести до перегріву і пошкодження кристала [7].
Одним із способів захисту симістора від викидів напруги при роботі з індуктивним навантаженням є включення варистора паралельно основних виводів симістора. Для захисту симістора від перевищення швидкості зміни напруги застосовують RC-ланку, що підключається аналогічно.