Automatika u Brodarstvu

(3.42)

dt Kako je e = um to je dcp dt

u =k-, a

(3.43)

gdje je ua - izlazna velicina, a cp - ulazna velicina,

3.1.1.6. Iutegralni procesi Dinamicki proces kod koga je brzina promjene izlazne velicine proporcionalna ulaznoj velicini naziva se integralnim, Njegova diferencijalna jednacina se moze predstaviti relacijom

dx

A

dt = ry'

(3.44)

gdje je k - koeficijenat prenosa koji pokazuje odnos brzine promjene izlazne velicine prema ulaznoj, Integrisanjem ove relacije, dobija se x =kJydt,

(3.45)

iz koje se vidi
3. Analiza sistema autornatskog vodenja

42

d

dt

(3.46) a

pa se ugaoni pomjeraj moze izraziti relacijom (j)

=kf

(3.47)

udt .

x

b)

a) a) odziv I procesa

Slika 3.15. I proces b) I proces kod jednosmjernog rnotora

Elektromotor je prikazan idealno, bez kasnjenja. Kada se, medutim, kasnjenja zbog mase i induktiviteta ne mogu zanernariti, pojavljuju se dodatni diferencijalni olanovi dx Jydt. (3.48) T-+x""'k dt Ova jednacina predstavlja Ii proces, Integralni procesi i integralni elementi se u literaturi . srecu cesto pod nazivom astaticki procesi, pa se govori 0 astatizmu procesa odnosno nivou astatizma procesa. U tacki 2.3.l je prikazan proces punjenja rezervoara kao primjer astatickog procesa. Nivo tecnosti, kao izlazna velicina, predstavlja integralni proces dotoka vode u rezervoar, pesto se zapremina rezervoara moze izraziti relacijom

v:: : k J qdt

.

(3.49)

Kako je V = Sh ; ;:; Sx, to se nivo x moze izraziti relacijom x =

s1 k J qdt ;;;; k J. qdt .

(3.50)

3.1.1. 7. Procesi sa transportnim kasnjenjem Kod procesa cistog, transportnog kasnjenja izlazna velicina slijedi ulaznu velicinu, ali za njom kasni odredeni vremenski interval -r. Diferencijalna jednacina ovog procesa ima oblik x(t) = 0 za 0::;; t s: -r, x(t)

= ky(t - -r)

za t ~ -r ,

(3.51)

3 .1. Analiza sistema u r-domenu

43

gdje SU 1: - cisto kasnjenje (mrtvo ili prenosno vrijeme kasnjenja) i k - koeficijent pojaeanja procesa. Prelazni procesje prikazan na slici 3.16a . &

YI.,__

• I

q~ ~

_

L

.,. t

A

x k

I,____

~~----------------~ (+) (+~\x !.------·-· L-----~

a)

• _J

----~------------

...

q,1

T

l-:::-,::-·-------·-t

b)

c)

Slika 3 .16. Proces sa Cistim kasnjenjcm a) prelazna karakteristika b) primjer transportnog procesa

c) prelazna Iunkcij a protoka Na slici 3. I 6b je prikazan proces sa transportnim kasnjenjem ostvaren na k ontinualnom dozatoru, Step promjenom otvora dozatora promijeni se velicina izlnzne struje rasutog materijala. Obavljenu promjenu senzor na izlazu dozatora detekmje poslije vremena 1 =Liv, gdje su L - duzina dijela transportne trake a v - brzina trake (slika 3.16b). Procesi n--toga reda mogu zadovoljavajuce dobro da se aproksimuju sa dva serijski vezana elementa: elementom prvoga reda i elementom sa cistim kasnjenjem. Karakteristike ovih elemenaga se mogu naci iz eksperimentalno snimljenog odziva (slika 3.2b). 3.1.2. Ponasanje regulatora Radi podsjecanja na odnose izmedu pojedinih velicina u regulacionorn krugu, blok-sema regulacionog sistema je ponovo data na slici 3.17. Na ulaz regulatora se dovodi signal regulacionog odstupanja e. Ovaj signal se matematicki moze predstaviti na dva nacina: kao odstupanje od regulisane velicine e = x - w, ili kao odstupanje od referentne velicine e = w - x. Na slici 3.17 greska je prikazana kao odstupanje od referentne velicine. Jasno, u oba slucaja e moze poprimiti pozitivne i negativne vrijednosti. w

x

+

..

Slika 3.17. Blok sema regulacionog kruga

Regulator na svom izlazu formira regulirajucu velicinu u, koja je zavisna od pojacanja samog regulatora i od nacina vremenskog oblikovanja regulacionog od-

3. Analiza sisterna automatskog vodenja

44

stupanja. Umjesto o oblikovanju, cesto se govori o ponasanju regulatora. Osnovna ponasanja regulatora su, s gledista matematicke prezentacije odziva (matematicki modeli), veoma slicna procesima, pa se cesto u strucnoj literaturi zajednicki razmatraju kao elementi regulacionog kruga. Tako matematicki nema razlike izmedu punjenja rezervoara (proces) i punjenja kondenzatora (regulator). Ovdje su oni narnjerno razmatrani odvojeno, s tim da je potencirano da su procesi posljedica odnosa materije i energije, znaci materijalnog i energetskog bilansa, a da se pomocu regulatora, izborom njegovog ponasanja, moze uticati na vodenje procesa odnosno na kreiranje materijalnog i/ili energetskog bilansa u kome mogu biti angazovane velike kolicine materije i/ili energije, Tako regulator moze da posjeduje osnovna ponasanja, i to: proporcionalno, integralno i diferencijalno (derivativno), koja su slicna ponasanjima odgovarajucih procesa, pa se nece ponovo razmatrati, ali moze da posjeduje i slozenija ponasanja, od kojih ce ovdje biti obradena PI, PD iPID. 3.1.2.1. PI regulator Kao sto je naglaseno u samom nazivu, PI regulator posjeduje proporcionalnointegralno ponasanje, tako da se izlaz regulatora maze predstaviti relacijom

u ""KPe + K1 J edt,

(3.52)

gdje su KP i K,. kceficijenti proporcionalnog i integralnog pojaeanja. Umjesto preko KP i K;, cesce se dinamicko ponasanje predstavlja parametrima KP i T;, gdje je T; integralno vrijeme odnosno integralna vremenska konstanta. Iz relacije se vidi da se T; moze izraziti kao T; = K/K;, take da relacija regulators poprima oblik

u = K (e + _!_1·; f edt) .

(3.53)

p

110111

Ovdje nije uzeta u obzir vrijednost izlaza regulatora koja odgovara stacionarstanju. Kompletan izlazni napon se moze izraziti relacijom

u = u + K (e + _!_T, J edt).

(3.54)

0

fl

..

b)

a)

Slika 3.18.

PI regulator

a) odzi v regulatora b) realizacij a pomocu paralelno vezanih osnovnih regulators P i I

3.1. Analiza sistema u t-domenu

45

3.1.2.2. PD regulator PD regulator posjeduje proporcionalno-diferencijalno prikazano na slici 3.19a, a moze se predstaviti relacijorn de u =K e+KdJl dt

ponasanje. Ponasanje je (3.55)

l=_p + XI

u

A

+ ''

--~"-:::.:-----

b)

a)

Slika 3.19. PD regulator a) odziv regulators b) realizacija pornocu paralelno vezanih osnovnih regulators

PiD gdje su KP i Kd koeficijenti proporcionalnog i diferencijalnog pojacanja. I ovdje se, umjesto pomocu koeficijenata i Kd, ponasanje bolje predstavlja pomocu konstanti KP i T,p tako da relacija PD regulatora poprima oblik

x;,

u=K

p

(e + i, de.cit ) .

(3.56)

3.1.2.3. PJD regulator

PID regulator ima proporcionalno-integralno-diferencijalno ponasanje, izrazeno relacijama de u=K e+K. I edt+Kd-=K p

t

dt

p

( e+- 1 J edt+T, 1-

r;

c

deJ dt

•

(3.57)

Prelazna funkcija je data na slici 3.20. PID regulator posjeduje tri podesiva parametra: proporcionalno pojacanje KP, integralno vrijeme T, i diferencijalno vrijeme Td. PID regulator sjedinjuje sva dobra svojstva osnovnih regulatora: D djelovanje obezbjeduje brzo reagovanje, P djelovanje obezbjeduje konstantno dovoljno jako pojacanje i I djelovanje osigurava tacnost ipotpuno otklanjanje regulacionog odstupanja.

3. Analiza sistema automatskog vodenja

46

C!

'~ t

~I

u

+

'

'\ PID /1 '' --~--;_.,.,: ____~ p _,,~, D

--

L°

t

b)

a)

Slika 3.20. PID regulator a) odziv b) realizacija pomocu tri paralelno vezana osnovna regulatora P, I, i D

3.1.3. Ponasanje regulacionog kruga U tacki 3.1.1. opisana je metoda testiranja procesa i uopste elemenata regulacionog kruga pomocu odskocne funkcije. Funkcija regulatora je potencirana u tekstu vezanom za sisteme automatske stabilizacije (tacka 2.3.1) i sisteme slijedne regulacije (tacka 2.3.2). Poznavajuci odziv procesa, potrebno je sagledati kakav ce odziv tog istog procesa biti u zatovrenom regulacionom krugu, kada na proces djeluje poremecaj tipa odskocne funkcije ili kada se na referentni ulaz dovodi odskocna funkcija. U slucaju procesa prvoga reda

dx

T-+ x =ky, (3.58) dt izlazna velicina x se mijenja po eksponencijalnom zakonu (tacka 3.1.1.2, napon punjenja kondenzatora RC kola). U konkretnom slucaju procesa dx 5-. + x = 2y, (3.59) dt vremenska konstanta procesa je T = 5, a staticka osjetljivost, ili pojacanje k = 2. Kada se na ulaz procesa dovede jedinicna odskocna funkcija, izlaz procesa se mijenja po eksponencijalnom zakonu, da bi poslije t = JT dostigao vrijednost od 62,3% konacne vrijednosti, a poslije t = 3T vrijednost od 95% konacne vrijednosti novog stacionarnog stanja,

~11----

y

·15:+x=2yl a)

x

x

b)

Slika 3.21. Otvoreni sistem sa procesom prvoga reda a) prenosna funkcija b) prelazne karakteristike ulaza i izlaza

.

47

3.1. Analiza sistema u z-domenu

Drugacije ce se ponasati isti proces u regulacionom krugu, pesto ce regulator svojim djelovanjem promijeniti karakteristike procesa. Kakav je uticaj regulatora, bice pokazano na primjerima P regulatora iPI regulatora. 3.1.3.1. Regulacioui krug Sil Pl procesom i P regulatorom Na slici 3.22 predstavljen je regulacioni krug sa osnovnim komponentama. Radi jednostavnije analize, pretpostavljeno je da su sve komponente nultoga reda: komparator e = 111 -x, regulator u = kR e, izvrsni uredaj - aktuator y1 = kAu. z u

~Y1-l_:

+

~

- x

dx · 5-+x dt

= 2y

,__x__

Slika 3.22. Regulacioni krug sa procesorn prvoga reda

Kada se u diferencijalnoj jednacini procesa zamijene prelazne funkcije ostalih komponenata regulacionog kruga, dobija se relacija T dx + x = k(z + y ) = kz + kk u = kz + kk k e = dt I A ;l R

(3.60)

= kz+kkAkAw-x)=kz+kkAkRoo-kk,.k11.x, odnosno (3.61) odnosno (3.62) i, na kraju, relacija (3.63) Relacija (3.63) predstavlja opstu relaciju regulacionog kruga, U njoj su superponirana ponasanja sistema automatske stabilizacije i sistema slijedne regulacije. Funkcija sistema automatske stabilizacije dx I's-+ X = kASz (3.64) dt i funkcija sistema slijedne regulacije dx (3.65) fs-+x =k8RW dt

3. Analiza sistema autornatskog vodenja

48

posjeduju prirodu procesa prvoga reda, uz znacajno smanjenje vrijednosti vremenske konstante i statickog ponasanja, Ponasauje sistema automatske stabilizacije U relaciji sistema automatske stabilizacije (3.64) konstante procesa su date izrazima

T, =

T ,kAS = k 1 + k/c)c11 1 + kk,/c11

(3.66)

Kake su vrijednosti Ti le odredene procesom (relacija 3.59) i ako je kA = l, onTs i kAs iznose:

da konstante

T ;=-5s

k

1+2k11'

AS

2 =-1+2k11'

(3.67)

i direktno su zavisne od odabrane vrijednosti proporcionalnog pojacanja, kao jedine prilagodljive velicine regulacionog kruga. Vidi se da je Ts< 5 i kAs < 2 za bilo koju vrijednost pojacanja, osirn za vrijednost kR = 0, koja nema smisla, Za kR = 1 karakteristike sistema poprimaju vrijednosti Ts= 1,66 i kAs = 0,66. U ovom slucaju poremecajna velicina je samo neznatno redukovana. Tek ce izrazenim pojacanjem regulatora doci do ozbiljnog redukovanja poremecaja. Tako je za kR = 10, vremenska konstanta Ts = 0,238 a koeficijenat pojacanja k,is = 0,095 (slika 3.23). Na zalost, povecanje pojacanja utice negativno na stabilnost kompletnog sistema (tacka 3.4.1). x

z

2,0

-------------------~----------------------~------------------·

1,8 1,6 1,4 1,2

z l,O

zatvoreni krn k =I, T,=1,66,

0,8

k s=O 66

0,6 0,4

zatvoreni krug kn=lO, J:,=0,238, k,,.v=0,095

0,2 0 0

2

Slika 3.23.

4

6

10

12

14

16

18

20

t

Uticaj pojacanja regulatora na smanjenje poremecajne velicine

Regulatori sa P ponasanjem ne mogu u potpunosti da eliminisu poremecaj. Uvijek, nezavisno od vrijednosti pojacanja, ostaje prisutno zaostalo regulaciono odstupanje.

3 .1. Analiza sistema u z-domeuu

49

Ponasauje sistema slijedne regulacije U relaciji sistema slijedne regulacije (3.65) vremenska konstanta Ts ima istu vrijednost kao kod sistema automatske stabilizacije, dok je staticka osjetljivost data izrazom (3.68) Kod slijednog sisterna regulisana velicina treba da prati referentnu velicinu, Pretpostavlja se da je poremecajna velicina jednaka nuli (z = 0), ali u slucaju da nije, slijedni sistem je u mogucnosti da eliminise pojavu poremecaja. Koliko ce fino regulisana velicina da prati referentnu, moze se sagledati posmatranjem koeficijenta pojacanja sistema ksIV u zavisnosti od pojacanja regulatora kR. Vrijednosti kR = 1 odgovaraju vremenska konstanta Ts= 1,66 i koeficijenat pojacanja ksR = 0,66. IzIazna velicina dostize 66% referentne vrijednosti, tako da preostalo regulaciono odstupanje iznosi 34% (slika 3.24). Kod pojacanja regulatora kR ;;:; 10, pojaeanje sistema poprimi vrijednost ksR "" 0,95, a vremenska konstanta Ts = 0,095. Preostalo regulaciono odstupanje iznosi 5% od konacne vrijednosti. I u slucaju slijedne regulacije, P regulator ne moze ostvariti potpuno slijedenje referentne vrijednosti, odnosno potpunu eliminaciju preostalog regulacionog odstupanja. x

w

2.0

-----------------------------------------~~--~----------------

1,8 1,6

l.4 1,2

1,0

zatvoreni km k1,=l0,J'.,=0,238, k.,u=0,95

0,8

0,6

zatvoreni krug T,=1,66, k,'il<=0,66

0,4

ku= I,

0,2 0 0

2

4

6

10

12

14

16

18

t

20

Slika 3.24. Uticaj pojacanja regulatora na nivo slijedenja referentne vrijednosti

3.1.3.2. Regulacioni sistem sa Pl procesom i PI regulatorom Ako se u jednacinu procesa uvedu prenosne funkcije komponenata sistema, dobija se T dx dt +x «ky =kkAy1 =kk,i(z+u)=kkAz+kkJPe+kkAk1 = kk,l + kk)cP(w- x) +kkk;

- kkjcpx

J (w-x)dt

+ kkAk1 f wdt -kkjc1f xdt .

=

f edt

«

kkAz+ kk)cPw(3.69)

50

3. Analiza sistema automatskog vodenja

Poslije sredivanja, dobija se integro-diferencijalna jednacina

f

J

+ (1+ kk/cP)x + kk)c1 xdt =kkAz +kk)cpw+kk),1 wdt.

T:

(3.70)

Diferenciranjern ove jednacine, a uzimajuci u obzir odskocnu prirodu poremecaja i reference, jednacina poprima oblik Td2~ +(l+kk,k")dx

dr

'

dt

+kk1k,x=kk1k1w. ' ,

(3.71)

Iz jednacine (3.71) se vidi da, u slucaju odskocne referentne funkcije, partikularno rjesenje xp poprima referentnu vrijednost bez staticke greske kk k Xl'=- 1-1==W. (3.72)

u ), 1-

Detaljnom matematickom analizorn, pokazano rjesenje bi. se moglo generalizovati na bilo koji oblik poremecajne funkcije (potpuna eliminacija poremecaja) i bilo koji oblik referentne funkcije (puno slijedenje reference). Na slici 3.25 prikazan je model sistema automatske stabilizacije, eksitiran odskocnom pobudnom funkcijom, Ponasanje je simulirano programskim paketom .· SIMULINK. Prikazana su dva karakteristicna slucaja eliminacije poremecaja: eliminacija poremecaja uz izrazeno oscilovanje, ostvareno izborom male vremenske konstante (7; = 0,04 s) i eliminacija bez oscilovanja, ostvareno izborom velike vremenske konstantc (7~= 0,4 s), x.u.z

. . . . .~~-~-~-~~-r--...,.-----;------i

2,.5 !---+--++- .... --"+--+---+---!--,_~ __

J

dx di

5 -+x= 20 y

j_J

I ' I I ! I ' k ~120 ! j I 2,0 1--r.---1-+-~-'r,.:-:::ii
x

·1

,k,"''' 0,5 1,S f---f-o=--l---+---+-'-r-+-'--+--1---;., --t---i

:f\ \.x . I 1,0 -.,..,111-!:___, \r+--+--+----r.---1--+J_z~! _'""I--i

f

x

iv=consr

k.on

I -. ! !!: -+,_-+-----h<,.-,-+-LJ--t--;-1

. k,~s ' ' o.o H-t--ir\'-;-,-/-f+-+'...,........,_1-i,....-/-F-~-+--1 -0,5

a)

1

0,5 l-lil-+--li~k~,~~0,-2

-1,0

~

! ! I j \ 'r--U~ V"""' _,,__ j \I---~:?-- - , i -,

-

~

!

-1,5 0,0

0,4

0,8

1,2

1,6

2,0

b) Slika 3.25. Regulacioni sistem sa Pl procesom i PI regulatorom a) model sistema b) talasni oblici ponasanja procesa i regulatora u procesu automatske stabilizacije

Slicno, na slici 3.26 prikazan je model regulacionog sistema slijedne regulacije. Prebacivanje procesa u novo stacionarno stanje, kod promjene reference, vrsi se sa izrazenim oscilacijama (T'; = 0,04 s) i bez oscilacija (T'; = 0,4 s).

3.1. Analiza sistema u r-domenu

51

X,U,Z

1,4 dx

5-+x=2y

x

i,2

dt

r.o 0,8

x

0,6 u=k,.e+k, fed!

0,4 0,2

a)

0,0-0

2

3

4

5

b) Stika 3.26. Rcgulacicni sistern sa Pl procesorn i PI regulatorom a) model sistema b) talasni oblici ponasanja procesa i regulatora u procesu slijedne regulacije

3.2. ANALIZA SISTEMA U s-DOMENU Laplasova transformacija omogucuje da se diferencijalna jednacina iz z-domena, gdje je tesko rjesavati, prebaci u s-domen, gdje se rjesava kao algebarska jednaCina, znatno jednostavnijim matematickim aparatom pogodnijim za inzenjersku praksu. Po dobijanju rezultata u s-domenu, rjesenje se inverznom Laplasovom transformacijom prebaci iz s-domena u t-domen. Ovaj nacin rransformacije podsjeca na proces logaritmovanja koriscen kod inzenjerske alatke siber. Kod sibera se umjesto mnozenja i dijeljenja originala logaritmovanjem vrsilo sabiranje i oduzimanje likova, da bi se po dobijanju rezultata lik rezultata ponovo pretvorio u original. Laplasova transformacija pomocu koje se fonkcijaj(t) transformise u funkciju kompleksne promenjive F(s ), ostvaruje se po relaciji "' T(s)= J(t)e-"dt =2"{f(t)}, (3.73)

f

gdje je s - kompleksna promjenljiva oblika s = c + jro u kojoj su o i O) realne promjenljive, pri tome j(t) predstavlja original, a F(s) kompleksni lik. F(s) se formira od trenutka t > 0, sto odgovara tehnickim uslovima trenutka od kada pocne da djeluje pobudna funkcija odnosno spoljasnji poremecaj, sto je osnovni prakticni znacaj transformacije. Da bi F(s) postojala, funkcijaj(t) morn da bude kontinualna i eksponencijalna, ali takva da integral (3.73) konvergira, Homogene diferencijalne jednacine sa konstantnim koeficijentima su integrabilne pa se na njih moze primijeniti Laplasova transformacija, Kod rjesavanja diferencijalnih jednacina, prvo se pomocu tabela nadu transformanti diferencijalne jednacine da bi se odredilo rjesenje F(s). Radi vracanja u t-domen, F(s) je pogodno pretstaviti zbirom parcijalnih rnzlomaka cija se rjesenja mogu naci u tabeli, da bi se direktno dobila rjesenja u t-domenu (slika 3.27).

3. Analiza sistema autornatskog vodenja

52

X1

= f(y,t)

tabela

F(X,,Y,s)

=

tabela rjesenjc

0

X;

=

" k X,=L:-'

F(Y,s)

'"' s - s,

Slika 3.27. Blok-sema primjene Laplasove transformacije kod rjesavanja lineamih diferencij alnih j ednacina

j(t)

F(s)

j(t)

F(s)

aj(t)

aF(s)

t

-s2

fi(t) +fit)

+ h(t)

df(t) dt d2f(t)

---

F1(s)

e-ot

+ F2(s) + Fh·)

s F(s)- j(O) s2F(s)-sf(O)

+ dfd~O)

dt'

1

te-a1

F(s)

f(.t) e-a1

F(s +a)

e-at

j(t- a)

e" F(s)

«" cos mt

lim f(t)

lims F(s)

1->r-O

cos

O)t

sin O)f

n(t-a)

.1'-)0

lim ,...,o f(t)

lim ,....,s F(s)

1

-

1

s

1

s+a 1

(s +a)2 0)

sin O)t

f f(t)dt

s

--

--s2 +o/ s --s2 +o/ 0)

(s+a)2+o/ s+a (s+

a)2 +o/ «: s

-

2ros tsin rot

(s-2 + (02)

t cos

-m2 (s2 +m2} s2

O)t

Tabela T-3. l - Parovi Laplasovih transformacija nekoliko karakteristicnih funkcija

3.2. Aualiza sistema u s-domenu

53

Inverzna Laplasova transformacija je definisana integralom 1 (Hj(J)

f

JV)=-.

F(s)e"ds. (3.74) 2n; "-:-J"' Nize, na primjeru odskocne funkcije, bice prikazano izracunavanje funkcije F(s). Odskocna funkcija je data opstom relacijom j(t) =A, a jedinicna odskocna funkcija je definisana

f (t) = {O za 1

t
za

(3.75)

t ~

Ova relacija je u slucaju procesa data u obliku y(t) =A a u slueaju regulatora e(t) =A. F(s) funkcija se nalazi po definiciji

F(s)=Af"'e-"dt=-Ae_"l:=A. 0 s s U slucaju jedinicne odskocne funkcije, A

=

l , pa je

(3.76)

F(~) = .!. . U tabeli s

T-3. l je

dato vise parova funkcija Laplasove transformacije. 3.2.1. Rjesavanje linearnib diferencijalnih jednaeina sa konstantnim koeficijentima Pornocu Laplasove transformacije mogu se Iinearne diferencijalne jednacine pretvoriti u algebarske, pri cemu je nuzno poznavati pocetne uslove izlazne promjenljive i pocetne uslove odgovarajucih izvoda. U slucaju diferencijalne jednacine drugoga reda, (3.77) Pomocu tabele T-3.1 moguce je formirati algebarskujednacinu u s-domenu

a2X(~ )~2 - a2x(o)+ a2 dx(O) + a1X(s )s -a1x(O )+ a0X(s )= b0Y(s) dt

X(s)(a s + a s + ao}-[ a x< > -a 2 2

1

2

0

2

d;~

[a x(O)-a 2

2

0>

+ a1x(o)] == bl(s) ~

(3.78) (3.79)

+a x(o)] 1

(3.80) Da bi se iz ove algebarske jednacine nasla funkcija.f(t), nuzno je primijeniti inverznu Laplasovu transformaciju, koja kompleksni lik funkcije F(s) transformise u original.f(t). Ukoliko F(s), sto je najcesce slucaj, nije tablicnog oblika, potrebno je rastaviti na proste cinioce poznatom metodom jednakih koeficijenata. Tako se npr, funkcija

54

3. Analiza sistema autornatskog vodenja

moze predstaviti u obliku

F(s)= k,

+

s

k +_!s_' 2

s+I

s+2

gdje se koeficijenti nalaze prema relacijama

k = B(O) =_!_ < N'(O) 2)

=

1

2

B(-I) N'(-1)

= B(-2) =2_

=-2k

'

N'(-2) 2'

3

take da se funkcija F(s) moze predstaviti pomocu tablicnih transformanata

F(s)=-1 __ 2_+~-12s 2 +1 2 s +2 da bi se inverznom Laplasovom transformacijorn dobilo rjesenje u z-domenu

+2-e-

2'"1{F(s)}=!-2e-1

21

2

2

= J(t).

3.2.2. Prenosna funkcija Na bazi algebarske jednacine (3.80), u posebnom slucaju kada su pocetni uslovi promjenljive x i njenih izvoda jednaki nuli, definise se prenosna funkcija. U konkretnom slucaju, prenosna funkcija elementa drugog reda se nalazi iz relacije X(s)=

boY(s) a2s2 + a.s + a0

(3.81)

postavljanjem odnosaX(s)/Y(s)kojim se definise prenosna funkcija F(s)

F(s)= X(s) = X y (s)

y

=

b0

(3.82)

•

a2s2 + 'V + ao

U opstem slucaju elemenat automatskog sistema vodenja kao i cio sistem moze se predstaviti diferencijalnom jednacinom d':» d'"'» d'» dx a -+a --+ ... +a -+c1-+ax= dt" df<-l 2 dt' l dt 0 II

1J-I

(3.83)

d"'y

d"'-'y d2y dy =b n• -b dt"' •1-l --+ dt"'-l .. • +b2 -+b-+by dt2 l dt o

.

Primjenom Laplasove transformacije na ovu jednacinu, za nulte pocetne uslove, dobija se

(a,,s'' +a 1 + ... +a2s2 +a1s +a0)x(s) = (b,,,s"' +b.,_1s"'-1 + ... +b2s2 + b.s +b0)r(s-). (3.84) Iz ove jednacine se nalazi prenosna funkcija 11_/'-

F(s)= X(s) = b.,s"' +b.Hs

111-1

·

Y(s)

a,,s" +a _,s·-1 11

+ +b2s2 +b1s+b0 = B(s). + +a2s2a1s+a0 N(s)

(3.85)

3.2. Analiza sistema u s-domenu

55

Prenosna funkcija predstavlja racionalnu funkciju od s. Za prenosne funkcije automatskih sistema i elemenata tih sistema karakteristicno je da je stepen u imeniocu N(s) uvijek veci od stepena u brojiocu B(s) tj, n e m. Ako su poznate nule z; polinoma B(s) i polovi p, polinoma N(s) prenosna funkcija se moze predstaviti u obliku

.

B(s) k

111

F(s )= --

TI (s - z..)

= --''=~1--

(3.86)

TI (s- p..)

N(s-)

i=t

gdje je sa fl oznacen proizvod korijenih cinilaca. Ovaj oblik prenosne funkcije se koristi za ispitivanje stabilnosti po metodi geometrijskog mjesta korijena. Cesoe se prenosna funkcija predstavlja preko sume parcijalnih razlomaka k. k k k k F s =l:--'-=--1-+ __ 2_+__ 3_+... +--"-, (3.87) II

()

~s-~

s-~

s-~

s-~

s-~

gdje su k, - konstante koje odgovaraju reziduima funkcije F(s) u singularnim tackama polova (s = p;). Korijeni u nazivniku mogu biti realni, realni sa ponavljanjem (visestruki) i konjugovano-kompleksni. 3.2.3. Algebra blokova Na osnovu prenosnih funkcija elemenata moguce je jednostavno forrnirati blokove slozeniiih prenosnih funkcija, Preko blokova moze se bolje sagledati uzajamna veza izmedu pojedinih elemenata regulacionog kruga (engl. block diagram, njem. Blockschaltbildy. Na slici 3.28 je prikazan blok procesa prvoga reda, gdje su Yi X funkcije od s. 1-1(Ts+l)X=Y12-=

Y .. ,

Tsk+l

a)

IX·=~ c)

b)

Slika 3.28. Blok-serna prenosne funkcije procesa prvoga reda a) algebarska jednacina b) prenosna funkcija c) simbolicna predstava prenosne funkcije

Blokovi prenosnih funkcija mogu da se vezuju serijski, paralelno ili
X,

X,1 .. a)

X...

.

4y~ X1

+

+

X:, ---..

b)

Xts, -

X:,

X,

+ c)

Slika 3.29. Veze izmedu blokova prenosnih funkcija

a) tacka racvanja b) simbol sabiranja c) simbol oduzimanja (komparacij a, diskriminacij a)

3. Analiza sistema automatskog vodenja

56

Kod racvanja puna tacka oznacava da su izlazni signali iz tacke jednaki ulaznom signalu u tacki (X1 "" X2 "" X3). Idealno, to znaci da preko tacke racvanja nema protoka energije. U elektricnim sistemima se radi o jednakosti napona i nepostojanju struja, au fluidnim sistemima o jednakostima pritisaka ali i o nepostojanju protoka. U stvarnim fizickim sistemima uvijek postoji neki nivo protoka materije i energije. Istovremeno se pretpostavlja da slijedeci blok ne djeluje na prethodni tj. da je djelovanje prikazano strelicom a da ne postoji povratno djelovanje. Drugim rijecima, blok ne predstavlja nikakvo opterecenje za signal, tj. blok ne djeluje na izvor signala. Ovo idealno ponasanje se u elektronici simulira tako da se izmedu blokova prenosnih funkcija stavljaju elementi jedinicnih pojacavaca (jedinicni pojacavac posjeduje beskonacno veliku ulaznu otpornost i veoma malu izlaznu otpomost - tacka 4.2.3). Simbol ,Jmmparatora" uvijek posjeduje oznake ulaznih signala. Ako su oba sirnbola identicna (pozitivna ili negativna), onda se radi o sabiranju, a ako su simboli razliciti, radi se o oduzimanju, Fonnulisanje slozenog bloka pomocu serijske veze elemenata prikazano je na slici 3.30.

Slika 3.30. Serijski spoj elemenata u otvorenom krugu

Kod serijske veze elemenata vaze relacije

X = fo;f3 = F~F;Y2 = F;F;Fl1 X f

=FFF ""Fs I 2 :l

(3.88) (3.89)

l

odnosno u opstem slucaju

F=F.·F·F····F=TI" F. .r I 2 3 11

I

(3.90)

1.1

Slika 3 .31. Paralelan spoj elemenata u otvorenom krugu

Kod paralelne veze elemenata (slika 3.31), vaze relacije = xl + + F;Y + F;Y +Fl = (F; + F2 + }~)Y ;

(3.91)

~=Fi

(3.92)

x

xz x3;; ;

+1'~ +F;,

3.2. Analiza sistema u s-donienu

57

odnosno u opstem slucaju

F,, = F, + F, + ... + F;, = 'I,F, . ..

y

Y,

=-"-~=L.~ 1-F, Fi

F, F2

y

Y,

(3.93)

!

a)

y

x

F,

=--

F, I+F, F2

x

-

~

s

b) Slika 3.32. Povratne sprege a) poziti vna povratna sprega b) ne gati vna povratna sprega U slucaju povratne sprege (slika 3.32), postoje dva spoja: spoj sa pozitivnom povratnom spregom (slika 3.32a) i spoj sa negativnom povratnom spregom (slika 3.32b). Kod pozitivne povratne sprege vaze relacije

X=Fli

X =f~(Y +Y2)=F;(Y +F,X)=F;Y +F;F;X X - F;F,X = F;Y

X y

(3.94)

F

=

1

1-F;F,

Na slican nacin se dobija prenosna funkcija kod sistema sa negativnom povratnorn spregom

X =F;Y1 =F;(Y-YJ=F;Y X=

F; y l+F;F, x =---'--F; y I +F;F;

-F;f~X (3.95)

U sistemirna automatskog upravljanja uglavnom se koristi negativna povratna sprega,

3. Analiza sistema automatskog

58

vodenja

3.2.4. Prenosne funkcije procesa Primjenom Laplasove transformacije na diferencijalne jednacine procesa i objekata upravljanja, kao osnovnih elemenata sistema autornatske regulacije, moguce je iste izraziti prenosnim funkcijama. Procesi nu/toga reda Proces nultoga reda je dat diferencijalnom jednacinom x(t) prenosna funkcija posjeduje oblik

=

X(s)=KY(s),F(s)= X(s) =X =K. Y(s) Y

ky(t), tako da (3.96)

Procesi prvoga reda dx Diferencijalnoj jednacini prvoga reda T- + x"' ky odgovara algebarska jed-

dt

nae ina TXs+X=kY, odnosno

x(rs + l)=kY,

(3.97)

tako da prenosna jednacina ima oblik

x k F=-=--. y Ts-+I

(3.98)

Procesi drugoga reda Dif ·· 1 no.i· Je · dnacini · · procesa drngoga red a 7'2 -d2x 11.erenclJa

dt'

+ 2"<; T -dx + x = ky od dt

govara algebarska jednacina

T2s2 X +2~T.X +X =kY,

(3.99)

odnosno (3.100) tako da prenosna jednacina ima oblik F=

k

T2s2 + 2'E:,Ts +.I

Procesi u-toga reda Na osnovu diferencijalne jednacine procesa 1Hoga reda d"x d"?x d'» dx Cl -- +Cl 1 --1+ ... + C/2 + C/1 - + a0x = b0y " dt" di" dt2 dt ti-

(3.101)

3.2. Analiza sisterna u s-dornenu

moze se postaviti algebarska jednacina X {\a s " +a,, __ 1s '1-1 + ... +a2s~ +a1s+a0 ) na osnovu koje se dobija prenosna funkcija 11

F =X;;;;;

Y

59

tzz

l!.l0 y

,

bo

a,,s" + a,,_1s"-1 + ... + a2s2 + a1s + a0

(3.102)

(3.103)

Diferencijalni procesi Idealni diferencijalni proces, predstavljen diferencijalnom jednacinom x = k dy, . dt izrazava se algebarskom relacijom

X=ksY,

(3.104)

take da njegova prenosna funk:cija ima oblik

F=X =ks. y

(3.105)

Realni diferencijalni proces, predstavljen diferencijalnom jednacinom T dx +

dt

+ x = kT dy , ima algebarsku jednacinu u s-domenu dt

X(Ts+l)=kTsY,

(3.106)

tako da njegova prenosna funkcija irna oblik

F= X:; ; ; kTs . Y

1s+1

(3.107)

Integralni procesi Idealni integralni proces se izrazava diferencijalnom jednacinom ~~ ""ky, od-

f

nosno x = k ydt , tako
X =kY Is,

(3.108)

=!!....

(3.109)

a prenosna funkcija

F=X

y

s

Diferencijalna jednacina realnog integralnog procesa se moze predstaviti u obliku

f

T dx + x = k ydt , dt pa je njegova algebarska jednacina data u obliku

60

3. Analiza sistema autornatskog vodenja

TsX +X;;;.k!_, s

(3.110)

tako da prenosna funkcija ima oblik

F=X

=

Y

Jc

s(Ts + 1)

.

(3.111)

Procesi sa transportnim kasnjenjem Diferencijalna jednacina procesa sa transportnim kasnjenjem je predstavljena relacijom x = lcy~t - 't), kojoj direktno prema tablici Laplasovih transformanata odgovara prenosna funkcija (3.112)

3.2.5. Prenosne funkcije regulatora Pomocu Laplasove transformacije, a na osnovu diferencijalnih jednacina regulatora, mogu se jednostavno postaviti algebarske jednacine regulatora u .s-domenu, a iz njih prenosne funkcije regulatora. PI regulator

J

Diferencijalna jednacina PI regulatora je data relacijom u"" KP ( e + ~ edt), na osnovu koje se moze direktno postaviti algebarska jednacina regulatora, a na osnovu ove prenosna funkcija U =K p

F

(1 +-'Fis1) E,

= UE = K

p

(1 + 1) . Ts

(3.113)

(3.114)

I

PD regulator Diferencijalna jednacina PD regulatora je data relacijom u =KP ( e +

T;1 ~),

na osnovu koje se mogu postaviti algebarska jednacina i prenosna funkcija PD regulatora (3.115) U =KP (1 + T:is )E,

F = U = K" (1 + Tds) E . E

(3.116)

3.2. Analiza sisterna u s-domenu

61

PID regulator Diferencijalna jednacina PID regulatora predstavljena je relacijom u

=

==KP ( e + :; J edt + T, ~;) , a odgovarajuca algebarska jednacina i prenosna funkcija imaju oblik

U =K

p

(1+-1Ts +T,,s)E,

(3.117)

1

(3.118)

3.2.6. Prenosna funkcija regulacionog kruga Blok-sema regulacionog kruga sa prenosnim funkcijama procesa Fp i regulatora F11 je prikazana na slici 3.33.

w

y

u

+

..

+

Slika 3.3.3. Blok-sema regulacionog kruga

Pornocu algebre blokova moze se naci prenosna funkcija zatvorenog regulacionog kruga

X =F/

=Fp(z +U)=FPZ +FpFRE=

=FPZ +~FR(w-X)=

x~ + FPF;,.) x

FPZ +~F;,.W-F/~X,

FPZ + FPF~W, F = p z + FFp R W. 1 + F;,F11 } +}:FR

(3.119)

ee

(3.120)

Relacija (3.120) predstavlja opstu jednacinu zatvorenog regulacionog kruga, Prenosna funkcija je predstavljena zbirom prenosne funkcije sistema automatskestabilizacije F = AS

F p 1 + FPF;,.

i prenosne funkcije sistema slijedne regulacije FF p /1. FSR= l+FFp

(3.121)

(3.122) R

3. Analiza sisrema automatskog vodenja

62

3.3. ANALIZA SISTEMA U FREKVENTNOM DOMENU Osnovu analize frekventnog odziva predstavlja sinusna pobudna funkcija, koja se umjesto odskocne funkcije dovodi na ispitivani sistem ili elemenat sisterna, Sinusna funkcija je najjednostavnija periodicna (harmonijska) funkcija koja se forrnira rotacijom obrtnog vektora ugoanorn brzinom (J). Za slucaj procesa, shodno primijenjenoj simbolici ulazne i izlazne velicine, pobudna (ulazna) velicina se moze predstaviti funkcijom y = Y,., sin (;)t = Y., sin(rot + 2kn ), k = 0,± 1,± 2 ... , (3.123)

2n gdje su: ro =a == = 2nf kruzna ucestanost (kruzna frekvencija), a Y,,, velicina t T obrtnog vektora, odnosno amplituda sinusne funkcije. Odziv na sinusnu funkciju, po uspostavljanju stacionamog stanja, je takode sinusna funkcija, koja se moze izraziti relacijom x = X,.. sin(rot + cp), (3.124) gdje je cp - fazni pomjeraj izlazne velicina x(t) u odnosu na ulaznu velicinu y(t). Fazni ugao je posljedica inercije ispitivanog procesa. Za razliku ad ispitivanja dinamickih svojstava kod odskocne funkcije, gdje oblik izlazne funkcije govori o ponasanju ispitivanog procesa, kod frekventne analize, ulazna sinusna funkcija se drzi konstantnom po amplitudi, dok se ucestanost 0) mijenja u opsegu 0 +oo, a za to vrijeme prati ponasanje amplitude i faznog pomjeraja izlazne velicine, da bi se na bazi njih sudilo o ponasanju procesa. S obzirom na to da se mijenja samo kruzna frekvencija pobudne velicine, ova analiza je poznata pod imenom frekventne metode, odnosno analize u frekventnom domenu. y

YM -------

x }(,.,

-----------t

Stika 3.34.

Dijagram ulazne i izlazne periodicne funkcije

Radi pojednostavljenja matematickog aparata, harmonijska funkcija se prosiruje na kompleksnu ravan. U kompleksnoj ravni apscisa predstavlja realnu osu, a ordinata imaginarnu osu. Na realnoj osi se nalaze realni brojevi, a na imaginarnoj

3.3. Analiza sistema u frekventnorn domenu

63

imaginami, Tako se kompleksni broj z moze izraziti preko pravougaonih koordinata u obliku z =x+ jy, (3.125) gdje je j =

..J-1 imaginarna jedinica, :_~ X + jy

+JM -------

xsO y?:: 0

[zlsinqi

x?:: 0 y2:0

I z] cosqi

+ R.

xsO

x 2: 0

y:S: 0

ysO

Slika 3.35. Kompleksni broj u pravougaonim i polarnim koordinatama

Kompleksni broj se moze izraziti i preko polarnih koordinata. Koristi se simbolicna predstava (3.126) gdje su: [z!-modul kompleksnog broja a cp - argument kompleksnog broja. Izmedu polarnih i pravougaonih koordinata postoji zavisnost (3.127) Ako se pravougaone koordinate izraze preko polamih koordinata, dobija se trigonometrijski oblik kompleksnog broja

z

= lzJ cos cp + JjzJ sin cp •

(3.128)

Na slici 3.35 graficki su predstavljeni odnosi izmedu pravougaonog, polarnog i trigonometrijskog oblika prezentiranja kompleksnih brojeva, Koriscenjem Ojlerovih (Euler) relacija e1'P COS
=

+ e-1'1> 2

.

,

Sill (p

=

e1'P -e-J

2

(3.129)

trigonometrijski oblik kompleksnog broja se maze transformisati u eksponencijalni oblik z = Jzl( cos

3. Aualiza sisterna automatskog vodenja

64

(fazora). Dovoljno je pretpostaviti da je argument kompleksnog broja

) =xiii cos(())(+ rp) + .1X., sin( (J)f + qi).

x""'

+I,,,
Am cos(o)/ +
A,. COS
+K

Slika 3.36. Predstava rotirajuceg vektora

3.3.1. Frekventna prenosna funkcija Umjesto prostoperiodicnih pobudnih funkcija, maternaticki je jednostavnije tretirati kompleksnu frekvetnu funkciju. Tako se na proces, umjesto y = Y., sin rot , dovodi pobudna funkcija Y = Y,,,e1"-"' . Odziv ove funkcije se moze izraziti fazorom X = X e1('.~"<;>)(slika 3.37). "'

G--x"'eJ"'1

SI STEM

xiii sin( rot +
X ,,, e1c""+
Slika 3.37. Blok-serna ispiti~ahannonijskompobudnom

funkcijom

Tako se umjesto maternaticki slozenije diferencijalne jednacine »-toga reda d"

-r:

d

a,, dt" [x"'sin(rot+cp)]+a,,_1 dt"_1 [X,,,sin(M+(j))]+ ... +a, d/X sin(cotH.p)]+ (3_132) 111

+ a0X,,, sin(rot +
3.3. Analiza sistema u frekventuom

a

domenu

65

!!..':_[Xme1""e1'f]+ ... +a !!_[X ejwJe1'f]+ a X e1"''eN = b Y e'": dt m m m

" di"

I

O

O

(3.133)

Kako je

-dx = ;coX e1"'e1' =;·cox dt m

1

e f x dt =-.-X )CO

·w

111 1

·

e1'I'

(3.134)

'

1

=-.-x,

(3.135)

j(i)

to diferencijalna jednacina (3.133) poprima oblik

la,, (Jro )" + a,,_1 (Jroy-i + ... + a2(jro )2 + a1 (Jco )+ a

0

Jx e 111

1""

e" :; ; b0Y"'e1"".

(3.136)

Iz ave jednacine se moze naci prenosna funkcija jrol

F(jco) = X ,,,e e Y"'e1""

b

)'I'

=

0

a,, (jco )" + a,,_1 (Jw y-i + ... + a2 (jro} + aiJro + a0 ·

(3 37)

.l

Navedena relacija se mote dobiti direktno iz prenosne funkcije F(s) n-toga reda (3.103)

F(s)=

,,

ans +a,,_ls

,,_

1

b ° + ... +a2s 2 +als+ao

(3.138)

gdje je s = 0 + jro . U granicnom slucaju, bez prigusnog clana, o jednacina F(s) poprima oblik (3.137), koji se maze prikazati i u obliku

F(jro) .

=

x"' ym

eN:;;;;

"

bo

(3.139)

2.a;{;'ro} 1~0

3.3.2. Frekventne karakteristike Prenosna funkcija u frekventnom domenu ornogucuje graficko predstavljanje amplitude i faze u funkciji frekvencije ulaznog signala. U praksi se koristi vise frekventnih karakteristika na bazi kojih su razvijene metode analize i sinteze automatskih sistema: - Polama karakteristika ili amplitudno fazna karakteristika, u kojoj prenosna funkcija F(jro) opisuje krivu sa frekvencijom co kao nezavisno promjenljivom. Ova karakteristika je poznata kao Nikvistova (Nyquist) karakteristika. - Amplitudno-frekventna karakteristika, u kojoj je amplituda F(jro) funkcija frekvencije u log-log dijagrarnu i fazno-frekventna karakteristika u kojoj je faza od F(jco) funkcija frekvencije u Zin-log dijagramu. Amplitudno-frekventna i fazno-frekventna karakteristika su poznate kao Bodeove (Bode) karakteristike. - Amplitudno-fazna karakteristika, kod koje je amplituda od F(jco) prikazana kao funkcija faze od F(jUJ), s frekvencijom (!) kao parametrom u log-Zin dijagramu. Ova karakteristika je poznata kao Nikolsova (Nichols) karakteristika itd.

66

3. Analiza sistema automatskog vodenja

U daljem tekstu bice prezentirane Nikvistove i Bodeove karakteristike za vise elemenata regulacionog sistema. Crtanje Nikvistove karakteristike vrsi se pomocu parova realnih i imaginamih vrijednosti funkcije F(jro) F(jro) = A(ro )eN = U(ro )+ JV(ro ), (3.140) za vrijednosti frekvencija co = 0 do ro = co. Zamjenorn ro sa - re, dobijaju se u frekventnoj karakteristici konjugovano kompleksni brojevi, tako da negativna karakteristika funkcije odgovara liku Nikvistove karakteristike za pozitivne vrijednosti co, Polami dijagram se odlikuje kompaktnoscu pesto se iz jednog dijagrama mogu sagledati sva osnovna svojstva sistema, Osnovni problem se sastoji u teskocama konstruisanja, s obzirom na obimnost posla. Ponekad se uz hodograf polame karakteristike prikazuju amplitudno-frekventna i fazno-frekventna karakteristika. I,, /

----~ ....... .....

I

'

I I I \

' ....

''

'

.\

=

01

\

\

'

(0 "'00

0)

\

R,


I F(jro )I

Slika 3.38. Polarna (amplitudno-fazna) karakteristika

S gledista slozenosti konstmisanja, logaritamske karakteristike su mnogo jednostavnije od polarnih. Logaritmovanie kao matematicka operacija omogucuje da se u relacijama tipa a·'= b nade nepoznata vrijednost x. Nepoznata vrijednost se izrazava relacijom x = log., b . Kaze se da x predstavlja logaritam broja b za bazu a (x je u stvari broj kojim treba stepenovati bazu a da bi se dobio zadani broj b). Logaritmovanjem prenosne karakteristike F(jro) = IF(jO) ~eN(ro) dobija se:

logF(jro) = log]F(jro ~ + jq>{ro)loge,

(3.141)

log F(jro) = log!F(jro) + j0,434q>(ro).

(3.142)

Obicno se vrijednosti amplitudnog pojaeanja/slabljenja mjere u decibelima [db]. Ova jedinica se koristi u akustici kao mjera jacine zvuka u odnosu na neki nulti nivo, a u automatici se koristi za mjerenje odnosa izlazne i ulazne velicine nekog elementa, (1 db oznacava promjenu amplitude za

2eflO, sto predstavlja veoma malu

3.3. Analiza sistema u frekventnom domenu

67

vrijednost, tako da je ova vrijednost uvecana 20 puta). Gornja relacija predstavljena u db ima oblik

20 log F(im) = F(jro )db:::: 20IogjF(Jm ~ + J(20 · 0,434)
0,01

F(jro)db

-40

0,1 -20

(3.143)

0,2

0,5

I

2

5

10

100

1000

-14

-6

0

6

14

20

40

60

Tabela T-3.2. Karakteristicne vrijednosti prenosne funkcije izrazene u decibelima

Kod grafickog prikazivanja funkcija F(iro)db i cp(ro), na apcisu se nanosi velichm loge u dekadama, a na ordinatu (db) odnosno {°) (slika 3.39). Amplitudno-frekventna karakteristika se prikazuje u log-log dijagramu, a fazno-frekventna u liulog dijagramu. 60 20log

I F(jro )l

20logA(co) a)

40

. IFGro)L,,

20 0,1

I

-1

0

to

100

1000

2

3

lOO

IOOO

2

3

-20

co(red/s] Iogrojdek]


b)

90 45

O,l

1

-1

0 -45

IO

co[redlsJ logco[dek]

Slika 3.39. Logaritamske koordinate a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

Slicno kao kod analize sistema automatskog vodenja u t domenu, u daljem tekstu ce biti predstavljene prenosne funkcije procesa i regulators u frekventnom domenu. 3.3.2.1. Frekventne karakteristike procesa Odvojeno razmatranje procesa i regulatora nema posebnih razloga s obzirom na cinjenicu da procesi i regulatori mogu posiedovati principijelno identicne karakteristike. Ovo je slucaj sa procesom nultog reda i proporcionalnim regulatorom, in-

3. Analiza sistema automatskog

68

vodenja

tegralnim procesom i integralnim regulatorom, diferencijalnim procesom i diferencijalnim regulatorom itd. U ovom smislu neki autori automatske sisteme razmatraju preko elemenata sistema, nezavisno od toga da 1i se radio procesima ili regulatorima ili nekim drugim komponentama za konverziju odnosno obradu signala. Procesi nu/toga reda Proces nultoga reda, odnosno proporcionalni elemenat, posjeduje odziv koji je, kao i ulaz, sinusne prirode bez faznog pornaka.

F(s) = F(jro) = K . pomaka (cp = 0), to ce fazna karakteristika biti

Posto nema faznog pravca koji se poklapa sa apscisnom osom (slika 3.40).

A(i~

jV~

I

0,1

o-

K>O l

D,l

10

10

())

K
())

c)

b)

a)

u obliku

cp

180°

u

(3.144)

Slika 3.40. Frekventne karakteristike proporcionalnog elementa a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

Amplitudno-frekventna karakteristika je data u obliku horizontalne prave

F(iro )11b = 20logJF(fro ~ = 20log A(ro) = 20log K,

(3.145)

dok se fazno-frekventna karakteristika poklapa sa faznom osom, jer je

F(jro i,

2010 K, K>O

a)

b)

cp(oo)

t

10

100

l

2

1000 3

10

100

1000

2

3

0 I

0

(j)

logo 00

loge

.

Slika 3.41. Logaritamske karakteristike proporcionalnog elementa a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika Procesi prvoga reda Proces prvoga reda, poznat i kao aperiodicni proces, u s domenu predstavlja se relacijom F(s) = KJ(Ts + 1), tako da njegova frekventna jednaeina ima oblik

Ft. )

vm

=

K 1 + j(j) . T'

(3.146)

3.3. Analiza sisterna u frekventnom dornenu

69

ciji je modul (3.147)

a faza


(3.148)

Realni i imaginarni djelovi frekventne prenosne karakteristike su dati relaci(3.149) Rjesenjern realnog i imaginamog dijela, dobija se jednacina hodografa amplimdno-frekventne karakteristike

K) (U-- 2

2

+V2=-

K2

(3.150)

4 '

koja pokazuje da je karakteristika F(jw) u ravni [U, jV] krug sa poluprecnikom r = K/2 i koordinatama centra (K/2,jO) (slika 3.42a).

jV

A(ro)

=


u

0)

'-------===--ro....- -90°

-----------------

b)

a)

c)

Slika 3.42. Frekventne karakteristike procesa prvoga reda a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

Logaritamsko amplitudna karakteristika se dobija iz jednacine modula

F(jw)Jb = 20log1F(i© ~ = 20logA(ro )= 20logK -20logJ1 +ro2T2 .

(3.151)

Amplituda se sastoji iz dva sabirka: jednog jasno definisanog i drugog zavisnog od kruzne frekvencije, U slucaju kada je K = 10, prvi sabirak iznosi 20 db. Drugi sabirak jednak je nuli za kruzne frekvencije co « IIT, pesto je tada 20log 1 = 0. Za visoke kruzne ucestanosti ro >> 1/T, sabirak postaje - 20log roT. Kada se co promijeni za 10 puta (jedna dekada), sabirak se promijeni za 20 db pa njegov pad iznosi 20 db/dek (slika 3.43). Fazna karakteristikaje data relacijom


(3.152)

3. Analiza sisterna automatskog

70

qi(O )= 0 za

vodenja

©T<( 1


a)

Iogoi q> = f(ro)

m = llT loge

b)

-45"

I

''

I

-90°

' -------------------+--~-----------~'

Slika 3.43. Log karakteristike procesa prvoga reda a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

dok prelomnoj frekvenciji odgovara ugao
Iz navedene karakteristike se moze zakljuciti da se proces prvoga reda ponasa kao filter propusnik niskih ucestanosti, pesto se porastom ulazne ucestanosti smanjuje amplituda izlaznog signala, a povecava faza od

i fazom

q/ffi)= =arctg ~

2~11 c; w . l-T2ro2

(3.155)

Krajnje tacke krive hodografa se dobijaju direktnom zamjenom ro = 0 i ro = co, Pri tomje A(O)=K i A(oo)= 0. Ovim frekvencijama odgovaraju uglovi
3.3. Analiza sistema u frekventnom domenu

71

qi(oo)= -180°. Karakteristicna je frekvencija oi = ro,, = 1 IT, kojoj odgovaraju amplituda A<,,,.11rJ = K 12s i
A(m)

u

co = 0

K

1-----

-90° -180°

b)

a)

ro

c)

Slika 3.44. Frekventne karakteristike procesa drugog reda a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

Kod postavljanja logaritamskih karakteristika, karakteristiku je, kao i kod procesa prvoga reda, pogodno posmatrati iz dva dijela

~------

F(jro )a0 = 20 log K - 20 log ~(1 + T2ro2) + (2sTro)2

•

(3.156)

Kadaje roI <> 1, drugi dio karakteristike se moze aproksimovati relacijom

-201ogT2c1/ =-40logTro.

(3.157)

Prirastaj ovog dijela karakteristike po dekadi iznosi 40 db. Tok karakteristike oko prelomne frekvencije ron "" l!T zavisi od stepena prigusenja S· U zavisnosti od maze da se pojavi rezonantno izdizanje. Maksimalna vrijednost izdizanja odgovara rezonantnoj frekvenciji, koja se moze dobiti diferenciranjem A(©)

s

d[

d K ] =0. -A(ro)=dm du) (1-T2ro2} + (2i;Tm )2

(3.158)

Poslije sredivanja, nalazi se (f)

r

=Ul

,,

J1-2·f-2":I =!J1-2i: 2 T ~

(3.159)

Uvrstenjem ©r uA(ro), dobija se

A= K " (1-T2ro,2 J + (2i;Tro..)2 Pri vrijednosti K = 1 Pri vrijednosti K::: J Pri vrijednosti K= 1

s = 0, 7

=> A, = 1

K

(3.160)

odnosno F(joo)db = O;

I.; =0,5 => A,= 1,6 odnosno F(jro)db= 1,3; ~ = 0,1

=>

A,= 5

odnosno F(iro)db = 14.

Fazno-frekventna karakteristika izrazena relacijom (3.155) takode zavisi od I.;. Za ro = 0, ugao q> = 0°; za prelomnu frekvenciju ro,, = l!T ugao ima vrijednost

3. Analiza sistema automatskog vodenja

72

IFGro)ldb


10 0

10

0,1

oo

0.1

-450 -20

-90°

-30

-135°

-40

-180° a)

b)

Slika 3.45. Logaritamske karakteristike procesa drugoga reda a) amplitudno-frekventna karakteristika

b) fazno-frekventna karakteristika

Integralni procesi Idealni integralni proces se mote opisati frekventnom prenosnom funkcijom K

·

K

K -1::.2,

0.)

ro

F (jto ) =-.-=-J-=-e ;ro

(3.161)

odakle su

A(Jro)

=

K

(3.162)

(I)


(3.163)

Realni i imagi.nami dijelovi polame karakteristike su dati relacijama K

U(ro)=O,V(ro)=--.

(3.164)

(i)

Na osnovu ovih relacija, na slici 3.46 su predstavljene frekventne karakteristike idealnog integralnog procesa. jV


A(ro)

u

co

ro) 0

.. (0

a)

b)

oo (0

-90° c)

Slika 3 .46. Frekventne karakteristike idealnog integralnog procesa a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

3 .3. Analiza sistema u frekventnom domenu

73

Logaritmovanjem amplitudno-frekventne karakteristike, dobija se logaritamska amplitudno-frekventna karakteristika

F(fro )db== 20logA(ro )"" 20log K -20logro.

(3.165)

To je prava linija sa koeficijentom pravca - 20 db/dek, dok je logaritamska fazno-frekventna karakteristika cp( e) = - 90°, a to je pravac povucen pod uglom - 90°.

Slika 3.47. Logaritamske karakteristike idealnog integralnog procesa a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

Diferencijalni procesi Idealni diferencijalni proces se predstavlja frekventnom prenosnom funkcijom

F(jro )= jroK

= Kroei"12

(3.166)

sa modulom

. A(ro) =: Ki»

(3.167)

= n/2.

(3.168)

i fazom

cp(ro)

Nikvistove karakteristike idealnog diferencijalnog procesa su predstavljene na slici 3.48. q>((J))

r

90°c_ 0)

c) Slika 3.48. Frekventne karakteristike diferencijalnog procesa a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna

karakteristika

3. Analiza sistema automatskog vodenja

74

Amplitudno-frekventna karakteristika je data relacijom

F(jro)d•:::::: 20logK + 20Iogro,

(3.169)

a predstavlja pravu Jiniju nagiba 20 db/dek. Karakteristika se formira sabiranjem komponenata predstavljenih isprekidanim linijama. Fazno-frekventna karakteristika
~----------,r<-~---~-~M

a)

__ //<;~ogro 0,1


90°1------------2

O,l

logo

Slika 3.49. Logaritarnske karakteristike diferencijalnog procesa a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

Procesi sa cistim kasnjenjem Prenosna funkcija cistog kasnjenja us domenu je data relacijom F{s )= e:"; tako da se njena frekventna karakteristika moze izraziti u obliku F(fro) :::::e-f"'t (3.170) samodulom i fazom

A(ro)= 1

(3.171)


(3.172)

Nikvistove karakteristike procesa sa cistim kasnjenjem su prikazane na slici 3.50, pri cemu je hodograf predstavljen jedinicnim krugom, a amplitudno-frekventna i fazno-frekventna karakteristika pravim linijama. jV

a)

b) A(oo~~ (I)

I

u

/:u


c)

Slika 3. 50. N ikvistove karakteristike procesa. sa cistim kasnjenjem a) hodograf b) amptimdno-frckventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

3.3. Anaiiza sistema u frekventnom domenn

75

Logaritamska amplitudno-frekventna karakteristika data relacijom

F(jro)t16 = 20logA(ro )= 0

(3.173)

i fazno-frekventna data relacijom 3.172 su prikazane na slici 3.51.
logoo b)

a)

Slika 3.51. Log karakteristika elernenta sa cistim kasnjenjern a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

3.3.2.2. Frekventne karakteristike regulatora U prethodnoj tacki su u okviru procesa obradeni i drugi elementi sa slicnim ponasanjem, ukljucujuci osnovne regulatore sa P, Ii D ponasanjem, Kao sto rijetko egzistiraju idealni procesi P, I i D tipa tako i osnovni regulatori P, Ii D tipa posjeduju ogranicenja u primjeni, pa se koriste regulatori sa slozenijim ponasanjem (PI, PD i PID regulatori). Za razliku od procesa, frekventni odziv regulatora se moze naci znatno lakse eksperimentalno u laboratoriji iii izracunavanjem s obzirom na poznavanje projektnih podataka regulatora. Pl regulator Na osnovu prenosne funkcije PI regulatora us domenu, F(s) = Kp(l + llT,,s"), direktnom zarnjenom s = j©, dobija se frekventna karakteristika regulatora

F(jro)=K

p

(1+~)· j(i)

'I;

(3.174)

Iz ove relacije se direktno nalaze: Nikvistova karakteristika, amplitudno-frekventna karakteristika i fazno-frekventna karakteristika

F(7"©)=K +~=K -;·KP • p jroT, p ©T '

(3.175)

A(©)== KP ~l + (1 n;ro)2 '

(3.176)

cp(ro) == -atctg-1-

«t;

predstavljene na slici 3.52.

,

(3.177)

3. Analiza sistema automatskog vodenja

76 jV

b)

u

a)

A:l~ 0

1}r,

0)

..

!

c)

-1t/4

'

I

-1[/2

'----""'-==-------i-------------

Slika 3.52. Frekventne karakteristike PI regulatora a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

Iz amplitudno-frekventne karakteristike moze se direktno postaviti logaritamska amplitudno-frekventna karakteristika

F(jro)r1b =20IogKP +20log~l+ (l!T/.0)2.

(3.178)

Ukoliko je KP= 10, onda karakteristiku cine konstantni clan 20 db i promenjivi clan 20 log ~l + (11 T;(O )2

.

Vrijednost promjenljivog clana zavisi od frekvencije.

Kada je T';CfJ >>l, ovaj clan se moze zanemariti. Kada je r;ro· <<1 onda promjenljivi clan poprima oblik

t"

F(jro

zz:

(3.179)

20log ~ (J;~ )2 ""20log(l/T;ro).

Na slici 3.53 prikazane su Bodeove karakteristike PI regulatora. I F(jro)I,.

40

a) 20 '-.-,-::

:::~ ~--:...---~~~',,

',,

0,1

2

logoi

I I I I I I

qi(ro)

--~---------~---------------· I

'I

-450

,I

b) ooi_

0,J

I I I I ,!...__ __

_

--=:=~---2

logoi

Slika 3.53. Log karakteristike Pl regulatora a) amplitudno-frekventna karakteristika b) fazno-frekventna karakteristika

3.3. Analiza sistema u frekventnom domenu

77

Kod nizih frekvencija pojacanje se priblizava vrijednosti KJT,w, dok se kod visih frekvencija izjednacuje sa KP. Asimptote koje odgovaraju ovim granicnim vrijednostima sjeku se u tacki ro = l/T,. koja predstavlja prelomnu frekvenciju za integralno dejstvo. Fazni ugao je kod niskih frekvencija - 90'\ kod prelomne frekvencije- 45°, a kod visokih frekvencija tezi nuli, PD regulator Na osnovn relacije PD regulatora date u s domenu F(s) = R;,(l + TtJS), maze se direktno postaviti frekventna karakteristika regulatora

F(jro)~Kp(l+

;Tdro),

(3.180)

a na bazi ove: Nikvistova karakteristika, amplitudno-frekventna i fazno-frekventna karakteristika

F(jro) =KP+ ;KPr:iro,

A(©)= Kp~I+ (7~ro)2 , qi(ro) = arctgT,/iJ ,

(3.181) (3.182)

predstavljene na slici 3.54. A(©)

b) jV

KI'~-~-~~-=-=-~--~-----------0 '--~~~~'--~~~~-(J) ll T,,

a)

I

'I

u

c)

n/2

--------------~-------::.=-....- -'

I

n/4

ot--~-====-~1..-~~~~-ro~ 1/T,,

Slika 3.54. Frekventne karakteristike PD regulatora a) hodograf b )amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika

Na bazi arnplitudno-frekventne karakteristike, moze se direktno postaviti logaritamska amplitudno-frekventna karakteristika

F(jro)db=20IogKP+20log~l+(Tdro)2.

(3.183)

Kod vrlo niskih frekvencija pojacanje je definisano konstantnirn clanom 20logKP ( ako j e KP = 10, onda pojacanj e iznosi 20 db). U slucaju visok~h frekvenci~a pojacanje raste sa 20 db/dee. Asimptote se sjeku u tacki ro = 1/Td koja predstavlJ_a prelomnu tacku sa pojacanjem 23,l db. Debra strana PD regulatora se ogleda u ci-

3. Analiza sistema automatskog vodenja

78

~j~ni~i ~a se fazni uga? mijenja od 0° do 90° pa shodno tome regulator ima stabilizirajuci karakter. Odziv regulatora je prikazan na slid 3.55.

IF(ioo)L. 40 a)

/

20 1-------=-=- --~.:-~:~ -- -;;-.. .<~::~--- - - - -: \

0

. ... ~ . . ...

,,.,.""

loge

o.:

q>(ro) -90°

b)

o0,1 Slika 3.55. Bodeovi dijagrami PD regulators

PID regulator. Prenosna funkcija PIO regulatora u s domenu je data relacijom :::;; KP(l + l!I;s

F(s) =

+ J:rs'), iz koje se, zamjenom s = je; dobija prenosna funkcija u frek-

ventnom domenu

F(;-0))= KP

(1+-.1-+ JTa©J,

(3.184)

JI;©

a iz ove se direktno mogu postaviti relacije: Nikvistove karakteristike, amplitudnofrekventne i fazno-frekventne karakteristike (3.185)

A((J)J= KPJ1 + (Td(J) -1/I;(J) )2 ,

(3.186)


(3.187)

predstavljene na slici 3.56. Iz amplitudno-frekventne karakteristike direktno se postavlja Bodeova karakteristika

F(;© ),,b = 201ogKP + 20log

J1

+ (T,,© -in» )2 ,

(3.188)

3.3. Analiza sisterna u frekventnom domenu

jV

79

b) K, - -- - - - __ :::;::::_'=';-""'-"'-""__ ............ _.....,..,,,_,,,,_~_=-::_-::_ -~---.

' 0 ·~~~~~·,,,,.-~~~~~.,.._~~~~--.

11r.,

ur,

a)

K,

ro

U

(t)

I I I

I

n/2 ------------~-----------------~----------

0

' I

c)

I I

n/4 ------- - ----:--- ----- - - -- --- - - - - -- - ------- ---·

:

0

(I)

-n/4 -n/2 Slika 3.56. Frekventne karakteristike PIO regulatora

a) hodograf b) amplitudno-frekventna karakteristika c) fazno-frekventna karakteristika Iz relacija (3.188) i (3.187) vidi se da i pojacanje i fazni ugao zavise od o, T; i Td, pa je stoga nemoguca klasicna Bodeova prezentacija. Kako je najcesce T; > Td to se PIO moze predstaviti Bodeovim dijagramima (slika 3.57).

40

a)

~""'""=======--:::-+:::

_

I I I I

0'--~~~~"--~~~~~~~~------~~~~~~-1 ~T,, loge

11:; I I I I I

cp(ro)

.

----------r--I I

-450 ------------

b)

I ' I I I I

:--

' 0•1--~~~~~·~~.::::::--~--.;;:;:::-~~~~~~~~-.~-. : logro I

I

+45° -------------~-------------------------'

''

+90° ----------------------------------------(---------

''

Slika 3.57. Bodeovi dijagrami PIO regulatora

Kod niskih frekvencija regulator posjeduje PI ponasanje, a kod visokih PD ponasanje. Fazna karakteristika polazi (za co 0) od - 90°, ima tri prevojne tacke co = 111;, ro = l!Td i jednu izmedu ovih dviju tacaka, Ovim prevojnim tackama odgovaraju fazni uglovi -45°, +45° i 0°.

=

80

3. Analiza sistema automatskog vodenja

3.4. ST ABILNOST SISTEMA 0 stabilnosti automatskih sistema mote se suditi na osnovu dinamickog ponasanja sistema u odnosu na djelovanje poremecajne velicine i ponasanja na osnovu promjene nivoa referentne velicine. Sistern ce biti stabilan ako se poslije prestanka prelaznog rezima sistem vraca u prvobitno stacionamo stanje (automatska stabilizacija) ili zauzima novo stacionarno stanje (slijedna regulacija). Vee je naglaseno (tacka 3.1.1.4) da se djelovanje poremecajne i referentne velicine, kod sistema predstavljenih Iineamim diferencijalnim jednacinama, izrazava preko homogenog i partikulamog rjesenja, pri cemu homogeno rjesenje podrazumijeva dinamicki (prelazni) rezim djelovanja poremecajne odnosno referentne velicine, Pri torn se xph) izrafava zbirom eksponencijalnih funkcija, ciji broj zavisi od stepena diferencijalne jed-

nacine xJW =Ae"' +LI e"' + J ..t~

• • ~

+A ne~'

(3.189)

'

gdje su rh ri, ... r,, - korijeni karakteristicne jednacine a A; - konstante. Prema definiciji stabilnosti, linearni sistemje stabilan ako se vremenom prigusuje, tj. (3.190) Sistem ce biti stabilan (tacka 3.U.4) ako karakteristicna jednacina ima korijene ciji su realni djelovi negativni. Odredivanje korijena karakteristicne jednacine, posebno u slucajevima jednacina viseg reda, veoma je tesko pa su zato razvijeni posebni kriterijumi za analizu stabilnosti sistema bez rjesavanja diferencijalnih jednacina, Postoji skup algebarskih kriterijuma: Rutov (Routh), Hurvicov (Hurwitz) i vise grafoanalitiokih kriterijuma: kriterijum Mihajlova (Mihajlov), kriterijum Nikvista (Nyquist), kriterijum Bodea (Bode) itd. U daljem tekstu ce biti obradeni kriterijumi Nikvista i Bodea. Prije prelaska na kriterijume stabilnosti, bice pojasnjeni termini prenosnih funkcija zatvorenog i otvorenog regulacionog kruga. U tacki 3.2.6 data je prenosna funkcija zatvorenog kruga: (3.191)

~r

F:ff

1·+"£, ·I

s, Ix I .

I

F.. ~

1x

t

..

b)

a)

Slika 3.58. Blok sema regulacionog kruga a) sema sa prenosnim funkcijama procesa i regulatora b) sema sa prenosnom funkcijom otvorenog kruga ·

Funkcija otvorenog kruga se definise raskidanjem povratne sprege, a data je proizvodom prenosnih funkcija procesa i regulatora

FF. p R =F o·

(3.192)

3.4. Stabilnost sisterna

81

3.4.1. Nikvistov kriterijum stabilnosti Nikvistov kriterijum stabilnosti omogucuje da se stabilnost sistema sa zatvorenom petljom (zatvoreni sistem) ispita pomocu prenosne funkcije otvorenog sistema. Problem stabilnosti se time pojednostavljuje pesto se ispitivanje otvorenog sistema moze lako izvesti eksperimentalnim putem. Nikvistov kriterijum, definisan na bazi odziva otvorenog sistema, je svojevremeno bio namijenjen ispitivanju sistema sa negativnom povratnom spregom, da bi kasnije poprimio znatno sire znacenje opsteg kriterijuma stabilnosti. U slucaju jedinicne povratne sprege (slika 3.58b), prenosna funkcija zatvorenog sistema je data relacijom (3.193) gdje je Fo(jro) - frekventna prenosna funkcija otvorenog sistema. U zatvorenom sistemu sa jedinicnom povratnom spregom, komparator fonnira signal greske na osnovu signala reference W i signala povratne sprege X uzimajuci u obzir kako amplitudu tako i fazni pomjeraj signala. Ukoliko je izlazni signal X fazno pomjeren za 180° u odnosu na referencu W, onda se vise ne radi o negativnoj vec je efektivno rijec o pozitivnoj sprezi i, ukoliko je 11'~(/ro~ ;<;: 1, sistem ce biti nestabilan. Matematicki posmatrano, sistem automatskog vodenja sa zatvorenom petljom ce biti stabilan ukoliko korijeni njegove karakteristicne jednacine posjeduju negativne realne djelove, odnosno leze u lijevoj polovini kompleksne s-ravni. Ako se prenosna funkcija otvorenog sistema predstavi relacijom F 0

= B(s) N(s)'

(3.194)

gdje su B(s) i N(s) polinomi od s, onda ce, shodno relaciji (3.193), prenosna funkcija zatvorenog sistema imati oblik ·

X(s)

B(s)

W(s) = N(s)+B(s)'

(3.195)

gdje polinom N(s) + B(s) predstavlja karakteristicnu jednacinu zatvorenog kruga. Prema Nikvistovom kriterijumu, sistem sa zatvorenim krugom ce biti stabilan ako hodograf F(i©) = 1 + F(i©), koji je poznat kao Nikvistova kriva, ne obuhvata koordinatni pocetak, i1i ako hodograf otvorenog sistema F0(j©) ne obuhvata tacku sa koordinatama (- 1,)0), ili ne prolazi kroz nju. Nikvistov kriterijum omogucava da se sudi o stepenu stabilnosti, jer ukoliko Nikvistova kriva F0(jro) prolazi blize kriticnoj tacki (- l, JO), utoliko se sistem vise priblizava granici stabilnosti, dok se udaljavanjem od te tacke izrazava rezerva stabilnosti po modulu i fazi. . Postupak primjene Nikvistovog kriterijuma zapocinje od prenosne funkcije otvorenoz sistema F0(s), tako sto se zamjenom s = jro formira prenosna frekventna funkcija 0(jro), a onda, promjenom kruzne frekvencije rood 0 do co, fonniraju parovi koordinata Re(o) iIm( ro ), da bi se na osnovu njih izracunali odgovarajuci moduli

F

82

3. Analiza sistema automatskog vodeuja

(3.196) i faze (J) = a rctg

I

(3.197)

_!!!._ •

R,

Na bazi konstruisane krive i jedinicnog kruga, sudi se o apsolutnoj i relativnoj stabilnosti (nivo stabilnosti) sistema. Na slici 3.59 prikazana je familija karakteristika otvorenog sistema, predstavljenog frekventnom prenosnom funkcijom R(jro) = 0

K

(1 + j0,2ro )(1 + jro Xl +JI Ou))

.

(3.198)

Karakteristike a, b, c posjeduju identicne vremenske konstante i razlicite koeficijente pojacanja. Sa slike se vidi da je sistem a) sa K IO stabilan; sistem b) sa K = 136,8 uslovno stabilan i sistem c) sa K = 500 nestabilan.

=

Im 136,8

500

Re

Slika 3 .59. Ilustracija stabilnosti sistema na bazi Nikvistovog kriterijuma

Za normalno funkcionisanje sistema automatske regulacije neophodno je da se osigura stabilan rezim rada u predvidenim granicama promjena parametara sistema. Ovom zahtjevu se moze udovoljiti tako da se sistem projektuje sa potrebnim pretekom (rezervom ili osiguranjem) faze i pojacanja, Osiguranje stabilnosti vrsi se u skladu sa primijenjenim kriterijumima stabilnosti. Postoji veliki broj raznih kriterijuma stabilnosti, U praksi se najvise koristi definisanje stabilnosti na osnovu Nikvistovog kriterijuma, tj. udaljenosti hodografa F0(jro) otvorenog sistema od kriticne tacke (-1,)0). Pretek faze (engl. phase margin) se definise kao ugao 180° + argument frekventne funkcije otvorenog sistema pri frekvenciji ro1 za koju je modul funkcije jednak j edinici, tj. (3.199) cp p/"' 180° + argF(jro1)

3.4. Stabilnost sisterna

83

pri cemu je ll'~lro1~ = 1. Frekvencija u)1 je poznata kao presjesna frekvencija pojacanja (engl. gain crossover frequency). Ugao (!)pf izmedu radijusa koji prolazi kroz presjecnu tacku Nikvistove krive sa jedinicnim krugom i negativne realne poluose, predstavlja rezervu stabilnosti po fazi ili fazno osiguranje stabilnosti. Pretek faze pokazuje koliko se fazni ugao argF(ipf > 0 i iznosi 31 °. Sistem b je nestabilan pesto je pretek faze
f

Re

J I

,,,,~"I

_ . ......

Slika 3.60.

'

'

/

Rezerve stabilnosti na Nikvistovom dijagramu

S obzirom na pojacanje sistem a posjeduje rezervu stabilnosti APP= l/n\, = 1,33 = 2,5 db. Sistem b je nestabilan sa pretekom pojacanja APP= limb= 0,46 ili izrazeno u decibelima Appldb = 20log0,46 = -6,7 db.

iii izrazeno u decibelima Appldb""' 20logl,33

U praksi se smatra
84

3. Analiza sistema automatskog vodenja IF(j(l))I

ro,

l role

0)

•ro,

ro

I I I I I I I I I I

,ro,

l

-n ------------------------------------------------

~

l

,

I I I I I I I

!-----------1-------1

Slika 3.61. Rezerve stabilnosti izrazene preko amplitudno-frekventne i fazno-frekventne karakteristike

3.4.2. Bodeov kriterijum stabllnosti Bodeov grafoanaliticki kriterijum stabilnosti direktno proizlazi iz Nikvistovog. Njime su otklonjeni problemi konstruisanja i interpretiranja uticaja pojedinih parametara na stabilnost sistema. Moduli i faze vektora F0(jro) od ro = 0 do ro = co predstavljeni su u polarnom koordinatnom sistemu Nikvistovom krivom, a u pravougaonom koordinatnom sistemu pomocu Bodeovih lcgaritamsko-frekventnih karakteristika modula i faza. To znaci da odredenim tackama Nikvistovog dijagrama odgovaraju potpuno odredene tacke i velicine na Bodeovim dijagramima. Za odredivanje stabilnosti sistema pomocu Bodeovog kriterijuma koristi se definicija Nikvistovog kriterijuma, pri cemu su jedinicni krug (IF0(jro)I = 1) i negativni dio realne ose Nikvistovog dijagrama transformisani u apscisne ose Bodeovih dijagrama. Jedinicnoj kruznici u F0(jro) ravni odgovara apscisna osa 20log IF0(jro)I = 0 na logaritamskoamplitudnoj karakteristici Bodeovog dijagrama. Negativnom dijelu realne ose u F(jro) ravni odgovara osa (-n:) u logaritamskom fazno-frekventnom dijagramu. Na slici 3.62 uporedo su prikazani jedan stabilan i jedan nestabilan sistem na Nikvistovim iBodeovim dijagramima, Da bi, prema Nikvistovom kriterijumu, jedan otvoreni sistem bio stabilan u zatvorenom krugu, nuzno je da presjecna tacka Nikvistove krive sa negativnom realnom poluosom, kojoj odgovara :frekvencija (1)11, lezi sa desne strane od kriticne tacke (-1,JO), odnosno da u toj tacki modul bude manji od l.

3.4. Stabilnost sisterna

a)

85

Im

,f Re

,..

.."''

,,

c)

Slika 3.62. Skica ispitivanja stabilnosti a) Nikvistovi dijagrami stabilnog inestabilnog sistema b) Bodeovi dijagrami stabilnog sistema c) Bodeovi dijagrami nestabilnog sistema

Ista definicija, prezentirana preko Bodeovih dijagrama, govori da ce otvoreni sistem biti stabilan u zatvorenom krugu ako je u tacki sa frekvencijom ro11 vrijednost modula u db manja od 0, odnosno negativna. Kod stabilnog sistema ro11 > rol> a kod nestabilnog sistema je obrnuto ro11 < ro1• Kada je ro11 = roi. sistem je na granici stabilnosti. Osnovna prednost Bodeovih dijagrama nad Nikvistovim se sastoji u mogucnosti jednostavnog predstavljanja frekventnih funkcija otvorenog sistema datih u obliku proizvoda vise cinilaca

F(s)= KIT (s-z,) s''IT (s - pi) '

. (3.201)

gdje su z, - nule a p; - polovi funkcije. Logaritmovanjem, funkcija se rasclanjuje na pojedinacne cinioce, da bi se adiranjem cinilaca formirao konacni dijagram amplitude, odnosno faze. Iz dijagrama se moze vidijeti uticaj pojedinih cinilaca (analiza sistema) kao i mogucnost dodavanja novih (sinteza sistema) radi obezbjedenja odgovarajucih karakteristika sistema.

3. Analiza sisterna autornatskog vodenja

86

3.5. TACNOST REGULACIJE Tacnost regulacije nejcesce podrazumijeva tacnost regulacije u stacionarnom stanju, pri cemu se misli na dopusteno trajno regulaciono odstupanje tj. na gresku izmedu zadane vrijednosti referentne velicine i stvame vrijednosti regulisane velicine. U ovom smislu se cesto govori o statickoj gresci. 3.5.1. Statieka greska Kao kriterijum za ocjenu tacnosti rada sistema automatske regulacije u stacionarnom stanju sluzi velicina signala greske (signal regulacionog odstupanja), poznata i kao staticka greska. Na osnovu blok-dijagrama zatvorenog sistema (slika 3.63), gdje je F0(s) prenosna funkcija otvorenog sistema, moze se naci signal greske

F 1 E(s)= W(s)-X(s)= W--0 W =-W. l+F;, l+F;,

w

E

+

Fo(s)

(3.202)

x

x Slika 3. 63. Sistern sa jedinicnom povratnom spregom

Na bazi teoreme konacne vrijednosti (Tabela Laplasovih transformacija T-3.1), vazi relacija

. e0 = lime(t)= lim sE(s)=lim s~. t-•«> • •->0 s ... 0 1 + F;,

(3.203)

Ova relacija omogucuje nalazenje trajnog regulacionog odstupanja kod raznih vrsta sistema i raznih oblika eksitacionih funkcija W(s) (odskocna, nagibna, parabolicna funkcija). Kod regulacije procesa, najcesce se govori o gresci izlazne velicine (temperatura, pritisak, protok, nivo i sl.), dok se kod servomehanizama govori o polozajnoj gresci, o brzinskoj gresci, o gresci ubrzanja itd., zavisno od astatizma sistema. Astatizam sistema zavisi od broja (nivoa) integracionih clanova sistema datog preko konstante r funkcije otvorenog sistema predstavljene relacijom (3.201). Kada je r == 0, onda je to sistem sa astatizmom nultoga reda itd.

3.5.2. Integralni kriterijumi ponasanja Kvalitet dinamickog ponasanja (tacnost brzine reagovanja i stabilnosti) moze dobro da se ocijeni pomocu integralnih kriterijuma ponasanja. U ovom slucaju, za ocjenu kvaliteta ponasanja uzima se integral greske

3.5. Taenost regulacije

87

ee

I

= J e(t)dt-? min .

. (3.204)

0

Postoji vise integralnih kriterijuma (slika 3.64). Kriterijum a), izrazen relacijom (I .204), ne daje najbolju ocjenu pesto se minimalna povrsina moze dobiti i u slucaju slabo prigusenih ili cak trajnih oscilacija, s obzirom da se u zbiru potiru negativni i pozitivni djelovi povrsine. Kriterijum b), definisan relacijom

..

(3.205)

I= fje(t)ldt-?min, 0

bazira se na integralu apsolutne greske i znatno je pouzdaniji, Kriterijum c) se bazira na integralu kvadrata greske ., I= J e2(t)dt-?min.

(3.206)

0

Pored ovih kriterijuma koristi se tzv, ITAE kriterijum (Integral of Time multiplied by Apsolute value of Error - integral vremena pomnozen sa apsolutnom vrijednoscu greske),
I= J tle(t)ldt-7 min .

(3.207)

le< t>I

c)

a) e(t)

e(t)

··-····-··········-··· .. ···············

e) e2(1)

b) Slika 3.64. Integralni kriterijumi ocjene ponasanja automatskih sistema

3.5.3. Dlnamlcko ponasanje sistema Dinamicko ponasanje sistema se najpotpunije moze sagledati na bazi prelaznog rezima odziva, pa je analiza prelaznih rezima izuzetno vazna. Nize ce biti prezentirano dinamicko ponasanje sistema kod koriscenja odskocne i harmonijske pobudne funkcije,

3. Analiza sistema automatskog

vodenja

Vremensko podrucje Analiza prelaznog rezima u r-domenu na bazi odskocne funkcije vrsena je samo u slucaju jednostavnijih sistema (procesi prvoga reda) a ukazano je na slozenost rjesavanja (procesi drugog i viseg reda). Kod sistema viseg reda odziv je okarakterisan preko parametara 1: i T (tacka 3.1.1). Za dublju analizu prelaznog rezima definisano je vise parametara (slika 3.65), kao sto su: - Vrijeme uspona Tu je vrijeme potrebno da odskocni odziv prede od 10% do 90% svoje konacne vrijednosti, Ovo vrijeme uspona predstavlja mjeru brzine odziva. - Vrijeme smirenja Ts je vrijeme koje je potrebno da odskocni odziv dostigne odredeni procenat (obicno 5%) od vrijednosti odziva u stacionamom stanju i da se zadrzi unutar njega. - Preskok MP predstavlja razliku izmedu velicine prvog maksimuma u odskocnom odzivu sistema i velicine ovog odziva u stacionamom stanju. Izrazava se u procentima pomocu relacije

Mp

x.;(~}oo) ·

100%.

(3.208)

Preskok predstavlja rnjeru stepena relativne stabilnosti i brzine odziva sistema. - Vrijeme kasnjenja Tk se definise kao vrijeme potrebno da odskocni odziv dostigne 50% vrijednosti svog odziva u stacionarnom stanju. x(t)

Slika 3.65. Prelazni rezim jedinicnog odskocnog odziva

3.5. Taenost regulacije

89

Frekventno podrucje Kod ispitivanja svojstava linearnih sistema u frekventnom podrucju pokazano je da pretek pojacanja i pretek faze predstavljaju najznacajnije parametre. Pored ovih, frekventno podrucje karakterisu: - propusni opseg, koji je odreden velicinom granicne frekvencije ffio za koju amplitudno-frekventna karakteristika zatvorenog sistema ima vrijednost 0,707 ili -3 db. Podrucje frekvencije obuhvata frekvencije od Odo(!)(); A(ro) I I I I

!-----------::'.-------------!. . -........ . . 0 707 ,

''

-----------------------------i-------I I I

' I I I

0)

Slika 3.66. Frekventno podrucje amplitudno-frekventne karakteristike

- vrijeme smirenja Ts se dobija indirektno na bazi granicne frekvencije, a definisano je relacijom n

T, :; ;,- .

(3.209)

0)0

Sto je veca sirina propusnog opsega, to je krace vrijerne smirenja i veca brzina odziva; - vrijeme uspona Tu, kod sistema ciji je preskok do 20%, moze Se odrediti preko granicne frekvencije pribliznom relacijom

r~0,45·2n. " coo

,

(3.210)

- rezonantnafrekvencija m,je frekvencija pri kojoj dolazi do pojave rezonantnog vrha. Pri tome vecoj rezonantnoj frekvenciji odgovara veca brzina odziva sistema; - rezonantni vrh A,, predstavlja vrijednost maksimalne amplitudno-frekventne karakteristike sistema sa zatvorenim krugom

Mr =maxlF(fm~.

(3.211)

Rezonantni vrh, uz pretek faze i pretek pojacanja, takode se koristi za ocjenu stabilnosti sistema sa zatvorenim krugom,

90

3. Analiza sistema autornatskog vodenja

LITERATURA I. Stojic Jv1 R: Kontinualni sistemi automatskog upravljanja, Naucna knjiga, Beograd, 1985. 2. Miloj kovic B., Grujic Lj.: Automatsko upravljanje, Masinski fakultet, Beograd, 1990. 3. Boiicevic J.: Temelji automatike I, Skolska knjiga, Zagreb, 1990. 4. Beskerskij V. A., Popov E. P.: Teorija sistema automaticeskogo regulirovanija, Nanka, Moskva, 1975. 5. Simic D.: Osnovi automatskog upravljanja, Naucna knjiga, Beograd, I 990. 6. Surina T: Analiza i sinteza servornehanizama i procesne regulacije, Skolska knjiga, Zagreb, 1974. 7. Jaksic D.: Automatika I, Naucna knjiga, Beograd, 1973. 8. Sekulic M R.: Osnovi teorije automatskog upravljanja - servomehanizrni, Naucna knjiga, Beograd, 1976. 9. Kljuev A. S.: Avtomaticeskoe regulirovanie, Visaja skola, Moskva, 1986. 10. Saper R., Mitrovic M: Automatska regulacija procesa, Tehnolosko-metalurski fakultet, Beograd, 1982. 11. Sadibasic A.: Automatska regulacija procesa - praktikum, Tehnolosko-metalurski fakultet, Beograd, 1994. 12. Matic B.: Projektovanje sistema automatske regulacije i upravljanja tehnoloskih procesa, Svjetlost, Sarajevo, 1989. 13. Thaler G. J., Brown R. G.: Analysis and Design ofFeedback Control Systems, McGrawHill Co, New York, 1960. 14. Harriott P.: Process control, McGraw-Hill Co, New York, 1964. 15. Healey M: Principes of Automatic Control, The English Universities Press Ltd. London, 1967.

4. OSNOVNI ELEMENT! SISTEMA AUTOMA TSKE REGULACIJE Regulacioni krug, kako je naznaceno na slici 2.5, cine: mjerni pretvarae, regulator, izvrsni organ i proces odnosno objekat upravljanja. Svaki od ovih djelova moze da bude veoma slozen, Mjerni pretvarac, pored senzora, moze da sadrzi mjerni pojacavac, konvertor signala i mjerni indikator, Regulator, pored komparatora, sadrzi pojacavac, kola za vremensko oblikovanje ponasanja regulatora i izlazni pojacavac snage. Izvrsni organ sadrzi kola za konverziju izlaznog signala regulatora u odgovarajuci signal izvrsnog mehanizma kojim se upravlja dotokom materije ili energije. Proces, a slicno procesu i objekat upravljanja, moze biti veo~a slozen, Moze se npr. govoriti o procesu odrzavanja nivoa tecnosti, kao jednostavnijem primjeru ON/OFF regulacije, ili o regulaciji broda u toku manevrisanja, kao veoma slozenom objektu upravljanja. Slozenije komponente sistema vodenja (programabilni logicki automati, mikrokontroleri i personalni racunari) bice obradeni u poglavlju 8.

4.I. MJERNI PRETVARACI Mjerni pretvaraci su pretvaraci signala pomocu kojih se vrsi detekcija mjerne velicine i pretvaranje detektovanog signala u pogodan signal kojim se prezentuje stanje mjeme velicine. Mjerni pretvarac prima informaciju u obliku fizicke velicine (njegova ulazna velicina) i u skladu sa odredenim fizickim zakonom pretvara je u informaciju u obliku iste te ili neke druge fizicke velicine. Obieno se koriste termini: davac, mjerni davac, detektor, senzor, transdjuser itd. (njem. Geber, Messumformer, engl. transducer). Cesto se koristi tennin transmiter (engl. transmitter), u tom slucaju se najcesce podrazumijeva standardni izlazni signal. Mjerni signali su energetski slabi signali, tako da elemenat koji detektuje signal mjerne velicine (osjetljivi elemenat, senzor, detektor) ne smije da utice na nivo mjerne velicine, Mjerne pretvarace karakterisu: - mjerno podrucje,koje predstavlja podrucje u kome se mjerni pretvarac moze primij eniti; - mjerni opseg, koji predstavlja razliku izmedu vrijednosti mjernih velicina na gornjoj i donjoj granici mjernog podrucja; - mjerni signal, koji je izlaz mjernog pretvaraca. Usvojeni su jedinstveni standardi mjemih signala: strujni signal 0 -i- 20 mA i 4 + 20 mA kod otpomosti

4. Osnovni elementi sisterna automatske regulacije

92

opterecenja 600 + 1200 0, pneumatski mjemi signal 0,2 + 1 bara kod napojnog pritiska 1,4 hara itd.; - staticka karakteristika pretvaraca, koja je definisana zavisnoscu izlazne velicine pretvaraca od ulazne velicine pretvaraca x.; = f(x).; - koeficijenat prenosa pretvaraca, koji se odreduje strminom staticke karakteristike, a definise kolicnikom prirastaja izlazne i ulazne velicine S = !J.xl /J.y. 4.1.1. Pretvaraet pomjeraja Pretvaraci pomjeraja pretvaraju mehanieki pomjeraj (translatorni i ugaoni pomak) u elektricni signal. Postoji veliki broj familija ovih pretvaraca. U daljem tekstu bice pomenuti potenciometarski pretvaraci, transformatorski pretvaraci, apsolutni enkoderi, selsini, fluidni pretvaraci itd. Potenciometarski pretvarac Potenciometarski pretvarac kao osjetljivi elemenat koristi potenciometar, kod koga je pomjerljivi elernenat direktno spregnut sa klizacem potenciometra, pa se promjena polozaja tog elementa (translacija, rotacija) direktno prenosi na klizac potenciometra. Mjereni napon na klizacu predstavlja mjeru pomjeraja. Izlazni signal, shodno slici 4.la, uzima se sa paralelne sprege otpomika r i otpomika RP (otpomost mjemog uredaja) i moze se izraziti relacijom

rR

U=-P-f=

r + RP

rR

u

p

(4.1)

r +RP (R -r ) +--rRP ' r+RP

koja se u slucaju daje RP daleko vece od r, svodi na oblik

u

u u

x U=r-=p--;;;;:;-X=kx

R

Sp!_

(4.2)

l

s

gdje su: U - konstantni napon napajanja potenciometra, l - ukupna duzina otpome zice potenciometra, x - duzina zice koja odgovara pomjeraju, p - specificna otpornost otporne zice iS - popreeni presjek otpome zice. r/R R

u

u

r x

u RP

xii 0,5

a)

b)

c)

Slika 4.1. Potenciometarski pretvarac a) spoj sa uticajem opterecenja b) spoj sa jedinicnim pojacavacem c) zavisnost staticke karakteristike od opterecenja

4.1. Mjerni pretvaraci

93

Zanemarljivi uticaj opterecenja na mjerenje ostvaruje se upotrebom jedinicnog pojacavaea (slika 4.1 b) kod koga je RP= co. Uticaj otpora mjernog uredaja na velicinu mjemog signala prikazan je preko normalizovanih statiekih karakteristika, na slici 4.lc). Relacija (4.2) vazi samo u slucaju kada je r/Rp = 0 odnosno R/Rp= 0 sto je u potpunosti zadovoljeno kod jedinicnog pojacavaca. Diferencijalni transformator Medu transforrnatorskim pretvaracima pomjeraja najpoznatiji je diferencijalni transformator. Transformator solenoidalnog tipa (slika 4.2a) sastoji se od primamog namotaja i dva simetricna sekundarna narnotaja, Namotaji su namotani na izolator kroz koji moze slobodno da se pomjera feromagnetno jezgro, spojeno sa elementom Ciji pomak se mjeri. Primar je prikljucen na naizmjenicni napon a izlazni napon je razlika dva napona sekundara. Ako se jezgro nalazi u srednjem polozaju, izlazni napon je jednak nuli. Ako se jezgro pomjeri iz centra, napon jednog sekundara raste a drugog se smanjuje. Razlika napona na namotajima je proporcionalna udaljenosti jezgra od srednjeg polozaja. Frekvencija naizmjenicnog napona napajanja se krece od 50 Hz do nekoliko kHz. Sa povecanjem ucestanosti poveoava se osjetljivost davaea. Mjerno podrucje se krece od 0,1mmdo250 mm. Obrada signala sa sekundara se vrsi na razne nacine. Na slici 4.2b je prikazana blok-sema sa dva mostna ispravljaca, Izlazni napon formiran kao razlika dva jednosmjerna napona je prikazan na slici 4.2c.

t gorct

J

U=

dolj•+

a)

b)

c)

Slika 4.2. Diferencijalni transforrnetar a) blok sema konstrukcije b) diferencijalni transformator sa ispravljacem c) karakteristika

Apsolutni enkoder Apsolutni enkoder predstavlja jedan oblik direktnog AID konvertora, Koristi se za pretvaranje ugla 0 + 360° in (0 + 360°) u digitalni oblik. Savremeni apsolutni enkoderi su optoelektronskog tipa. Radi jednostavnijeg shvatanja koncepcije, na slici 4.3a je prikazan klasicni enkoder kontaktnog tipa sa 4 bita. Kodni disk je podijeljen na koncentricne prstenove po kojima klize ugljene cetkice. Spoljasnjem prstenu i cetkici odgovara bit 2°, a unutrasnjim prstenovima bitovi z', 22 i 2J. Rezolucija ovog konvertora je veoma niska, pa 2° bit posjeduje vrijednost 360°/16 = 22,5°.

4. Osnovni elementi sisterna automatske regulacije

94

Kod optoelektronskog enkodera disk se sastoji od prstenova sa prozirnim i neprozirnim djelovima (slika 4.3b). Najsavremeniji enkoderi se proizvode sa diskom koji posjeduje prstene sa povrsinama koje reflektuju/apsorbuju svjetlost, tako da se izvor i prijemnik svjetlosti nalaze sa iste strane obrtnog diska. Najcesce se proizvode 8-bitni enkoderi sa rezolucijom 1,4°. Izuzetno precizni enkoderi posjeduju rezoluciju ispod jedne lucne sekunde.

e-

:~-~ - - ,(

(

©--- .,_, a)

b)

Slika 4.3. Apsolutni enkoder a) elektromehanicki enkoder b) optoelektronski enkoder

Selsini Selsini (sinhromasine) zauzimaju posebno mjesto medu elektromehanickim pretvaracima. To su masine ciji izlazni napon zavisi od polozaja rotora. Kake dva spregnuta selsina omogucavaju prenos ugaonog pomjeraja na daljinu, to je ta sprega poznata kao elektricna osovina. Selsini slicno potenciometrima omogucavaju pretvaranje ugla u napon. Prednost selsina se sastoji u vecoj trajnosti, osjetljivosti i neogranicenom uglu zakretanja, dok su nedostaci vece dimenzije, tezina i cijena. Selsini, uopste uzevsi, mogu biti: predajni, transfonnatorski i prijemni. Razlike su samo u konstrnkciji. Tako predajni i prateci selsin imaju rotor sa isturenim polovima, dok prijernni seisin ima rotor valjkastog oblika (smanjen momenat inercije). SJ

SI

PRUEMNI SELSIN

S3

a)

b) Slika 4.4. Selsini a) sernatski prikaz b) sistem selsina za daljinsko prenosenje ugaonog pornjeraja

4.1. Mjerni pretvaraci

95

Rotor selsina se napaja naizmjenicnim (pobudnim) naponom up(t), tako da se u namotajima statora indukuju naponi ul> u2 iu3 iste frekvencije a razlicitih amplituda u1(6)=U.,cos(e-120°),

u2(e)""Um

(4.3)

cos G,

(4.4)

u3(e) = U., cos(e + 120°).

(4.5)

U slucaju elektricne osovine, oba rotora se napajaju iz istog izvora. U statorima se indukuju naponi. Ukoliko se polozaji rotora poklapaju, indukovane ems ce biti jednake, tako da struja nece teci izmedu statorskih namotaja. Ukoliko se predajni rotor zakrene, indukovane ems u statorima nece biti jednake, pa se pojavljuje struja u granama statora. Nastali momenat tezi da slobodni rotor prijemnog selsina izjednaci sa polozajem predajnog selsina. Izjednacenjem polozaja rotora, prestaje djelovanje momenta. Fluidni pretvaraci pomjeraja U fluidnim sistemima pomjeraj se pretvara u odgovarajucu velicinu fluidike (pritisak, protok). Ovi elementi predstavljaju detektore regulisane velicine fluidnih sistema. Na slici 4.5a prikazan je pretvarac pomjeraja u pritisak, baziran na sapnici (mlaznica) i zaslonskoj plocici (udama ploca), Pritisakp, formiran u izlaznoj komori sapnice, zavisi od polozaja plocice. Zavisnost je nelinearne prirode, a u pretvaracke svrhe se koristi linearni dio karakteristike p = f(d).

u-.--w-x

Po

3

Po q

I

a)

b)

Slika 4.5 . Fluidni pretvarac pomjeraja a) pretvarac pomjeraja sa sapnicom i zaslonskom plocicom b) staticka karakteristika

4.1.2. Pretvaraei brzlne Regulacija brzine motomih pogona nuzno zahtijeva informaciju stvame brzine. Postoje razna rjesenja mjernih pretvaraca brzine, Ovdje ee biti pomenuti centrifugalni pretvarac, tahogenerator i inkrementalni enkoder,

96

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

Centrifugalni pretvarac Centrifugalni pretvarac predstavlja klasicni uredaj za mjerenje ugaone brzine. On funkcionise na principu ravnoteze centrifugalne sile i restitucione sile elasticne opruge. Ovaj pretvarac poznat je kao centrifugalni regulator ili Vatov (Watt) regulator. On se koristio za automatsku regulaciju brzine obrtanja parnih masina, a danas se koristi kod dizel-motora i turbina. Na slici 4.6a je prikazana skica centrifugalnog pretvaraca brzine. Pomak pokretnog prstena, direktno zavisan od velicine ugaone brzine, pretvara se u elektricni signal pomocu diferencijalnog transformatora. Tahogeneratori, kako se to vidi iz samog naziva, predstavljaju male generatore koji rade na principima klasicnih generatora. Kod jednosmjemog generatora, rotacijom rotora u polju uzbude, na cetkicama se generise ems (slika 4.6b) d(f)

E =--=

c
2

e

b)

a)

Slika 4.6. Pretvaraci brzine a) centrifugalni pretvarac l - vratilo, 2 - pokretni ,,tegovi", 3 - elasticna op1uga, 4 - pokretni prsten, 5 - pretvarac pomjeraja b) jednosmjerni tahogenerator

Inkrementalni enkoder Inkrementalni enkoder se koristi kao pretvarac ugaonog pomjeraja i kao pretvarac ugaone brzine, u zavisnosti od pratece elektronike. Osnovni dio uredaja je disk sa prorezima odnosno prozimim povrsinama, Sa jedne strane diska nalazi se izvor svjetlosti a sa drnge fotodetektor. Disk se obrce zajedno sa ulaznom osovinom i pri tome fotodetektor registrnje svjetlost svaki put kada snop svjetlosti naide na prorez. Opticki dio samo signalizira prirastaj ugla (inkrement), odakle mu i potice ime. U praksi se najcesce konstruisu dva koncentricna niza proreza postavljena tako da su generisani impulsi pomjereni za 90°. Pri jednom smjeru obrtanja fazno prednjaci je-

4 .1. Mjerni pretvaraci

97

dan, a pri drugom drugi signal. Pomocu posebne logike generise se signal smjera rotacije osovine. Signal brzine se dobija na bazi integrisanog broja impulsa u odredenorn vremenskom intervalu. Dalje se signal pomocu DIA konvertora pretvara u analogni oblik.

t-

\11\lllll/11, -~

\

r::. · 'i"l J"fjffill ~

'l~

Mjemi pretvaraci pritiska se mogu podijeliti na manometre sa tecnostima i manometre na bazi deformacionog rada. U manometre sa tecnostima spada poznata U cijev sa vodorn ili zivom. Na slici 4.8 prikazan je mjerni pretvarac pritiska sa U cijevi. U U-cijev je instaliran otpornik na bazi otpome zice . .Ziva pokriva uvijek istu duzinu otpome zice dijeleci je na dva dijela zavisno od razlike pritisaka. Djelovi otpora su vezani u Vitstonov (Wheatstone) most, a instrumenat u mjernoj dijagonali indicira razliku pritisaka.

a)

~ 4i

4.1.3. Pretvaracl pritiska

~

~ b)

Sli.ka 4.7. Inkrementalni enkoder a) mjerenje ugaonog pomjeraja b) mjerenje brzine

(4.7) Medu deformacione pretvarace ubrajaju se Burdonova (Bourdon) i membranski manometar. Burdonova cijev se pravi od mesinga i nerdajucih celika, Iucnog je oblika i elipsoidnog poprecnog presjeka (slika 4.9a i 4.9b). Kraj cijevi A se vezuje sa mjernim mjestom, a zatvoreni kraj B sa mehanizmom 2. Pod dejstvom pritiska cijev se ispravlja pri R1 R2 cemu se pomjeranje kraja B, preko mehanizma 2 prenosi na kazaljku 3. Pomocu Burdonove cijevi mogu da se mjere pritisci reda 108 hara. Burdonova cijev se oprema raznim pretvaracima, medu kojima je najcesci potenciometarski pretvarac,

ip,

Na slici 4.9b prikazana je Burdonova cijev sa transformatorskim pretvaracem.

ip,

Slika 4.8. Pretvarae sa U manometrom

4. Osnovni elernenti sistema automatske regulacije

Y8

4

1/

a)

b)

c)

Slika 4.9. Deformacioni pretvaraci pritiska a) manometar sa Burdonovorn cijevi b) Burdonova cijev sa diferencijalnim transformatorom c) membranski manometar

Klasicni membranski manometri se sastoje iz membrane, mehanizma za okretanje kazaljke, kazaljke i skale (slika 4.9c). Pod dejstvom pritiska membrana I se deformise - ugiba. Ugib se pomocu mehanizma (2), prenosi na kazaljku (3), koja na skali (4) pokazuje vrijednost pritiska, I membranski manometri se rade sa raznim dodacima (potenciometar, diferencijalni transformator, apsolutni enkoder, predajni selsin itd.). Posebnu grupu membranskih pretvaraca predstavljaju integrisani pretvaraci. U pakovanju tipa zavrtnja M12 smjesteni su: senzor na bazi poluprovodnickih mjernih traka, pojacavac mjernog signala, kola za formiranje standardnog strujnog signala 4 .;- 20 mA. Senzor sa kompletnom elektronikom se nalazi u silikonskom ulju. Spoljasnji pritisak mjernog fluida preko silikonske membrane prenosi se na sistem punjenja sa uljem, koje dalje prenosi pritisak na Vitstonov most sa mjemim trakama. Najcesce se ovi pretvaraci proizvode kao dvozilni transmiteri (National Semiconductor, Inc.). Kod ovih pretvaraca preko dvije zile se vrsi istovremeno napajanje pretvaraca i prenos standardncg strujnog mjernog signala 4 + 20 mA.

4.1.4. Pretvaraci protoka Protok je kolicina materije koja prolazi kroz neki presjek u jedinici vremena. Razlikuju se zapreminski, maseni i tezinski protok. Zapreminski iii volumetrijski protok predstavlja protok zapremine materije u jedinici vremena i izrazava se u m3/s. Maseni ili gravimetrijski protok se izrazava u kg/s, a tezinski u N/s. U hidraulici se obicno koristi zapreminski, a kod gasova i rasutih materijala maseni protok. U ovoj tacki bice govora o fluidnim pretvaracima. Pretvaraci protoka fluida, prema nacinu mjerenja, mogu biti: pretvaraci na bazi diferencijalnog pritiska, rotametarski pretvaraci, turbinski pretvaraci itd. Pretvaraci protoka na bazi diferencijalnog pritiska su poznati i kao pretvaraei protoka sa promjenljivim padom pritiska. Najrasprostranjeniji davaci protoka iz ove grupe su: blenda (prigusnica ili dijafragma), mlaznica (dizna) i Venturijeva (Venturi) cijev (slika 4.10). Kod sva tri tipa davaca izrazeno je suzenje presjeka, pri cemu su-

4.1. Mjemi pretvaraci

99

zenje predstavlja lokalni otpor, sto izaziva povecanje pritiska, dok iza suzenja dolazi do pada pritiska. Protok je ,,srazmjeran" sa razlikom pritiska odnosno sa padom pritiska, Pad pritiska se moze mjeriti na razne nacine. Ranije je pomenuto mjerenje pada pritiska pomocu U-cijevi (tacka 4.1.3).

I I

I

iL\p I

JL\p I

I I

!

r :r r ~1 b)

a)

c)

Slika 4.10. Padovi pritiska u cijevi uslijed suzenja a) blenda b) mlaznica c) Venturijeva cijev Na osnovu Bemulijeve (Bernoully) relacije, koja govori o konstantnosti pritisaka u bilo kom presjeku cijevi Pvz p+cqz -+ 2

c"

r

(4.8)

gdje su pv2/2 - dinamicki pritisakp - strnjni pritisak, pqz - staticki pritisak, i na osnovu jednacine kontinuiteta

S1v1

= S2v2 = c'

0,

(4.9)

koja govori o konstantnosti protoka u bilo kom presjeku, jednostavno je pokazati da je protok srazmjeran sa kvadratnim korenom diferencijalnog pritiska. Otuda pretvarac posjeduje kola za korjenovanje diferencijalnog pritiska. Tacno mjerenje zavisi od temperature fluida i apsolutnog pritiska fluida. Na slici 4.11 prikazana je bloksema pretvaraca protoka. I

2

Slika 4.11. Blok-serna pretvaraca za mjerenje protoka 1 - mjema blenda 2 - diferencijalni kondenzator 3 - mjemi most 4 - korjenator 5 - termometar 6 - manometar 7 - pretvarac temperature 8 - pretvarac pritiska 9 - blok za korekciju na temperaturu ipritisak

100

4. Osnovni elementi sistema autornatske regulacije

Rotametri U grupi pretvaraca protoka sa opticajem najpoznatiji je rotametar. Rotametar je jednostavan uredaj. Koristi se veoma cesto za vizuelno indiciranje protoka, u kom smislu je staklena cijev graduisana. Staklena cijev je promjenljivog presjeka. Plovak (cigra) je vece specificne tezine od tecnosti Ciji se protok mjeri. Cesto plovak na gomjem dijelu ima urezane kanale, Prolazeci kroz ove kanale, fluid daje plovku rotaciono kretanje, tako da on uvijek lebdi u sredini cijevi. Postoje rotametri sa cepom koji se pomjera duz zategnute zice i rotametri sa pretvaracem za prenos signala protoka na daljinu. Na slici 4.12 prikazani su rotametar za neposredno mjerenje protoka fluida i rotametar sa diferencijalnim transformatorom. Kako je protok fluida odreden proizvodom povrsine protocnog presjeka i korijenom iz pada pritiska, kod rotametra se, za razliku od prigusnih davaca, pad pritiska na plovku odrzava konstantnim, pa je protok srazmjeran povecanju povrsine presjeka. Turbinski mjeraci protoka Turbinski pertvaraci koriste princip aksijalne turbine koja ima kuciste istog precnika kao i cjevovod u koji se ugraduje. Rotor se obrce na b) a) veoma preciznim lezajevima tako da je trenje minimalno, pa je brzina obrtanja proporcionalna Slika 4.12. Rotametar protoku. Na kucistu turbine (slika 4.13) postava) rotametar sa vizuelnom ljen je namotaj (1) sa jezgrom od stalnog magindikacijom b) rotametar sa neta (2). Pri prolasku lista turbine (3), u namotaju diferencijalnim transformatorom se indukuje naponski impuls, (Listovi rotora su obicno od feromagnetnog materijala a kuciste turbine je najcesce od nemagnetnog materijala). Mjerenjern frekvencije impulsa, rnjeri se brzina obrtaja a time i protok, dok se integracijom broja impulsa mjeri kolicina protekle tecnosti,

4.1.5. Pretvaraci sile i momenta Mjerenje sile (tezine, naprezanja, momenta) se danas uspjesno vrf si pomocu dviju rnetoda: tenzometrijske metode bazirane na tenzootpornom efektu i magnetoelasticne metode bazirane na magnetostrikSlika 4 .13. Turbinski pretvarac protoka ciji. Pretvarac tanzootpora je poznat pod irnenom mjerna traka (engl. strain gage, njem. Dehnungsmesstreifei, a magnetostrikcije pod komercijalnim nazivom presduktor (engl. pressductor).

4. l. Mjerni pretvaraci

101

Tenzometrijski pretvaraci Mjerna traka se koristi za mjerenje fizickih velicina kojima je moguce uticati na deformaciju rnjerne trake (sila, tezina, momenat, pritisak fluida, vibracije itd), Prve mjerne trake su realizovane sa tankom otpornom zicom (Edvard Simons). Savremene trake su na bazi folija i tankog filma od metala i poluprovodnika, Podloga trake je od hartije, plastike, staklene vune i drugih materijala koji imaju mehanicke karakteristike slicne elasticnom stapu koji predstavlja jezgro mjerne doze. Mjerne trake prate posebne tehnologije nosaca, lijepkova, i zastitnih materijala, Fizicka velicina, cije se mjerenje vrsi, djeluje na mjernu dozu FIS vrseci elasticnu deformaciju stapa, Deformacija stapa se prenosi na traku prouzrokujuci linearnu prol mjenu elektricnog otpora mjerne trake. Na taj nacin je ostvarena J ;j.[ ;j.//l konverzija mehanicke velicine u --- - ·-·--·J.. elektricnu, Mehanicka deformacija a) b) stapa se izrazava Hukovim (Hooke)

zakonom F =EM s l ,

Slika 4.14. Defonnacija stapa a} elasticni stap b) karakteristika naprezanja

(4.10)

gdje su: F - sila, S - poprecni presjek stapa, l - duzina stapa, M - izduzenje stapa, E- modul elasticnosti materijala stapa, Relacija se daje i u obliku

cr=Ee,

(4.11)

gdje su: o - naprezanje u stapu i e - relativna dilatacija stapa, Otpomost mjeme trake je data relacijom l R=p-, (4.12)

s

gdje su: R - otpornost trake, 1- duzina trake, p - specificna otpornost materijala trake i s - povrsina poprecnog presjeka trake, U opstem slucaju s = kd', Dif erenciranjem otpornosti moze se naci relativna promjena otpomosti

!:.R R

= t:.l + t:..p _ 2 Ad l

p

(4.13)

d

Prema Puasonovom (Poisson) zakonu Sd/d= - µMil, tako da je

I

t1R R

= til + t:..p + 2µ Al = 11..l (1 + 2µ + l

p

l

I

~~.P;.~l). pl

(4.14)

111 . ""l t:..p -.. . . . . a izrazava se L- an -~Je poznat k ao koe fircijenat piezorezistencije, p l promjenom specificne otpornosti uslijed mehanickog naprezanja, Kod metalnih mjernih traka, koeficijenat piezorezistencije je konstantan, tako da je

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

102

!:i.R R

= k Al

(4.15)

I '

gdje je k - koeficijenat osjetljivosti trake. Koeficijenat k metalnih traka se krece oko 2, a poluprovodnickih traka moze da dostigne vrijednost 200. Zamjenom Lj.//l = MlkRu relaciji Hukovog zakona, dobija se: F E !:i.R E !:i.R -=-odnosno a=-(4.16) S kR' u e ' cime je ostvarena konverzija mehanicke velicine F, odnosno naprezanja a, u promjenu elektricne otpornosti AR/R. Mjerni pretvaraci sile su poznati pod imenom mjernih doza. Na slici 4.15 je sematski prikazana mjerna doza tezine sa elasticnim stapom, predvidenim za aksijalno deformisanje. Mjeme trake 1 i 4 posjeduju negativni prirastaj, a mjeme trake 2 i 3 pozitivni prirastaj otpornosti. Kod Vitstonovog mjemog mosta struja mjeme dijagonale je data relacijom I = U(R1R3 -R1RJ (4.17) s

(R1 + RJR3R4 + R5 (R3 + RJ+ R1R2 (R3 + RJ).

~F

4 I

miJ

:

:

2

u a)

b)

c)

Slika 4.15. Mjerna doza sile a) skica konstrukcije b) mjerni most c) mjema traka Otpornost mjernih traka se krece izmedu 120 Q i 1 k'2, pa je otpornost instrumentacionog pojacavaca R5 daleko veca tako da se relacija moze redukovati na oblik

I = s

U(RzRJ -R,R4) Rs(R1 + ~XR3 + RJ.

(4.18)

Ukoliko su prirastaji otpornosti mjernih traka jednaki, tada je R1 = R4 = R - M i R2 = R3 = R + fl.R, to se zamjenom u relaciju (4.18), struja Is moze izraziti u obliku

Af? /j.R l5=U-,odnosno u=U-. R5R R Zamjenom u relaciji (4.16), dobija se F Eu s=Tu' odnosno

ES

F=kuu=ku.

(4.19)

(4.20)

103

4.1. Mjerni pretvaraci

Mjerna sila srazmjema je signalu mjerne dijagonale. Slicno se dobija i u slucaju kada se prirastaji mjernih traka na izd~S
/ F =k,u.:

(4.21) ../

\'·.

S obzirom na temperaturnu osjetljivostrtijernih traka i temperaturnu osjetljivost ...... ~ modula elasticnosti, stvarni mjerni mostje znatno slozeniji (slika 4.16). Pomocu otpornika R1(t), koji se nalazi na temperaturi rnjernih traka, kompenzuju se male razlike temperatumih koeficijenata mjernih traka, a pomocu R2(t) promjene modula elasticnosti E uslijed temperature. Pomocu promjenljivog otpornika $.3 vrsi se kompenzacija promjena napona izvora napajanja. Na slici 4. l 6b prikazan je most sa komponentama za tariranje i kalibraciju.

u

R,(t)

a)

R, IOE

b)

Slika 4.16. Mjemi most a) komponente za kompenzaciju b) komponente za tariranje i kalibraciju

Pomocu potenciometra R1 i otpomika R2 moze se osrvariti postavljanje ravnoteZe mosta (kompenzacija nesimetrije mosta uslijed stacionarnog djelovanja sila - tariranje mosta). Pojam tariranja je vezan za mjeme doze vaganja materijala. Tariranjem se vrsi priprema vage za mjerenje neto tezine, Kalibracija mjernog sistema se ostvaruje pritiskom nataster k, cime se paralelno jednoj grani mosta ubacuje kalibracioni otpornik Rk· Ovim se simulira most na odredeno opterecenje, cime se obezbjeduje provjera kompletnog mjernog sistema. U odredenom smislu tenzometrijski pretvaraci sile mogu istovremeno da predstavljaju pretvarace tezine, naprezanja, pritiska, momenta i sl. Tako se momenat izrazava relacijom M = F. /-: : : klu = ku . (4.22) Poseban slucaj predstavlja mjerenje obrtnog momenta, cije poznavanje je veoma vazno kod motornih pogona. Na bazi obrtnog momenta i obrtne brzine, a shodno relaciji

P=Mm,

(4.23)

moze se suditi o velicini korisne snage. Klasicni nacini rnjerenja se baziraju na Pronijevoj (Prony) kocnici, Novi postupci ukljucuju mjerni most sa mjemim trakama direktno ugradenim na vratilo motora ili na pogodan segmenat pogonskog vratila. Trake su orijentisane tako da se dobija informacija obrtnog momenta. Ranije se, kod

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

104

mjerenja obrtnog momenta, prenos mjernog signala vrsio preko kliznih prstenova. Danas se prenos ostvaruje bezkontaktno (telemetrijski) pomocu rotacionih transformatora, optoelektronski ili radio putem. Na s lici 4 .17 sematski j e prikazan prenos pomocu rotacionog transformatora. Izlazni signal mjerne dijagonale se pojacava i preko konvertora napon/frekvencija salje na primar rotacionog transformatora. Prijemni signal sa sekundara transformatora se pojacava i pomocu konvertora frekvencija/napon pretvara u naponski signal i indicira pomocu voltmetra,

Slika 4.17. Blok-sema uredaja za bezkontaktno rnjerenje obrtnog momenta

M 'agnetoelastlcni pretvaraci Magnetoelasticni pretvaraci se baziraju na magnetostrikciji. Direktni magnetostrikcioni efekat se odnosi na promjene dimenzija feromagnetnog materijala kada se ovaj unese u magnetno polje. Inverzni magnetostrikcioni efekat (magnetoelasticnost) se odnosi na promjene magnetnih osobina materijala, koje su nastale kao posljedica djelovanja mehanickih sila. Najpoznatiji komercijalni magnetoelasticni pretvarac je presduktor (engl. presductor), proizvod svedske firme ASEA predviden za mjerenje sila reda 107N. Kod presduktora primar i sekundar su take postavljeni daje u neopterecenom stanju napon na izlazu sekundarajednak nuli,

F=O

a)

b)

~F

c)

Slika 4.18. Presduktor a) skica konstrukcije b) neoptereceni presduktor c) optereceni presduktor Kada na presduktor djeluje sila, smanjuje se u smjeru sile magnetni permeabilitet. Magnetni fluks sada ima tendenciju obuhvatanja sekundarnog namotaja, u kome se indukuje napon srazmjeran sili.

4.1. Mjerni pretvaraci

105

4.1.6. Pretvaraci temperature Temperatura je jedna od fizickih velicina koja se najcesce mjeri, tako da je u brodskim procesima mjema instrumentacija temperature veoma siroko zastupljena. U daljem tekstu bice uk.ratko predstavljeni principi funkcionisanja najsire primijenjenih pretvaraca: termometra na bazi sirenja tecnosti, termometra na bazi promjene otpora, termometra na bazi termoparova i termometra na bazi zracenja. Termometri na bazi sirenja tecnosti Terrnometri na bazi sirenja tecnosti SU prvi primijenjeni instrurnenti za mjerenje temperature. Najpoznatiji medu njima je zivin tennometar, koji se koristi za mjerenje temperature izmedu -30 i 280 °C. Jedna od interesantnih aplikacija u procesima upravijanja je zivin kontaktni termometar. Termometar posjeduje tri elektrode k., k2 i k3. Polozaj elektroda k2 i k3 moze da se podesava. Obicno se kontaktni terrnometar tako koristi da ziva, ostvarivanjem kontakta izmedu k, i k2 inicira ukljucenje grijaca, a ostvarivanjem kontakta izmedu elektroda k, i k3, inicira iskljucenje grijaca, Manometarski termometar

Manometarski termometar funkcionise na bazi dilatacije tecnosti, odnosno na bazi povecanja pritiska uslijed dilatacije. Pritisak fluida se prenosi na Burdonovu cijev. U ovom slucaju Slika 4_·19. Kontaktni se radi o zatvorenom sistemu podvrgnutom temperaturi. termometar Najsiru primjenuje nasao manometarski termometar sa zivom. Osnovni nedostatak ovog termometra je vezan za ogranicenu duzinu kapilare (I 0 m). 2

3

Slika 4.20. Manometarski termometar

t ·- senzor 2 - elasticna kapilara 3 - manornetar Elektrootporni termometri Elektrootporni termometri se baziraju na povecanju otpora zice izlozene temperaturi. Povecanje otpora se vrsi prema relaciji R=R0 b+a(.1f})+~(ti.f})2 +y(6.f})3j, gdje su Ro- otpomost zice na 0 °C, jenti elektricnog otpora materijala.

(4.24)

t> - temperatura i a, p, y - temperaturni koefici-

106

. 4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

Ako se kao otpomi elemenat koristi platina, otpornost se, za niske temperature od O do 600 °C, izracunava prema relaciji R = Ra(l + 3,9 -10-3 D.~). (4.25) Platinski otpomi termometar odlikuje velika postojanost karakteristika s obzirom na slabe hemijske reakcije platine sa drugim materijalima, visoka tacka topljenja (cca 1800 °C) i relativno velika specificna otpornost. U industriji se najvise koristi PtlOO. Otpomost prikljucnih kablova se moze zanemariti u odnosu na veliku otpornost ovog termometra (100 Q). Termoparovi Termoparovi kao senzori temperature se baziraju na termoelektricnom efektu, koga je 1921. god. otkrio Zebek (Seeback), Termoelektricni efekat se sastoji u pojavi struje u kolu, formiranom kratkim spajanjem dva provodnika od razlicitih materijala i zagrijavanjem spoja. Elemenat formiran radi generisanja Zebekove elektromotome sile je poznat kao termopar, termospreg ili termoelemenat. Termoelektromotoma sila termopara zavisi samo od razlike temperatura spoja i otvorenih krajeva, Vezivanjem instrumenta pomocu bakarnih provodnika na slobodne krajeve, unosi se u kolo i treci materijal. Formiraju se dvije nove elektromotorne sile, koje su, ukoliko se slobodni krajevi nalaze na istoj temperaturi (podloga prikljucaka sa dobrom toplotnom provodnoscu) istog intenziteta, tako
b)

c) Slika 4.21. Termoelektricni pretvaraci

a) sema pretvaraca sa instrumentom spojenim na referentnoj temperaturi hladnog spoja b) sema termopara sa referentnom temperaturom na tacki leda c) kompenzacioni spoj: Rr- temperaturno zavisni ctpornik, 1 - zajednicko kuciste, 2 - mrezni ispravljac

mjernog instrumenta nalazi se dijagonala Vitstonovog mosta, sastavljenog od tri temperaturno nezavisna otpornika i temperatumo zavisnog otpornika Rr, koji je

4.1. Mjerni pretvaraci

107

smjesten na referentno mjesto termoelementa (kuciste I). Kada uz temperaturu mjernog mjesta poraste temperatura referentnog mjesta, smanjice se napon termoelementa, ali ce se na dijagonali mosta pojaviti napon zbog promjene otpora Rr. Odgovarajucim dimenzionisanjem mosta, moze se postici da napon njegove dijagonale kompenzuje promjene napona termoelementa. Danas je za pojedine oblasti tehnologija razvijeno preko 300 razlicitih termoparova. Na bazi jeftinih metala masovno se koriste termoparovi: gvozde-konstantan, bakar-konstantan, niklhrom-nikl, a na bazi plemenitih metala platinarodijum-platina. Uporedo sa metalnim, raste primjena poluprovodnickih termoparova koji posjeduju l 0 i vise puta veci termonapon od metalnih termoparova. Radijacioni termometri Radijacioni termometri omogucuju bezkontaktno mjerenje temperature u aplikacijama gdje to nije izvodljivo pomocu kontaktnih termometara (visoke temperature, temperature pokretnih objekata, otkrivanje zagrijanih mjesta na uredajima itd.). Radijacioni termometri SU nasli primjenu u direktnoj regulaciji termickih procesa, kao i u povremenoj kontroli temperatura. Tako se npr. pomocu tennovizije vrsi povremena kontrola temperature vitalnih djelova termoenergetskih postrojenja, Posebno je interesantna kontrola spojeva u elektroenergetici, s obzirom na efekat puzanja materijala, kao i kontrola kontakata na visokonaponskim i visokostrujnim prekidaCima. Pored navedenih pretvaraca, posebno siroku primjenu u sistemima male automatizacije su nasli proizvodi na bazi bimetala: bimetalni releji i bimetalni indikatori. Bimetalni releji su poznati i kao bimetalni termostati. U termotehnici se primjenjuju za zastitu od prevelikih temperatura, a u elektrotehnici za zastitu od struja preopterecenja. · Direktno ili indirektno zagrijavanje bimetalne trake ima za posljedicu njeno izvijanje. Ovo izvijanje se koristi za iniciranje neke operacije na odredenoj temperaturi. Na slici 4.22 je prikazan bimetalni termostat u funkciji ON/OFF regulatora. U ON stanju struja potrosaca se zatvara preko trake. Traka se grije i izvija i kod neke referentne temperature postavljene pomocu kontrolera (vijak 4) dolazi do iskljucenja potrosaca. Hladenjem, traka se vraca, da bi ponovo doslo do ukljueenja i tako redom. Permanentni magnet (2) i meko gvozde (3) obezbjeduju zadovoljavajucu funkciju ukljucenja i iskljucenja. U sistemima male automatizacije o,______.~ 4. nasli SU siroku prirnjenu i termistorski pretvaraci temperature. Termistori o-JJ-~~-~-_J~ ~ i LJ '~ (engl. thermally sensitive resistor) su otpornici osjetljivi na temperaturu. Postoje NTC i PTC otpomici sa neI/ gativnim temperatumim i pozitivnim ;,..· 1 ~.l· temperaturnim koeficijentom. Zbog svoje linearnosti NTC otpornici se vise Slika 4.22. Bimetalni tennostat koriste za mjerenje, a PTC otpornici za zastitu, s obzirom na izrazeniju nelinearnu (relejnu) karakteristiku.

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

108

4.1.7. Pretvaraci nivoa U ovoj tacki, kada se govori o nivou, misli se na nivo materijala (tecnost, rasuti materijal) u nekoj posudi odnosno rezervoaru. Kako rasuti materijal, za razliku od tecnosti, kod nasipanja ne pravi ravnu povrsinu, to se mjerenja nivoa tecnosti i rasutih materijala razlikuju. Postoji vise metoda za mjerenje nivoa tecnosti, ali se one uglavnom mogu svrstati u dvije osnovne grupe. Prvu grupu cine metode direktnog mjerenja, kod kojih se nivo tecnosti mjeri neposredno mjerenjem rastojanja od odredene tacke na rezervoaru do stvarne visine nivoa. Ovdje spadaju mjerne letve, spojeni sudovi sa vodomjernim staklom, plovci itd. Drugu grupu Cine mdirektne metode, pomocu kojih se nivo mjeri mjerenjem neke druge fizicke velicine, Ovdje spada metoda mjerenja hidrostatickog pritiska, mjerenje tezine, otporna metoda, kapacitivna metoda itd. Druga podjela se bazira na nacinu pracenja nivoa, koji moze biti kontinualan i diskretan. Privremena (procesna) skladista tecnosti su najcesce opremljena diskretnim pretvaracima (ON/OFF pretvaraci), kojima se pomocu relejne regulacije (ON/OFF regulacija) odrzava sadrzaj tecnosti u rezervoaru izmedu odabranih nivoa minimuma i maksimuma. Metoda vodomjernog stakla je prikazana na slici 4.23. Metoda se bazira na spojenim sudovima. Vodomjerna cijev je providna staklena cijev dovo!jne sirine da se moze zanemariti kapilarni efekat, Staklena cijev se najcesce smjesta u metalnu zastitnu cijev na kojoj je napravljen prorez radi ocitavanja nivoa na graduisanoj skali, Prikljucni ventili omogucavaju odvajanje cijevi od rezervoara radi ispustanja tecnosti i ciscenja. Nivometri sa plovkom funkcionisu prema Arhimedovom zakonu. Plovak pod uticajem sile potiska vrsi kretanje kompletnog radnog mehanizma. Postoje razne konstrukcije, koje nekada, s obzirom na prirodu Slika 4.23. Nivometar sa tecnosti i uslove rada, mogu biti veoma slozene, Na vodomjemom cijevi

slici 4.24 je prikazano funkcionisanje nekoliko varijanti.

=iE) ( a)

b)

c)

Slika 4.24. Nivornetri sa plovkom a), b) kontinualni mjeraci nivoa c) kontinualni pretvarac nivoa d) diskretni davaci nivoa

d)

4. l. Mjerni pretvaraci

109

Pod a) i b) su prikazani kontinualni indikatori nivoa, a pod c) kontinualni pretvarac nivoa. Ovaj pretvarac je vec koriscen kod interpretiranja sistema automatske stabilizacije (tacka 2.3.1). Na slici 4.24d predstavljena su dva diskretna pretvaraca nivoa. Pretvaraci su relejnog tipa, pri cemu senzor nivoa (plovak) upravlja krajnjim prekidacem. Kada nivo tecnosti padne ispod donjeg nivoa, donji plovak preko svog prekidaea ukljucuje pumpu za dopremu tecnosti, Rezervoar se puni da bi kod dostizanja gomjeg nivoa gornji plovak preko svog prekidaca iskljucio pumpu za dopremu tecnosti, Navedena ON/OFF regulacija (dvopolozajna regulacija) se veoma uspjesno ostvaruje pomocu konduktometrijskih sondi (slika 4.25). Sonde se rjesavaju pornocu sipki od odgovarajuceg metala ili pomocu obicnih provodnika sa sipkastim zavrsecima. Sonde signaliziraju prisustvo tecnosti izmedu zajednicke elektrode (zid metalne posude, ili trees elektroda spustena blizu dna ukoliko posuda nije od metala) i signalne elek220V trode (elektrode minimuma i maksimuma). 50Hz Elektronska jedinica obraduje signale i formira relejni izlaz sa preklopnim kontaktima. Preko sondi se vodi naizmjenioni naSlika 4.25. Diskretni davaci nivoa sa pon, cime se sprijecava pojava elektrolize konduktometrijskim sondama . u tecnosti. Cesto se u pumpnim postrojenjirna koristi posebna sonda cijim signalom se sprijecava rad pumpi na ,,suvo". Hidrostaticki nivometri rade na hidrostatickom principu. Postoje tri grupe ovih mjeraca: nivometri sa manometrom, nivornetri sa vazdusnim mijehom i nivometri sa produvavanjem vazduha (slika 4.26).

@:]

L - - - -

a)

a) manometrom

Ii b)

----

vazdnh iz kompresora

-

c)

Slika 4.26. Hidrostaticki nivometri sa: b) vazdusnim mijehom c) mjerenjem pritiska produvavanjem

U slucaju a) manometar direktno mjeri pritisak stuba tecnosti p =pgh=kh

(4.26)

i moze biti bazdaren u jedinicama visine stuba tecnosti. Nivometar sa mijehom na slican nacin mjeri hidrostaticki pritisak koji se preko membrane prenosi na unutrasnje vazdusno punjenje i na manometar. Kod sistema na slici 4.26c u rezervoar se ubacuje cijev, koja je na uronjenom kraju otvorena, dok je sa gornje strane prikljucen izvor konstantnog vazduha. Kada u

4. Osnovni elementi sisterna automatske regulacije

110

sudu nema tecnosti ili je ispod otvora uronjene cijevi, vazduh iz nje slobodno izlazi i manometar pokazuje nulu. Kako se nivo tecnosti u sudu povecava, vazdusna struja je ogranicena dubinom tecnosti i vazdusni pritisak djeluje protiv pritiska tecnosti koji se pojavljuje kao povratni pritisak na manometru. Ovaj tip nivometra je pogodan posto se moze instalisati desetak metara dalje od rezervoara. U slucaju da vazduh reaguje sa tecnoscu, treba upotrijebiti neki drugi gas. Pored navedenih, postoje mnoga druga rjesenja nivometara tecnosti: - kontinualni nivometri na bazi elektricne otpornosti, - kontinualni nivometri na bazi elektricne kapacitivnosti, - kontinualni nivometri na bazi ultrazvuka, - kontinualni nivometri na bazi radioaktivnog zracenja, - kontinualni nivometri sa mjernim dozama tezine, - kontinualni nivometri sa hidraulicnim mjemim dozama tezine, - diskretni nivometri na bazi . radioaktivnog zracenja, svjetlosnog zracenja, ultrazvuka itd. Detekcija nivoa rasutih materijala je znatno teza od detekcije nivoa tecnosti, pri cemu je posebno teska kontinualna detekcija nivoa. Medu kontinualnim bezkontaktnim davacima posebno mjesto zauzimaju ultrazvucni pretvaraci. K.od njih ultrazvucna glava istovremeno igra funkciju predajnika i prijemnika. Ultrazvucna glava u impulsima emituje ultrazvucnu energiju. Po otpremi impulsa, glava funkcionise kao prijernnik. Na bazi vremenskog intervala koji protekne od otpreme i prijema reflektovanog talasa, elektronski uredaj izracunava duzinu puta odnosno nivo rasutog materijala. J.

EMP+ \

\

\,2

elektronska jedinica

3

1234-

Slika 4.27. Ultrazvucni nivometar izvor ultrazvucnog zracenja, elektronska jedinica, ultrazvueno zracenje, rasuti materijal

Slika 4.28. Kontinualni nivometar rasutog materijala sa plovkom

Danas su jos uvijek u upotrebi razne verzije kontaktnih kontinualnih nivometara kreiranih po ugledu na nivometre tecnih materijala. Na slici 4.28 prikazan je kontaktni nivometar na bazi sile .ipotiska ". Plovak se periodicno spusta. Kod dodira plovka sa rasutim materijalom, zbog sile ,,potiska", dolazi do drasticnog

4. L Mjerni pretvaraci

111

smanjenja otpornog momenta, sto je signal elektronskoj jedinici da na osnovu duzine odmotane sajle (broj obrtaja vratila) izracuna nivo rasutog materijala. 4.1.8. Pretvarael elektrienih vellelna Pretvaraci elektricnih velicina su veoma raznovrsni. Kod kaskadne regulacije brzine elektromotomog pogona (tacka 6.3.1), nuzno je posjedovati informacije stvarne brzine i stvamog opterecenja. Informacija brzine se obezbjeduje pomocu pretvaraca brzine (tacka 4.1.2), a infonnacija opterecenja pomocu pretvaraca momenta (tacka 4.1.5). Informacija momenta se znatno cesce obezbjeduje preko struje motora pesto je momenat motora srazmjeran struji koju uzima iz mreze, S obzirom na nuznost galvanske izolacije energetskih i elektronskih krugova, detekcija strujnog signala se vrsi pomocu strujnih transformatora i Holovih (Hall) sondi. Na slici 4.29 je prikazana blok-sema formiranja signala stvarne struje motora. Formiranje se ostvaruje pomocu tri monofazna strujna transformatora spojena u zvijezdu i punovalnog trofaznog ispravljaca, Ostvareni pad napona na otporniku R predstavlja signal stvarne struje motora. Prilagodenje nivoa ovog signala moze da se ostvari pomocu otpornika R 1• R~--..~~~~~~ Znatno kvalitetnije formiras~-1-~--~~~~ nje signala stvarne struje moze da T~-1-~-1-~.....-~~ se ostvari pomocu Holove sonde. Pomocu Holove sonde mogu se detektovati kako naizmjenicne tako i jednosmjerne struje. Na slici 4.30 prikazano je formiranje signala stvarne struje kod jednosmjemih pogona. Holov generator R se sastoji od tan.ke poluprovodnieke plocice kroz koju uzduzno COM prolazi konstantna struja. Plocica se postavlja u magnetnom polju struje motora. U slucaju pozitivnih nosilaca elektriciteta pod uticajem Slika 4.29. Strujni pretvarac opterecenja motora elektromagnetne sile na desnoj strani plocice u smjeru struje doci ce do siromasenja nosioca elektriciteta, a na lijevoj do gomilanja, Nagomilana opterecenja formiraju Holov napon UH, koji je
4. Osnovni elernenti sistema automatske

112

regulacije

1x U=

b) a) Slika 4.30. Holov generator a) skica strujne sonde b) princip rada generatora

4.2. REGULACIONIUREDAJI U sistemima automatske regulacije regulacioni uredaji, odnosno regulatori u Sirem smislu, mogu imati veoma razlicite zadatke i funkcije, koje je tesko zajedno obuhvatiti i definisati. Pod regulatorom u najsirem smislu se podrazumijeva takav uredaj pomocu koga se ostvaruje automatska regulacija, bez neposrednog uticaja

covjeka.

.

Podjela regulatora moze se izvrsiti prema raznim kriterijumima, sto zavisi od njihovog naeina rada, koriscenja izvora pomocne energije, vrste pornocne energije, nacina formiranja izlaznog signala itd. U zavisnosti od toga da Ii za svoj rad koriste pomocnu energiju, regulatori se dijele na: - regulatore neposrednog dejstva. Ovi regulatori za pokretanje izvrsnog organa koriste raspolozivu energiju samog regulisanog procesa; - regulatore posrednog dejstva. Ovi regulatori koriste pornocnu energiju koja im se dovodi spolja. Prema vrsti pomocne energije koju koriste za svoj rad, regulatori se dijele na: pneumatske, hidraulicne, mehanicke i elektricne. Jedna od najcescih podjela se odnosi na nacin vremenske obrade signala regulacionog odstupanja i formiranje izlaznog signala. Prema ovoj podjeli, regulatori mogu biti: proporcionalni, proporcionalno-diferencijalni, proporcionalno-integralni i proporcionalno-diferencijalno-integralni. S obzirom na funkcije koje regulator treba da obavlja u sistemu automatske regulacije, regulacioni uredaj odnosno regulator u sirem smislu, sadrzi slijedece komponente: postavljac referentnog signala, komparator referentne i stvarne velicine, indikator greske (regulacionog odstupanja), komponente za postavljanje parametara ponasanja regulatora, preklopku za izbor rezima vodenja (rucno, automatski), indikator izlazne velicine regulatora, pisac itd, a u zavisnosti od lokalnih zahtjeva pro-

cesa.

4.2. Regulacioni uredaji

113

4.2.1. Hidraulicni regulacioni uredaji Hidraulicni regulacioni uredaji mogu biti jednostavne prirode, kakvi su hidra-

ulicno-mehanicki regulatori sa direktnim dejstvom, ali i veoma slozeni, kada su primijenjene posebne vrste razvodnika (razvodne komore, servoventili, proporcionalni ventili itd), Hidrauliiini regulatori sa direktnim dejstvom

Kod direktnih regulatora mjerni elemenat kojim se mjeri regulisana velicina je u direktnoj vezi sa regulacionim organom, tako da mjerni elemenat direktno aktivira regulacioni organ. Primjer mehanickog direktnog regulatora nivoa tecnosti prikazan je na slici 4.31. Iz velikog rezervoara ( 1) dovodi se voda u rezervoar (2) iz koga se dalje odvodi radi koriscenja, Regulacija dotoka se vrsi pomocu zasuna (3), koji je preko poluge kao ·proporcionalnog elementa direk4 tno spregnut sa plovkom (4). U slucaju povecanja potrosnje, opada nivo uslijed cega se plovak spusta da bi svojim spu-----stanjem preko poluge odizao zasun cime =-=-=----=-=-= ---~--------H se povecava dotok vode u rezervoar (2) a 2 =============-- - time povecava nivo. Kod izjednacenja potrosnje vode q2 i dotoka vode q1 uspostavlja se stacionamo stanje konstantnog nivoa. Posebna karakteristika direktnih reSlika 4.31. Direktni regulator nivoa na gulatora je da za funkcionisanje nije potrebazi mehanickih komponenata ban spoljasnji izvor energije. Na slici 4.32 prikazan je primjer hidraulicnog regulatora sa direktnim dejstvom, koji je primijenjen na izmjenjivacu toplote. U ovoj aplikaciji moze se govoriti o direktnom regulatoru primijenjenom kod izmjenjivaca sa direktnim uvodenjem pare u vodu.

=-=-=-=-=-=-=~-=-=

w

topla favoda ~

fa-

~

hladna voda

Slika 4.32. Blok sema direktnog izmjenjivaca toplote

Direktna regulacija se u ovom slucaju odnosi na zatvoreni fluid koji svojim sirenjern odnosno skupljanjem direktno upravlja membranskim servoventilom. Nave-

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

114

den je primjer regulacionog kruga u kome nije jednostavno sagledati osnovne komponente kruga: Davac referentne temperature. Davao se sastoji od posebnog mehanickog sklopa opremljenog nazubljenim tockicem, cijim obrtanjem se postavlja zeljena temperatura tople vode, Obrtanjem tockica, direktno se utice na zapreminu ukupne tecnosti a time i na pritisak dilatacionog fluida u zatvorenom prostoru. Davac stvarne temperature. Kao davac sluzi caura ispunjena vecom kolicinom dilatacione tecnosti, locirana na mjestu mjerenja temperature, potpuno analogno manometarskim termometrima, Indikacija stvame temperature vrsi se pomocu posebnog zivinog termometra. Referentna temperatura se postavlja na bazi pokazivanja stvame temperature, pesto je skala na tockicu referentne vrijednosti gruba. Regulator. Regulator je definisan ponasanjem fluida. Ako se zeli veca temperatura tople vode, onda se pomocu kontrolora referentne temperature poveca ukupna zapremina fluida. Pritisak fluida na mernbranu servoventila se smanji, sro ima za poslj edicu povecanje dotoka pare. Povecanjem dotoka pare, dolazi do povecanja temperature vode. Povecanje temperature detektuje senzor temperature (caura), tecnost unutar zatvorenog sistema se siri, pritisak zatvorenog fluida se povecava, da bi preko servoventila ogranicio dalje povecanje dotoka pare. Postepeno se uspostavlja ravnoteza izmedu stvame i referentne temperature u novom stacionamom stanju. Hidraulicnl regulatori sa Pi PIponasanjem Hidraulicno-mehanicki regulator P tipa (slika 4.33a) cine: razvodna komora (1), cilindar (2) i poluga (3). U razvodnoj komori se nalaze kosuljica i klipni razvodnik. Razvodna komora se napaja uljem konstantnog pritiska (10-;-200 bara). Ulazna velicina w se direktno prenosi na klipnjacu klipnog razvodnika. Kada se pomjeranjem klipova razvodnika otkrije jedan od otvora kosuljice, ulje kroz taj otvor ulazi u

a) b) Slika 4.33. Hidraulicni regulatori a) regulator sa P ponasanjem b) regulator sa PI ponasanjem

4.2. Regulacioni uredaji

115

odgovarajucu komoru hidromotora prouzrokujuci pomjeranje klipa koje se dalje prenosi na izvrsni organ. Istovremeno se pomjeraj klipa preko mehanicke povratne sprege (klipnjaca + poluga) dovodi na kosuljicu razvodne komore. Pomjeraj kosuIjice je takav da se tezi anulirati ulazni signal. Hidraulicni regulator sa PI ponasanjem je prikazan na slici 4.33b. Njega cine: razvodna komora (1), hidraulicni kiipni motor (2), hidraulicni prigusivac (3), opruga (4), poluga (5), kosuljica (6) i klipni razvodnik (7). Ako ulazni signal (signal reference) pomjeri klipnjacu razvodnika navise, gornji klip razvodnika (7) otvori gornji otvor kosuljice (6) i ulje dotice u gornju komoru hidromotora tako dace se klip hidromotora kretati nanize. Ovim se i klip prigusnog ventila pomjera nanize, cemu se suprotstavlja opruga (4). Pomjeranje slobodnog kraja opruge (4), preko poluge (5), izaziva podizanje kosuljice (6). Vremenom se uspostavlja ravnoteza u komorama prigusivaca. Rezultat kompletnog djelovanja predstavlja novo stacionarno stanje klipa hidromotora ostvareno PI ponasanjem hidroregulatora. 4.2.2. Pneumatski regulacioni uredaji Najveci broj pneumatskih regulacionih uredaja je baziran na pretvaracu mlaznica - otklonska plocica, Kod proporcionalnog regulatora (slika 4.34a) pretvaracu je dodat mijeh kao povratna sprega, cime je smanjena osjetljivost pretvaraca i ostvarena znatno bolja linearnost izlaza (pritisak) i odstojanja izmedu mlaznice i plocice, Otklonska plocica je svojim drugim krajem pricvrscena na pokretni dio mijeha. Pritisak u mijehu prati izlazni pritisak regulatora.

e

e a)

b) Slika 4.34. Pneumatski regulacioni uredaji a) P regulator b) Pl regulator

Ako se greska regulacije e naglo poveca (e > 0), plocica ce se pribliziti mlaznici uslijed cega ce doci do naglog povecanja izlaznog pritiska. Izlazni pritisak ce preko mijeha djelovati povratno, odmicuci otklonsku plocicu od mlaznice. Izlazni pritisak se formira superponiranim djelovanjem greske e i odgovarajuceg signala povratne sprege. Izlazni pritisak je proporcionalan gresci, Koeficijenat proporcionalnosti zavisi od odnosa krajeva poluge, koeficijenta opruge mijeha i povrsine mijeha.

116

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

Kod PI regulatora stepenasta promjena greske fie ce trenutno proizvesti proporcionalnu promjenu polozaja plocice spregnute sa slobodnim djelovima mjehova. Proporcionalna promjena ce biti posljedica djelovanja proporcionalnog mijeha p u kome je doslo do trenutnog povecanja pritiska. Zbog otpora R, pritisak u integralnom mijehu se ne moze trenutno promijeniti, Formira se odgovarajuca razlika pritisaka. Vremensko opadanje ove razlike prouzrokuje srazmjerno pomjeranje spone izmedu mijeha nadesno, sto odgovara povecanju izlaznog pritiska, odnosno I djelovanju regulatora. 4.2.3. Elektronski regulacioni uredaji Osnovne funkcije elektronskih regulatora je jednostavno izvesti pretpostavljajuci da operacioni pojacavac posjeduje idealne karakteristike. Radi formiranja prenosnih funkcija invertovanog i neinvertovanog pojacavaca pretpostavice se beskonacno velika ulazna otpornost i kratak spoj (virtuelna veza) izmedu ulaznih prikljucaka pojacavaca. Tada se invertovani pojacavac moze predstaviti ekvivalentnom semom (slika 4.35a).

a)

b)

Slika 4.35. Spojevi invertovanog i neinvertovanog pojacavaca a) invertovani pojacavac sa semom i ekvivalentnim kolom b) neinvertovani pojacavac sa semom i ekvivalentnim kolom

Sa ekvivalentne serne (slika 4.35a) mogu se direktno postaviti relacije U1 ==R/,

(4.28)

U2 ==-R/,

(4.29)

Uz =- R1

(4.30) RI Na slican nacin moze se sa ekvivalentne seme neinvertovanog pojacavaca (slika 4.35b) dobiti prenosna funkcija. Sa ekvivalentne seme se mogu direktno postaviti relacije

o,

4.2. Regulacioni

uredaji

117

U,=RJ,

(4.31)

U2 = (~ +Ri}I,

(4.32)

odakle se dobija

u2 =RI

+R2

U,

R1

(4.33)

Ako se kod neinvertovanog pojacavaca R1 ucini beskonacno velikim a R2 jednakim nuli, dobija se razdvojni odnosno jedinicni pojacavae, poznat i·kao slijedni pojacavac odnosno naponski slijeditelj, pesto izlaz naponski slijedi ulaz. Slijedni pojacavac posjeduje ,,beskonacno" veliku ulaznu otpornost i ,,beskonacno" malu izlaznu otpornost pa se pogodno koristi kao ulazni stepen mjernih pojacavaca, pesto zbog velike ulazne otpomosti ne moze da utice na izvor mjernog signala.

0

o,

SI

U1

0

U2

1

j_

a)

b)

Slika 4.36. Jedinicni pojacavac a) blok-sema b) primjena u kolima detektora signala

Postavljac referentne vrijednosti moze jednostavno da se realizuje pomocu potenciometra i slijeditelja napona (slika 4.36b). Referentna vrijednost se postavlja pomocu klizaca potenciometra i na nju ne djeluje unutrasnja otpornost slijednog pojacavaca, sto je inace slucaj kod prikljucenja potrosaca odnosno mjemog instrumenta ogranicene otpornosti (4.34) Komparator se moze realizovati pomocu sabiraca iii pomocu diferencijalnog

pojacavaca. Na slici 4.37 je prikazan sabirac sa ulazima w ix i izlazom e. Iz ekvivalentne seme se nalazi napon regulacionog odstupanja

e=-R/. R,

(4.35)

R2

RI

-w

w

RI

j_ e

1 a)

b) Slika 4.37. Sabirac a) kolo b) ekvivalentna sema

1!

ri

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

118

Struja I se rnoze odrediti iz ulaznog kola

!=~-~=- w-x R,

R,

R1

(4.36) •

Zamjenom I u e, dobija se

e= R2 (w-x).

(4.37)

s,

Ukoliko se otpornici R, i R2 odaberu tako tako da je R1

=

R2

=

R, onda je

e=w-x.

(4.38)

Na slican nacin se pomocu diferencijalnog pojacavaca, primjenom principa superpozicije, prema slici 4.38, nalazi

(4.39)

odakle je

e= R2 w- R2 x= ~ (w-x)=w-x R!

I)

''1

RI

(4.40)

·'

za slucaj kada je R1 = R2•

R2 x

w

a)

b)

c)

Slika 4.38. Diferencijalni pojacavac a) kolo b) ko1o sa ulazomx i w = 0 c) kolo sa ulazom w ix= 0

4.2.3.1. Kontinualni elektronski regulatori Kontinualni elektronski regulatori na bazi operacionih pojacavaca mogu posjedovati osnovna ponasanja (P, I, D) i slozena ponasanja (PI, PD, PID). Od osnovnih regulatora najcesce se koristi P regulator a od slozenih PI i PID regulatori. Regulator sa P ponasanjem

Vee je pokazano da sabirac prakticno predstavlja jednostavni regulator sa P ponasanjem, Komparator sa mogucnoscu pojacanja greske predstavlja P regulator (slika 4.39).

4.2. Regulacioni uredaji

i19

U slucaju a) izlazni napon se moze izraziti relacijom U;;:-

R2

e=-

R,

R2 {x-w)=R2 (w-x), RI

(4.41)

R,

pa se pojacanje regulatora mijenja pomjeranjem klizaca potenciometra R2• x -w

u

u b)

a)

Slika 4.39. Jednostavni regulator sa P ponasanjem a) kolo sa odvojenim komparatorom b) kolo sa direktno spregnutim komparatorom

U slucaju b) pomocu klizaca potenciometra P uzima se samo dio izlaznog napona a, tako da je CJ:U

= Ri (w-x)

(4.42)

RI IR

u=-2 (w-x)

(4.43)

o:R1

Za slucaj R1

= R2 , dobija se 1 u=-(w-x)

(4.44)

a

Kada je a= 1, pojacanje je jednako 1, da bi smanjivanjem a pojacanje raslo i kod a= 0 poprimilo beskonacnu vrijednost, Regulator sa Pl ponasanjem Jednostavni regulator sa PI ponasanjem prikazanje na slici 4.40.

c u

a)

b)

Slika 4.40. Regulatora sa PI ponasanjem a) strujna sema b) ekvivalentna sema

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

120

Na bazi ekvivalentne seme pojednostavljene strukture PI regulatora (slika 4.40b) moze se direktno postaviti relacija izlaznog napona

u

=-(R/ Q)c -(R) +_!_c f Idt)=-(R +

= - ~~ ( e

+

=

1f edt)=

!_+R, RP

2

(4.45)

~CJ edt) =-KP ( e + ~ J edt}

gdje su KP= R2/R1 - koeficijenat proporcionalnog pojacanja, a T; = R2C integralna vremenska konstanta. Ako se na izlazu prikljuei potenciometar i signal povratne sprege uzima sa klizaca, kao na slici 4.39b, onda se izlazni napon moze izraziti relacijom IR 2( e+--f 1 edt) =--P K ( e+-fedt 1 ) u=--a R1 R2C a T;

.

(4.46)

Regulator sa Pllr-ponasanjem Postoje ,,kompaktna" rjesenja regulatora sa Pllz-ponasanjern, sliena opisanom PI-regulatoru. Nazalost, kod tih rjesenja postoji medusobni uticaj kod namjestanja konstanata ~,, T; i Td. Na slici 4.41 je data principijelna sema elektronskog PID regulatora. Predvideno je koriscenje standardnih strujnih signala 4 + 20 mA, odnosno 0 + 20 mA i naponskih signala 0,5 + 2,5 V, odnosno 0 + 2,5 V. Serna je predstavljena u pojednostavljenom obliku. Signal regulisane velicine dovodi se preko otpornika Rl na pojacavac A2. Preko otpomika se vrsi konverzija strujnog signala u naponski, Postavljanje referentne vrijednosti preko naponskih jedinica vrsi se pomocu potenciometra Pl. Pojacavac Al u ovom slucaju funkcionise kao slijedni pojacavac, Izlazi iz pojacavaca Al i A2 su spojeni na instrumenat V radi indiciranja greske izmedu sig:nala folje:ne i stvame vrijednosti. Preko preklopnika za direktno ili reverzno dejstvo regulatora (D-R), ovi signalise uvode u diferencijalni pojacavac A3, na cijem izlazu se dobija pojacani signal greske e. Ovaj signal se, zatim, uvodi u elemente za obradu greske (integralni, diferencijalni i proporcionalni). Proporcionalno-integralno djelovanje regulatora ostvaruje se pomocu odgovarajucih komponenata u ulaznoj i povratnoj grani pojacavaca A5, dok se diferencijalno djelovanje ostvaruje pomocu grane sa pojacavacem A4. Za postavljanje pojacanja regulatora KP koristi se potenciometar P4, za integralno vrijeme T; potenciometar P2 i za diferencijalno vrijeme Td potenciometar P3. Obraden signal greske uvodi se u elemenat za pretvaranje naponskog signala u strujni signal. Ovaj elemenat je realizovan pornocu komponenata u ulaznoj i povratnoj grani pojacavaca A6. Medutirn, najcesce obraden signal greske ne ide direktno u elemenat za pretvaranje naponskog u strujni signal, nego se dovodi u blok za ogranicenje minimalne i maksimalne vrijednosti izlaznog signala (nije prikazan na slici), pa tek onda u elemenat za pretvaranje. Ovim se izlazni signal regulatora drZi u odgovarajucim standardnim granicama. Ako se umjesto signala zeljene vrijednosti koristi neki spoljni signal (kod regulacije odnosa, kaskadne regulacije itd.), onda se ovaj signal uvodi u regulator pre-

4.2. Regulacioni uredaji

121

ko posebnog bloka. Ovaj blok vrsi prevodenje strujnog signala u naponski, da bi se onda uveo u pojacavac Al. Prebacivanjem preklopnika A-R na regulatoru iz polozaja ,,automatski" (zatvoren kontakt 1-2) u polozaj ,,rucno" (zatvoren kontakt 2-3), vrsi se prebacivanjem regulatora iz automatskog rada u rad na rucno. Pri ovome se kondenzator CS povezuje u povratnu vezu sa pojacavacem AS, sto obezbjeduje zadrzavanje izlaznog signala iz regulatora na vrijednosti koja je bila prije prebacivanja. Pritiskanjem jednog od dva tastera, za povecanje P ili za smanjenje S izlaznog signala iz regulatora ulazno kolo se spaja na pozitivan ili negativan napon, koji se dobija sa odgovarajucih djeljitelja napona. Kada se taster blago pritisne, izlazni napon iz regulatora se polagano mijenja (100% promjena za 50 sekundi), pesto se u ulaznom kolu nalaze otpornici R13 i Rl4. Ukoliko se taster jace pritisne, Rl3 se kratko spaja i 100% promjena se ostvari za 5 sekundi. Vrijednost izlaznog napona se kontrolise na pokaznom instrumentu I, koji se nalazi na regulatoru.

Slika 4.41. Principijelna (uproscena) sema elektronskog PID regulatora

Na slican nacin se ostvaruje bezudarno prebacivanje regulatora sa ,,ruenog" na ,,automatski" rad. Pri ovome se preporucuje da se ostvari izjednacenje signala regulisane vrijednosti i signala referentne vrijednosti. Regulatori sa kontinualnim izlazom se koriste za regulaciju izvrsnih uredaja, kakvi su tiristorske jedinice. Izlazni signal regulatora 4 -s- 20 mA ostvaruje odgovarajuce fazno pomjeranje okidackih impulsa obezbjedujuci fine promjene u doziranju elektricne energije (tacka 4.3.4). 4.2.3.2. Dvopoloiajni i tropoloiajn! regulator/ Dvopolozajni regulator predstavlja poseban slucaj proporcionalnog regulatora. Vee je pomenuto da kod djelovanja odskocne funkcije izlaz regulatora proporcionalno poraste shodno P ponasanju regulatora, a prema relaciji ~ = J
4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

122

nje odgovara tzv. dinamickom rezimu regulatora, Sam regulator posjeduje izlaz u = u0 +Kep

(4.47)

,.

gdje u0 predstavlja radnu tacku stacionarnog stanja prije djelovanja odskocne funkcije. Ugadanje u0 ne utice na koeficijenat proporcionalnosti. Umjesto koeficijenta proporcionalnog pojacanja, u praksi se cesto koristi sirina proporcionalnog opsega, definisana relacijom

b = _l · 100% K1,

(4.48)

.

Na slici 4.42 ilustrovana je veza izmedu koeficijenta Xi, i b. Ocigledno da vrijednosti KP= 1 odgovara b = 1 odnosno sirina opsega greske od 100%, sto znaci da ce punoj promjeni greske od I 00% odgovarati puna promjena upravljacke velicine od 100%. Smanjenjem sirine opsega greske, povecava se vrijednost upravljacke veliCine, da bi kod opsega 0% poprimila beskonacnu vrijednost, kada proporcionalni regulator prelazi u dvopolozajni regulator. u

u

a)

100% b)

Slika 4:42. Ilustracija sirine proporcionalnog opsega a) blok-serna P regulatora b) zavisnost u = j{_e)

Kod idealnog dvopoloiajnog regulatora pozitivnim greskama (e > 0, w > x) odgovara ,,beskonacna" vrijednost upravljacke velicine, a negativnim vrijednostima minimalna vrijednost. U slucaju servoventila, ventil poprirna dva konacna stanja ili .je potpuno otvoren ON, ili potpuno zatvoren OFF, pa se o dvopolozajnoj regulaciji cesto govori kao o ON/OFF regulaciji. Na slici 4.43 prikazana je primjena dvopolozajnog regulatora sa histerezom na termickom procesu sa mrtvim vremenom 't i vremenskom konstantom T. Na dijagramima su predstavljene prirodne karakteristike zagrijavanja i hladenja peci i karakteristika ostvarena ON/OFF regulacijom. Referentna vrijednost pored zeljene vrijednosti ukljucuje vrijednost definisanu histerezom relejnog elementa, tako da se moze govoriti o gornjoj tacki prebacivanja i o donjoj tacki prebacivanja. Neposredno po ukljucenju, greska regulacije je izrazito velika tako da dolazi do trenutnog ukljucenja relejnog elementa. Pee se zagrijava po svojoj prirodnoj karakteristici. Kada regulisana vrijednost dostigne gornji nivo referentne vrijednosti, dolazi do prebacivanja relejnog elementa. Stvarna temperatura u peci ce i dalje rasti do odredenog nivoa, direktno zavisnog od velicine mrtvog vremena. Kada hladenjem peci regulisana temperatura padne ispod donje referentne vrijednosti, dolazi do ukljucenja relejnog

4.2. Regulacioni

uredaji

123

elementa, Stvarna temperatura ce, shodno mrtvom vremenu, i dalje opadati odredeno vrijeme. Regulisana temperatura peci se nalazi u pojasu oko referentne temperature, definisanim mrtvim vremenom i histerezom,

0

y

I

I I I I '

----4 ... ,

'' '

a)

t

b) Slika 4.43. ON/OFF regulacija a) blok-sema dvopolozajnog regulatora sa relejnim elementom b) karakteristika zagrijavanja peci iukljucenja relejnog elementa

U slucajevima kada nije nuzna visoka tacnost odrzavanja regulisane velieine a zivotni vijek izvrsnog organa treba da bude sto duzi a da pritom i objekat ne bude izlozen cestim i dugotrajnim smetnjama, primjenjuje se tropolozajni regulator. To je poseban oblik dvopolozajnog regulatora sa zonom neosjetljivosti, mrtvom zonom. Staticka karakteristika tropoloy u zajnog regulatora sa histerezom je prikazana na slici 4.44. Vidi se da regulator posjeduje tri stanja. Ova stanja su e definisana pomocu dva relejna elemen--a ta na izlazu regulatora. Ovim regulatorom se najcesce upravlja elektromotorni pogon servoventila. Pri tome motorni pogon posjeduje tri stanja: otvaraw. x nje ventila (jedan smjer rotacije servoSlika 4.44. Statieka karakteristika motora), mirovanje i zatvaranje ventila tropolozajnog regulatora (drugi smjer rotacije servomotora). 4.2.4. Podesavanje parametara regulatora Dobar i kvalitetan rad sistema automatske regulacije zavisi od staticko-dinamickih karakteristika svih elemenata regulacionog kruga: mjemog pretvaraca, regulatora, izvrsnog organa i procesa. Medutim, jedini parametri pomocu kojih se mogu mijenjati dinamicke karakteristike kruga i time uticati na kvalitet regulacije su promjenljivi parametri regulatora: Kp, T; i T,1. Razvijene su slozene metode optimizacije regulatora kao sto su: frekventna metoda analize i sinteze sistema upravljanja, meto-

4. Osnovni elernenti sistema automatske regulacije

124

da geometrijskog mjesta korijena itd. U praksi se, medutim, znatno cesce vrai podesavanje parametara regulatora na osnovu eksperimentalnih metoda. Od ovih metoda najpoznatije su Cigler-Nikolsova metoda (Ziegler-Nichols) i metoda Cain, Rauns i Resvik (Chien, Hrones, Reswick). Kada se koriste ove metode, ne mogu se dobiti optimalni parametri regulatora, ali se dobijaju parametri kojima se postize zadovoljavajuci kvalitet regulacije. Cigler-Nikolsova metoda odredivanja parametara regulatora se obavlja po slijedecoj proceduri: - pojacanje regulatora postaviti na 1, integralno vrijeme 1'; na maksimalnu vrijednost, a diferencijalno vrijeme na minimalnu vrijednost; - pri rucnoj regulaciji dovesti proces na zeljenu vrijednost, a zatim izvrsiti prebacivanje sa rucnog na automatski rad; - postepeno povecavati vrijednost pojacanja regulatora sve dotle dok regulisana velicina, koja se prati na pisacu, ne pocne oscilovati sa konstantnom amplitudom. Pri ovakvom radu treba paziti da sistem ne postane nestabilan; - na osnovu gornjih vrijednosti (Pkr i T1cr), a prema tabeli T-4.l, odreduju se parametri regulatora.

P regulator PI regulator PID regulator Tabela T-4.1.

KD 0,5Kkr 0,45 Kkr 0,6Kk,

1';

Ta

-

-

0,833 Tkr 0,5 Tk

-

0,125

t;

Podesavanje parametara regulatora pomocu Cigler-Nikolsove metode

Ova metoda se ne preporucuje kod procesa kod kojih mogu da se pojave oscilacije suvise velikih amplituda i kod procesa koji imaju veliko prigusenje, pa se promjenom pojacanja regulatora ne mogu izazvati neprigusene oscilacije. Tada se izvodi eksperiment sa otvorenim kolom, Procedura ukljucuje: - pri rucnoj regulaciji sistema proces dovesti na zeljenu vrijednost i uspostaviti stacionarne uslove rada; - pornocu postavljaca referentne vrijednosti odskocnom funkcijom povecati signal za otvaranje izvrsnog elementa (za 5+ 10%) i na pisacu snimiti krivu odziva otvorenog kola, koja najcesce ima oblik S-krive (slika 3. la); - metodom tangente, povlacenjem tangente kroz prevojnu tacku krive odziva, odrediti vremensku konstantu Ti vrijeme kasnjenja odziva 't. Na osnovu ovih vrijednosti, prema tabeli T-4.2, postaviti parametre regulatora,

P regulator PI regulator PID regulator Tabela T-4.2.

KP Tlko-c 0,95 Tlko't 1,20 Tlk0't

Ti

Ta

-

-

3,3 t'

z.

0,5

't

Podesavanje parametara regulators prema odzivu regulisane ·veliCine na odskocnu funkciju

4.3. Izvrsni organi

125

U tabeli je k0 dato sa k0 = ti.x/!J..y, gdje su: !:i.y - promjena ulazne velicine procesa i L\x - promjena izlazne velicine procesa. Cain, Rouns i Resvik metodom unijeta su odredena poboljsanja, u zavisnosti od toga da Ii se radio promjenama poremecaja i1i o promjenama referentne vrijednosti. Za ovaj nacin odredivanja autori su predlozili empirijske relacije prezentirane u tabeli T-4.3. Za promjenu referentne vrijednosti

Za promjenu poremecaja

P regulator

KP=0,30 Th

Kp=0,30 Th

PI regulator

Kµ=0,34 Th T; = 1,2 T

KP=0,60 Th T;=4,;

PID regulator

Kµ=0,60Th T;=T Ta= 0,5 i;

KP = 0,95 T/r: T; = 2,4 't Ta= 0,24 -i:

Tabela T-4.3 - Podesavanje pararnetara Cain-Rouns-Resvlkovcm metodom 4.3. IZVRSNI ORGANI U sistemirna upravljanja i regulacije izvrsni organi predstavljaju izlazne elemente upravljacko-regulacionog uredaja preko koga se vrsi upravljanje dotokom energije i/ili materije u proces odnosno objekat upravljanja, Izvrsni organi se sastoje od pogonskog uredaja i izvrsnog uredaja. Izvrsni organ je prilagodna jedinica (interfejs jedinica) izmedu regulatora i izvrsnog uredaja. Najcesce se radi o pojacavacu snage, razvodniku, servomotoru i sl. Izvrsni organ je najcesce jedinica na bazi energetske elektronike (kontrolisani propusnik elektroenergije) i regulacioni ventil (kontrolisani propusnik pneumatske ili hidraulicke energije), Kada je u pitanju doziranje materije, servomotori i servoventili su obuhvaceni terminorn regulacionih ventila. U uzoj oblasti elektrotehnike o izvrsnim organima se govori kao o pretvaracima energetske elektrotehnike (izvrsni stepeni snage). Regulacioni ventil u sirem smislu obuhvata servomotor kao pogon i servoventil kao direktni izvrsni elemenat. Servomotor je u neposrednoj vezi sa regulatorom (pri automatskoj regulaciji) ili sa postavljacem signala (pri upravljanju). Na osnovu tog signala, servomotor pokrece servoventil, koji vrsi neposredno djelovanje na vodeni objekat. Obicno se regulacioni ventil pravi kao jedinstvena cjelina, mada mogu biti i odvojeni, posebno servomotor a posebno servoventil. U odnosu na energiju koju koristi, servomotor moze biti pneumatski, hidraulicni, i elektricni. Ponekad se i u izrazeno elektricnim instalacijama koristi pneumatski servomotor ili hidraulicni servomotor. Regulator preko izlaznog stepena snage upravlja servomotorom a ovaj servoventilom. .

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

126

4.3.1. Hldraulicni regulacioni ventili Hidraulicni regulacioni ventili mogu biti diskretnog i kontinualnog tipa. Diskretni ventili su poznati kao ON/OFF ventili. Na slici 4.45a je data skica ventila sa hidraulicnim cilindrom i razvodnikom 3/2. Ukljucenje ventila je definisano dotokom ulja u komoru cilindra, koje je odredeno stanjem (1) razvodnika 3/2. Prebacivanjem razvodnika, prekida se dotok ulja a komora pod pritiskom spaja na rezervoar (tank). Pritisak u komori opada tako da se klip cilindra pod djelovanjem opruge prebaci u OFF stanje. U slucaju cilindra sa dvostranim dejstvom primijenjen je razvodnik 4/2 (slika 4.45b). ON stanju ventila odgovara povecani pritisak jedne komore a OFF stanju povecani pritisak druge komore. Diskretni regulacioni ventil se znatno cesce rjesava pornocu elektromagnetnih ventila. Postoje direktni elektromagnetni ventili kod kojih se elektricna energija koristi za otvaranje ventila (slika 4.45c). Znatno su cesci elektromagnetni ventili kod kojih elektromagnet upravlja protokom fluida u pomocnoj grani a ova, koristeci snagu samog fluida, protokom glavne grane, Na slici 4.45d je prikazan elektromagnetni ventil sa indirektnim djelovanjem. K.retanje fluida u ventilu vrsi se preko osnovne grane (ulaz P -- sjediste ventilskog klipa - izlaz A) i pomocne grane (ulaz P - prigusnica p - komora M - komora kotve KI( - izlaz A). Elektrornagnet posjeduje pobudni namotaj ( 1) ijezgro sastavljeno od pokretnog dijela (kotva - K) i nepokretnog dijela (protivkotva). U nepobudenom stanju elektromagneta kotva pod pritiskom opruge (3) drzi zatvorenom komoru kotve KK. Pritisak fluida u komori klipa M, zajedno sa oprugom (4), pomjera ventilski klip VK nadolje tako da ovaj drzi zatvorenirn osnovni prolaz. u pobudenom stanju elektromagnetna sila spoji kotve uslijed cega, a sobzirom na djelovanje prigusnice, naglo padne pritisak u kornori ventilskog klipa pa se ovaj odigne otvarajuci glavni prolaz. I

2-···· ....

K

3--··

KK

p

M

'. .. VK

4

~ a)

b)

c)

d)

Slika 4.45. Hidraulicni ON/OFF ventili a) ventil sa jednostranim cilindrorn b) ventil sa dvostranim cilindrom c) elektromagnetni ventil sa direktnim dejstvom d) elektromagnetni ventil sa indirektnim dejstvom: P - ulaz fluida, A - izlaz fluida, VK - ventilski klip, p - prigusnica, M- komora ventilskog klipa, K- kotva, KK- komora kotve, l- pobudni namotaj 2 - protivkotva, 3 - mala opruga, 4 - vel ika opruga

Medu kontinualnim ventilima posebnu primjenu su nasli proporcionalni i servoventili. Na bazi proporcionalnih ventila razvijena je posebna oblast hidraulike, poznata kao proporcionalna hidraulika. Podesavanje vrijednosti pritiska kod klasicnih ventila za pritisak, tzv. regulatera pritiska izvodi se mehanickim putem pomocu navojnog vretena i spiralne opruge.

4.3. Izvrsni organi

127

Odredenom opterecenju opruge odgovara odredeni (konstantni) izlazni pritisak, nezavisno od varijacija ulaznog pritiska. Varijacije ulaznog pritiska se kompenzuju padom pritiska na protocnom otvoru (obicno konusna glava klipa, uravnotezena oprugom). Kod proporcionalnih ventila, promjena sile opruge, a time i promjena izlaznog pritiska, vrsi se pomocu elektromagneta sa proporcionalnim regulisanjem sile odnosno hoda, cime se uspostavlja direktni odnos izmedu dovedenog elektricnog signala i izlaznog pritiska. Kontinualnim mijenjanjem elektricnog signala, ostvaruje se kontinualna promjena izlaznog pritiska. Na slici 4.46 prikazana je konstrukcija predupravljivog ventila za pritisak, Pomocu induktivnog davaca direktno se uzima informacija hoda klipa, odnosno informacija hidraulicnog pritiska. Predupravljivi ventil se vezuje na proporcionalne ventile za razvodenje (nisu prikazani na slici 4.46). Na slicnom principu funkcionisu proporcionalni ventili protoka. bar 200

3

-~·-ir .1 !

a)

r.

i

b)

c)

d)

'

~

~ti1;

'

:1xN

'~-------------------~

I

1--17 t-··; ·1 I I ' I . ~-+· i i i

150

proporcionaln i razvodnici + vage pritiska

II

I' '1 , ~=const. l

1

.

50

I

i

l

I

I i

2

4

6

11

-1 i---T-t··-1 ·

0 0

1

. S

Iv

"'

!O

Slika 4.46. Proporcionalni ventili pritiska a) proporcionalni ventil za regulaciju pritiska: I - tije(o ventila, 2.- elektromagnet, 3 - induktivni davac polozaja b) karakteristika pritisak/napon c) signal proporcionalnog razvodnika (proporcionalni ventil + razvodnik) d) signal dvostranog proporcionalnog razvodnika

Medu kontinualnim ventilima su poznati ventili sa udamom plocom. Na slici 4.47 prikazan je trovodni ventit sa udarnom plocom, On se sastoji od cjevne mlaznice (I), magnetnog kalema (2), udame ploce (3), prigusne caure (4) i vucne opruge (5). Polozaj udarne place je odreden odnosom pobudne (magnetne) sile i otpome sile opruge. Na slici 4.47b je prikazan sklop servoventila i diferencijalnog cilindra. Konstantni pritisak p0 je doveden na ulaz servoventila p i komoru diferencijalnog cilindra sa povrsinom 0,5A. Ukoliko je elektricni signal jednak nuli, opruga drzi udarnu plocu na maksimalnom odstojanju od mlaznice pa je pad pritiska na otvoru Av zanemarljiv, Istovremeno je i pritisak A zanemarljiv, pa ce se klip cilindra prebaciti u krajnji lijevi polozaj komore sa vecom povrsinom. Dovodenjem elektricnog signala, dolazi do privlacenja udarne ploce i uspostavljanja ravnoteze magnetne site i sile opruge. Ovoj ravnotezi odgovara odredena velicina otvora Av, odnosno odredeni pad

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

128

pritiska na otvoru, od cega direktno zavisi pritisak u tacki A, odnosno pritisak u velikoj kornori. Kada sila u velikoj komori cilindra nadvlada silu u maloj komori, doci ce do pomjeranja klipa cilindra udesno. Promjenom velicine elektricnog signala moZe se direktno uticati na velicinu otvora Av , a time i na velicinu struje koja ulazi u komore, odnosno na brzinu kretanja klipa. Na slici 4.47c je prikazana familija karakteristika q = j(l), kojima je definisan odnos protoka q (qA protok fluida kroz veliku komoru) i struje elektromagneta I. Velicinom protoka definisana je brzina uvlacenja i izvlacenja klipnjace. q(l/min)

r.

:: ---i--zI

L_

I

p,,

-~~1P -'Ii;':

--~-~-~-~-----J

l..!..IT

q(l/min)

a)

b)

c)

Slika 4.47. Hidraulieni servomotor a) konstrukcija trovodnog servoventila b) sema servomotora c) q = f(I)- karakteristike

4.3.2. Pneumatski regulacioni ventili Pneumatski servopogon je jednostavne konstrukcije, Za pogon koristi komprimovani vazduh. Upotrebljeni komprimovani vazduh, po izvrsenju svoje funkcije, jednostavno se ispusta u atmosferu, tako da mu nije potreban povratni vod, u cemu se ogleda prednost u odnosu na hidraulicni servopogon. ldealne karakteristike pogona umanjuje jedino stisljivost vazduha, Pneumatski servopogoni se najcesce izraduju kao pogoni sa membranom i pogoni sa klipom. Pogonsld uredaji sa membranom rade tako sto pritisak vazduha u njima djeluje s jedne ili s obje strane membrane (slika 4.48). Ako pritisak djeluje s jedne strane membrane (1), protivtezu pritisku vazduha drzi opruga (2). Kretanje membrane prenosi se dalje preko osovine (3) na ventil (4). U slucaju da pritisak djeluje sa obje strane membrane, pomjeraj osovine zavisi od odnosa pritisaka p1 ip2~ Osnovu pneumatskog klipnog pogona cini klipni motor (slika 4.48). Kod klipnog motora sa oprugom, elasticna sila opruge se suprodstavlja sili pritiska vazduha, da bi se kod izjednacenja uspostavila ravnoteza, Kod klipnog motora sa dva ulaza vazduha, na klip cilindra djeluje razlika pritisaka (p1 - p2), pa je brzina promjene srazmjerna toj razlici.

4.3. Izvrsni organi

129

.._J p l a)

c)

b)

d)

Slika 4.48. Pneumatski servopogon a) membranski servopogon sajednim ulazom vazduha b) membranski servopogon sa dva ulaza vazduha c) klipni servopogon sa jednim ulazom vazduha d) klipni servopogon sa dva ulaza vazduha

Posebno vazna karakteristika pneumatskih motora (membranskih i klipnih) jeste brzina njihovog djelovanja. Ovi rnotori posjeduju brzinu visestruko vecu od hidraulicnih i elektrienih motora. Njihovo povezivanje sa izvrsnim uredajem takode veoma je jednostavno, stoga nije cudo da se srecu kao izvrsni organi i u cisto elektricnim instalacijama. Pneumatski motorni pogoni su opisani u tacki 5.2. 4.3.3. Regulacioni ventili sa elektricnim motornim pogonima Elektricni servopogon se ostvaruje pomocu vise familija elektromotora. Postoji grupa specijalnih jednosmjernih servomotora sa stalnim magnetima, kao i grupa asinhronih servomotora sa povecanom aktivnom otpomoscu rotora. Ove grupe servomotora zadovoljavaju posebne, veoma stroge zahtjeve servoregulacije. Klasicna servoregulacija najcesce koristi asinhrone motore, dvofazne motore, a u posljednje vrijeme i koracne motore. · 4.3.3.1. Trofazniasinhroni motor Trofazni asinhroni motor sa kratkospojenim rotorom, predviden za jednofazno napajanje, je posebno siroko primijenjen. Radi se 0 tzv. Stajnrnecovom (Steinmetz) spoju predvidenom za reverziranje (slika 4.49).

M

n

0 a)

b)

Slika 4.49. Reverzioni spoj trofaznog asinhronog motora najednofaznu mrezu a) sema b) momentna karakteristika: I - trofazna mreza, 2 =jednofazna mreza

130

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

Zadovoljavajuce reverziranje obezbjeduje pogonski kondenzator, zbog koga se ponekad govori o kondenzatorskom motoru. Tropolozajni regulator preko svojih mikroreleja ubacuje pomocne releje (sklopnike) servomotora obezbjedujuci tri stanja servopogona: smjer otvaranja, smjer zatvaranja i zonu neosjetljivostL Rad na jednofaznoj mrezi ima za posljedicu slabiji potezni momenat. 4.3.3.2. Dvofazni motor Dvofazni potezni motor sa kratko spojenim rotorom posjeduje dva statorska namotaja: namotaj konstantne pobude NP i upravljacki namotaj Nu. Pobudni namotaj se direktno napaja iz jednofazne mreze 220 V, 50 Hz, a upravljacki namotaj iz pojacavaca snage vezanog na izlaz kontinualnog regulatora (slika 4.50). Pobudni namotaj se napaja preko kondenzatora C velikog kapaciteta, tako da je pobudni namotaj pomjeren u odnosu. na mrezni napon za 90°. Regulator preko pojacavaca snage generise naizmjenicni napon 50 Hz, cija amplituda i fazni pomjeraj direktno zavise od polariteta signala greske. U zavisnosti od polariteta greske, upravljacki napon ce biti u fazi ili u protivfazi u odnosu na napon mreze, tj. zaostajace odnosno prednjaciti za 90° u odnosu na pobudni napon. Kod reverziranja upravljacki napon se postepeno smanjuje, da bi prolaskom kroz nulu promijenio polaritet. U vrijeme cijevne tehnike dvofazni motori su bili siroko primijenjeni u automatskim kompenzatorima elektricnih velicina,

REGULATOR

[> pojacavac snage

@· N,

220 V, 50 Hz Slika 4.50. Dvofazni servomotor

4.3.3.3. Koracni motori Koracni motori mogu biti visefazni i visepolni. Rotori koracnih motora mogu biti pobudeni (aktivni) ili nepobudeni (pasivni), Statorski namotaji se napajaju iz posebne elektronske impulsne jedinice. Impulsna jedinica generise parove impulsa koji se sekvencijalno dovode na statorske namotaje, Svaki novi impuls inicira pomjeraj rotora za jedan korak, odakle i naziv koracni motori (engl. step motor, steping motor). Ako motor posjeduje q namotaja odnosno q faza, onda odgovarajuci korak posjeduje ugao 2 n/q. Na slici 4.5 la sematski je prikazan koracni motor sa dvopolnim rotorom i m statorskih faza. Elektronska jedinica sekvencijalno salje grupu impulsa na statorske namotaje. Na slici 4.51 b je prikazano istovremeno slanje dva impulsa, a na slici 4.5 le istovremeno slanje 3 impulsa na susjedne namotaje. Slijedeca grupa impulsa ce biti poslana na grupu namotaja koja je za jedan namotaj pomjerena desno Hi lijevo u zavisnosti od polariteta greske.

4.3. Izvrsni organi

a)

b)

13]

c)

Slika 4.51. Ilustracija rada koracnog motora

Rotor u potpunosti slijedi redosljedno pomjeranje impulsa. Koracni motor moze da se koristi za tzv. start/stop rezim rada, kao i za neprekidno kontinuirano kretanje. On posjeduje siroke mogucnosri promjene brzine, visoku preciznost, mogucnost direktnog digitalnog upravljanja, stoga nailazi na sve siru primjenu, 4.3.4. Elektricnl izlazni stepeni izvrsnih organa Ventili su komponente terminoloski vezane za fluidiku. U fluidici su u upotrebi tzv. nepovratni, zaporni ventili, koji propustaju fluid samo u jednom smjeru. Svojevremeno su i elektricne komponente koje su propustale struju samo u jednom smjeru nazivane ventilima (slika 4.52). To su danas velike familije poluprovodnickih komponenata: dioda, tranzistora i tiristora. Postoje razne podjele ovih komponenata. Prema velicini elektricne snage, komponente se dijele na elektronske (mala snaga) i komponente energetske elektronike (velika snaga). Prema nacinu rada, komponente energetske elektronike se mogu podijeliti na: diode, tranzistore i tiristore. Kada se govori o stepenu upravljivosti, pri cemu se misli na mogucnost prebacivanja iz neprovodnog u provodno stanje i obrnuto, djelovanjem na upravljacku elektrodu, onda se maze govoriti o: - potpuno neupravljivim poluprovodnickim komponentama (diode, diaci); - djelimicno upravljivim energetskim poluprovodnickirn elementima, koji se impulsima prebacuju u provodno stanje (tiristori); - potpuno upravljivim energetskim komponentama, koje se djelovanjem na upravljacku elektrodu mogu prebaciti iz neprovodnog u provodno stanje i obrnuto (tranzistori snage). U ovom tekstu posebna paznja ce biti posvecena primjeni energetskih dioda i tiristora. 4.3.4.1. Poluprovodnicki ventili Poluprovodnicka dioda ili PN dioda je bazirana na PN spoju dva kristala: P poluprovodnika, obogacenog nosiocirna pozitivnog naelektrisanja i N poluprovodnika, obogacenog nosiocima negativnog naelektrisanja.

132

4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

Ako se PN spoj pozitivno polarise (Pvprikljucak pozitivan u odnosu na Nprikljucak), dioda ce provoditi. Ako je dioda obrnuto (inverzno) polarisana, dioda nece provoditi (slika 4.52). U provodnom smjeru dioda moze propustati velike struje uz minimalan pad napona na diodi, dok je u neprovodnom smjeru struja veoma mala (inverzna struja) nezavisno od velicine inverznog napona, sve do napona proboja koji prouzrokuje razaranje diode.

-

I

smjer fluida

~

u

~I

0

smjer struje

c) d) Slika 4.52. Poluprovodnicka dioda a) simboli ventila u fluidici i elektronici b) IU karakteristika c) polutalasni ispravljac d) punotalasni ispravljac

a)

b)

Ventilsko djelovanje diode koristi se kod pretvaraca naizmjenicnog napona u jednosmjerni napon. Funkcionisanje je predstavljeno na primjerima polutalasnog i punotalasnog ispravljaca. Mnogo manja pulsirajuca vrijednost napona dobija se ispravljanjem trofaznog naizmjenicnog napona. Kod trofaznog polutalasnog ispravIjaca (slika 4.53) svaka faza trofaznog transformatora je preko diode vezana na potrosac. Kao ispravljeni napon pojavljuje se-vrsna linija trofaznog napona najpozitivnije polarisane diode. Kod trofaznog mosnog (punoupravljivog) ispravljaca, napon talasnosti je jos nizi, ali je frekvencija pulsacija dvostruko visa.

a) Slika 4.53. Trofazni ispravljaci a) polutalasni ispravljac b) punotalasni ispravljae

b)

4.3. Izvrsni organi

133

Tiristor se koristi kada je potrebno upravljati velicinom ispravljene struje, Tiristor obuhvata skup cetvoroslojnih poluprovodnickih komponenata od kojih je najpoznatija silicijumski upravljivi ispravljac ( engl. Silicon Controlled Rectifier), na koga se obicno misli ukoliko se drugacije ne naglasi. Struktura, simbol i karakteristika tiristora su prikazani na slici 4.54. Pored anode i katode, tiristor posjeduje upravljacku elektrodu ( engl. gate vrata). Ako se tiristor pozitivno polarise bez dovodenja signala na gejt, tiristor je blokiran i ponasa se prema karakteristici koja je oznacena punom linijom (prvi kvadrant). Daljim povecanjem napona, kod nekog dovoljno velikog napona, doci ce do naglog provodenja, da bi poslije toga tiristor nastavio da se ponasa kao dioda sa padom napona od IV i strujom ogranicenom otpornoscu potrosaca, Ako je anoda negativA nija od katode, tiristor je ne~ A+ provodan (blokiran) i ponasa Kse kao inverzno polarisana G K dioda. Kao i kod diode, dab) ljim povecanjem napona i N prelaskom graniene vrijednoPROBOJNI sti, dolazi do razaranja tiriNA PON stora. AU kolu jednosmjeme K+ a) c) struje, jednom ukljuceni tiristor nastavlja da provodi, a Slika 4.54. Tiristor iskljucenje se moze ostvariti a) struktura b) simbol c) IU karakteristika smanjivanjem struje na nulu ili dovodenjem inverznog napona. Kod mrezom vodenih tiristora, iskljucenje obavlja mrezni napon nailaskom negativne poluperiode. Tiristor moze, ukoliko je pozitivno polarisan, da se prebaci u bilo kom trenutku u provodno stanje, dovodenjem na gejt okidackih (okidnih) irnpulsa. Okidni impulsi su veoma kratki impulsi, pozitivno polarisani prema katodi. Okidni impuls inicira lavinski proces provodenja tiristora tako / da u tom slucaju nije nuzno povecanje I I pozitivno polarisanog napona na tiria) storu (isprekidane karakteristike), Dovodenjem okidnih impulsa u sinhronizam sa mreznim naponom, ostvaruje se fazno upravljanje tiristora. Faznim upravljanjem tiristora moze se kontrolib) sano dovoditi struja u potrosac. Pomocu tiristora se dotok energit je u potrosac moze vrsiti samo u polut periodama kada je tiristor pozitivno Slika 4.55. Fazno upravljanje tiristora ( direktno) polarisan. Posebna antiparaa) polutalasno ispravljanje b) punotalasno lelna sprega dva tiristora omogucuje ispravljanje okidanje i u poluperiodama kada je ti-

. 4. Osnovni elementi sistema automatske regulacije

134

ristor negativno (inverzno) polarisan. Integrisana struktura.dva antiparalelno spregnuta tiristora je poznata kao triak (engl. TRJode Alternative Current semiconductor switch - triodni poluprovodnicki prekidac naizmjenicne struje). Pomocu okidnih impulsa bilo kog polariteta moze se inicirati provodenje prekidaca u oba smjera (slika 4.56).

T2

k'

T1 a)

Ur;1

T1

G

G

RJ>

b)

~

c)

~

~

t

,.

d)

Stika 4.56. Fazno upravljanje naizmjenienom strnjom a) antiparalelno vezani tiristori b) triak c) serijsko kolo s triakorn d) upravljana naizmjeniena struja

4.3.4.2. Tiristorske jedinice Tiristorske jedinice su slozeni sklopovi komponenata energetske elektronike. Prema nacinu upravljanja, mogu se podijeliti na mrezom upravljane tiristorske jedinice i na autonomno upravljane tiristorske jedinice, S gledista vodenja energije u toku periode, mrezom upravljane tiristorske jedinice mogu biti fazno upravljane i upravljane prolaskom naizmjenienog napona kroz nulu. Fazno upravljane tiristorske jedintce Princip upravljanja ovih jedinica je prezentiran u opisu rada tiristora. Faznim pomjeranjern okidnih impulsa moguce je: - mijenjati efektivnu vrijednost naizmjenicnog napona kod antiparalelno vezanih tiristora i triaka, - mijenjati nivo jednosmjernog napona u tiristorskim ispravljacima, Tiristorske jedinice predstavljaju izvrsne elemente u regulacionim krugovima. Njima se upravljaju elektromotorni pogoni, elektromagnetni pogoni i elektrootporni (termicki) potrosaci, One se sastoje se iz energetskog dijela i generatora okidackih impulsa. Energetski dio je realizovan sa komponentama energetske elektronike (tiristori, triaci, tranzistori snage, diode) a generator okidackih impulsa generise mrezom sinhronizovane okidacke impulse. Danas se generatori okidackih impulsa proizvode kao integrisana kola visokog nivoa integracije, Poznata su kola UAA145(AEG) i TCA785 (Siemens). Blok-sema UAA145 prikazanaje na slici 4.57. Ona se sastoje iz sljedecih blokova: sinhronizacioni dio, generator testerastog napona, naponski komparator, generator impulsa, kolo za odvajanje kanala i izlazni pojacavaci impulsa. Kada se govori o kanalima, misli se

4.3. Izvrsni organi

135

na impulse koji odgovaraju pozitivnim poluperiodama naizmjenicnog napona (jedan kanal) i impulse koji odgovaraju negativnim poluperiodama (drugi kanal). R

0

r---

Umt RP

~

Umt

~ ~

-

t ..

t ..

b)

- ........... ... ,,.. ... -I

Slika 4.57. Biok-sema tiristorske jedinice za upravljanje naizmjenicnom snagom ED - energetski dio tiristorske jedinice: T1, T2 - tiristori; R, C - zastitno kolo; GOI - generator okidackih impulsa: I - sinhronizacioni blok, 2 - generator testerastog napona, 3 - komparator, 4 - generator impulsa, 5 - separator kanala, 6 - pojacavac jednog kanala, 7 - pojacavac drugog kanala impulsa; IT - impulsni transformator; Rp -potro!lac.

Mrezni napon (slika 4.58) se poslije odgovarajuceg slabljenja, ostvarenog po-

mocu pasivnih komponenata uvodi, u sinhronizacioni l?J.
..

CD

.. I I

I I

t

~

0

n

© (J) Stika 4.58.

n

n

n

n

n

Karakteristicni signali generators okidnih impulsa:

1 - mrezni sinhronizacioni signal, 2 - pravougaoui sinhronizacioni signal, 3 - triger signal prolaska naizmjenicnog napona kroz nulu, 4 - testerasti signal I 00 Hz, 5 - upravljacki napon, 6 - izlazni impulsi jednog kanala, 7 - izlazni okidni irnpulsi drugog kanala.

4. Osnovni elementi sistema automatske

136

regulacije

Testerasti napon amplitude 8V se poredi sa upravljackim signalom uzetim sa potenciometra referentnog signala u slucaju upravljanja ili sa izlaznim signalom regulatora u slucaju sistema automatske regulacije. Na bazi poredenja generisu se okidni impulsi odgovarajuceg faznog pomjeraja. Mijenjanjem referentnog napona od O V do 8 V, ostvaruje se pomjeranje okidnih impulsa od cca 170° do I 0° za jedan kanal, odnosno od 350° do 190° za drugi kanal. Prenos okidnih impulsa sa generatora na tiristorski stepen ostvaren je pomocu impulsnih transformatora. Impulsni transformatori obezbjeduju galvansku izolaciju izmedu kola elektronike i kola energetike. Na slici 4.59 prikazana je blok-sema poluupravljivog mosta, Pomocu klizaca potenciometra postavlja se zeljena vrijednost jednosmjernog napona,

R

~~--.~~~-t---1

0

~~~~--~-+-~+-~---f

t R" I>

t t -a)

b)

Slika 4.59. Blok-sema tiristorske jedinice za fazno upravljanje

jednosmjernorn snagom a) serna poluprovodljivog mosta b) talasni oblici napona

Tiristorske jedinice upravljane prolaskom mreinog napona kroz nulu Upravljanje prolaskom mreznog (naizmjenicnog) napona kroz nulu vrsi se pomocu statickih prekidaca (staticki releji, staticki sklopnici). Staticki prekidac je slozena integrisana komponenta, realizovana na bazi komponenata optoelektronike, mikroelektronike i energetske elektronike. Aktiviranje se vrsi pomocu optokaplera ( engl. optocoupler), koji ostvaruje svjetlosno sprezanje elektronike i energetskog bloka na

~-----~--~---~~--~~~~----~--------------, I I

I

,!.~...., : ;:l I

I

'

I

\\

--

\

I

~---------------------------------------•

'-1

I

I

I

a)

b) Slika 4.60. Staticki relej

a) blok sema b) talasni oblici napona

4.3. Izvrsni organi

137.

bazi antiparalelno vezanih tiristora. Elektronika ukljucuje kolo za sinhronizaciju sa mrezom, generator triger impulsa prolaza mreznog napona kroz nulu, mnozac triger impulsa prolaska mreznog napona kroz nulu sa upravljackim signalom itd. Funkcionisanje je predstavljeno na slici 4.60. Posto je upravljacki ,,impuls" doveden u toku prve poluperiode, to nije ostvareno .mnczenje" triger impulsa sa pocetkom prve poluperiode i upravljackog impulsa, tako da se prva perioda nece pojaviti na potrosacu. Kako se pojava triger impulsa izmedu prve i druge poluperiode i izmedu druge i trece poluperiode poklapa sa postojanjem upravljackog impulsa, to ce se na potrosacu pojaviti poluperiode 2 i 3 tako dace u toku tih poluperioda prekidac provoditi. Sirinsko-impulsni modulatori snage Pored ON/OFF upravljanja, veoma cesto se koristi sirinsko-impulsno upravljanje statickim prekidacem. Cesto se u ovom slucaju govori o sirinsko-impulsnim modulatorima snage. U okviru definisanog intervala T, poluperiode ON i OFF su medusobno zavisne od nivoa ulaznog signala. Ulazni signal u slueaju klasicnog upravljanja moze da se uzima sa referentnog potenciometra ili da bude izlaz regulatora u slucaju regulacionog kruga, Ukljucenje potrosaca (ON stanje) se sastoji od odredenog broja punih poluperioda naizmjenicnog napona, definisanih na osnovu ulaznog upravljackog siganala. Srednja vrijednost upravljane velicine se postavlja na osnovu odnosa ON i OFF vremena u okviru T intervala, analogno funkcionisanju dvopolozajnog regulatora (tacka 4.2.3.2). Tako ce npr. duzem ON vremenu odgovarati visa srednja temperatura u odnosu na krace ON vrijeme (slika 4.61). Jos finije doziranje elektricne energije moze da se ostvari pomocu digitalno upravljivib modulatora snage (slika 4.62). Pri tome su zadrzane sve osnovne prednosti statickog vodenja, iniciranog prolaskom naizmjenicnog napona kroz nulu. Aktiviranje statickih prekidaca vrsi se pomocu signala formiranog ,,binarnim" mnozenjem R

0

iw~~·

•I t ,

r~FFd OFF

vu \T

V IfUl/ lfV

t ..

~ nn n n11flln l\J1R n n: oFF C. v u v v11lfv mmrv

a)

,

b)

Slika 4.61. Sirinsko-impulsni modulator snage a) blok-serna: 1 - kolo ulaznog signala (referentni potenciometar, regulator), 2 - kolo sirinsko-impulsnog modulatora, 3 - generator okidnih impulsa, 4 - tiristorski modul, Rp - potrosac b) talasni oblici napona

digitalnog signala upravljackog napona i digitalnog signala sa razdjelnika rnrezne frekvencije. Dobijeni izlazni signal u slucaju 8~bitnog AID konvertora omogucuje doziranje energije u 256 nivoa,

4. Osnovni elementi sisterna automatske regulacije

138

Upravljanje dotokom energije, prolaskom mreznog napona kroz nulu, prikazano je, radi vece jednostavnosti, na primjerima monofaznih potrosaca. Na istom principu se vrsi doziranje energije kod trofaznih potrosaca. R

2

0

4 u

C>

A

6 5

Slika 4.62. Monofazni digitalno-upravljivi modulator snage

1 - AID konvertor upravljackog signala, 2 - razdjelnik frekvencije, 3 - ,,binami" mno:lac, 4-izolacioni pojaeavac okidnih impulsa, 5 - tiristorski modul, 6 - potrosac. Autonomno upravljane tiristorske jedinice Kod mrezom vodenih tiristora, velicina napona na izlazu je mijenjana upravljanjem ugla okidanja tiristora, dokje blokiranje vrseno promjenom polariteta naizmjenicnog napona. Ako se zeli upravljati jednosmjernim naponom, onda je nuzno pored impulsa okidanja obezbijediti i nacin blokiranja provodnog tiristora, To se ne postize pomocu gejta tiristora, mada postoje i tiristori sa tim mogucnostima (engl. GTO-gate turn off thyristors), vec promjenom polariteta napona tiristora. Takav spoj za upravljanje tiristora je poznat pod imenom coper ( engl. chopper). Najjednostavniji primjer copera prikazan je na slici 4.63. Upravljanje tiristora T1 i T2 vrsi se iz generatora okidnih impulsa na bazi upravljackog signala, Okidanjem tiristora Tl> zatvori se struja preko potrosaca R1,. Kondenzator C se preko otpornika R napuni na napon izvora. Dovodenjern okidnog impulsa na tiristor T2, kondenzator se postavlja paralelno sa T1, uslijed cega dolazi do blokiranja tiristora T1• Kondenzator se prazni preko potrosaca R" i otpornika R, da bi nailaskom novog impulsa doslo do ponovnog ukljucenja tiristora T1• Na bazi odnosa poluperioda ukljucenja i iskljucenja tiristora Ti, mijenja se srednja vrijednost napona na potrosacu.

Slika 4.63.

Sklop za presranak vodenja tiristora u jednosmjernom kol u

4.4. Procesi i objekti upravljanja

139

4.4. PROCESI I OBJEKTI UPRAVLJANJA

Vee je pomenuto da postoje dvije osnovne grupe regulacionih sistema: jedna grupa sistema koja ne mijenja mjesto u prostoru (proizvodni tehnoloski i njima slicni sistemi) i drugi cijim upravljanjem se mijenja mjesto u prostoru, bilo u makro bilo u mikroprostoru (brod, automobil, robotska ruka, noz na tokarskom stroju) pa se o njima govori kao o objektima upravljanja. Jasno, u okviru proizvodnih tehnoloskih procesa postoje objekti upravljanja (pokretne masine odnosno pokretni djeJovi radnih masina), kao sto u okviru objekata upravljanja postoje procesi (odrzavanje pritiska, temperature, nivoa i sl.). Kada se govori o brodu kao objektu upravljanja u prostoru, onda se obicno misli na dva osnovna sistema: - regulacioni sistem pozicije kojim se upravlja kursom k.retanja broda, a koji ukljucuje kormilarski sistem i sistem manevarskih propelera i - regulacioni sistem brzine kojim se regulise brzina glavnog pogona. U stvari, radi se o velikom broju pratecih (pomocnih) krugova. Tako se funkci- /' onisanje glavnog pogona ne moze zamisliti bez npr. ·

- regulacionog sistema temperature goriva, - regulacionog sistema temperature vode za hladenje, - regulacionog sistema pritiska ulja za podmazivanje, - regulacionog sistema temperature ulja za podmazivanje itd. Procesi, kako je to naglaseno u poglavlju 3, mogu da se predstave linearnim diferencijalnim jednacinama nultog, prvog, drugog i viseg reda. Procesi viseg reda se najcesce predstavljaju tzv. S-karakteristikom, sa parametrirna mrtvoga vremena r i vremenske konstante T. Vodenje procesa i objekata se najcesce ostvaruje preko motornih pogona, Kvalitet vodenja zavisi od dobre uskladenosti karakteristike motora i karakteristike opterecenja (teret, potrosac, radni mehanizarn, radna rnasina). Karakteristike radnih masina najcesce zavise od brzine, ali mogu da zavise i od brzine, vremena, zakretnog ugla, polozaja itd. Podjela prema brzini je najcesca. Na slici 4.64 su prikazane cetiri karakteristicne familije radnih masina definisanih prema brzini.

n a)

n b)

Slika 4.64. Karakteristika opterecenja radnih masina a) momentna karakteristika b) karakteristika snage: 1 - dizalice, 2- motalice, 3 - centrifugalne pumpe i ventilatori, 4 - rnasine za obradu meta la

140

4. Osnovni elementi sistema autornatske regulacije

Radne masine sa gravitacionom karakteristikom (kriva 1) posjeduju konstantni otpomi momenat, tj. momenat ovih masina je nezavisan od opterecenja. Tu spadaju: masine za dizanje tereta (dizalice, kranovi itd.), klipne pumpe, transportne trake, kompresori sa konstantnim pritiskom itd. Radne masine sa linearnom karakteristikom (kriva 2) su one kod kojih momenat masina Iinearno raste sa brzinom. Ovde spadaju rnotalice za celik i papir, generator jednosmjeme struje upotrebljen kao mehanicko opterecenje itd, Radne masine sa centrifugalnom odnosno ventilatorskom karakteristikom (kriva 3) posjeduju momenat koji se mijenja sa kvadratom brzine, Ovu karakteristiku imaju centrifugalne pumpe, ventilatori, propulzori itd. Radne masine sa konstantnom snagom (kriva 4) posjeduju momenat obmuto proporcionalan sa brzinom. Ovde spadaju masine za obradu metala, Ijustilice, kalenderi itd. Detaljnije o radnim masinama bice govora u poglavlju 7 posvecenom glavnom brodskom pogonu i pomocnim brodskim pogonima. LITERATURA 1. Stankovic D.: Pizicko-tehnicka mjerenja, N aucna knjiga, Beograd, 1961. 2. Dudukovic P.: Mjerni pretvaraci, Elektrotehnicki fakultet, Beograd, 1979. 3. Gligoric B.: Teorija i tehnika mjerenja, Naucna knjiga, Beograd, 1984. 4. Boiicevic J.: Temelji automatike II - Mjerni pretvornici i mjerenje, Skolska knjiga, Zagreb, 1990. 5. Stojic M. R.: Kontinualni sistemi automatskog upravljanja, Naucna knjiga, Beograd, 1985. 6. Brezinscak M': Mjerenje i racunanje u tehnici i znanosti, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1970. 7. Levsina E., Novitaskij P.: Elektriceskie izmerenija fiziceskih velicin, Energoatomizdat, Leningrad, 1983. 8. Utjamisev R.: Tehnika mjerenja brzine vrtnje, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1969. 9. Ajvaz · V: Mjerenja deformacija i naprezanja, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1969. 10. Bego V: Mjerenja u elektrotehnici, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1986. 11. Corlukic F.: Mjerenja protoka fluida, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1975. 12. Corlukic F.: Mjerenje temperature u industriji, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1969. 13. Norton A.: Sensor and Analyser Handbook, Prentice Hall, Nero York, 1982. 14. Turicin A. M: Elektriceskie izmerenija neelektriceskih velicin, Energija, Moska, 1966. 15. Hoffmann K.: Hinweise zum Appliziren von DMS, Hottinger Baldein Messtechnik, Darmstadt, 1979. 16. Hoffmann K.: Industrial Weighting, Philips, 1980. 17. Hoffmann K., Transducers, Pressure, National Semiconductors Co, 1974. 18. Rajic F.: Osnovi automatike, I dio, Mjerenje neelektricnih velicina, Skolska knjiga, Zagreb, 1980. 19. San tic A.: Elektronska instrumentacij a, Skolska knjiga, Zagreb, 1988. 20. MilojkovicB. R, Grujic Lj. T: Autornatsko upravljanje, Masinski fakultet,Beograd, 1990. 21. Merz L.: Grundkurs der Regelungstechnik R. Oldenbourg Verlag, Munchen, 1973. 22. Basta T. M: Masinska hidraulika, Naucna knjiga, Beograd, 1972. 23. Zrnic V: Pneumatika, Tehnicka knjiga, Beograd, 1981.

5. UPRA VLJAN.JE MOTORNIM POGONIMA Svaki motomi pogon se u osnovi sastoji od cetiri dijela: motora, prenosa (spojke), radne masine i upravljacke jedinice. Motor dobija energiju iz hidraulicnog, pneumatskog ili elektricnog izvora energije, da bi je preko mehanickog prenosa prenio na radnu masinu (radni mehanizam) radi obavljanja mehanickog rada. U ovom srnislu motomi pogon igra ulogu pretvaraca energije. Upravljacka jedinica motornog pogona pomocu raznih kola prilagodava osnovne karakteristike motora uslovima rada koje zahtijeva tehnologija radne masine u svim fazama rada. Upravljacka jedinica istovremeno preko zastitnih elemenata stiti motorni pogon od ostecenja, Obicno svi ucesnici u kreiranju motornog pogona stite ,,svoj" dio i prethodni dio opreme. Tako u slucaju elektromotomog pogona, masinski dio opreme posjeduje svoje masinske zastite; elektrodio svoje (ali se preko njih stiti i masinski dio opreme); elektronski dio posjeduje najosjetljivije zastite (ponekad vise nivoa zastita) kojima se stiti kako elektronska tako i elektro imasinska oprema. U procesu rada motornih pogona razlikuju se dva radna stanja: ustaljeno ili stacionarno stanje u kome je brzina konstantna i prelazno stanje karakteristicno za pustanje odnosno zaustavljanje pogona, kao i za pojavu poremecaja u kome se brzina pogona mijenja, Oba stanja se mogu predstaviti relacijom na bazi Dalamberovog principa

°"M =ldro ~

I

d:

(5.1)

>

gdje je LM; - suma momenata koji djeluju na I - momenat inercije pokretnih djelova pogona (masa rotora i pokretnih djelova radne masine svedenih na vratilo motora), dcs/dt= ubrzanje pogona. Sumu momenata cine motorni momenat M 'i otporni momenat M1 (momenat tereta, opterecenje), tako da relacija ima oblik 111

M '"

-M =ldro . I dt

(5.2)

Momenat M, je poznat kao staticki momenat iii staticko opterecenje a potice od raznih otpornih sila radne masine na mjestu korisnog rada, otpomih sila masinskog prenosa i rotora motora. Idas/dt je dinarnicki momenat ili dinamicko opterecenje zavisno od promjene brzine analogno sili inercije mdvldt kod translatomog kretanja. Cinjenica je da se momentna karakteristika (relacija 5.2) moze direktno dobiti iz Dalamberove relacije sila mnozenjem sa R:

142

5. Upravljanje motomim pogonima

"F=F I

£..,,

m

-F=mdv I dt

(5.3)

= mR

(5.4)

F.,R - F,R

2

M -M ==I"'

I

dro , dt

dro

(5.5)

dt

Stacionamo stanje motomoga pogona se moze izrazitijednom od relacija

M,., -M,

= 0,

dro/dt

= 0,

ro = const.

(5.6)

U slucaju prelaznog stanja postoje dva rezima: - rezim ubrzanja,
M.,-M, >0,

dro . -> 0 1 dt ,

(5.7)

dro -.-<0. dt

(5.8)

- rezim usporenja, izrazen relacijama

M.,-M, <0,

Dok se pokrene i ubrza neka masa, mora se savladati inercija sistema da bi se u nekom vremenu dostigao odredeni broj obrtaja u minuti. Jasno je da ce biti potreban veci momenat ubrzanja ako se zeli da se u sto kracem vremenu postigne veci broj obrtaja u jedinici vremena. Brzina obrtanja se iz prakticnih razloga izrazava u o/min, dok se ugaona brzina izrazava u rad/s. Otuda je

ro ( o )

2n (rad)

n=-60 -.- , odnosno ro=-n 2n mm 60 s

.

(5.9)

Motomi momenat M111 i otpomi momenat M1 radne masine su definisani svojim karakteristikama, stoga ce vrijeme ubrzanja zavisiti od momenta inercije obrtnih masa. Prema definiciji, momenat inercije je
D2 I =mR 2 =mp2 =m-=

k mDz , (5.10) 4 gdje je m - rotirajuca masa, p - poluprecnik inercije rotirajuce mase, D - precnik inercije rotirajuce mase. Izraz mD2 je poznat kao zamajni (zamasni) momenat i predstavlja jedan od vaznih podataka za poznavanje osobina motora. On se za svaki motor daje pored podataka za snagu i brzinu. Vazno je pomenuti da se za istu snagu motora Pl> a za razne vrijednosti momenta I, mogu dobiti razna vremena polaska At (za odredenu vrijednost Mm - Mi). Stoga se prave namjenski motori. Tako npr. 1110tori dizalica sa duzim rotorom i manjim precnikom posjeduju manji mD2, cime je obezbijedeno brze polazenje i brze zaustavljanje. Ovakvi namjenski motori imaju i druge mehanicke osobine razlicite od motora serijske proizvodnje (preopteretivost, otpor na mehanicke udare itd.). Ako se u relaciju momenta ubrzanja unesu zamajni momenat i brzina, dobija se

5.1. Hidraulicni pogoni

143

M _ dro _ mD2 2n dn _ mD2 dn 1 dt --4-· 60 dt - 38,2 dt a -

(5.11)

Ako je momenat ubrzanja M" konstantan, onda vazi relacija dn n -=-

(5.12)

gdje su: n - broj obrtaja u minuti koji se zeli postici, t" - vrijeme ubrzanja do broja n obrtaja u minuti, tako
u; M, M,,

M,,

M,,, M, n11

n

n

a)

b)

Slika 5.1. Odnosi izmedu rnehanickih karakteristika motornog pogona i tereta a) asinhroni motor - teret sa centrifugalnom karakteristikorn b) zupcasti hidromotor - teret sa centrifugalnom karateristikom

Jednacina M,,, -M, =I droldt je vezana za odredeno mjesto pogona. Najcesce se uzima da je to vratilo motornog pogona a to znaci da velicine M, i I treba svesti na vratilo motora gdje djeluje motomi momenat M, sa brzinom ro. Svodenje mehanickog otpomog momenta radne masine sa mjesta korisnog rada na vratilo motora vrsi se izjednacenjem snage na vratilu motora (izvrsenog uz stepen iskoriscenja masinskog prenosa 1'}111) sa snagom na mjestu korisnog rada Pk, (5.14) 11

= M/JJk = Mk _1_ .

M m

COT],,,

r 11m

(5.15)

5. Upravljanje motornim pogonima

144

Ako izmedu mjesta korisnog rada i motora ima vise prenosa sa prenosnim odnosima r 1' r2, rs ... sa njihovim stepenima iskoriscenja 111> 112, 113 ••. , onda se, prema poznatim principima rnehanike, svedeni mehanicki otpomi momenat masine (staticki momenat) na vratilu masine vrsi prema relaciji 1 1 M., =Mk----(5.16) 1jf21) • • · Th112Th · ·· Pri svodenju momenta masine radilice koja vrsi translatomo kretanje, na vratilo motora, opet se polazi od jednakosti snage (5.17) M =F: vk _l_ k

m

(J)

(5.18)

n,

Svodenje momenta inercije j obrtnih masa motora i rnasine na vratilo motora vrsi se na osnovu konstantnosti kinetickih energija citavog sistema, koji obuhvata motor i oitav mehanicki prenos do mjesta korisnog rada. Ako prenosni mehanicki sistem ima obrtnih djelova u medusobnoj vezi, pri cemu svaki ima svoj momenat inercije ft, 12 .•. 1,,, sa brzinama obrtanja col> ffi2, ro3 •.• ro,,, onda se uslov konstantnosti kineticke energije moze predstaviti relacijom Jco2

ro2

(.!)2

lro2

ffi2

-"-'- +I 12-1 +I22-2- + ... +-'-'-"-=!2

2

2'

(5.19)

odakle se dobija (5.20) odnosno

I=:] .. +112

1

lj

I

1

+12-2 + ... +I.-2' 12 rn

(5.21)

gdje su r1, r» rs ... r prenosni odnosi brzina. Pri svodenju momenta inercije translatomog kretanja na mjestu korisnog rada na obrtno kretanje na vratilu motora, opet se polazi od uslova jednakosti kinetickih energija I ro2 mv' 0)2 (5.22) -"-' - +-- =l2 2 2 odakle je 11 -

(5.23) 5.1. HIDRAULICNI POGONI Proizvodnja, prenos i koriscenje hidraulicne energije podrazumijeva vise konverzija koje se vrse pomocu tzv. hidraulicnih prenosnika energije odnosno hidraulicnih prenosnika snage. Prenosnici snage su bazirani na hidrostatickom i hidrodinamickom principu.

5.1. Hidraulicni

pogoni

145

Kod hidrostatickog prenosnika hidropumpa i hidromotor su izvedeni kao potisne masine. Radna tecnost se u pumpi podvrgava pritisku, au hidromotoru rasterecenju. Obrtni momenat se stvara kao posljedica pritiska, pa je mehanicka snaga srazmjerna protoku Qi padu pritiska jj,p

p

= kQjj,p.

(5.24)

Kod hidrodinamickog prenosnika tecnost se ubrzava u centrifugalnoj pumpi, a usporava u turbini, pri cemu se predaja obrtnog momenta realizuje na bazi promjene momenta kolicine kretanja. Mehanicka snaga je srazmjerna proizvodu masenog protoka q'" (odnosno dm/dt), promjeni brzine strujanja /j,v i ugaonoj brzini co

P=kq"/1vco.

(5.25)

u daljem tekstu posebna paznja ce biti posvecena hidrostatickim prenosnicima s obzirom na njihovu siru primjenu na brodu. Na slid 5.2 je prikazana blok-sema hidrostatickog prenosnika energije, Pornocu pumpe se snaga elektricnog motora P" pretvara u hidraulicnu snagu P1,,
P =Fv 111

M

3~

Pe Slika 5.2 - Blok-sema hidrostatickog prenosnika snage Detaljnija sema hidrostatickog prenosnika snage (prenosnika snage sa konstantnim parametrima) prikazana je na slici 5 .3. Komponente sisterna: elektromotor (1), pumpa (2), rezervoar (3), pritisni (sigurnosni) ventil (4) i povratni filter (12), cine napojnu jedinicu hidraulicnog sisterna (hidraulicni agregat). Elektromotor preko elasticne spojke daje hidropumpi mehanicku ulaznu snagu. Hidropumpa sa konstantnom pritisnom zapreminom po obrtaju pretvara mehanicku ulaznu snagu u hidraulicnu izlaznu snagu, Pornocu sigurnosnog ventila ostvaruje se ogranicenje maksimalnog pritiska na izlazu pumpe a time i maksimalnog obrtnog momenta hidromotors, odnosno maksimalne site pritiska hidrocilindra. Pomocu razvodnika 4/3 (5), vrsi se upravljanje obrtnim kretanjern hidrornotora (9), a pomocu razvodnika 4/3 (6) upravljanje linijskim hidromotorom ( l 0). Hidraulicna snaga hidrosistema je definisana proizvodom protoka i pritiska (Ph = kQp). U idealnom slucaju, snaga izvora hidropumpe, data relacijom Ph= kQjj,p, jednaka je snazi hidromotora P" = kQjj,p, S obzirom na parametre Q ip,

146

5. Upravljanje motornim pogonirna

sistem se moze realizovati kao velikogabaritni (veliki protok i niski pritisak) i malogabaritni (rnali protok i veliki pritisak). Danas se, nezavisno od izrazenog problema zaptivanja, uglavnom koriste sistemi sa visokim pritiskom. IO

____,__,D 5

I

I~ ' ' '1

L..'._J

Slika 5.3 - Opsta sema hidrostatickog prenosa snage sa komponentama upravljanja i zastite

5.1.1. Hldrostaticki sistemi sa konstantnim parametrima Hidrostatieki prenosnik snage sa konstantnim parametrima je jednostavne prirode i odgovara mehanickom prenosniku (reduktor). Sastoji se iz hidropumpe i hidromotora (slika 5.4a), izmedu kojih, u idealnom slucaju (prenos snage bez gubitaka), postoji odnos

Pi = kn1M1 = /cn2M2 =Pi ,

(5.26)

odakle se obrtni momenat motora moze izraziti relacijom

M 2 =.!!1M I •

n2 Ako se protoci pumpe i motora izraze preko jedinicnih protoka

Qp- =n»I,,-

=»,«2

111-

-Q m'

(5.27)

(5.28)

obrtni momenat motora se moze izraziti relacijom

M2 =!b_M

«,

I .

(5.29)

U slucaju konstantnih jedinicnih protoka (sistem sa konstantnim parametrima) odnos momenata je konstantan. Hidrostaticki prenosnik snage sa konstantnim parametrima se ponasa analogno mehanickom reduktoru (slika 5.4c).

5.1. Hidraulicni pogoni

a)

147

b)

c)

Stika 5.4. Hidrostaticki sistem sa konstantnim parametrima a) blok-sema sistema b) hidrostaticki prenosnik c) mehanicki prenosnik

5.1.2. Hidrostatieki sistemi sa promjenjivim parametrima Osnovni parametri hidrostatickog sistema su pritisak i protok, pa upravljanje prenosom snage podrazumijeva promjenu pritiska ili promjenu protoka. U praksi znatno siru primjenu su naslt hidroprenosnici sa promjenjivim protokom. Na promjeni protoka se baziraju dvije poznate familije prenosnika, i to: prenosnici sa regulatorom protoka i prenosnici sa zapreminskim upravljanjem.

5.1.2.1.Hidroprenosnici snage sa regulatorom protoka Blok-sema prenosnika snage sa regulatorom protoka je prikazana na slici 5.5a.

Regulatorom protoka mijenja se protok motora, a preko njega izlazne karakteristike motora. Kao regulator protoka moze da se koristi obicni prigusni ventil. Pomocu prigusnog ventila se smanjuje protok radne tecnosti odgovarajucim smanjenjem poprecnog presjeka struje tecnosti. Pomocu regulatora protoka, protok tecnosti se odrzava konstantnim, bez obzira na razliku pritisaka na izlazu i ulazu regulatora. PUMPA

MOTOR

n2

M2 ....___ M_2,,__ _ P2 P 1 = ulazna snaga

p2mnxt<:----------'

i

Q'IQ 0

a)

b)

Slika 5.5. Hidroprenosnik snage sa regulatorom protoka a) blok-sema b) graficka prezentacija osnovnih odnosa

Ako su ulazni parametri pumpe (n., M1, P1) konstantni, onda ce izlazni parametri pumpe p i Q takode biti konstantni. Pomocu regulatora protoka se iz potisnog voda pumpe odvodi protok Q' tako da ukupan protok doveden na motor iznosi Q-Q~ Broj obrtaja motora je dat relacijom

5. Upravljanje motornim pogonirna

148

n, = Q,,, = Q-Q'.

(5.30) qi/I Za Q' = 0, n2 poprima maksimalnu vrijednost n2 = n2rnax a za Q' =Q, n2 poprima vrijednost n2 = 0. Kake je Qmmax = Q = n2maxqm, to je .

«:

Q-g

nz =--

q..

=

Q-g =:«:

g

=n2max

(1--Q).

(5.31)

Kako se Q'mofo kontinuirano mijenjati, od 0 do Q, u zavisnosti od od velicine referentnog signala w, to se i nz kontinuirano mijenja od n2max do nule. Momenat M2 je funkcija pritiska, a kako se u ovim sistemima pritisak ne mijenja, to je (5.32) M2 = M2"'"' = const . Snaga na izlazu j e data relacijom P2 = kn#2 = kn, :::: k1n2max (1-

O'

Q).

(5.33)

Na slici 5.5b prikazane su izlazne velicine obrtnog motora u zavisnosti od odnosa Q1Q. 5.1.2.2. Hidroprenosnici snage sa zapreminskim upravljanjem Sistemi zapreminskog upravljanja se baziraju na promjeni protoka motora. Izlazni broj obrtaja se dobija iz relacije (5.34) odakle je

qp

nz =ni--·

(5.35)

q.,

Shodno navedenoj relaciji, cesto se za ove sisteme koriste termini hidrostaticka transmisija ihidrostaticki varijatori. Upravljanje promjenom protoka pumpe Umjesto o upravljanju protokom pumpe, cesto se govori o upravljanju zapreminom pumpe, a o samoj pumpi se govori kao o servopumpi. Sobzirom na jednakost protoka pumpe i motora, izlazna brzina motora se, kao i u slucaju sistema sa konstantnim parametrima, moze izraziti relacijom n =n qP 2

l

q.,

(5.36)

pri cemu se jedinicni protok qP mijenja od nula do do qpmax, pa se izlazna brzina mijenja od nula do n2max (slika 5.6b). Jedinicnim protokom se istovremeno mijenja zapremina tecnosti, otuda su ovi prenosnici snage poznati kao prenosnici sa zapreminskim upravljanjem.

5.1. Hidraulicni pogoni

PUMPA

149

MOTOR

'I

upravlj, sistem

:q/q,,.,, . x 0

a)

b)

Stika 5.6. Hidroprenosnik sa pumpom promjenjivog protoka a) blok sema b) izlazne karakteristike hidromotora

Snaga hidromotora je data relacijom (5.37)

~ =kQ6.p. Kako je 6.p=p-p1

= const , a Q=n1qp,toje

(5.38)

~=kq,, i mijenja se od nule do P; = !;.,,. . Momenat hidromotora se maze naci iz relacije

p

kq

M =-2 =--,, = const ' kn, k1P,, '

(5.39)

otuda su ovi prenosnici poznati kao prenosnici sa konstantnim momentom. Upravljanje protokom motora Ponasanje izlaznih velicina hidromotora ce biti sagledano pri konstantnim pa:ametrima pumpe (n1 = const, q,, = const, Q = const). Izlazna brzina je data relacijom (5.40) Snaga P2 se moze izraziti relacijom

~ = k,6.pQ = k/1.pn q"' = k.Spk q,,, = const 2

s,

(5.41)

Momenat motora je dat relacijom

P.. M2 =k-2.=Kq

111•

(5.42)

n2 Posto se jedinicni protok motora mijenja od nule do qmmox• to se momenat motora mijenja od nule do M2max· Na slici 5.7 su predstavljeni blok-sema i karakteristike izlaznih velicina prenosnika sa promjenjivim protokom hidromotora,

5. Upravljanjc motornim pogonima

150

n2,P2,M, PUMPA

MOTOR

P2

--------------~~-~- --t 'I I

'

' !q1/qp111:i:\

uprvlj,

sistem a)

0 b)

Slika 5.7. Hidroprenosnik sa motorom promjenjivog protoka a) sema b) izlazne karakteristike prenosnika

. 5.1.3. Komponente hidraulicnog sistema Na slikama 5.2, 5.3 i 5.4 su naznacene osnovne komponente hidraulicnog sistema: pumpe (kao izvori hidraulicne energije), razvodnici i ventili (kao elementi upravljanja), i obrtni i linijski hidromotori (kao izvrsni organi). Hidraulicni sistem, pored osnovnih, posjeduje i druge elernenre kao sto su: vezni elementi (cijevovodi, crijevovodi, prikljucci), elementi za preciscavanje radne tecnosti, eleroenti za grijanje i hladenje radne tecnosti, elementi za akumuliranje hidrostaticke energije (hidroakumulatori) itd,

5~1.3.1. Hidraulicni pogonski agregati U hidraulici se, za razliku od elektrotehnike i pneumatike, cesce koriste lokalni izvori hidraulicne energije, tzv. hidraulicni pogonski agregati. Hidraulieni agregat mehanicku energiju stranog motora (elektromotor, dizel-motor) pretvara u hidraulicnu energiju mineralnog ulja. Hidraulicni pogonski agregat je sastavljen iz slijedecih djelova: rezervoara, zupcaste ili klipne pumpe, motora, sigurnosnog ventila, nepovratnog ventila, manometra sa zapornim ventilom, nalivnog filtera sa oduskorn za vazduh i povratnog ventila, Hidrulicno ulje se uliva u rezervoar kroz nalivni otvor ulja. Pumpa usisava mineralno ulje i sabija ga u sistem. Pumpa treba da obezbijedi potreban protok radnog fluida odredenog pritiska. Da bi se to ostvarilo sa sto manjom masom i zapreminom pumpi, pumpe se rade za visoke pritiske 350-500 bara sa 5000 i vise o/min. Pumpe mogu da budu sa fiksnom i podesljivom radnom zapreminom, Pumpe sa podesivom radnom zapreminom, odnosno protokom, su naznacene strelicom, Osiguranje pritiska u hidraulicnom sistemu ostvareno je pomocu sigurnosnog ventila. Ugradeni nepovratni ventil omogucuje protok ulja samo u jednom smjeru. Stvarna velicina pritiska moze se ocitati na manometru koji se ugraduje sa zapornim ventilom, Ulje se vraca iz sistema u rezervoar kroz povratni filter ulja. Ugraduje se takode indikator nivoa sa krajnjim prekidacem, Agregati se prave za razne nazivne protoke od 1 do 150 l/min pri 1500 o/min za nazivni pritisak do 500 bara.

5.1. Hidraulicni

r-----------''

T

p

-----------------

'

!

'

151

pogoni

-----------

----------------------------

' ' '

----------~

==~=========-===================~~======================-=======' ,

Slika 5.8 - Blok sema hidraulicnog agregata 1 - rczervoar, 2 - pumpa, 3 - nepovratni ventil, 4 - sigurnosni vcntil, 5 - zaporni vcntil, 6 - manomctar, 7 - ulivni filter sa oduskom, 8 - povratni filter ulja, 9 krajnji prekidac nivoa, m - elektromotor, P - vod pod pritiskom, T - povratni vod

5.1.3.2. Hidromotori i hidropumpe Hidropumpe su komponente hidraulicnog sistema kojima se mehanicka energija pogonskog motora (elektromotor, SUS motor) pretvara u hidraulicnu energiju tecnosti (energija pritiska i energija kretanja tecnosti). Hidromotori su komponente hidraulicnog sistema kojima se hidraulicna energija radne tecnosti pretvara u mehanicku energiju radne masine. · Osnovni procesi u radu pumpe su usisavanje i potiskivanje radne tecnosti, U procesu potiskivanja radni elernenti pumpe stvaraju pad pritiska izmedu rezervoara tecnosti i radnih komora, zbog cega se tecnost usisava. Radni elementi pumpe potiskuju tecnost pri cemu ova dobija potreban pritisak i kineticku energiju. U zavisnosti od kretanja radnih elemenata, pumpe mogu biti: obrtne (zupcaste, krilne, zavojne) i translatome (klipne, membranske). Zavisno od kretanja radnih elernenata, Hidromotori se dijele na obrtne (hidromotori) i translatorne (hidrocilindri). Obrtni hidrornotori su, po konstrukciji, slicni pumpama a dijele se na zupcaste, krilne, klipne, zavojne itd.

Zupcastepumpe i motori Na slici 5.9 su prikazane zupcaste pumpe i motori. Radi se o istoj konstrukciji, pa se, u principu, pumpa moze upotrebiti kao motor i obrnuto. U praksi su radi strozih zahtjeva u radu motora, vitalne komponente motors znatno kvalitetnije obradene. Kod pumpe se prisilnim kretanjem vratila stvara potpritisak u usisnoj komori. Zahvacena tecnost se gura po periferiji s tim da joj se povecava pritisak iduci prema potisnom vodu.

5. Upravljanjc motornim pogonima

152

b)

a)

c)

Slika 5.9. Zupcaste pumpe i motori a) pumpa: 1 - tijelo pumpe (kuciste), 2 - predajni zupcanik, 3 - prijemni zupcanik, 4 ..: radna komora, 5 - radno vreteno b) zupcasti motor c) sema spoja pumpa - motor

Kod hidromotora radna tecnost pod pritiskom ulazi u radnu komoru prisiljavajuci spregnute zupcanike na rotiranje. Rotacija se preko radnog vratila prenosi na radnu masinu. Na slici 5.9c je data sema ukljucivanja hidromotora ostvarena pomocu razvodnika 4/2. Krilne pumpe i motori Sistem krilna pumpa '- krilni motor (lamelna pumpa - lamelni motor) je prikazan na slici 3.10. Radni elementi su krilca a radna komora je prostor izmedu krilaca, rotora i statora,

e

2

a)

2

b) c) Slika 5.10. Sistem krilna pumpa - krilni motor a) krilna pumpa: l - stator, 2 - rotor, 3 - krilca b) motor c) sema spoja pumpa - motor

5. 1. Hidraulicni

pogoni

153

Kod obrtanja rotora radne pumpe, koji je ekscentricno postavljen u statoru, krilca pumpe nalijezu na unutrasnju stranu statora, klizeci u svom sjedistu u rotoru. U toku jednog obrtaja rotora, radne komore prvo povecavaju svoju zapreminu kada se vrsi usisavanje, a potom smanjuju kada se odigrava proces sabijanja tecnosti. Promjenom ekscentriciteta, moze se mijenjati vrijednost protoka od nule do neke maksimalne vrijednosti, Kod hidromotora radna tecnost pod pritiskom ulazi u motor, djeluje na krilca, zbog cega se motor obrce u naznacenom smjeru. Krilni motori su obicno predvideni za jedan smjer rotacije, sto je naglaseno semom spoja pumpa - motor (slika 5.lOc). Klipne pumpe i motori Klipne pumpe i motori, u zavisnosti od polozaja klipova, mogu biti aksijalnog i radijalnog tipa. Aksijalne pumpe i motori mogu biti: sa nagibnom plocom i sa nagnutim cilindarskim blokom. S gledista regulacije brzine, posebnu primjenu nasli su klipno-aksijalne pumpe i motori sa sa nagibnim cilindarskim blokom (nagibni rotor). Ovde umjesto kose ploce, zakosenje izvodi cio rotor u kome se nalaze klipovi vezani klipnim polugama sa kuglastim zglobom za plocu, koja, u slucaju pumpe, dobija pogon od vratila. Glavno opterecenje prima ploca oslonjena na radijalno-aksijalne Iezajeve. Umjesto ranijih nagiba od 15 -t- l 8°, kod specijalnih konstrukcija klipova, nagib je danas dostigao ugao 42°. 2

3

b) Slika 5. I 1. Aksijalna klipna pumpa. aksijalni klipni motor a) skica pumpe odnosno motora: l - razvodna ploca, 2- vratilo, 3 - ploca sa kuglasti zglobovima b) sema sistema (prenosnika) pumpa - motor sa konstantnim parametrima: l - vratilo pumpe, 2 - razvodna ploca pumpe, 3 razvodna ploca motors, 4 - vratilo motora

Obrtanje pogonskog vratila pumpe prenosi se preko klipnjace na cilindarski

blok, zbog cega dolazi do relativnog translatornog kretanja klipova i cilindara, cime se usisava i potiskuje radna tecnost. Razvodna ploca ima dva otvora za dovod i odvod tecnosti, Hidrornotor je konstrukciono slican pumpi, U njemu se, dovodenjem radne tecnosti pod pritiskom, preko radnih cilindara, ostvaruje obrtanje vratila motora. Na slici 5. l 1 b prikazanje sistem sa konstantnim nagibom cilindarskog bloka. Ovaj sistern obezbjeduje konstantan odnos izmedu brzina vratila.

5. Upravljanje

154

motornim pogonima

Konstrukcije aksijalnih klipnih pumpi i motora sa promjenjivim parametrima (sa promjenom protoka odnosno sa promjenom zapremine) je znatno slozenije. Pumpe i hidromotori sa promjenjivim parametrima su poznate i kao pumpe i rnotori sa nagibom razvodne ploce, a i kao pumpe i motori sa nagibom rotora. S gledista regulacije, cesto se govori o servopumpama i servomotorima (tacka 6.1.2). Postoje konstrukcije sa rucnim podesavanjem protoka (rucno podesavanje nagiba rotora pomocu posebnog tockica) i sa spoljasnjim signalom koji moze biti hidraulicni, pneumatski i elektricni, Na slici 5.12 je prikazan motor sa zakretnim rotorom. Na slici 5.12a je sematski predstavljeno zakretanje rotora, kojim se mijenja protok motora a time i brzina i momenat motora. Na slici 5.12b je prikazana sema upravljackog sistema kojim se moze daljinski postavljati protok motora. Iniciranje se vrsi preko elektromagnetnog razvodnika sa proporcionalnim djelovanjem, ______ !?_


---()-~

''

r-----------1

'

>

a) Stika 5.12. Sistem pumpa - klipnoaksijalni motor sa zakretnim rotorom a) skies sistema l-zakretni rotor (zakretna razvodna ploca) b) upravljacki uredaj sa elektricnim upravljanjem (proporcionalni razvodnik)

5.1.3.3. Razvodnici i ventili Razvodnicima se razvodi radna tecnost na izvrsne uredaje servosistema (hidromotori, hidrocilindri). Prema konstrukciji, razvodnici mogu biti: klipni, plocasti i ventilski. Prema broju polozaja (stanja), razvodnici mogu biti: dvopolozajni (sa dva razlicita polozaja radnog organa), tropolozajni (sa tri polozaja radnog organa), i visepolozajni (sa nekoliko polozaja radnog organa). Razvodnici mogu imati 2, 3, 4, 5 i 6 prikljucaka (orvora). Oznaka razvodnika 4/3 znaci da razvodnik ima 4 prikljucka i 3 stanja. Ventili su komponente hidraulickog sistema kojima se upravlja sisternorn i to: podesava pritisak i protok, sprjecava prolaz tecnosti itd. U tacki 4.3.1. opisano je funkcionisanje hidraulicnih proporcionalnih ventila. U autornatici se, pored navedenih, siroko koriste ventili jednostavnije konstrukcije, kakvi su: nepovratni ventili, ventili za ogranicenje i podesavanje pritiska, ventili sigurnosti, prelivni ventili, redosljedni ventili, pritisni prekidaci - presostati, prigusni ventili, regulator! protoka, razdjeljivaci protoka itd.

5.2. Pneurnatski pogoni

155

5.2. PNEUMATSKI POGONI Kod pneumatskih sistema kompresor mehanicku energiju pogonskog motora pretvara u pneumatsku, da bi pneumatski motori pneumatsku energiju pretvorili u mehanicku. Pneumatski sistemi se sastoje iz tri gmpe komponenata: opreme izvora radnog fluida, opreme izvrsnih organa i opreme za upravljanje. 5.2.1. Pneumatski izvori energije Blok-sema izvora pneumatske energije sa kompresorom, rezervoarom i regulatorom pritiska kao osnovnim komponentama prikazana je na slici 5.13. U usisnoj glavi kompresora vlada stalni atmosverski pritisak Pa, dok se u potisnoj glavi na izlazu kompresora pritisak Pk stalno mijenja, Rezervoar ublazava varijacije pritiska, tako da su izrazene integralne promjene punjenja i praznjenja Pm, da bi regulator pritiska na izlazu drzao konstantan pritisak p,.eg·

5 3 a)

'' '

4

' ' '------·

b)

punjcnje

praznjenje

Slika 5.13. Pneumatski izvor energije a) komponente izvora: I - usisni vod, 2 - kompresor, 3 - potisni vod, 4 - rezervoar, 5 - regulator pritiska b) karakteristike pritiska: p0 - atmosferski pritisak, pk- pritisak u potisnom vodu, p,", - pritisak u rezervoaru, p,,.~- regulisani pritisak

Pneumatski sistemi posjeduju posebnu opremu za preciscavanje vazduha. Cesce se razvodi nepreeisceni vazduh, da bi na samom potrosacu, prema potrebi tehnoIogije, bila ugradena odgovarajuca lokalna oprema za preciscavanje. 5.2.2. Oprema izvrsnih organa Pneumatski pogon cine pneumatski motori, radna pneumatska masina i odgovarajuca jedinica za prenos snage sa motora na radnu masinu. Zahvaljujuci izrazenoj neosjetljivosti na uticaj okoline i jednostavnom upravljanju, pneumatski motori

156

5. Upravljanje motornim pogonima

su nasli siroku primjenu u industriji, Prednosti se sastoje u mogucnostima dobijanja velikih brzina, u povoljnorn odnosu snaga/masa, odnosno snaga/zapremina u odnosu na elektricne motore. Nedostatak su im veliki radni troskovi i nizak stepen korisnog djejstva. Pneumatski motori mogu biti translatorni i obrtni. 5.2.2.1. Translatorni motori Translatorni motori ( odnosno radni cilindri) su nasli siroku prirnjenu u maloj automatizaciji (automatizacija jednostavnih procesa sa malim brojem upravljackih komponenata), Prema nacinu rada, radni cilindri se dijele na: cilindre sa jednosmjernim djejstvom, cilindre sa dvosmjrnim djejstvom i specijalne cilindre. Jednosmjerni cilindri koriste rad vazduha samo u jednom smjeru, pa se napajanje dovodi samo na jednu stranu cilindra, a upravljanje izvodi pomocu razvodnika sa tri prikljucka koji posjeduju dva ili tri stanja. Na slici 5.14a prikazano je upravljanje sa prekidacem (razvodnik bez opruge) i tasterorn (razvodnik sa oprugom). U slucaju razvodnika bez opruge, razvodnik posjeduje dva stabilna stanja i funkcionise kao osnovna memorijska jedinica, Ukljucenjem prekidaca, iniciraju se radni polozaj razvodnika i radni polozaj cilindra. Pomotastera cilindar se prebacuje i drzi u radnom (ON) stanju sve dok je taster pritisnut Po otpustanju tastera, cilindar se prebacuje u mirno (OFF) stanje. U ON stanju vazduh se u razvodniku krece od prikljucka P prema prikljucku A, dok je R prikljucak zatvoren. U OFF stanju razvodnik preko prikljucka A-R spaja radnu komoru cilindra sa atmosferom, pa se klip pod djelovanjern opruge ponovo vraca u stabilno stanje. Razvodnik 3/3 (slika 5.l4b), pored navedenih operacija ostvarenih sa razvodnikom 3/2, svojim nultim polozajem omogucuje da se klipnjaca postavi na bilo koje mjesto izmedu dva krajnja polozaja. Tada se ovaj polozaj odrzava silama stijesnjenog vazduha i opruge.

cu

a)

b)

Slika 5.14. Upravljanje radnog cilindrajednosmjernog djelovanja a) upravljanje sa razvodnikom 3/2 b) upravljanje sa razvodnikom 3/3

Upravljanje dvosmjernog cilindra vrsi se pomocu razvodnika sa cetiri prikljucka. Razvodnik moze biti sa 2 odnosno sa 3 stanja. Razvodnik 4/2 (slika 5. l 5a) sa svoja 2 stanja omogucuje kretanje radnog klipa u jednorn ili u drugom smjeru. Pomocu razvodnika 4/3 mogu se ostvariti dodatne operacije. Tako se razvodnikom 4/3 (slika 5.15b), u navedenom stanju, komore cilindara, nezavisno od predhodnog stanja, oslobadaju pritiska (ozracivanje ), pa se klipnjaca cilindra moze postaviti u bilo

5.2. Pncumatski pogoni

157

koji polozaj (centriranje klipnjace), Nulto stanje razvodnika (slika 5.15c) ostvaruje

blokiranje klipnjace u odredenorn polozaju.

p R a) b) c) Slika 5.15. Upravljanje radnog cilindra dvosmjemog dejstva a) upravljanje pomocu razvodnika 4/2 b) upravljanje pomocu razvodnika 4/3 (polozaj slobodnog postavljanja klipnjace c) upravljanje pomocu razvodnika 4/3 (polozaj fiksiranja klipnjace)

Upravljanje brzinom klipnjace moze da se ostvari pomodu prigusnih ventila, Prigusnim ventilima se smanjuje prolaz vazduha, odnosno protok, a time i brzina pomjeranja klipnjace. Na slici 5.16 prikazano je podesavanje brzine jednosmjernih cilindara. Obicno je sa prigusnim ventilom paralelno spregnut nepovratni ventil, preko koga se zatvara struja vazduha suprotnog smjera. Na slici 5.16a prikazano je podesavanje brzine klipnjace prigusenjem ulaznog vazduha (upravljanje brzinom klipnjace u ON rezimu rada cilindra), a na slici .5.16b upravljanje brzinom klipnjace u rezimu ozracivanja cilindra (OFF rezim rada), Na slici 5.16c podesivi prigusnonepovratni ventili vezani su serijski, tako da se pomocu ventila a vrsi upravljanje brzinom u ON rezimu rada, a pomocu ventila bu OFF rezimu rada cilindra.

a)

b) Slika 5.16. Upravljanje brzinomjednosmjernog cilindra

a) upravljanje prigusenjem ulazne struje vazduha b) upravljanje prigusenjern izlazne struje vazduha c) kombinovano upravljanje prigusenjem ulazne i izlazne struje vazduha

Rjesenja podesavanja brzine klipnjace kod dvosmjernog cilindra prikazano je na slici 5.17. Na slici 5. l 7a je prikazano rjesenje sa razvodnikom 4/2 i podesivim

5. Upravljanjc motornim pogonima

158

prigusno-nepovratnirn ventilima smjestenim u odzracnim vodovima, Da bi do kretanja klipnjace doslo treba sila pritiska u radnoj komori da nadvlada silu pritiska u odzracnoj komori. Na slici 5.17b principijelno isto rjesenje je ostvareno sa razvodnikom 5/2 i prigusnim ventilima na odzracnim vodovima.

b)

a)

p Slika 5.17. Upravljanje brzinom dvosmjernih cilindara a) rjesenje sa prigusno-nepovratnim ventilima b) rjesenje sa prigusnim

ventilima 5.2.2.2. Obrtni motori Pomocu obrtnih motora energija stijesnjenog vazduha se pretvara u kineticku energiju obrtnog kretanja. Postoji vise farnilija obrtnih motora, rnedu kojima su posebnuprimjenu nasli lamelni, zupcasti, klipni, i turbinski.

a)

b) a) lamelni

c)

d)

Slika 5. l 8. Obrtni pneurnatski motori b) zupcasti c) radijalno-klipui d) aksijalno-klipni

Lamelni motori su najsire primijenjeni u industriji. Oni se baziraju se na jed-

norn rotoru koji je ekscentricno postavljen u kuciste. Lamelni motori postizu brzine od 1000 + 5000 o/min, a rade se za sirok opseg snaga od nekoliko vata do nekoliko desetina megavata. Zupcasti motori (slika 5.18b) posjeduju dva rotora; sa jednog se skida izlazni momenat, a preko drugog se vrsi povecanje tog momenta. Rade se sa ravnim, kosim i strelastim zubima. Kao i lamelni, zupcasti motori pokrivaju veliko podrucje snaga. Radijalno-klipni motori sa ekscentricnim vratilom (slika 5.18c) se grade za pogone velikih snaga. Posjeduju veliki obrtni momenat kod malih brzina. Aksijalno-klipni motori sa zakretnom razvodnom plocom imaju visok obrtni mome-

5.2. Pneumatski

pogoni

159

nat i sirok raspon brzina. Analogno hidraulicnim aksijalno-klipnim motorima posjeduju mogucnost kontinualnog podesavanja brzine. · Turbinski motori koriste kineticku energiju stijesnjenog vazduha. Oni postizu velike brojeve obrtaja (do 350 000 o/min), ali uz malu snagu. Postoje aksijalni, radijalni, tangencijalni motori i motori sa slobodnim rnlazom. Upravljanje pneumatskih motora, analogno upravljanju hidraulickih motora, vrsi se preko pritiska i protoka. Promjenom pritiska, mijenja se obrtni momenat, a promjenom protoka, obrtna brzina. Upravljacki sistemi obrtnih motora najcdce posjeduju izvor konstantnog pritiska i podesivi prigusni ventil. Posebno fino upravljanje se ostvaruje kod motora podesive radne zapremine, kakvi su aksijalno-klipni motori sa podesavanjem nagiba razvodne place i lamelni motori sa podesavanjern ekscentriciteta rotora prema statoru.

a)

b)

c)

d)

Slika 5.19. Turbinski motori a) aksijalni b) radijalni c) tangencijalni d) motori sa mlazom

5.2.3. Oprema za upravljanje Opremu za upravljanje cine razvodnici i ventili. Pneumatski razvodnici i ventili su principijelno slicni hidraulicnim ( princip rada, nacin aktiviranja, broj prikljucnih otvora, broj radnih pclozaja (stanja) itd. Konstrukcione razlike su posljedica svojstava radnih fluida i nivoa radnih pritisaka. U pneumatici, s gledista pritiska, postoje upravljacke komponente razvijene za tzv, industrijski pritisak 5 -;- 10 bara. Razvijene su komponente za pritisak 1,4-;- 2,2 bara, ali i za male pritiske 0,001 -i- 0,01 bara. U ovom najnizem podrucju pritisaka rade tzv. strujni elementi, Ponasanje strujnih elemenata, nezavisno od struje fluida, je predmet izucavanja fluidike. U fluidici su

razvijeni upravljacki sklopovi analogni elektronskim sklopovima. 5.2.3.1. Pneumatski razvodnici U ovoj tacki ce biti govora o pneumatskim logickim komponentama vezanim za industrijski pritisak 5 -;- 10 bara. Rjesenja su nezavisna od konstrukcije razvodnika (klipni, plocasti, razvodnici Sa sjedistem), S tim sto SU neke konstrukcije podesnije za realizaciju odgovarajucih logiekih funkcija od drugih, Na slici 5.20 su prikazane logicke funkcije OR (ILI) i AND (I) rjesenja pomocu razvodnika 3/2.

5. Upravljanjc motornim pogonirna

160

b)

a)

Slika 5.20. Realizacija logickih funkcija pomocu razdjelnika 3/2 a) OR funkcija b) AND funkcija

Pomocu razvodnika 5/2 realizuje se osnovna memorijska celija, predvidena za memorisanje jednog bita. Na slici 5.2 la, preko simbola logickih funkcija, prikazan je pneumatski nip-flop, a na slici 5.2lb on je prikazan pomocu simbola pneumatike, Flip-flop posjeduje dva stabilna (logicka) stanja, Ako se izlaz A nalazi u stanju 1 (visok pritisak - P nivo), onda se izlaz B nalazi u stanju 0 (atmosferski pritisak - R nivo) i obrnuto. Definisanje izlaznih stanja zavisi od ulaznih signala z, y i od prethodnog stanja flip-flopa. Promjena stanja se moze ostvariti laganom promjenom nivoa pritiska na ulazima ili impulsnom promjenom signala na ulazu. lstovremeno dovodenje impulsa na oba ulaza kod navedenog flip-flopa nema smisla. Nedovodenjem impulsa, flip-flop zadrzava svoje stanje. Uzastopno dovodenje impulsa na je. dan ulaz, poslije prve promjene, nema efekta. Do promjena dolazi samo kod naizmjenicne promjene signala z iy, tj. ako nakon impulsa z naide impuls y i obrnuto, B

A

y

z p

~

T

s

R p b)

a}

Stika 5.21. Pneumatski flip-flop sa razvodnikom 5/2 a) logicka predstava b) pneumatska predstava

Na bazi kombinacionih i sekvencijalnih logickih kola, rjesavaju se veoma slozeni problemi upravljanja procesima. 5.2.3.2. Pneumatski ventili Ventili su komponente pneumatskog sistema kojima se podesava pritisak, podesava ili sprijecava protok vazduha. Ventili pritiska imaju razlicite funkcije. Tako se sigurnosnim ventilima ogranicava pritisak. Pomocu redosljednih ventila inicira se

5.3. Elektromotorni

pogoni

161

ukljucenje nove operacije kod dostizanja odgovarajuceg nivoa pritiska. Pomocu regulatora pritiska se direktno utice na velicinu momenta pneumatskih motora. Funkcija nekih ventila protoka, posebno pneumatskog, vise puta je pomenuta u tekstu. Postoje prigusni ventili sa konstantnim prigusenjvem, rucno podesivi prigusni ventili i servopodesivi (automatski) prigusni ventili. Cesto je funkcija prigusnog ventila kombinovana sa nepovratnim ventilima, pa postoje prigusno-nepovratni ventili sa konstantnim prigusenjem i prigusno-nepovratni ventili sa promjenjivim prigusenjem, Ventili zatvaranja mogu biti: nepovratni ventili bez opruge, nepovratni ventili sa oprugom, nepovratni ventili sa upravljanjem, naizmjenicni nepovratni ventili itd. 5.3. ELEKTROMOTORNI POGONI Od svih motomih pogona daleko najsiru primjenu u industriji, a i na brodu, nasli su elektromotomi pogoni. Na brodu se najveci broj pomocnih pogona pogoni elektromotorima. Pritom su najsire zastupljeni trofazni asinhroni motori. Oni su uveli.ko istisli jednosmjerne motore. Ipak, jednosmjemi motori se zbog dobrih upravljackih i regulacionih karakteristika, kao i zbog mogucnosti akumulatorskog napajanja, jos uvijek nalaze u upotrebi, 5.3.1. Jednosmjerni motori Osnovne karakteristike jednosmjemih motora se mogu izraziti relacijama a) Momenat motora (5.43) M=k/PI, gdje SU k, - konstanta,
(5.44)

gdje su k2 - konstanta,
U = E + 6..U = E +RI

(5.45)

gdje su: R - otpor armatumog namotaja i svih serijski vezanih namotaja. Napon napajanja motora se uravnotezava indukovanom elektomotornom silom E i padom napona RI. Iz gornjih relacija se mogu dobiti: d) Karakteristika brzine n = j{J) za U = const i R = const.

5. Upravljanjc motornirn pogonima

162

U-RJ n = k/P

U

= k/P

RI - k/P'

(S.46)

e) Mehanicka karakteristika motora n = j(M) pri U = const i R

U

R

n=----2 M.

k/P

ee

const.

·

(5.47)

k1k/P

Jednosmjerni motori imaju dva strujna kruga: strujni krug armature i strujni krug pobude, koji cine namotaji polova glavnog polja. U zavisnosti od toga kako su ovi krugovi vezani, postoje: · - serijski motor, kada su armatura i pobuda vezani u seriji a pobuda zavisi od struje armature; - paralelni motor, kada su armatura i pobuda spojeni paralelno na mrezu, pri cemu je struja pobude nezavisna od struje armature; - slozeni ili kompaundni motor, kada je arrnatura spojena u seriju sa dijelom namotaja pobude, dokje drugi dio namotaja pobude spojen direktno na mre2u nezavisno od armature. 5.3.1.1. Serijski jednosmjerni motori Kod serijskih motora pobudni namotaj i armatura su vezani u seriju (slika 5.22). Karakteristike momenta i brzine se mogu naci na osnovu relacija (5.43) i (5.46), pri cemu treba imati u vidu nelineamost pobude, s obzirom na feromagnetnu karakteristiku polova i cinjenicu da je armaturna struja istovremeno i struja pobude. U slucaju malih struja (linearna zavisnost) (5.48) M =k/PI =k;I2, n = !!__.!}__I k2<1)

n= + M=

-

= k; - k

k

(5.49)

0

I

k2<1)

2 '

,

JM-k.

(5.50)

n M

n

I

a)

a) blok sema

I b)

c)

Slika 5.22. Serijski jednosmjerni motor b) karakteristike momenta i brzine u odnosu na opterecenje c) mehanicka karakteristika

M

5.3. Elcktrornotorni

pogoni

Iz relacije (5.49) se vidi da kod malih opterecenja, brzina obrtanja naglo
a)

b)

c)

Stika 5.23 - Pokretanje serijskog jednosmjernog motora a) blok-sema sa serijskom vezom predotpora b) vremenski dijagram skracivanja predotpora c) graficko odredivanje predotpora na osnovu mehanicke karakteristike

Kod startovanja svi predotpori su ukljuceni. Po isteku intervala ( 1) sklopnik k, kratko spaja predotpor R" po zavrsetku intervala (2) sklopnik k2 kratko spaja predotpor R2, da bi na kraju, po zavrsetku intervala (3) sklopnik k3 kratko spojio predotpor R3• Dodatnim ubrzanjem u intervalu (4), motorni pogon se dovodi u radnu tacku sa nominalnim momentom M0 i nominalnom brzinom n11• Stvamo ponasanje pogona je prikazano na slici 5 .23c prema kojoj se vrsi proracun predotpora. Kvalitetnije automatsko skracivanje predotpora na bazi stvarne brzine motora, odnosno na bazi stvarne struje motora, spada u domen automatske regulacije (poglavlje 6). Posebno fino startovanje se ostvaruje pomocu tiristorskih regulatora.

164

5. Upravljanjc motornim pogonima

Promjena brzine motora Promjena brzine jednosmjemog motora, shodno relaciji (5.46), moze da se ostvari na tri nacina: - dodavanjem serijskih predotpora. Primjenjuju se posebni otpomici predvideni za trajni rad motora. Losa strana ovog nacina mijenjanja brzine je veliki gubitak energije u otpomicima, posebno pri malim brzinama. - promjenom napona napajanja. Ova promjena se ostvaruje promjenom napona izvora (npr. generatora jednosmjeme struje). - promjenom magnetnog fluksa. U ovu svrhu je paralelno pobudnom namotaju vezan promjenjivi otpornik. Reverziranje Reverziranje ili promjena smjera obrtanja pogona se ostvaruje promjenom smjera struje samo u armaturi, ili promjenom smjera struje samo u pobudi. Kocenje motora Kocenje se moze ostvariti ili pomocu uredaja za mehanicko kocenje ili koriscenjem elektromagnetnog momenta elektricnog motora. Postoje tri vrste elektrienog kocenja: dinamicko iii reostatsko, elektromagnetno ili protivstrujno i generatorsko i1i rekuperativno. Kod dinamickog kocenja, motor se odvaja od mreze i prikljucuje na spolja vezani otpomik. Ovim se kineticka energija motora pretvara u elektricnu i trosi na otporniku. · Kod protivstrujnog kocenja, izvrsi se promjena polariteta napajanja motora uz prikljucenje dodatnog otpora dovoljne vrijednosti. Motor intenzivno koci, da bi kod dostizanja nulte brzine, ukoliko je moment motora veci od statickog momenta mogao da krene u drugi smjer, Radi izbjegavanja ove nepozeljne pojave, kod dostizanja nulte brzine, potrebno je iskljuciti motor i mehanicki zakociti. Kod rekuperativnog kocenja, nuzno je brzinu motora povecati tako da struja motora promijeni smjer, a shodno relaciji

U-E

l=--<0, (5.51) R kadaje E > U, tj. kada napon indukovane elektromotome sile nadvisi napon napajanja. Rekuperativno kocenje se ostvaruje tako da se kod odredenog broja obrtaja poveca fluks, koji je bio smanjen, tako da tada E nadvisi U. Strnja motora pocinje da tece u mrezu (rekuperacija). Ovaj nacin kocenja je najefikasniji (nema gubitaka energije) i nasao je punu primjenu u elektricnoj vuci. 5.3.1.2. Paralelni jednosmjerni motori Kod paralelnog motora namotajpobude je direktno prikljucen na mrezu. Radi podesavanja struje pobude, u kolo pobude je ukljucen promjenjivi otpornik Rp. Ka-

5.3. Elcktromotorni pogoni

165

rakteristike paralelnog motora se mogu naci na bazi osnovnih relacija jednosmjernog motora, stavljajuci da je <:P ee const. M =k/P! =k:!

U-RI

(5.52)

n=--=KP-tc/ 1,

1,,

(5.53)

k/P

n ==kP-k; M

(5.54)

0

i prikazane su na slikama 5.24b i 5.24c.

n M

M=

n

n

M I a) a) blok-sema

M

b)

c)

Slika 5.24. Paralelni jednosmjerni motor b) karakteristike momenta i brzine u odnosu na opterecenje c) mehanicka karakteristika

· Startovanje motora Paralelni motori, slicno serijskim, pokrecu se pomocu predotpora (slika 5.25), tako da za njega vazi ista procedura. Razlike su samo posljedica drugih karakteristika, sro se izrazeno vidi na mehanickoj karakteristici. + --..,--------.--

n pokretanje , pogon ...._,,~--==+J,3·-

~r-----=~· 2' RJ "'-'. . .----=.,,: ('-R2 -

k,

I

k,

: R,

I

'O

k3 ti l2 !3

a) a) blok-sema

t

b) Slika 5.25. Pokretanje paralelnog motora b) vremensko (programsko) kracenje predotpora karakteristika pokretanja

c) c) mehanicka

5. Upravljanjc motornim pogonima

166

Promjena brzine Promjena brzine klasicnim sredstvima moze, kao i u slucaju serijskog motora, · da se ostvari: - dodavanjem otpora u seriji sa armaturnim namotajem. Dodavanje podrazumijeva posebne otpornike predvidene za trajni pogon; - promjenom magnetnog fluksa. Ovaj nacin podesavanja je znatno fleksibilniji nego kod serijskog motora, kao sto se moze vidijeti sa brzinskih i mehanickih karakteristika (slika 5.26); - promjenom napona napajanja. Ova promjena podrazumijeva promjenu napona izvora {generator jednosmjerne struje sa nezavisnom pobudom). Danas se najvise koriste tiristorske jedinice promjenjivog napona (tacka 6.3). n

n

I

M

b)

a)

Slika 5.26. Promjena fluksa kod paralelnog motora a) brzinske karakteristike b) mehanicke karakteristike

Reverziranje Reverziranje ili promjena smjera obrtanja pogona se vrsi promjenom smjera struje samo u armaturi i1i promjenom smjera struje samo u pobudi, Kocenje motora Koriste se isti nacini kocenja kao kod serijskog motora. Rekuperativni nacin ce svoju punu efikasnost poprimiti u prelaznom rezimu kod regulacije brzine (tacka 6.3.1). 5.3.1.3. Sloieni jednosmjerni mo tori Magnetni fluks 4> ovog motora nastaje zajednickim djelovanjem magnetnih napona oba pobudna namotaja paralelnog i serijskog. Prema tome, karakteristike slozenog motora, zavisno od odnosa magnetnih napona paralelnog i serijskog namotaja, u vecoj iii manjoj mjeri se priblizavaju odgovarajucim karaktcristikama motora sa paralelnom ili motora sa serijskom pobudom, Koriste se elektromotori sa aditivnim karakteristikama. Karakteristike zavise od toga koja je od komponenata pobude dominantna.

5.3. Elektromotorni

pogoni

167

Na slid 5.27b prikazane su karakteristike brzine i momenta motora sa paralelnom pobudom (1) i slozenom aditivnom pobudom (2), a na slici 5.27c mehanicke karakteristike paralelnog motora (1), serijskog motora (2) i slozenog motora (3). Sa karakteristika se vidi, da motor sa slozenom pobudom, zbog postojanja paralelnog pobudnog namotaja, moze da radi pri praznom hodu. n

I

a)

b)

M,,

M

c)

Slika 5.27 - Slozeni motor a) blok-sema b) karakteristike brzine i momenta c) mehanicka karakteristika

Motori sa slozenom pobudom koriste se u elektromotornim pogonima, gdje se zahtijeva veliki polazni momenat i veliko ubrzanje pri pustanju u rad. Sto se tice pokretanja, promjene brzine i kocenja, vaze sve konstatacije iznesene kod serijskog i paralelnog motora, s tim sto se kod slozenog motora dodatnim kombinovanjem moze ostvariti jos veca fleksibilnost vodenja pogona. 5.3.2. Asinhroni motori Asinhroni motor je nasao siroku primjenu na brodu. Tu posebno mjesto pripada kaveznom motoru, koji vazi za jedan od najekonomicnijih i tehnicki najjednostavnijih motora uopste. Asinhroni motor se sastoji od nepokretnog statora sa narnotajima napajanim iz trofazne mreze i pokretnog rotora koji moze biti kavezni i kolutni, Kavezni rotor se sastoji od stapova koji su pomocu dvostranih prstenova vezani u kavez, odakle i potice naziv. Klizno-kolutni rotor cine trofazni namotaji vezani na klizne kolutove odnosno klizne prstenove. Kad se stator prikljuci na trofaznu mrezu, protekne trofazna struja koja formira obrtno magnetno polje. Ovo obrtno polje se, u odnosu na nepokretni stator, obrce sinhronom brzinom (5.55) gdje su: f - frekvencija mreze, p - broj pari polova rnotora. Osa magnetnog fluksa je orijentisana radijalno i pri rotaciji presijeca provodnike statora i rotora indukujuci u njima napon. Velicina indukovane elektromotome sile E2 zavisi o brzini presijecanja, a shodno tome i struja rotora /2• Magnetni fluks (f) stvara sa rotorskom strujom

5. Upravljanjc motornim pogonima

168

zakretni momenat M, koji se u podrucju sinhronih brzina moze predstaviti relacijom (5.56) /2

Da bi doslo do indukovanja struje 12 mora brzina rotora biti manja od brzine obrtnog magnetnog polja. Ta razlika se izrazava klizanjem

s = n, -n, s(%)= n_, -n · 100(%). n,

(5.57)

n.,

Snaga koja ie prenesena sa statora na rotor moze se izraziti relacijom P..2 "'"Mros =k Mn ~..

(5.58)

Fizicki gabariti motora ne zavise od snage vec od momenta. Momenat motora je, prakticno proporcionalan zapremini rotora. Kako je zapremina statora proporcionalna zapremini rotora, proizilazi da su velicina, tezina i cijena motora priblizno proporcionalne nominalnom momentu.

5.3.2.1. Kavezni asinhroni motori Pomenuto je da je kavezni asi.nhroni motor, s obzirom na jednostavnost konstrukcije i ekonomicnost, najsire primijenjen motor. Ovaj motor je sematski je prikazan na slici 5.28 sa statorskim namotajima vezanirn u trougao, odnosno u zvijezdu. Mehanicka karakteristika motora u normalizovanim koordinatama je prikazana na slici 5 .28c. Karakteristike se razlikuju zavisno od izvedbe motora: n/n, R

s

T

R

a) a) spoj u trouglu

s

b)

T

c)

Slika 5.28. Kavezni motor b) spoj u zvijezdi c) mehanicka karakteristika u zavisnosti od tipa kaveza

a) Standardna izvedba od okruglih provodnika manjeg presjeka na bazi bronze. Kod ove izvedbe odnos struje pokretanja (polazna struja) i nazivne struje iznosi I,, ~ (4 + 8)I., a polazni momenat (momenat pokretanja) je znatno manji od prekretnog (maksimalnog) momenta. b) Rotor sa dubokim zljebovima. Ovom izvedbom se polazna struja potiskuje prema periferiji, na manji presjek, sto ima za posljedicu smanjenje polazne struje i

5.3. Elektromotorni

pogoni

169

povecanje polaznog momenta. Na vecim brzinama aktuelan je unutrasnji dio stapova cija otpornost je manja ali porediva sa smanjenom induktivnom otpornoscu, c) Rotor sa dvostrukim kavezom (dvokavezni rotor) sa dva namotaja postavljena u specijalno oblikovane zljebove. Namotaj postavljen blize povrsini rotora ima funkciju namotaja za pokretanje i izraduje se od materijala sa velikom specificnom otpornoscu, dok namotaj u unutrasnjem kavezu ima funkciju radnog namotaja i obicno se pravi od bakra. Namjena dvostrukog kaveza je da se prilikom pokretanja rotora poveca radni otpor, sto je ostvareno vecim otporom spoljasnjeg kaveza, tako da tada postaju bliski veliki induktivni i veliki aktivni otpor. Kod vecih brzina frekvencija opada, opada i induktivni otpor, struja se pomjera prema unutrasnjosti, gdje se odrzava odnos izmedu malog induktivnog otpora i malog aktivnog otpora unutrasnjeg kaveza, Idealno bi bilo ako bi se u toku kompletnog rezima startovanja odrzavala jednakost R2 == X2• Polazna struja kod dvostrukog rotora IP ima vrijednost IP< (4,5 + 5,5) I,, a momenat MP 2 2M,,. Pustanje u rat/ Pokretanje elektromotomih pogona sa standardnirn kaveznim motorima snaga vecih od 100 kW predstavlja problems obzirom na propise vezane za distribuiranje elektricne energije. Postoji vise nacina ublazavanja strujnih udara, medu kojima su: spoj zvijezda/trougao, spoj sa prigusnicom, spoj sa autotransformatorom itd, Na slici 5.29 prikazan je spoj zvijezda/trougao. Da bi on bio moguc, motor treba da bude predviden za rad u trouglu, Ublazavanje strujnog udara se ostvaruje tako sto se prvo ukljuci spoj u zvijezdu, tako da se na motor dovodi napon U ""U,, I menat zaleta srazmjeran kvadratu napona napajanja M,

=

kU2 ==k ~·2,

J3.

Kako je mo-

(5.59)

to je momenat zaleta smanjen tri puta (slika 5.29d). Primjena ovog spoja moguca je u praznom hodu, i tamo gdje to dopusta momenat tereta (brodske centrifugalne pumpe i slicni pogoni). Kod pogona malih snaga preklapanje se vrsi pomocu posebnih grebenastih sklopki, Na brodskim pogonima to se obavlja pomocu tri sklopnika. Na slici 5.29 su prikazane principijelne seme energetskog i upravljackog dijela spoja zvijezda/trougao. Pritiskom na start tipkalo bi, dovodi se napon na sklopnik c1 i vremenski relej di. Sklopnik c1 se trenutno ukljuci i obavi sljedece operacije: - otvori mime kontakte u kolu sklopnika c3, - ubaci radne kontakte u kolo sklopnika c2, - ubaci energetske kontakte zvjezdista motora. Relej d, dobije uzbudni napon, ali se ne aktivira pesto posjeduje kasnjenje kod ukljucenja. Sklopnik c2: - preko radnih kontakta ostvari samoodrzanje (premosti start tipkalo b1), - preko energetskih kontakata prikljuci Y namotaje statora na mrezu, Rotor se zalijece i neposredno prije dostizanja sinhrone brzine vremenski relej izbacuje sklopnik ci. Sklopnik c1 preko mirnih kontakata ubacuje sklopnik c3. Sklopnici c2 ic3 vezuju namotaje statora u trougao ina mrezu.

5. Upravljanjc motornim pogonima

170

-....----R

-+-----s --+--+-
T

c)

ia,

MIM,, 3

6

2

4 2t---..;;;.Y__

y a)

b)

d)

n/n,

Slika 5.29. Pokretanje asinhronog motora sa spojem zvijezda/rrougao a) energetska sema b) sema upravljanja c) vremenski redoslijed ukljucenja d) mehanicke i strujne karakteristike trougla i zvijezde

Reverziranje Promjena smjera obrtanja asinhronog motora ostvamje se promjenom smjera obrtanja obrtnog magnetnog polja, Ova operacija se ostvaruje promjenom dva fazna prikljucka. Serna energetskog i relejnog dijela upravljacke jedinice prikazana je na slici 5.30. Pomocu tipkala b, startuje se jedan smjer, a pomocu tipkala b2 drugi smjer. Tipkalo b3 sluzi za iskljucenje tekuceg smjera. Sklopnici c1 i c2, preko glavnih kontakata, ukljucuju odgovarajuci smjer motora, a preko pomocnih kontakata, ostvaruju medusobno blokiranje i samoodrzanje, R

s

T

a)

' =' :! =·c::J Ci

1d-=1 )

=c::J

c2

r""' M 3~

Slika 5.30. Reverziranje pogona a) energetska sema b) upravljacka sema

Promjena brzine Na bazi relacija

n, = 60 f/p is= (n, - n)Jn., brzina rotora se moze izraziti u obli-

ku

n == 60f (1- s) p

(5.60)

5.3. Elektromotorni

pogoni

171

iz koje se vidi da se promjena brzine elektricnim putem moze ostvariti: - promjenom frekvencije/napojne mreze, - promjenom klizanja s i - prornjenom broja pari polova p. Promjena frekvencije je karakteristicna za autonomne izvore - pretvarace (tacka 6.3.3), a promjena klizanja za upravljanje energijom rotora (kolutni motori), tako da ce ovdje biti obradena promjena brzine kaveznih motora promjenom broja pari pol ova. Razvijeni su kako posebni motori tako i posebne upravljacke jedinice sa polnim preklapanjem za pogone dizalica i brodskih vitala (teretna, sidrena, pritezna), Tako se motori vitala grade kao trostruko polnopreklopivi sa 16, 8 i 4-polnim namotajima u zajednickom statoru sa zajednickim rotorom. Namotaji 16 i 8-polni su izvedeni u Dalanderovom (Dahlander) spoju, dok je 4-polni namotaj nezavisan. Na slici 5.31 data je mehanicka karakteristika jedne familije priteznih vitala. Polno-preklopivi motori omogucuju stepenastu promjenu brzine obrtanja. Razlicite brzine postizu se odgovarajucim preklapanjem statorskih namotaja. Mehanicka promjena brzine ostvaruje se pomocu prenosnika koji je direktno spregnut sa motorom. Postoje razne vrste prenosnika: zupcasti prenosnici, nasadni zupcasti prenosnici, zupcasto-puzni prenosnici, puzni prenosnici i varijatori. Varijatorima se ostvaruje mehanicko mijenjanje brzine.

Kooen]«

M(o/o)

Kocenje kaveznog motora moze biti elektricno i mehanicko. Najcesce se koriste dva nacina elektricnog kocenja: kocenje kontravezom (protustrujno kocenje) i kocenje jednosmjernom strujom (dinamicko kocenje ). Protustrujno kocenje je sastavni dio procesa reverziranja, gdje se, prije prelaska na drugi smjer obrtanja, ostvaruje intenzivno kocenje, a onda, prelaz na drugi smjer obrtanja. Kod kocenja, nuzno je motor pomocu kocionog kontrolnika zaustaviti neposredno prije dostizanja tacke mirovanja.

0

500

IOOO

isoo

o/rnin

Slika 5.31- Mehanieka karakteristika vitala la) 16-polni namotaj (pritezna vitla) lb) 16-polni namotaji u V-spoju (sidrena vitla), 2) 8-polni namotaj 3) 4-polni namotaj

Elektrodinamicko kocenje kaveznog motora postize se tako sto se stator odvoji od napojne mreze i prikljuci na izvor jednosmjerne struje (slika 5.32). Jednosmjerna struja u statoru proizvodi mirujuci magnetni fluks koji presijeca rotirajuce provodnike rotora indukujuci ti njima napone koji tjeraju struju. Magnetno polje sekundarnih struja tezi da se poravna sa mirujucim magnetnim fluksom i tako se rotor usporava. · Efekat kocenja se smanjuje kod malih brzina zbog smanjenja indukovanih struja.

5. Upravljanjc motornim pogonima

172

Slika 5.32 =Kocenje jednosrnjernom strujom sa najcesce koriscenim spojevima

Mehanicko kocenje je skladno rijeseno kod tzv. kocionih motora. Kocnica je prigradena elektromotorn sa ventilatorske strane. Napajanje kocnice se vrsi preko ispravljaca koji je smjesten u prikljucnoj kutiji. Motori se standardno isporucuju sa maksimalnim kocionim momentom. Promjenom opruga, mogu se postaviti drugi ( odgovarajuci) kocioni momenti. Posebne pogodnosti posjeduju sistemi sa elektromagnetnim (beskontakrnim) kocenjem (engl. electromagnetic slip coupling and decoupling). 5.3.2.2. Kolutni asinhroni motor Kolutni asinhroni motor posjeduje trofazni motani rotor. Krajevi namotaja su prikljuceni na klizne kolutove. Na rotorske namotaje mogu preko kolutova i cetkica, da se dodaju rotorski otpori. Ovim je omoguceno
= I 2 sE(" )2 '\/RR + sX110 0

k

M

= kU2

2

E

=-1!..!L.sinm

x no

sR11

'YIP

,

(5.61) (5.62)

R11 +(sX110}

gdje su: ERo - indukovani napon kod zakocenog rotora (n = 0), RR = R2 + R gdje su: R2 - otpor rotora i R - otpor dodatnih otpornika, XRo - induktivni otpor rotora kod zakocenog rotora,
5.3. Elcktromotorni

pogoni

173

ce se koriste automatski rotorski pokretaci (upustaci) na bazi otpornika. Uprav1janje moze biti: vremensko (preko vremenskih releja), strujno (na bazi struje rotora), frekventno (na bazi frekvencije rotorskog napona). Na slici 5.33 predstavljena je blok-sema pokretaca, U momentu ukljucenja (ukljucenje preklopnika c0) statora svi otpornici rotora Ri, R2, R3 su bili ukljuceni. Rotor poprima najveci momenat MP i brzina se povecava po segmentu karakteristike 0-1. U trenutku 1 vremenski relej t1 ukljucuje sklopnik c1 koji kratko premosti otpornik R1• Momenat se naglo poveca (segmenat karakteristike 1-1 ') da bi brzina nastavila ponovo da se povecava (segmenat karakteristike 1'-2). U trenutku 2, vremenski relej t2 ukljucuje sklopnik c2, koji kratko premosti otpornik R2• Momenat ponovo skoci na M~ poslije cega brzina nastavi da raste (segmenat karakteristike 2'-3). U trenutku 3, vremenski relej t3 ubaci sklopnik c3, koji kratko spoji otpornik R3. Momenat ponovo skoci na MP, da bi brzina nastavila da raste do dostizanja nominalne brzine odredene izjednacenjem momenta motora i tereta. n/n, i31 I I I

2'

'1' I I

:a

--o, MnMmin

Ml'

M

c) I

I

__.,.....,_ --0

I

L

___,

~ 0

a)

b)

Stika 5.33. Vremensko pokretanje klizno-kolutnih motora a) blok-sema b) vremenski redoslijed skracivanja rotorskih otpornika c) momentna karakteristika

Promjena brzine kliznokolutnih motora vrsi se postupcima pomenutim kod kaveznih motora. Posebno mjesto u primjeni klasicnih postupaka promjene brzine odnosi se na promjenu otpora rotorskog kruga. Ovaj postupak se moze predstaviti relacijom s'

s

~1

+Rd R0

(5.64)

gdje su: s +klizanje.bez dodatnih otpora, s' - klizanje sa dodatnim otporima, Ro - otpornost namotaja rotora, Rd - dodatni otpor rotora vezan preko kliznih kolutova. Iz relacije (5.64) se vidi da se povecanjem otpornosti rotorskog kruga povecava i klizanje, cime se smanjuje brzina rotora. Skokovi smanjenja zavise od broja dodatnih otpora.

174

5. Upravljanje motornim pogonima

Postoji slicnost izmedu pokretanja motora preko upustaca i promjene brzine preko dodatnih otpora. Razlika se odnosi na opteretivost otpora. Otpori upustaca su predvideni za kratkotrajno opterecenje, dok se otpori za promjenu brzine preko klizanja moraju predvidjeti za trajni rad. Da bi se sagledao uticaj klizanja, ukratko ce biti predstavljeni energetski odnosi u motoru, U normalnom pogonu aktivna elektricna snaga Pl> uzeta iz mreze, trosi se manjim dijelom na gubitke u statoru (gubici u bakru i gvozdu), a preostali dio predstavlja snagu obrtnog magnetskog polja (5.65) Snaga obrtnog polja se trosi na mehanicku snagu motora P,,,e1z i gubitke u rotoru Pcul P,..,,,;:;;: P,,p - J)_u2 • (5.66) Radnoj masini se predaje mehanicka snaga umanjena za snagu gubitaka trenja P1r i hladenja (ventilacija) (5.67) P,, = P.,,h -(P,, + P.,). Izrazeno preko momenta obrtnih brzina i klizanja

P,,P =Mro, = kMn,, Pm,,, =MO)= kMn = kMn,(1-s)"" (1-s )P,,P, 1:u2 = P,,P - P""" = kM{ri, - n )= kMn,s = sl~P, tako da gubici u rotoru u odnosu na raspolozivu mehanicku energiju iznose

P_u2 = sP,,p = -1

1

-P...

-s

(5.69) (5.70)

(5.71)

1i.

U slucaju konstantnog momenta i odnosa brzina

(5.68)

n/n = 2 odnosno s = 0,5 dobi-

ja se Pcu2 = P,,,eh> tj. elektricni gubici su jednaki predatoj mehanickoj energiji. Stoga je koriscenje ovog naeina promjene brzine neefikasno za radne masine sa konstantnim momentom. Podesavanje brzine dodavanjem otpora u kolo rotora je zadovoljavajuce za one pogone gdje momenat opterecenja naglo opada sa brzinom obrtanja. To su pogoni centrifugalnih ventilatora, pumpi i kompresora; pa se kod njih najvise i primjenjuje. Kod ovih radnih masina momenat se smanjuje sa kvadratom brzine, pa se pomocu malih dodatnih otpomosti postize relativno veliko smanjenje brzine. Promjena brzine dodavanjem otpora u rotoru se koristi i kod dizalicnih pogona, gdje vec postoje robusni i glomazni otpornici predvideni za cesto pokretanje i zaustavljanje, LITERATURA 1. Basta T. M: Masinska hidraulika, Naucna knjiga, Beograd, 1972.

2. Nikolic S.: Hidraulika i hidraulicke masine, Naucna knjiga, Beograd, 1982. 3. Dimitrijevic P.: Osnovi automatizacije sa elementima hidraulike, pneumatike i fluidike, Visa tehnicka masinska skola, Beograd, 1989. 4. Askovi6 R., Cantrak: S., i dr.: Hidromotori i armature, OMO, Beograd, 1986.

5.3. Elektromotomi

pogoni

175

5. Grujic Lj., Jovanovic P., i dr.: Hidraulika - proporcionalna tehnika, OMO, Beograd, 1985.

6. Milojkovic B., GrujicLj.: Automatsko uprav ljanje, Masinski fakultet, Beograd, 1990. 7. Nikolic G.:, Pneumatsko upravljanje, Sveuciliste u Zagrebu, Zagreb, 1983. 8. Zrnic V.: Pneumatika, Tehnicka knjiga, Beograd, 1981. 9. Rajic D.: Projektovanje pneumatskih automata, Visa tehnicka masinska skola, Beograd, 1983. 10. Zaric S.: Automatizacija proizvodnje, Masinski fakultet, Beograd, 1984. 11. Dimer A.: Pneumatski digitalni sistemi, Visa tehnicka skola, Subotica, 1978. 12. Jurkovic B.: Elektromotorni pogoni, Skolska knjiga, Zagreb, 1978. 13. Vuckovic V.: Elektricki pogoni, Elektrotehnicki fakultet, Beograd, 1997. 14. Radojkovic B.: Elektricna vuca, Naucna knjiga, Beograd, 1986. 15. Mitrakovic B.: Masine za jednosmjemu struju, Naucna knjiga, Beograd, 1971. 16. Mitrakovic B.: Nikolic N. Lj., Asinhrone masine, Naucna knjiga, Beograd, 1977. 17. NikolicN. Dimitrijevic Lj.: Elektricne masine I i II, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1971. 18. Piotrovskij L. M: Elektricni strojevi, Tehnicka knjiga, Zagreb, 1967.

u..

19. Srb N.: Asinhroni motori=- prirucnik, Tehnicka knjiga, Zagreb. 20. Marinovic N.: Elektromotoma postrojenja, Skolska knjiga, Zagreb, 1986. 21. Katalozi firmi: FESTO, VICKERS, BOSCH, PRVA PETOLJETKA

6. SISTEMI REGULACIJE MOTORNIH POGONA Osnovna funkcija sisterna regulacije motornih pogona se sastoji u automatskom vodenju nekeod izlaznih velicina. Kao izlazne (regulisane) velicine motornih pogona najcesce se uzimaju pozicija, brzina i momenat. Regulacioni sistemi sa izIaznim kinematickim velicinama su poznati kao servomehanizmi. Kada je u pitanju pozicija, cesto se govori o pozicionim regulacionim sistemima, odnosno o pozicionim servomehanizrnima. Ako se kao regulisana velicina koristi brzina, govori se o brzinskim regulacionim sistemima, odnosno o brzinskim servomehanizmima. Ponekad se kod izuzetno finih vodenja koriste servomehanizmi ubrzanja, Postoje regulacioni sisterni kod kojih se regulacija osnovnih velicina vrsi indirektno, preko njima proporcionalnih velicina, Tako se npr. preko pozicije regulise pritisak i sila, a preko brzine protok i sl. Kod regulacije motornih pogona, posebno elektromotornih pogona cesto se koristi kaskadna sprega. Kaskadni sistem se, kako je to prikazano na slici 6.1 sastoji od vise regulacionih petlji koje su hijerarhijski povezane. Regulaciona petlja polozaja formira referentni signal brzine, a regulaciona petlja brzine referentni signal momenta. Kaze se da je regulator pozicije nadreden regulatoru brzine a regulator brzine regulatoru momenta. Optimizacija kaskadnog sistema podrazumijeva izbor pararnetara sva tri regulatora (ukupno 9 parametara), sto je u principu veoma slozen problem. Dobra strana ovog sistema je da postoji velika razlika u odzivima petlji, sto omogucuje odvojenu optimizaciju petlji. Ovaj nacin odvojene optimizacije se puno koristi kod brzinskih servomehanizama.

({),

,,..

+"' ., ~ -

tp,

regulator i», polozaja + (Ox

;y

-

regulator M,.,.,...,_ brzine +

M.,

regulator momenta

' aktuator 1---.

+ motor

Slika 6.1. Blok sema kaskadnog regulacionog sistema motornih pogona

Momentna petlja (kod elektromotomih pogona strujna petlja) djeluje direktno na aktuator (tiristorski regulator). Referencu momenta formira brzinski regulator. Ogranicavanjem izlaza brzinskog regulatora, direktno se ogranicava maksimalna

6.1. Rcgulacija brzine hidraulicnih

177

pogona

vrijednost momenta. Slicno, pomocu regulatora polozaja formira se referentni signal brzine. Kod brzinskih servopogona referentni signal brzine se direktno postavlja pomocu potenciometra ili na neki drugi nacin, 6.1. REGULACIJA BRZINE HIDRAULICNIHPOGONA Najveci broj komponenata upravljackog sistema (otvoreni sistem) i regulacionog sistema (zatvoreni sistem) hidraulicnih motornih pogona je identican pesto se regulacioni sistem formira na bazi upravljackog, uspostavljanjem povratne sprege. Cinjenica je da su zahtjevi na regulacioni sistem stroziji, sto je i razlog koriscenja slozenijih komponenata: elektronski pojacavaci, proporcionalni ventili, servoventili itd. Regulacija hidraulicnih motora se najcesce vrsi pomocu servorazvodnika i pomocu hidrostatickih prenosnika snage. 6.1.1. Regulacija brztne hidraulicnih motora pomocu servorazvodnika Sistem se sastoji od elektrohidraulicnog servorazvodnika i hidromotora. Primijenjen je princip prigusenja protoka na servorazvodniku. Energija prigusivanja se pretvara u toplotu, sto nuzno zahtijeva hladenje radnog fluida. Kao servorazvodnik se najcesce koriste razvodnici na bazi proporcionalnih ventila i elekrtohidraulucni razvodnici na bazi momentnih motora. Na slici 6.2 prikazano je vise regulacionih sistema baziranih na proporcionalnim razvodnicima.

a)

b)

Slika 6.2. Blok-sema regulacionih ventila sa proporcionalnim razvodnicima a) regulacija brzine hidromotora b) i·egulacija pomjeraja, pritiska ulja i sile klipnjace

U slucaju regulacionog sistema brzine hidromotora (slika 6.2a), elektronski regulator na bazi polariteta greske, preko proporcionalnog ventila, vrsi manje odnosno vece prigusenje protoka ostvarujuci povecanje ili smanjenje brzine hidromotora. Na slici 6.2b prikazana je blok-sema regulacionog sistema kojim je moguce ostvariti regulaciju pritiska radnog fluida u cilindru, pomjeraj klipnjace i situ prenesenu klipnjacom. Na slici 6.3 je na blok-semama, slicnim onima na slici 6.2, prikazano vise nivoa vodenja hidromotora, kao sto su: - upravljacki sistem (otvoreni sistem, slika 6.3a), - regulacioni sistern (zatvoreni sistem, slika 6.3b) sa brzinskom povratnorn spregorn,

6. Sistemi regulacije motomih pogona

178

- regulacioni sistem (zatvoreni sistem, slika 6.3c) sa spoljasnjom pozicionom spregom i unutrasnjom pozicionom spregom. Spoljasnjom spregom se prati pozicija klipa hidraulicnog cilindra, a unutrasnjom (povratna sprega predstavljena je isprekidanom linijom) pozicija klipa proporcionalnog razvodnika. Regulacija sa spoljasnjom petljom je potpunija. Kod slozenih kaskadnih veza koriste se obje sprege.

a)

b)

c)

Slika 6.3. Hidraulicni sistemi sa proporcionalnim razvodnicirna a) otvoreni sistem b) brzinski servosistem c) pozlcioni servosistem sa dvije povratne sprege

Umjesto proporcionalnih ventila, regulacija prigusenjem maze, na slican nacin, da se ostvari pomocu elektrohidraulickih servorazvodnika na bazi tork motora. Primjena ovih sistema ce biti prezentirana na sistemoma sa hidrostatickim prenosnicima snage, 6.1.2. Regulacija brzine hldraulicnih pogona pomocu hidrostatieklh prenosnika snage U tacki 5.1.2 opisani su hidrostaticki prenosnici snage na bazi hidropumpi i hidromotora sa promjenjivim parametrima. Poznato je da hidrostaticki prenosnici snage, posebno obrtni, funkcionisu veoma dobro i u odsustvu povratne sprege, pa se o njima cesto govori kao o servopumpama i servomotorima, Postoji vise regulacionih Sistema prenosnika snage, kao sto SU: sistem servopumpa - motor, sistem pumpa+ servomotor, sistem servopumpa - servomotor.

6.l.2.1. Regulacioni sistem servopumpa - motor Glavni energetski krug (slika 6.4) cine servopumpa i motor. Na servopumpi je mehanicki spregnuta zupcasta pumpa koja napaja upravljacki uredaj regulacionog sistema pumpe. Upravljacki sistem cine elektrohidraulicni razvodnik i hidrocilindar.

6 1. Rcgulacija brzinc hidraulicnih pogona \

'i)i\ji'f ~~~'i;1t~i![if~}!::f]\ •

Pomocu.klipn}ace hidrocilindra ~j~luje se na.nagib rotora aksij~lno-.k:1~Jhd~~~~~. illJill Regulacioni sistem, pored upravljackog uredaja servopumpe, uklJUCUJe 1 Clektrcirisk:i regulator sa povratnom spregom polozaja rotora servopumpe. U konkretnom $1\'.foa"">. . ju, umjesto sa zakretnog rotora odnosno razvodne ploce, povratna sprega je klipnjace cilindra (pomjeraj). Kod slozenijih regulacionih sistema uzimaju se dodat-\ . ne povratne sprege (pritisak radnog fluida na izlazu pumpe, brzina hidromotora i ·'. ·.·. ', · sl.). Sprege mogu biti vezane kaskadno, a u slucaju hidraulicnih sistema cesce su vezane paralelno tako da aditivno djeluju na elektronski pojacavac elektrohidraulicnog regulatora.

uz~fas~

5

radna

masina

r

L_

3

Slika 6.4. Serna regulacionog sistema servopumpa - motor l - servopumpa, 2 -. pogonski motor, 3 - hidromotor, 4 - zupcasta pumpa, 5 - ventil sigumosti, 6 - filter, 7 - potenciometar, 8 - regulator, 9, IO - elektromagneti servorazvodnika, 11 - servorazvodnik, 12 - hidrocilindar, 13 - davac pomjeraja klipnjace hidrocilindra

Postoje razne izvedbe elektrohidraulicnih regulatora. Klasicna rjesenja su bazirana na elektronskom tropolozajnom regulatoru, koji je preko svoja dva izlazna releja upravljao elektrohidraulicnim razvodnikom 4/3. Savremena rjesenja su mnogo kornpaktnija i sa znatno brzim odzivom. Na slici 6.5 je prikazan elektrohidraulicni razvodnik sa momentnim motorom (tork motor), i dva stepena hidraulicnog

pojacanja, Momentni motor je rijesen kao polarizovani relej. Polarizovani relej predstavlja izlazni stepen elektronskog regulatora. Pored velike brzine reagovanja, polarizovani relej raspoznaje smjer struje, a shodno tome i polaritet regulacionog odstupanja. On posjeduje tri stanja: jedno stanje koje odgovara pozitivnoj gresci regulacije, drugo koje odgovara negativnoj gresci regulacije i trece stanje koje odgovara gresci regulacije jednakoj nuli. Djelovanje povratne sprege servorazvodnika, kako ce to biti kasnije pokazano, je takvo da kompletan razvodnik posjeduje dva stabilna stanja. U stvari, razvodnik funkcionise kao flip-flop u elektronici. Momentni motor se sastoji od dva stalna rnagneta, dva kalerna i kotve. Kada je signal greske jednak nuli, postoji samo djelovanje stalnih magneta. Kako su djelova-

<

6. Sisterni regulacijc motornih pogona

180

nja jednaka ali suprotna, to kotva zauzima neutralan polozaj. Pojavom greske, kroz kaleme protekne struja, Elektomagnetno djelovanje kalemova se superponira sa djelovanjem stalnih magneta, sto ima za posljedicu prebacivanje kotve u jedno od stabilnih stanja. Promjenom polariteta greske, kotva se prebacuje u drugo stabi1no stanje.

p A B

R

6

a)

b)

c)

Slika 6.5. Elektrohidraulicni servorazvodnik sa momentnim motorom i dvostepenim hidraulicnim pojacavacem a) rezim aktiviranja b) stacionarno stanje: 1 - permanentni magnet, 2 - kotva, 3 - zaslonka, 4 - mlaznica, 5 prigusnik, 6 - klip razvodnika, 7 - opruga povratne sprege c) blok sema servorazvodnika

Prvi stepen hidraulicnog pojacavaca formiraju: zaslonka, dvije mlaznice, dva prigusnika i dva filtra. Kada se zaslonka nalazi u neutralnom polozaju izmedu dvije mlaznice, sile mlazeva ulja su uravnotezene. Kada se kotva pomjeri, dolazi istovremeno do pomjeranja zaslonke, rezultantna sila mlazeva je suprotna ostvarenom pomjeraju zaslonke, pa ova sila djeluje suprotno momentu motora. Drugi stepen hidraulicnog pojacavaca formiraju klip cilindra i caura klipa. Skretanjem zaslonke, povecava se pritisak u komori odgovarajuce mlaznice, sto se prenosi na klip cilindra. Klip se pomjera u polozaj koji odgovara polaritetu greske. Istovremeno, klip povlaci za sobom oprugu povratne sprege vracajuci zaslonku u neutralan polozaj, Na slici 6.Sa predstavljen je rezim aktiviranja servorazvodnika (prelazno stanje), dok je na slici 6.Sb predstavljeno stacionarno stanje razvodnika u kome elasticna opruga, u prisustvu inicirajuceg signala, vraca kotvu u ravnotezno stanje. Ovo stanje se zadrzava sve do promjene polariteta greske, kada se inicira pojava drugog stabilnog stanja. Rjesenje regulacionog sistema servopumpa-hidraulicni cilindar sa elektrohidraulicnim servorazvodnikom je principijelno isto (slika 6.6). Pomocu regulacionog kruga sa razvodnikom upravlja se polozajem rotora servopumpe, da bi servopumpa, odgovarajucim protokom radnog fluida, pomjerala klip hidrocilindra. Pozicioni servomehanizam koristi unutrasnju povratnu spregu uzetu sa klipnjace upravljackog cilindra.

6.1. Regulacija brzine hidraulicnih

pogona

181

2

radna masina

Slika 6.6. Regulacioni sistem hidrostatickog prenosnika snage servopumpa-hidrocilindar

Sistem servopumpa-motor u hidraulici odgovara Vard-Leonardovom (WardLeonard) sistemu u elektroenergetici, kod koga se brzina elektromotornog pogona mijenja regulacijom napona generatora (tacka 6.3). 6.1.2.2. Regulacioni sistem pumpa-servomotor Regulacioni sistern hidrostatickog prenosnika snage pumpa-servomotor se sastoji od pumpe kao izvora konstantne snage (pumpa sa stabilizatorom pritiska) i hidromotora koji koristi dio te snage u zavisnosti od parametara regulacionog sistema

(slika 6.7).

·

r---------+-----------------. '

I I I

3

7

I

I I I

radna

L-

masina 2

4

Slika 6.7. Regulacioni sistem hidrostatickog prenosnika snage pumpa-servomotor

Hidrostaticki prenosnik snage pumpa-servomotor u hidraulici odgovara VardLeonardovom sistemu u elektrotehnici, u kome generator posjeduje konstantan napon koji odgovara nominalnoj brzini motora, a povecanje brzine se osrvaruje slabljenjem polja,

6. Sistemi rcgulacije motornih pogona

182

Ako nominalnoj brzini motora, kod koga je qn/qmmnx = 1, odgovara jedinicni q"', tada se slabljenjem q,/qmmax (q,/qmmnx -7 0) brzina motora mijenja od nominalne brzine prema co. Snaga motora je konstantna, a momenat motora linearno opada prema nuli, 6.1.2.3. Regulacioni sistem hidrostatickog prenosnika snage servopumpa - servomotor Hidrostaticki prenosnik snage servopumpa-servomotor posjeduje sve dobre strane sistema servopumpa-motor i pumpa-servomotor, obezbjedujuci sirok izbor izlaznih karakteristika (brzina, momenat, snaga). Pomocu sistema servopumpa-motor, obezbjeduje se linearni porast snage na vratilu motora, uz konstantni motorni momenat. Brzina motora raste srazmjerno povecanju protoka servopumpe do nominalne brzine, pri kojoj q/q,,max dostize vrijednost 1. U ovom podrucju regulacije q11/qmm•>- = 1. Ovo podrucje regulacije je poznato kao podrucje sa karakteristikom konstantnog momenta. Dalje povecanje brzine se ostvaruje smanjenjem zapremine motora, pri cemu momenat motora linearno opada, a snaga zadrzava konstantnu vrijednost, pa je ovo podrucje rada prenosnika poznato kao karakteristika konstantne snage. Smanjivanjem upravljackog parametra motora (q,/q1111n0J, brzina njegovog vratila teoretski moze porasti do beskonacnosti, sto se ne desava pesto zakretni momenat pada na nulu, tako da, cak i u odsustvu tereta, nije u stanju da savlada otpore

hidromotora. Karakteristike sistema servopumpa- servomotor prikazane su na slici 6.8.

a)

O:

0,2

0,4

0,6

f+--- (iJ1fqpmax

0,8

1: •

0,8

0,6 0,4

0,2

q,,/qmmax--.:

'

q

0: I

b) Slika 6.8. Karakteristike sistema servopumpa-servomotor a) blok-sema b) dijagrami karakteristika

Dijagram regulisanja brzine prenosnikom momenta (karakteristika kostantnog momenta) dostize vrijednost 40:1, dok je dijapazon regulisanja prenosnika snage u opsegu 4: 1. Zajednicki dijapazon regulisanja brzine prenosnika servopumpa-servomotor dostize u izvjesnim slucajevima vrijednost l 000: 1.

6.2. Regulacija brzinc pncumatskih

pogona

183

6.2. REGULACIJABRZINE PNEUMATSKIHPOGONA Upravljanje i regulacija pneumatskih motora vrsi se, kao i kod hidraulicnih motora preko pritiska odnosno preko protoka. Promjena pritiska se vrsi preko regulatora pritiska (reducir ventil). Pomocu normalnih (pogonskih) ventila, pritisak se Iako regulise u podrucju 1 : 5 do I : 10. Regulator pritiska redukuje ulazni pritisak odrzavajuci na svom izlazu namjestenu vrijednost. u stvari, regulator pritiska je prigusnik automatskog dejstva, cija je velicina otpora (pad pritiska) jednaka razlici ulaznog pritiska i referentnog pritiska, Pomocu regulatora protoka, podesava se protok a time i brzina pneumatskih motora. Podesavanje moze da se vrsi u rasponu 1: 100. Samo prigusenje se izvodi promjenom presjeka fluidne struje, pri cemu se pad pritiska na prigusivacu odrzava kon-

stantnim. 6.2.1. Translatorni pneumatski motori Translatorni motori u pneumatskim sistemima najcesce obavljaju predvideni program operacija. Program operacija moze biti dirigovan pomjerajem (put) ili vremenom, otuda se govori o sistemima zavisnim od puta, i sistemima zavisnim od vremena. Inicirani slijed operacija se izvodi preko logiekog uredaja baziranog na pneumatskim logickim elementima. Na slici 6.9 prikazan je sistem upravljanja zavisan od puta, dat relacijom C+D+C-D-, gdje su Ci D cilindri. Sa C+ i D+ naznacena su kretanja klipnjaca udesno (+x osa), a sa C- i D- kretanja klipnjaca u1ijevo (-x osa). Prihvaceno je da se elementi sistema predstavljaju u nultom (pocetnom) polozaju. U ovom smislu glavni razvodnici (memorijski razvodnici MRl, MR2) treba da se nalaze u stabilnim stanjima koja osiguravaju nulti polozaj. Glavni razvodnici se prebacuju u odgovarajuca stabilna stanja zavrsnom operacijom programa u kojoj dolazi do aktiviranja prekidaca Co i do.

c

s start Stika 6.9. Blok-sema pneumatskog sistema sa automatskim upravljanjem zavisnim od puta

Pritiskom na start tipkalo S, vazduh preko krajnjeg prekidaca d0 i start tipkala S kao signal S1 sa logickim stanjem 1, prebacuje memorijski razvodnik MRl u dru-

184

6. Sistcmi rcgulacijc motomih pogona

go stabilno stanje inicirajuci C+ pomjeraj (izvlacenje klipnjace). Izvlacenjem klipnjace, ispada krajnji prekidac c0 cime signal S0 pada na nulu, ali razvodnik MR2 zadrzava svoje stanje. Klipnjaca se pomjera, se prebacuje u stanje 0, sto nema nikakvog efekta po stanje sistema. Kada klipnjaca dostigne krajnji desni polozaj, aktivira se prekidac d., koji ulazni signal S0 memorijskog razvodnika MRl prebaci u stanje 1, uslijed cega dolazi do promjene stanja MRl, sto ima za posljedicu uvlacenje klipnjace cilindra C-. Kod punog uvlacenja klipnjace dolazi do aktiviranja prekidaca c0• Razvodnik c0 prebacuje signal S0 memorijskog razvodnika MR2 inicirajuci uvlacenje klipnjace cilindra D. Uvlacenjem klipnjace cilindra D, deaktivira se krajnji prekidac d., pa se signal S0 razvodnika MR1 prebacuje u stanje 0, sto nema uticaja na stanje razvodnika, ali se time pripremaju uslovi za novo startovanje programa. Dostizanjem krajnjeg polozaja klipnjace D-, aktivira se krajnji prekidac d0, koji na start tipkalo dovede signal visokog pritiska stvarajuci uslove za novo startovanje programa, Sistem ostaje u ovom stanju do ponovnog pritiska start tipkala S. Drugi nacin upravljanja se bazira na vremenu odnosno na upotrebi pneumatskih vremenskih releja. Pneumatski vremenski relej moze da se rijesi sa prigusnim nepovratnim ventilom i razvodnikom 3/2. Prigusnik je podesiv i sa njim se postavlja vrijeme kasnjenja kod ukljucenja razvodnika 3/2. Na slici 6.10 je prikazan nacin ukljucenja dvosmjernog cilindra. Samo ukljucenje se vrsi preko memorijskog razvodnika (glavni razvodnik) 4/2. Memorijski razvodnik posjeduje dva stabilna stanja.

z ~_,.....,.~--1-';B y

A~~~=

~~~~~~~A__________

-------w--~-~---~,

._

MR p R

Slika 6.10.

Nacin ukljucenja dvosmjernog cilindra

Neka je cilindar iskljucen u stanju prikazanom na slici. Ponovnim ukljucenjem vazduha, shodno stanju memorijskog razvodnika, klipnjaca cilindra ce napraviti dodatni hod udesno, a istovremeno ce vremenski relej VRl poceti da odraduje namjesteno vrijeme, Ukljucenjem releja VRl, dolazi do prebacivanja memorijskog razvodnika MR u drugo stabilno stanje. Prebacivanjem MR u drugo stabilno stanje, dolazi do otpustanja VRl i istovremeno pocinje proces .zatezanja'' VR2. Vremenska konstanta releja VR2 moze biti ista ili razlicita od VRL Izborom konstanti, moguce je ostvariti vise rjesenja: razlicito cekanje klipnjace u krajnjim polozajima, razlicit hod u

6.2. Rcgulacija brzinc pneumatskih

pogona

185

odnosu na sredinu cilindra , ,,oscilovanje" oko neke tacke u cilindru itd. Na ovoj bazi su realizovani tzv. oscilirajuci cilindri (linearni pneumatski motori, zakretni motori, vibracioni mehanizmi itd.) Za realizaciju slozenih sistema upravljanja vise cilindara postoji vise matematickih i inzinjerskih metoda. Razvijeni su pneumatski Iogicki moduli, analogno elektronskim modulima, tako da se rjesavanje slozenih sistema izvodi na kombinovanju ovih modula, uz primjenu metoda minimizacije, baziranih na Bulovoj (Boole) algebri. Veci broj firmi (FESTO, WESTINGHOUSE ... ) posjeduju sopstvene modulame sisteme, pomocu kojih se mogu rjesiti prakticno svi slozeni sistemi upravljanja i regulacije u zavisnosti od puta i vremena. 6.2.2. Obrtni pneumatski motori Svaka familija motora pomenuta u tacki 5.2.2.2 posjeduje svoje specificnosti, Izrazene razlike postoje izmedu mehanickih karakteristika neregulisanog i regulisanog pneumatskog motora. Na slici 6.1 la prikazana je karakteristika neregulisanog motora. Maksimalna brzina kod neregulisanog pneumatskog motora n, se postize u praznom hodu. Opadanjem brzine, obrtni momenat motora linearno raste. Momenat pokretanja je razlicit i poprima vrijednosti od M ;n do M.nax· Posto je snaga motora jednaka proizvodu momenta i brzine, to ona posjeduje parabolican oblik sa maksimumom u n = n/2. Karakteristika regulisanog pneumatskog motora je prikazana na slici 6.llb. Karakteristicno je da je brzina u praznom hodu bliska brzini pri maksimalnoj snazi i da u tom podrucju karakteristika momenta strmo raste, da bi, sa opadanjem brzine, momenat rastao znatno sporije. 111

M,P

M,P

n/2

n a)

b)

Slika 6.1 l. Mehanicke karakteristike pneumatskog motora a) karakteristike neregulisanog motora b) karakteristike regulisanog motora M - obrtni momenat, P - snaga

Pneumatski motori posjeduju dobre karakteristike regulisanja obrtnog momenta i brzine, Tako se, kako je ranije navedeno, regulacijom pritiska djeluje na obrtni momenat, a regulacijom protoka na brzinu motora. Servoregulacija pneumatskih motora (klipno-aksijalni, lamelni) vrsi se, zakretanjem rotora ili promjenom ekscentriciteta, analogno regulaciji hidraulicnih motora. Pneumatski motori SU veoma OS-

6. Sistemi rcgulacijc motornih pogona

186

jetljivi na promjene opterecenja. Promjena opterecenja uslovljava promjenu brzine (slika 6.12a). Kod nekih radnih masina ova zavisnost je pozeljna, dok je kod drugih nepozeljna, Na slici 6.12b prikazano je jednostavno rjesenje regulacije brzine, koje je ostvareno pomocu centrifugalnog regulatora. Smanjenje opterecenja je praceno povecanjem brzine, u kom slucaju centrifugalni regulator razvlacenjem tegova nadmasuje silu opruge zatvarajuci dovod vazduha i, obmuto, povecanjem opterecenja dolazi do smanjenja brzine, kada sila opruge nadvisi centrifugalnu silu otvarajuci veci dovod vazduha.

M

,. I

n,

a)

11.n

~·n2 I

n b)

Slika 6.12. Kompenzacija promjena opterecenja pneumatskog motora a) karakteristika opterecenja b) regulacija brzine pomocu centrifugalnog regulatora

6.3. REGULACIJA BRZINE ELEKTROMOTORNIH POGONA Kod razrnatranja sistema upravljanja elektromotomih pogona, najveca paznja je bila posvecena postupcima upravljanja brzine, pri cemu povratna sprega nije postojala ili je njenu funkciju obavljao operator (covjek), Operator je promjenu brzine klizno-kolutnog motora vrsio dodavanjem otpora u kolo rotora, a promjenu brzine jednosmjernog motora na slican nacin dodavanjem otpora u kola rotora ili promjenom struje pobude itd. Problem brzine su diktirali radna masina sa svojim zahtjevom za odgovarajucim momentom i ekonomika mreze u teznji za odrzanjem konstantne snage. Ova dva zahtjeva su trebali da zadovolje upravljacki sistemi, a na osnovu njih su definisana dva osnovna postupka regulacije brzine: regulacija brzine pri stalnom momentu i regulacija brzine pri stalnoj snazi. Regulacija brzine pri stalnom opterecenju karakteristicna je za elektricnu vucu. Momenat je konstantan (6.1) M= const, tako da je (6.2) P=aMn=kn. Vidi se da kod konstantnog momenta snaga raste linearno sa brzinom. Drugi postupak regulacije brzine je onaj koji se primjenjuje pri konstantnoj snazi P =

6.3. Rcgulacija brzine clcktromotornih

pogona

187

"" const. Ovaj postupak odgovara ekonomicnom koriscenju masina i rasiren je u industriji. lz izraza za snagu P = aMn, mote se postaviti relacija

M= .!_= an

t:n

(6.3)

Odavde se vidi da se momenat mijenja obmuto proporcionalno brzini, odnosno da je momenat hiperbolicna funkcija brzine. M

1l ----~----------

U., i---"------?

____ 1

t,

_

p n

a)

n b)

n c)

S lika 6 .13. Regulacione karakteristike brzine a) regulacija brzine pri stalnom momentu b) regulacija brzine pri stalnoj snazi c) regulacija brzine pri stalnom momentu i pri stalnoj snazi M - momenat motora, P- snaga motora, I - armaturna struja motors, f,, - pobudna struja, U" - armaturni napon, n - brzina motora

Postoji i treci postupak regulacije brzine koji pretpostavlja kombinaciju prva dva. Kod ovog tipa regulacije do nominalne brzine primjenjuje se regulacija brzine pri stalnom momentu, da bi se iznad nominalne brzine vrsila regulacija brzine pri stalnoj snazi, . Postupci regulacije po karakteristikama konstantnog momenta i konstantne snage su obradeni kod hidrostatickih prenosnika snage. Sistem sa konstantnim momentom je realizovan sa prenosnikom snage servopumpa-rnotor, sistem konstantne snage sa prenosnikom pumpa-servomotor i sistem sa karakteristikom konstantni momenat-konstantna snaga sa prenosnikom servopumpa-servomotor, Kod opisa rada hidrostatickih prenosnika snage pomenuta je analogija ovih sistema sa Vard-Leonardovim sistemom elektromotornih pogona. Na slici 6.14 je data blok-sema otvorenog sistema sa Vard-Leonardovom grupom. Vard-Leonardovov pogon se sastoji iz glavnog pogonskog motora AM (asinhroni motor ili SUS motor), jednosmjemog generatora G i jednosmjernog motora M. Pomocu transformatora T i ispravljaca I formiraju se jednosmjerni naponi upravljanja i napajanja pobuda generatora i motora. Ranije je u ove svrhe koriscen jednosmjerni generator - budilica. Nezavisna pobuda generatora je vezana na potenciometar sa dvostrukim klizacem, koji je spregnut sa posebnim mehanizmom za promjenu brzine i smjera rotacije. U iskljucenom stanju napon izmedu klizaca je jednak nuli. Pomjeranjem upravljackog tocka u jednu stranu, definisu se smjer rotacije i vrijednost napona generatora kojim se napaja jednosmjerni motor. Regulacija brzine od nule do nominalne vrijednosti ostvaruje se porastom napona generatora i vrs! se pri stalnom momentu. Kocenje se ostvaruje automatski smanjivanjem pobude. Sma-

6. Sistemi regulacijc motornih pogona

188

njenjem pobude, motor se prebacuje u generatorski rezim i direktno koci, Ako se promijeni smjer pobude, onda ce se rezimom kocenja smanjiti brzina na nulu, da bi, prolazeci kroz nulu, poprimila drugi smjer i vrijednost prema namjestenoj pobudi.

RADNA MAS INA

Rs~---T~-----

T Pl I

'

.; Q

'

naprijed

(:-} ~

smanjenje pobude

stop

Slika 6.14. Blok-sema elektromotornog pogona sa Vard-Leonardovom grupom

Regulacija brzine iznad nominalne ostvaruje se slabljenjem pobude motora, Slabljenjem pobude motora, momenat motora opada, a snaga zadrzava konstantnu vrijednost. Slabljenje se izvodi pomocu potenciometra P2• Na brodovima starije konstrukcije jos uvijek se srijecu pogoni sa Vard-Leonardovom grupom, Jedno vrijeme su na trzistu bili prisutni zatvoreni sistemi sa VardLeonardovom grupom (slika 6.15). Kod zatvorenih sistema se pomocu potenciometra n1r.r postavljala brzina od nule do nominalne brzine (rezim povecanja napona generatora, rezim konstantnog momenta), da bi se po dostizanju nominalne brzine pomocu drugog potenciometra ll2ref postavio nivo brzine iznad nomina!ne (rezim slabljenja pobude motora, rezim konstantne snage).

n2ror--..\>CH

RS

REGULATOR POBUDE

==fM\ __

RADNA MASIN A

T~--

Stika 6.15. Regulacioni sistem sa VL grupom

6.3. Rcgulacija brzinc elcktromotornih

pogona

189

I pored izuzetnih regulacionih karakteristika (cetvorokvadrantni rezim reda) Vard-Leonardov sistem je prevaziden i zamijenjen regulatorima na bazi energetske elektronike. Poluprovodnicki regulatori posjeduju odredene prednosti, medu kojima su: jednostavnija montaza (manje fundamenata), smanjena tezina, smanjena zapremina, smanjena potrosnja elektricne energije, smanjeni troskovi odrzavanja, neogranicen vijek trajanja, povecana brzina reagovanja itd. Razvoj poluprovodnicke elektronike (energetska elektronika, mikroprocesorska elektronika), bio je poslednjih godina take dinamican da se trenutno na trzistu nalaze cetiri generacije tehnoloskih proizvoda za upravljane brzine emp (slika 6.16). regulacija brzine

regulacija momenta

@

modulator

I I

TO

a) regulacija brzine

®

b)

regulacija momenta

modulator

®

regulacija brzine

regulacija momenta

'

c)

I I

I I I

TG

(§ d)

Slika 6.16. Savremene metode regulacije brzine emp a) jednosmjerni pogon sa tiristorskirn upravljanjem b) naizmjenicni pogon sa PWM upravljanjem c) vektorski upravljani naizmjenicni pogon d) naizrnjenicni pogon sa direktnim upravljanjem momenta

Kod jednosmjernih pogona dobra regulacija momenta se zasniva na odvojenoj regulaciji pobude (fluksa) i armaturne struje (momenat). Tacna brzina se obezbjeduje pomocu brzinske povratne sprege. Regulacija je jednostavna i pouzdana, samo sto je jednosmjerni motor konstrukciono slozeniji, Sa komponentama podloznim habanju, te stoga manje pouzdan od naizmjenicnog, Frekventni regulatori asinhronih pogona SU sirinsko-impulsno modulisani invertori (engl. PWM- pulse width modulation). Brzina i momenat se upravljaju variranjem frekvencije i napona. Vektorsko upravljanje VVC (engl. Voltage Vector Controls se bazira na dinamickom modelu motora kojim se formiraju velicine magnetne struje (struja analogna struji pobude jednosmjernih motora) i radne struje (struja analogna armaturnoj struji jednosmjernih motora). Nezavisna regulacija ovih struja ornogucila je da se asinhroni motor pretvori u visoko-kvalitetni dinamicki servopogon. Kod direktnog momentnog upravljanja DTC (engl. Direct Torque Control) posebnu ulogu vrsi adaptivni model motora, formiran na bazi stvarne struje i napona. Ovaj model proizvodi statorski i rotorski fluks na bazi kojih se formira stvarna vrijednost momenta.

190

6. Sistcrni rcgulacijc motornih pogona

6.3.1. Tiristorski regulatori brzine jednosmjernihmotora Umjesto jednosmjeme mreze sa fiksnim naponom napajanja, tiristorske jedinice, prikljucene na naizmjenicnu mrezu, omogucuju autonomno napajanje jednosmjernih motora zeljenim nivoom napona. Ta autonomnost napajanja se bazira na kontrolisanom ispravljanju naizmjenicnog napona (monofazna, trofazna mreza) pomocu regulatora, a u skladu sa potrebama pogona za odgovarajucom brzinom odnosno momentom. Na osnovu relacije brzine jednosmjernih motora n=U-Af /cl

~~ '

o kojoj su data sira objasnjenja u tacki 5.3.1, pokazano je da se upravljackim sredstvima brzina uspjesno mijenja: - promjenom napona napajanja izvora (promjena U), - promjenom struje pobude (promjena ) i - promjenom otpora u krugu armature R (dodavanjem otpora Ri1), ali da su sve te promjene skopcane sa vise razlicitih problema, ukljucujuci i izrazenu potrosnju energije u prvom i trecem slucaju, U tacki 4.3.4.2 obradeno je vise tiristorskih jedinica cije funkcionisanje omogucuje efikasnije iskoriscavanje relacije (6.4). Tako se faznim upravljanjem mogujednostavno mijenjati kako napon napajanja Utako ipobuda . Shodno navedenom, danas se uglavnom koriste jednosmjerni motori sa nezavisnom pobudom (nezavisni krugovi napajanja armature i pobude). Regulacija brzine ovih motora se vrsi prema dijagramima datim na slici 6.13. Tako se povecanje brzine od nule do nominalne brzine vrsi povecanjem armaturnog napona uz konstantnu vrijednost momenta, a povecanje brzine iznad nominalne brzine slabljenjem struje pobude po karakteristici konstantne snage. Osnovni kvalitet tiristorskih regulatora jednosmjernih motora se sastoji u odvojenom djelovanju na pogon, preko kruga armature i preko kruga pobude. U dosadasnjem izlaganju se govorilo o regulaciji jedne promjenjive pa je regulacioni krug posjedovao samo jednu regulacionu petlju. Obicno su procesi znatno slozeniji, tako da dobra regulacija podrazumijeva vise petlji. U slucaju elektromotornog pogona (brzinski servomehanizmi), postoje dvije regulisane velicine karakteristicne za radnu masinu: brzina i momenat. Regulacija ovih velicina se najcesce vrsi pomocu dvije slozene strukture, poznate pod imenima: paralelni regulator i kaskadni regulator, tako da se govori o paralelnoj i kaskadnoj regulaciji. Paralelni regulator se sastoji od dvije povratne sprege spojene preko OR kola (ILI prekidacko kolo, slika 6.17). U normalnim uslovima brzinski regulator vodi proces. Kada dode do preopterecenja, vodenje preuzima strujni (momentni) regulator, da bi, po savladivanju opterecenja, vodenje ponovo preuzeo brzinski regulator. Kaskadna sema (slika 6.18) posjeduje dvije povratne sprege: unutrasnju (strujna Hi momentna sprega) i spoljasnju (brzinska sprega) i dva regulatora: regulator brzine i regulator struje. Brzinski regulator igra funkciju nadredenog regulatora. On konstatuje poremecaj brzine i na osnovu raztike definise referentnu vrijednost strujnog (podredenog) regulatora. U opstem slucaju, optimalno podesavanje tiristorskog

6.3. Rcgulacija brzinc clcktromotornih

pogona

191

regulatora je veoma slozeno. Ako su npr. oba regulatora (brzinski i strujni) PI tipa, postoje cetiri stepena slobode, tako da bi podesavanje bilo nemoguce bez primjene raeunara. Podesavanje se obicno vrsi pribliznim metodama, pri cemu je potrebno REGUL. PETLJA MOMENTA

REGULATOR STRUJE

OR

+ REGULATOR BRZ!NE

REGUL. PETLJA BRZINE

Slika 6.17. Blok-serna paralelnog regulatora

poznavati strukturu smetnji. U slucaju brzinskih elektromotornih pogona postoji izrazena razlika u inerciji kontura strujnog i brzinskog regulatora. Strujna kontura je znatno brza, tako da strujni regulator najcesce eliminise poremecaj prije nego sto se ovaj pojavi u brzinskoj sprezi.

REGULATOR BRZ!NE

REGULATOR ,_ __ .

STRUJE

BRZ!NSKA PETLJA

'---------------i

TG

REDUKTOR ..-----....., RADNA :.::Q::: MASIN A

Slika 6.18. Blok-sema kaskadne regulacione sprege

Ovim je omoguceno odvojeno optimiranje parametara strujnog i brzinskog regulatora. U blok-semi kaskadne regulacije (slika 6.18) informacija stvarne brzine ns1 je dobijena preko jednosmjemog tahogeneratora. Informacija stvarne struje Is, je dobijena pomocu davaca struje sa galvanskom izolacijom (sant sa galvanskom izolacijom, Holova sonda isl.) da bi se prilagodenje na odgovarajuci naponski nivo ostvarilo pomocu razdjelnika napona Hi na neki drugi nacin (pretvarac DC/DC).

6.3.l.1. Monofazni tlristorski regulatori Jednosmjerni elektromotorni pogoni malih snaga podrazumijevaju pogone do 10 kW kada je u pitanju mreza 220 V, 50 Hz odnosno 15 kW kod mreze 380 V. To

192

6. Sistemi rcgulacijc motornih pogona

su pogoni ciji energetski dio moze da se rijesi energetskim mostnim ispravljacem ili posebnim tiristorskim modulima. Tiristorski moduli su integrisane konfiguracije poluprovodnika snage (tiristor + tiristor, tiristor + dioda i slicno) opremljene mini hladnjakom, koji je galvanski odvojen od energetskog cipa, ali je termicki zadovoljavajuce dobro spregnut sa cipom, tako da se moze dodirivati, a radi odvodenja toplote montirati na rebraste hladnjake koji obicno predstavljaju zadnju stranicu tiristorskog regulatora. Monofazni tiristorski regulatori (MTR-2) Tiristorski regulatori MTR-2 su predvideni za kontinualno podesavanje brzine jednosmjernih motora malih snaga sa nezavisnom pobudom. Napajaju se direktno iz monofazne mreze 220 V odnosno 380 V, a predvideni su za jednokvadratni rezim rada. Obicno se realizuju u kompakt izvedbi sa jednom stampanom karticom i diedno-tiristorskim mostom (poluupravljivi most armature), koji je smjesten na zadnjoj stranici modula. Regulacija je kaskadnog tipa. Kaskadu formiraju nadredeni brzinski regulator i podredeni strujni regulator. Na slici 6.19 prikazane su dvije brzinske povratne sprege: tahogeneratorska (puna linija) i armaturno-naponska (isprekidana linija). Tahogeneratorska sprega obezbjeduje znatno vedu tacnost brzine a time i kvalitetniju regulaciju. Armaturni napon se uzima sa rotora i shodno relaciji (5.44) srazmjeran je brzini motora. Kod koriscenja armaturne sprege, potrebno je obezbijediti odgovarajucu galvansku izolaciju. Ponekad se ,,galvanska" izolacija ostvaruje pomocu diferencijalnog pojacavaca sa velikim ulaznim otpornicima (dozvoijeno prema VDE normama). Pored obrtnih potenciometara, za podesavanje parametara ponasanja regulatora (nisu prikazani na slici) predvideni su potenciometri za ogranicenje maksimalne struje ('111~,) i granicnih uglova faznog upravljanja (a111;m CXm~x). R

0

LI

8

Slika 6.19. Monofazni tiristorski regulator l - regulator brzine, 2 - regulator struje, 3 - generator okidnih impulsa, 4 - diodno-tiristorski most, 5 - pretvarac struje , 6 - pretvarac napona, 7 - senzor struje, 8 - ispravljac pobude

6.3. Rcgulacija brzinc clektromotornih pogona

193

Na slici 6.20 prikazani su polutalasni ispravljacki most, talasni oblici napona i upravljacka karakteristika mosta. Pokazano je da se faznim pomjeranjem ugla okidanja tiristora mijenja vrijeme provodenja a time i srednja vrijednost armaturnog napona, Pomocu ovog mosta regulacija se maze vrsiti u cijelom opsegu od 0° do I 80°. Pomocu trimer potenciometara (a.111;,,, Ci.mnx) vrsi se ogranicenje stvarnog opsega u korne je moguce okidanje tiristora.

0,5

,, ' ... _,,. /

I

I I

I\

t \ I\ I

I I \

I \

-,

... _ .... "

I \

90°

I \ \

' ,_,

I

, c)

b)

a)

rso-

I

Slika 6.20. Monofazni tiristorski regulator MTR-2 a) energetsko kolo b) armaturni napon c) upravljacka karakteristika

Monofazni tiristorski regulator MTR-4 Tiristorski regulatori sa cetiri tiristora u mostu, predvideni su za kontinuirano podesavanje brzine jednosmjernih rnotora malih snaga sa nezavisnom pobudom. R

S(O)

[>

'· . n,lI \\ -/mns. /mri."' I

i

: :

i ~-----"'~~------------------ -,_____

V=

------------------------------

--·--,.c~:::~::

_

Slika 6.21. Monofazni tiristorski regulator MTR-4 I - regulator brzine, 2 - regulator struje, 3 - generator okidnih impulsa, 4 - tirirstorski most, 5 - mjerni pretvarac struje, 6 - mjerni pretvarac armatumog napona, 7 - Holova sonda, 8 - diodni most pobude

6. Sistemi rcgulacije rnotornih pogona

194

Napajaju se direktno iz monofazne mreze 220V odnosno 380V i predvideni su za dvokvadratni rezim rada. Dodatkom posebnog modula, moze se obezbijediti cetvorokvadratni rezim rada. Realizuju se obicno u kompakt izvedbi sa jednom stampanom karticom i tiristoriskim modulima (punoupravljivi most) montiranim na hladnjaku koji istovremeno predstavlja zadnju stranicu kucista uredaja, Primijenjena je kaskadna regulacija sa nadredenim brzinskim regulatorom i podredenim strujnim regulatorom. Predvidene su mogucnosti tahogeneratorske regulacije i naponsko-armaturne regulacije. Pomocu viseobrtnih trimer potenciometara postavljaju se granicne vrijednosti struja (-Imax1' +1maxi), ponasanje regulatora i granicni uglovi faznog upravljanja ( poslije cega ostaje da djeluje samo signal stvarne brzine n51, uslijed cega je U - E 0, sto ima za posledicu intezivno kocenje pogona. Posto se radi o pogonu sa nezavisnom pobudom, pretpostavljeno je da je pobuda ostala konstantna.

<

0,5

cot

a)

b)

c)

Slika 6.22. Monofazni tiristorski regulator MTR-4 a) energetski dio b) armaturni napon c) upravljacka karakreristika

6.3.1.2. Trofazni tiristorski regulatori Trofazni tiristorski regulatori su predvideni za kontinualno podesavanje brzine elektromotornih pogona srednjih i velikih snaga. Napajaju se direktno iz mreze. Diodno-tiristorski mostovi su predvideni za jednokvadratni rezim rada, a tiristorski (punoupravljivi) za dvokvadratni rezim rada. Kod pogona srednje snage, visekvad-

6.3. Rcgulacija brzine eloktromotornih

pogona

195

ratni rezim rada se obezbjeduje promjenom smjera armaturne struje ili promjenom smjera pobudne struje. Visekvadratni rezim rada pogona velikih snaga se ostvaruje pomocu dva antiparalelno spregnuta trofazna punoupravljiva mosta. Blok-sema trofaznog tiristorskog mosta sa kaskadnom strukturom je prikazana na slici 6.23. Pomocu potenciometra P postavlja se referentna brzina. Stvarna brzina uzeta sa tahogeneratora, poslije odgovarajuce abrade, poredi se sa referentnom brzinom, da bi se pomocu PI regulatora formirala referentna vrijednost struje. Stvarna vrijednost struje uzeta pomocu Holove sonde, poslije odgovarajuce abrade, poredi se sa referentnom vrijednoscu struje i pomocu PI regulatora formira upravljacki signal generatora okidnih impulsa. Ponekad je jednosmjernu struju motora potrebno filtrirati, tako da se u armaturno kolo ugraduje prigusnica za gladenje La. Radi bolje komutacije tiristora, u njegov napojni dio se ugraduju komutacione

prigusnice i; RST

Slik•~: sl~-iem• trofaznogtiristorskog regulatora

Optimiranje kaskadnog regulatora zavisi od vise faktora. Dobro je poci od osnovne funkcije da regulator obavlja ili funkciju automatske stabilizacije ili funkciju slijedne regulacije. Kod optimiranja znacajno pomaze cinjenica da je unutrasnji krug (strujni regulator) znatno brzi od spoljasnjeg (brzinskog regulatora), i u tom smislu postoje empirijski odnosi. Najbolje je kod optimiranja slijediti uputstva proizvodaca tehnoloske opreme (radna masina),

Reverziranjejednosmjemib pogona Regulaciona oprerna, za razliku od upravljacke, obezbjeduje znatno finiji proces reverziranja, uz upotrebu manjeg broja komponenata, uz manja dinamicka naprezanja i manju disipaciju energije, Na slici 6.24 prikazano je reverziranje ostvare-

6. Sistemi rcgulacijc motornih pogona

196

no promjenom smjera armatume struje. Kod reverziranja posebnu funkciju igraju potenciometar referentne brzine i generator rampe, Potenciometrom se, shodno spoju, mogu postavljati pozitivne i negativne referentne vrijednosti brzine. Generator rampe predstavlja kolo koje generise linearni napon brzine sa unaprijed postavljenim gradijentom, nezavisno od nivoa i brzine pomjeranja potenciometra. Linearni rast se povecava dok se ne dostigne referenca postavljena potenciometrorn, Ovo kolo se cesto naziva kolo ubrzanja/usporenja, odnosno kolo akceleracije/deakcelera-

cije, Promjena smjera pomocu potenciometra P inicira linearno smanjivanje napona generatora rampe. Motor lagano (generatorski) koci i kada dostigne nulu upravljacka logika ostvari prebacivanje smjera armaturne struje. Obicno se neposredno prije prebacivanja blokiraju okidni impulsi tiristora, tako da se prebacivanje izvrsi u beznaponskom stanju.

RST

/-REG

+

-

GEN.

RAMPE

Slika 6.24. Reverziranje promjenom smjera armaturne struje

Regulacija brzine povecanjem napona i slabljenjem pobude Osnovna relacija brzine jednosmjernih motora (6.4) omogucuje prosirenje opsega regulacije brzine, tako da se u osnovnom podrucju, uz konstantan mornenat, povecanjem napona vrsi povecanje brzine, da bi se u produzetku, uz konstantnu snagu, slabljenjem pobudne struje, vrsilo dalje povecanje brzine. Odnosi osnovnih velicina prikazani su na slici 6.13c. Na slici 6.25 prikazana je blok-sema zajednickog sistema.

6.3. Rcgulacija brzine clcktromotomih pogona

n-REG

I-REG .

~[ltl1:1 • t:. GEN. R~MPE

_

y

GOJ ~

'---------------1®----- ------,, REGULATOR ARMATURNOG NAPONA

~v-:)!.

197

-

L...

REGULATOR STRUJE

GOI

i\...

R 0 Slika 6.25. Blok-sema sistema za povecanje brzine pogona slabljenjem pobude

Pomocu potenciometra referentne brzine povecava se annaturni napon u osnovnorn podrucju regulacije (karakteristika konstantnog momenta). Kad stvarna vrijednost armaturnog napona premasi referentnu vrijednost armaturnog napona,
6. Sistcmi rcgulacijc motornih pogona

198

ukljucivanjem otpornika u kolo rotora, serijskim vezivanjem rotora i slabljenjem pobudne struje, Primjenom tiristora mogu se izbjeci izrazena dinamicka naprezanja pogona a posebno gubici energije na otporima. U tacki 4.3.4.2 je ukazano na mogucnost mijenjanja srednje vrijednosti napona na potrosacu promjenom vremena ukljucenja serijskog tiristora. Principijelna sema, prikazana na slici 6.26, predstavlja impulsni pretvarac jednosmjernog napona (engl. chopper). Coper formiraju: serijski (glavni) tiristor Ti, pornocni tiristori TrT3, dioda D2, kondenzator C i prigucnice L2-L3• Startovanj e se inicira okidanjem tiristora T2, poslij e cega zapocinje proces punjenja kondenzatora C, ostvaren preko motora. Kada punjenjem kondenzatora struja punjenja padne ispod struje drzanja tiristora, tiristor se iskljucuje, Ako se sada okine glavni tiristor Ti, onda ce doci.do direktnog ukljucenja motora na izvor. Istovremeno sa okidanjem glavnog tiristora, okida se i pomocni tiristor T3, cime zapocinje proces praznjenja a po praznjenju i proces punjenja kondenzatora C, preko L3. Nakon vremena tc)N (trajanje ukljucenja), kad struju izvora treba prekinuti, ponovo se okine pomocni tiristor T 2• Po prelazu struje tiristora T1 kroz nulu, ostane na njemu kondenzatorski napon kao negativni napon, tako da se tiristor Ti inverzno polarise. Kod toga se kondenzator prepolarise (isprazni i napuni) preko motora i kola D2-L2• Kada je kondenzator ponovo napunjen na napon izvora, prekida se dotok struje izvora, pa struja motora teee preko nul-diode D1. Ovo je period toFF tiristora Ti· Interval provodenja glavnog tiristora t0N je definisan trenucirna okidanja tiristora T1 i T2, a interval neprovodenja t0FF trenucima okidanja tiristora T2 i T1•

~ c

_L4L -----f ----

___ - - --- J_ --- -· o:

u

t

~

t,,, f+-: -.j lnN+lovF~

a)

t

b)

Slika 6.26. lmpulsni pretvarae jednosmjernog napona a) strujna sema upravljackog dijela pretvaraca b) dijagrami promjene napona i struje

Srednja vrijednost napona na motoru se moze izraziti relacijom

"; = ,,

{ON tON

+ tOfF

u.

(6.5)

Kake je induktivnost serijskih motora velika, to je kod korektno odabranih intervala toN i toFF talasnost struje malena (razlika izmedu maksimalne struje kod ,,punjenja" motora strujom izvora i minimalne kod .praznjenja" motora sopstvenom

6.3. Rcgulacija brzine elektrornotornih

pogona

199

strujom preko nul-diode), Srednja vrijednost struje je, analogno naponu, definisana odnosom e = t0N I (toN + t0FF). U slucaju kada je toFF >> toN, srednja struja ima malu vrijednost sa izrazenom talasnoscu, sto utice na oblik brzinske i mehanicke karakteristike. Momenat serijskog motora je, prema relaciji (5.48), srazmjeran sa kvadratom struje. Ako se smanji e smanji se i struja a time i momenat, sto odgovara ukljucenju predotpora kod klasicnog upravljanja jednosmjernim motorom. Copersko upravljanje je s gledista upravljanja identicno upravljanju sa predotporima, samo sto je znatno efikasnije s obzirom na gubitke energije na predotporima. Srednja vrijednost napona moze se regulisati na dva nacina: a) odrzavanjem konstantne vrijednosti t0,v, a mijenjanjem periode T, gdje je T = t0,v+ toFF kada se govori o frekventno-impulsnoj rnodulaciji, b) odrzavanjem konstantne periode T, a mijenjanjem intervala t0,y kada se govori 0 sirinsko-impulsnoj modulaciji. 6.3.2.1. Frekventno-impulsniregulatori Serna frekventno-impulsne regulacije je prikazana na slici 6.27. Tiristor Tpre-

Iazi u ON stanje dovodenjem okidnog impulsa, a iskljucuje se djelovanjem komutacionog kondenzatora Ck. Prije ukljucenja tiristora, kondenzator je bio napunjen na napon U. Dovodenjem okidnog impulsa na gejt tiristora, tiristor se ukljucuje i kroz armaturu motora pocinje da tece struja. Istovremeno dolazi do preraspodjele naelektrisanja u rezonantnoj konturi Ck- L,.

L I I I

D

~

:u I I

GOJ /-REG

<]

n-REG


Slika 6.27. Blok-sema frekventno-impulsnog regulatora

Po zavrsetku preraspodjele naelektrisanja, polaritet napona na krajevima kondenzatora se promijeni i na tiristoru se pojavi inverzni napon, sto prouzrokuje iskljucenje tiristora. Nakon toga se kondenzator prazni preko opterecenja i kolo je spremno za naredno ukljucenje tiristora. Vrijeme u toku kojeg se tiristor nalazi u stanju provodenja odredeno je vrijednoscu parametara rezonantne konture.

6. Sistcmi rcgulacijc motornih pogona

200

6.3.2.2. Sirinsko - impulsni regulatori Blok-sema sirinsko-impulsnog pretvaraca je prikazana na slici 6.28. Na impulsni pretvarac, preko filtera Lp- CF, dovodi se jednosmjerni napon U. Pretvarac u ovom slucaju ima dva tiristora: glavni Ti i pomocni T2• Opterecenje pretvaraca je motor jednosmjerne struje sa paralelnom pobudom i induktivitet velike induktivnosti L. Opterecenje je paralelovano nuldiodom D. Iskljucenje glavnog tiristora Ti ostvaruje se pomocu komutacionog kondenzatora CK, koji se, u zahtijevanom trenutku vremena, prikljucuje na tiristor T1 pomocu pomocnog tiristora T2•

L i l

i i

Tu I

D

L-0-------1---1------..-...r~·

I-REG

n-REG

<]

<]

Slika 6.28. Blok-sema sirinsko-impulsnog modulatora

Poslije iskljucenja tiristora T1, izvor napajanja puni komutacioni kondenzator preko tiristora T2 i armature motora, a poslije ponovnog ukljucenja tiristora Th vrsi se preraspodjela naelektrisanja kondenzatora CK preko kola koje sadrzi induktivitet Li i diodu Di. Na taj nacin kondenzator dobija polaritet potreban za naredno iskljucenje tiristora T1 itd. Kod motora vecih snaga, da bi se smanjio ulazni filtar i talasnost struje, prikljucuje se slozenija sprega sa tri identicna sistema vezana paralelno a sa sekvencijalnim procesom prekidanja, cime se obezbjeduje kako veca snaga tako i veca frekvencija odnosno manja talasnost napona. 6.3.3. Regulator] brzine asinhronihmotora U tacki 5.3.2 opisani su klasicni nacini upravljanja brzinom asinhronih motora, ostvareni prema relaciji n = 60 j(l -s)Ip (promjenom frekvencije, promjenom broja pari polova i promjenom klizanja). Poluprovodnicka elektronika ( energetska elektronika + mikroprocesorska elektronika) je omogucila usavrsavanje postupaka

6.3. Rcgulacija brzinc clcklromotornih

pogona

201

upravljanja brzinom asinhronih motora. Medu tim postupcima nalaze se regulacija naponom, frekventna regulacija, kaskadna regulacija i vektorska regulacija. 6.3.3.1. Naponom regulisani asinhroni motori Regulacija brzine naponom napajanja posjeduje odredene prednosti, a prije svega treba istaci jednostavnost, robusnost, nisku cijenu, duzi vijek trajanja mehanickog sklopa, lakse odrzavanje itd, Zbog povecanih gubitaka u rotoru ovaj nacin regulacije je primjenjiv na pogone malih snaga (pogoni sa blagim zaletom, ventilatorski pogoni, centrifugalne pumpe, pogoni namotaca, dizalicni pogoni itd.). Obicno se na ovaj nacin regulisu elektromotorni pogoni sa mornentom opterecenja proporcionalnim brzini obrtanja (transportne trake, motalice i sl, snage 0,5 + 15 kW), pogoni sa momentom opterecenja proporcionalnirn kvadratu brzine obrtanja (ventilatori, centrifugalne pumpe i dr., snage 0,5 + 15 kW). Na ovaj nacin se mogu regulisati pogoni sa kratkotrajnim i intermitiranim opterecenjem (dizalice, liftovi, snage 5 -i100 kW). Sa slike 6.29 se vidi ogra-

M,,, M,

nicenost ovog nacina regulacije

brzine. Tako standardni asinbroni motor, s obzirom na tvrdu momentnu karakteristiku i usko pod1vf, rucje izmedu nazivnog i prekretnog momenta, moze da se regulise u granicama od 80-98% nazivne brzine. Kod motora malih n, n. n snaga (motori ispod 2,2 kW) u Slika 6.29. Promjena brzine uslijed promjene napona otvorenom krugu moze se brzina obrtaja mijenjati u opsegu od 55% do 95% nazivne brzine. Izuzetak su ventilatorski pogoni i pogoni centrifugalnih pumpi cija se brzina obrtanja, u principu, moze podesavati od 0-100% nazivne brzine, Nazalost, pojava visih harmonika otezava jednostavnu realizaciju ovih sistema. Ipak je ovaj nacin regulacije siroko prihvacen tamo gdje instalacije Sa jednosmjernim pogonima iz raznih razloga ne mogu da se upotrebe. Na slici 6.30 prikazana je blok-sema ovog regulatora. Energetski dio cine tri para antiparalelno vezanih tiristora, prikljucenih na svaku fazu mreznog napajanja, Fazno upravljanje se vrsi pornocu generatora okidnih impulsa i pojacavaca impulsa. Referentna brziua se postavlja pomocu klizaca potenciometra P. Na bazi poredenja referentnog signala brzine i stvarnog signala brzine, PI regulator definise fazne uglove okidanja antiparaleJno vezanih tiristora. Generator okidnih impulsa posjeduje posebne generatore okidnih impulsa RST faza. Ovaj nacin regulacije je zastupljen kod ventilacionih i klirnatizacionih postrojenja, gdje se regulacijorn brzine grupe ventilatora ostvaruje brza ili sporija izrnjena vazduha u prostoriji. U ovom slucaju, pornocu jednog tiristorskog regulators, mole istovremeno da se napaja vise paralelno vezanih ventilatora. Osim sto se koristi za promjenu brzine, regulacija naponom obezbjeduje znacajne pogodnosti kod blagog pokretanja motora sa malim pocetnim opterecenjem 1•

6. Sistemi regulacije motornih pogona

202

(smanjenje strujnih udara pri pokretanju). Cesto se u ovom slucaju koriste, vec pomenuti, generatori rampe. R

s

T

___ .......

._

_

...

'' '

Slika 6.30. Blok-sema regulisanja brzine naponski upravljanog asinhronog kaveznog motora

Regulacija naponom posebno uspjesno ostvarena je na elektromorornim pogonima liftova pomocu tzv. TRAMD regulatora (tiristorski regulatori asinhronih motora dizala), cija je blok-sema prikazana na slici 6.31. R,S,T R

s

- - I I

,,,,

I

- If - - I

r-----------

... ~

RS a)

b)

Slika 6.3 l. Blok-sema tiristorskog regulatora asinhronog motora dizala a) blok-sema regulatora b) blok-sema energetskog dijela regulatora (motorni + kocioni namotaj)

T

6.3. Rcgulacija brzine elcktromotornih

203

pogona

Ovdje je klasicno upravljanje polnopreklopivog asinhronog motora zamijenjeno regulatorom. Polnopreklopivo upravljanje sa 4-polnim i 16-polnim namotajima je obezbjedivalo brzinu od 1,25 mis, s tim da je za velike brzine koristio 4-polni namotaj dok je Ie-polni namotaj koriscen kod kocenja pri usporavanju Iifta. Samo zaustavljanje ostvarivalo se mehanickorn kocnicom. Osnovni nedostatak ovog nacina upravljanja odnosio se na zavisnost brzine i ubrzanja od tereta i na veliku gresku kod pristajanja, Uvodenje regulacije brzine omogucilo je ostvarivanje vecih brzina pogona (2 mis) kao i odstranjivanje nekih drugih nedostataka, kao sto su: eliminacija uticaja dodatnih masa, smanjenje strujnih udara na mrezu pri pokretanju itd, Pomocu generatora reference generise se zeljena vrijednost brzine, Sa simboIom sume je naznacen uticaj ulaza spratova na generisanje reference. Pomocu PI regulatora se obezbjeduje fino pristajanje na stanicama (nulta tacka). Generator okidnih impulsa generise odgovarajuci fazni pomjeraj motomog i kocionog namotaja, pri cemu su u motornom radu blokirani tiristori kocionog dijela, i obrnuto. 6.3.3.2. Frekventno regulisaniasinhroni motori Rad asinhronog motora moze se okarakterisati na bazi cetiri osnovne velicine: napona napajanja statora U, frekvencije statoraj, struje statora Ii frekvencije rotora

.h· Poznato je da je momenat asinhronog motora
(6.6)

S druge strane fluks je direktno proporcionalan sa naponom a obrnuto proporcionalan sa frekvencijom

u

(6.7)

cl?= k.>«, ,f

dok je brzina direktno proporcionalna frekvenci (6.8)

n= k.f . M

0
M

U!f= const

n n, 11

a)

p

n

M =fin)

n;

n

b)

Slika 6.32. Frekventna regulacija brzine asinhronih motora a) mehanicke karakteristike asinhronih motora u zavisnosti od frekvencije iavora b) regulacija brzine pri konstantnom momentu i konstantnoj snazi

204

6. Sistcmi rcgulacijc motornih pogona

Familija karakteristika momenta u zavisnosti od broja obrtaja je prikazana na slici 6.32, pri cemu kriva 1 odgovara nominalnom naponu i nominalnoj frekvenciji. Vee je kod upravljanja pokazano (tacka 5.3.2) da nominalna karakteristika motora zbog malog polaznog momenta ne zadovoljava potrebe primjene radnih masina sa konstantnim momentom. Sa slike se vidi da bi se ti problemi mogli otkloniti familijom mehanickih karakteristika nizih frekvencija. Njima bi se obezbijedili zakoni upravljanja prikazani na slici 6.32b, a ranije prikazani na slici 6.l 3c. Svakoj od ovih karakteristika odgovarala bi jedna frekvencija, a svakoj frekvenciji jedan napon napajanja, tako da bude ispunjen uslov U/f = const, odnosno u ksf. (6.9)

=

Zamjenom u naprijed navedenim jednacinama, dobija se M= k,(l)

-

2

2 u2 = k,k, - . -.-, 1-

2

= k.k,

-

0

k/ /2 -.-,-= .1- const .

Ako se pretpostavi da se napon mijenja srazmjerno odnosu

(6.10)

J.r l.f

11

,

tj.

U = cJ.f If,, onda se momenat moze izraziti relacijama 2 u' 2 1 2 f M= k1k3 ~= k2k3 2- c -=

f

f

I;

1 k6• -= k;

f

n

(6 11) ·

i bice inverzno proporcionalan brzini, a snaga ce biti konstantna 1 P= kxMn = k8• k; -· n= const. (6.12) n Uredaji pomocu kojih se ostvaruje pretvaranje jednosmjerne struje u naizrnjenicnu struju potrebnog napona i frekvencije zovu se invertori. Invertovanje je proces suprotan ispravljanju. U odnosu na nacin upravljanja postoje dvije vrste invertora: mrezom upravljani invertori i nezavisni (autonomni) invertori. Mrezom upravljani invertori posjeduju konstantnu frekvenciju i krakteristicni su za regulaciju brzine uredaja kojirna se energija vraca u mrezu (generatorsko odnosno rekuperativno kocenje). Kod nezavisnih invertora frekvencija invertovane struje je odredena nivoorn upravljackog napona, Upravljacki signali se dobijaju iz posebnog takt generatora. Za komutaciju se u autonomnim invertorima koriste dopunski komutacioni elementi najcesce kondenzatori i prigusnice. Prema nacinu rada nezavisni invertori se dijele na naponske i strujne invertore. Na slici 6.33 prikazane su blok-seme naponskog i strujnog invertora. Kod naponskog invertora, paralelno sa izvorom jednosmjernog napona, vezan je kondenzator velike kapacitivnosti c, cime se postize da se izvor ponasa kao naponski generator, tj. pri radu invertora ulazni napon se prakticno ne mijenja. Pri vrlo velikim vrijednostima kapacitivnosti C i pri naizmjenicnom ukljucivanju parova tiristora, na opterecenju ce vladati napon pravougaonog oblika. Kod strujnih invertora na red sa izvorom jednosmjernog napona vezana je prigusnica velike induktivnosti L, take da se izvor napajanja ponasa kao srrujni generator, tj. pri radu invertora, ulazna struja se skoro ne mijenja. Strujni invertori obrazuju oblik struje u potrosacu, dok oblik i faza izlaznog napona zavise od karaktera op-

6.3. Rcgulacija brzinc clcktromotornih pogona

205

terecenja. Pri vrlo velikim induktivnostima Li naizmjenicnom ukljucenju parova tiristora, u potrosac ce ulaziti struja pravougaonog oblika, cija je frekvencija odredena frekvencijom upravljackih signala.

u

a)

b) Slika 6.33. Blok-serna invertora a) naponski invertor b) strujni invertor

Na slici 6.34 prikazana je blok-serna energetskog dijela invertora i talasni oblici napona sistema sa faznim pomjerajem. Energetsko kolo cine 6 tiristora sa prinudnom komutacijom i 6 dioda. Neparna grupa tiristora spaja namotaje motora na plus pol, a parna grupa tiristora na minus pol. Svaki par suprotnih tiristora sluzi da ciklicki veze tri kraja motora R1Si Ti sa pozitivnim polom A iii negativnim polom napojne mreze B. 120·

t

A

r:=

120·

1"'

1'1T

.1

T1T 6 ~~~......,-~~-'-~..,--~~,+·

+ U, ..'

h

T5•

, .....

t bmmzm

t

}77jI

II/ZIZZO , . 117//1/Zl/Z!J I I~ VZ?l/lll///71 I I,,.

hzznvi

t f

20(. ;;;} · o ___

t

B

t

1117171/A

Jii.'i/il!f

a)

r.rrT[[[[7 ,,.

VIII/It/!

12 u,, u, .

u,. li us

t

I 1,..

l/llllW Fi-'!li.'/I

@

/~

11.\T

lim

b) Slika 6.34. Naponski invertor a) serna b) talasni ob!ici napona

Potrebno je realizovati frekvenciju/keju daje inverter i frekvenciju komutacije.fc sa kojom se svaka od faza vezuje na pol Aili pol B. Za upravljacki sistem moze biti_h: =f.t» je sistem sa faznim pomjerajem, if;.> fje sistem sa sirinsko-impulsnom modulacijom PWM (engL pulse with modulation). Na slici 6.34b je prikazan inverter sa faznom pornjeranjem. Frekvencija je f odnosno perioda T = l(f. Ako npr. neparni tiristor Ti provodi, onda istovremeno parni tiristor T4 ne provodi. Radni ciklusi tri para tiristora su pomjereni za 2rr./3. Na slici su prikazani fazni signali i medusobni signali. Ovaj nacin fonniranja trofaznog napona pogodan je za ob last punog napona i zonu visih promjenjivih frekvencija. Za niske frekvencije odnosno za niske

6. Sistcmi rcgulacije mctornih pogona

206

frekvencije i male napone, koristi se PWM inverter. Kod PWM invertora postoje dva nacina upravljanja, kako je to prikazano na slici 6.35. U oba slucaja upravljacki signal (signal greske regulatora) je sinusoidni signal promjenjive amplitude, shodno velicini regulacionog odstupanja. Prvim nacinom se frekvencija drzi konstantnom a rnijenja efektivna vrijednost napona. Generiranje okidnih impulsa se vrsi na nacin slican generiranju okidnih impulsa kod fazno upravljanih tiristorskih jedinica (slika 4.58), gdje se generiranje vrsi na bazi poredenja upralvjackog (jednosmjernog) napona i testerastog napona konstantne amplitude. Ovdje se generisanje okidnih impulsa vrsi na bazi poredenja upravljackog (sinusoidnog) napona i trougaonog signala konstantne amplitude. Drugi nacin podrazumijeva zadrzavanje efektivne vrijednosti napona napajanja, a promjenu frekvencije upravljackog napona (slika 6.35c).

a)

b)

c)

Slika 6.35. Naponski invertor sa sirinsko-impulsnom modulacijom (PWM) a, b) upravljanje promjenom nivoa referentnog napona c) upravljanje promjenom ucestanosti referentnog napona

Obicno se kod PWM modulatora postavlja stepen modulacije kao odnos napona frekvencije trouglastog i referentnog napona (m = JJj). U praksi se obicno veliki stepen modulacije koristi kod niskih frekvencija invertora, a mali stepen modulacije kod invertora visokih frekvencija. Porastom frekvencije, m se priblizava jedinici, da bi kod izjednacenja sa jedinicom pozitivna poluperioda bila predstavljena jednim polutalasom pozitivnog polariteta a negativna poluperioda jednim polutalasom negativnog polariteta. Na domacem trzistu frekventne regulatore proizvodi firma SEVER, prema licenci firme AEG. Za male pogone je razvijena mikroprocesorska verzija digitalnog regulatora MIKROVERT-D predvidena za asinhrone motora snage 0,25..,.. 75 kW. MIKROVERT-D generise trofazni izlaz promjenjivog napona i frekvencije iz medukola sa konstantnim DC naponom primjenom sinusne impulsno-sirinske modulacije. Razlicite funkcije pretvaraca, od integrators zadane vrijednosti (ramp generator) do kontrole i nadzora u realnom vrernenu, su realizovane koriscenjem mikroprocesora. Svi MIKROVERT-D sadrze alfanumericki displej i tastaturu kojima

6.3·. Rcgulacija brzine clcktromotornih

pogona

207

se podesavaju parametri. Stoga je pustanje u pogon pojednostavljeno toliko da vise nisu potrebni ni m.jemi instrumenti. Njihove osobine su slijedece: napajanje standardnih asinhronih motora; visoka takta frekvencija postignuta primjenom IGBT (IGBT - Isolated Gate Bipolar Transistor - bipolarni tranzistor saizolovanim ulazom) modula u invertoru; sirok opseg izlazne frekvencije 0 + 480 Hz; sirok opseg napona napajanja 3 x 380 + 460 V; zastita izlaza od kratkog spoja, zemljospoja i prekida; mala zapremina; standardna regulacija broja obrtaja uz inkrementalni davac; kompenzacija klizanja u zavisnosti od aktivne struje; kocenje po izboru: jednosmjemom strujom, dinamicko po podesenoj ,,ramp" funkciji; korekcija napona motora u funkciji od opterecenja u nizem i visem frekventnom podrucju; mogucnost promjene parametara u toku rada; mogucnost rada u vodecem iii pratecem pogonu; regulacija frekvencije i momenta; iskljucenje u slucaju greske iii nestanka zadate vrijednosti; indikacija frekvencije i opterecenja; dinamicki cetvorokvadratni pogon itd. 2

u

u

Slika 6.36. PWM invertor - skica generisanja okidnih impulsa: 1 - trouglasti napon, 2 - referentni napon niske ucestanosti

Ulazi i izlazi imaju slijedece karakteristike: galvanski odvojeno zadavanje referentne vrijednosti: sa potenciometrom 10 k, naponskim izvorom 0 + 10 V, strujnim izvorom 0 + 20 mA, 4 + 20 mA, 20 + 4 mA; galvanski odvojeni upravljacki ulazi: izbor smjera obrtanja, izbor rucna/daljinska zadata vrijednost, deblokada/stop i aktiviranje greske, inkrementalni davac, termistor PTC za kontrolu temperature motora; galvanski odvojeni izlazni signali: analogni izlaz za stvamu vrijednost frekvencije i stvarnu vrijednost opterecenja, serijski interfejs RS485 itd. Firma SEVER proizvodi staticke (tiristorske) pretvarace frekvencije MONOVERT, za podrucje snaga od 14 kVA do 2200 kVA. Pojednostavljena blok sema prikazana je na slici 6.37. Staticki konvertori posjeduju slijedece osobine: prikljucni napon 3 x 380 V, 3 x 500 Vi 3 x 600 V, 5-0/60 Hz; dvokvadratni i cetvorokvadratni rezim rada; nezavisni invertor sa principom gasenja po redoslijedu faza; sinusoidalni oblik izlaznog napona; maksimalna izlazna frekvencija 100 Hz; ulaz referentne brzine galvanski izolovan 0 + 10 V, 0 + 20 mA, 4 + 20 mA; podesiv polazni momenat; podesiv odnos U/f; izvedba regulacione elektronike na karticama sto obezbjeduje vrlo veliku mogucnost kombinovanja itd.

208

6. Sistcmi rcgulacije motornih pogona

·~~~~~~~~~~~...-.:;;;___::_~~~__!_;;;.~~~~~~~~~~-

RST

~ U-REG 3

Stika 6.37. Blok-sema MON OVERT regulatora brzine asinhronih motora Tiristorski uredaj cine: trofazni prikljucak sa mreznim prigusnicama (1), mrezom vodeni ispravljac (2), jednosmjerna prigusnica u kolu podijeljena u dva dijela (3), nezavisni inverter (4), asinhroni motor (5), upravljacki i regulacioni elektronski dio (6). Upravljacki i regulacioni dio je prikazan u pojednostavljenom obliku. Stvarna blok-sema je znatno kompleksnija. Mrezom vodeni ispravljac sadrzi punoupravljivi trofazni (o-impulsni) tiristorski most, koji daje jednosmjernu struju, cija vrijednost zavisi od opterecenja asinhronog motora. Jednosmjerna struja se glaca jednosmjernom prigusnicom u medukolu, Induktivitet prigusnice je tako odabran da struja medukola ne prelazi u prekidni rezim rada ni u najnepovoljnijem slucaju. Invertor sadrzi 6 tiristora, 6 kondenzatora koji obezbjeduju komutacione napone i 6 dioda za blokiranje koje sprjecavaju prijevremeno praznjenje kondenzatora. Naizmjenicnim paljenjem tiristora od jednomjerne struje stvara se trofazni naizmjenicni sistem struja pravougaonog oblika sa blokovima struja trajanja 120°. Izborom redoslijeda paljenja pojedinih tiristora, stvara se u motoru obrtno magnetno polje, koje uzrokuje obrtanje rotora. Pri tome struja motora ima pravougaoni oblik, a napon sinusoidalni ob lik. Veza energetskog dijela omcgucava, pri neizmijenjenom smjeru toka jednosmjerne struje medukola, reverziranje jednosmjernog napona medukola, a time ireverziranje smjera toka energije, odnosno prelazak u generatorski pogonski rezim rada motora. Pri tome se energija kocenja vraca u trofaznu mrezu. Nezavisni inverter radi po principu gasenja po redoslijedu faza, odnosno u trenutku ukljucenja jednog tiristora, iskljucuje se onaj tiristor koji je prethodno vodio. Radi obezbjedivanja komutacije, invertor je opremljen kondenzatorima koji prilikom paljenja jednog tiristora preuzimaju struju opterecenja, a na tiristor koji treba iskljuciti kratkovremeno prikljucuju napon inverznog polariteta. Kondenzatori za komutaciju su od opterecenja odvojeni pomocu dioda.

6.3. Regulacija brzinc clcktromotornih

pogona

209

Regulaciona elektronika nezavisnog invertora sastoji se od regulatora frekvencije i podredenog regulatora napona jednosmjernog medukola (nisu prikazani na semi). Kao referentna vrijednost regulatora frekvencije dovodi se izlazni napon iz invertora, odnosno napon motora. Na taj nacin izlazna frekvencija je proporcionalna izlaznom naponu. Proporcionalan odnos izlaznog napona i izlazne frekvencije obezbjeduje konstantan fluks motora. Nove generacije frekventnih pretvaraca firme SEVER-AEG, a slicno je i sa novim pretvaracima drugih proizvodaca, posjeduju mnoga poboljsanja s gledista kompaktnosti, prosirenja karakteristika upravljanja i regulacije, distribuiranog povezivanja, dijagnostike itd. 6.3.3.3. Regulacija brzine asinhronih motora pomocu podsinhrone kaskade Podsinhronom kaskadom se regulise broj obrtaja asinhronog motora tako sto se visak energije iz rotora vraca u mrezu ili se vraca pogonu radi smanjenja gubitaka u motoru u podsinhronom rezimu rada. Ovakva su rjesenja prikladna za pogone velikih snaga. Posebno su pogodna za pogone centrifugalnih pumpi i ventilatora velikih snaga. Prednosti podsinhronih kaskada su dosle do izrazaja razvojem energetske elektronike, pesto je njima prosiren obim regulacije uz veoma visok stepen korisnog dejstva. Prvi oblik pogona podsinhrone kaskade sastojao se od kolutnog motora na cijoj je osovini bio spregnut jednosmjemi motor radi potpomaganja asinhronog rnotora -, Ukoliko se zanemare gubici u motorima, pa se racuna sa snagom mreze, onda asinhroni motor predaje radnoj masini snagu (1 - s)P,m onda se dio gubitaka u rotoru sP,,, ispravlja i preko jednosmjemog motora vracao asinhronom motoru. Tako se cjelokupna energija uzeta iz mreze dovodila radnoj masini, i to dio (1 - s)P momentom asinhronog motora, a· dio sPm momentom jednosmjernog motora (slika 6.38). 111

RST---,,.;<-----

radna masina

-

!

M p

M-1/n

P,,,

(l--s)P,,.

-

sr; a)

--s

0

b)

Slika 6.38.

Podsinhrona kaskada sa jednosmjernim motororn na osovini asinhronog motora

Pri pokretanju motora, momenat ostvaruje jednosmjerni motor koji daje cjelokupnu snagu pogonu a tek pri smanjenju klizanja priblizavajuci se sinhronim brzi-

6. Sistemi rcgulacijc motornih pogona

210

nama asinhroni motor preuzima snagu. Takav je pogon koristan ako se jednosmjerni motor moze dimenzionisati samo za kraca opterecenja, a preteznu snagu da daje asinhroni motor. M p

i P,.,

j a:

---

(1-s)P,,, radna -~masina

sP,"

i

-

0

s

a)

b)

Slika 6.39. Podsinhrona kaskada Sa motorgeneratorom za vracanje energije u mrezu

Druga, energetski ekonomicnija izvedba sastoji se od podsinhrone kaskade sa motorgeneratorom. Princip je isti: suvisna energija rotora se ispravlja, salje na jednosmjerni motor koji pokrece trofazni generator i vraca energiju u mrezu. Koristi se samo podsinhrona korisna energija (1-s)Pm, dok se visak energije sP vraca u mreZu.. Navedcna rjesenja su danas prevazidena a koriste se rjesenja na bazi energetske elektronike. Na slici 6.40 je data blok-sema tiristorskih podsinhronih kaskada, 111

Slika 6.40. Tiristorska podsinhrona kaskada M- asinhroni kliznokolutni motor, TG - tahogenerator, IS - ispravljac, P - prigusnica, IN - inverter, ST - srrujni transformator, T - mrezni transformator, P - potenciornetar referentne brzine, BR - brzinski regulator, SR - strujni regulator, GOI - generator okidnih impulsa

6.3. Rcgulacija brzinc clcktromotornih pogona

211

Energija klizanja se ispravlja pomocu trofaznog ispravljaca, skladisti u prigusnici, da bi se preko trofaznog, mrezorn vodenog invertora i energetskog transformatora vratila u mrezu. Posto se koristi mrezom vodeni inverter, neke verzije pcdsinhronih kaskada ne koriste mrezne transfonnatore, mada oni imaju posebnu funkciju u smanjenju smetnji. Karakteristicno je za sve izvedbe
a)

b)

S!ika 6.41. Kontaktne spojnice a) skica frikcione kocnice b) skica spojnice sa feromagnetnim prahom

6. Sistemi regulacijc motornih pogona

212

6.3.4.2. Spojnica sa feromagnetnim

prahom

Spojnica sa feromagnetnim prahom radi na principu slicnom hidraulickoj spojnici, kod koje se sprega izmedu pogonske i pogonjene osovine ostvaruje preko hidraulicnog fluida pogonjenog pumpom, Na slici 6.41b prikazana je spojnica sa feromagnetnim prahom izvedena sa nepokretnim namotajem tj. bez kliznih prstenova. Na vodece vratilo (1) opremljeno caurom (2) navucen je unutrasnji bubanj (3). Spoljni bubanj (4) obrce se na kotrljajucim lezistima (5). Njegovi zidovi obrazuju sa unutrasnjim bubnjcm radni zazor (6), koji je ispunjen feromagnetnim prahom. Jaram (7) i namotaj (8) ucvrsceni SU nepokretno. Mali zracni zazor izrnedu polnih nastavaka jarma (7) i spoljnjeg bubnja (4) ne unosi velike magnetne gubitke u rnagnetno kolo koje se obrazuje kada se ukljuci struja, tj. kada se magnetne linije zatvore kroz sloj praha u radnom zazoru, izmedu unutrasnjeg i spoljnjeg bubnja. Namagnetisavanje praha u radnom zazoru (6) dovodi do njegovog ,,stvrdnjavanja" i spoljnji bubanj ( 4) pocinje da se obrce zajedno sa pogonskim bubnjem (3), cime se pokrece pogonjeno vratilo (9). Ako se otporni momenat radne masine poveca preko neke odredene velicine, magnetne veze obrazovane u prahu ,,pucaju" i spojnica proklizava cuvajuci radnu masinu od loma. 6.3.4.3. Spojnica sa elektromagnetnim poljem Na slici 6.42 prikazana je skica konstrukcije beskontaktne kocnice, Rotor sa polnim nastavcima (1) je montiran na pogonskom vratilu motora sa konstantnom brzinom (asinhroni motor 2). Naspram polnih nastavaka rotora nalazi se disk od visokoprovodnog materijala (3), ucvrscen na vratilu radne masine. Stator (5), fiksiran na nepokretnom kucistu (7), nosi pobudni namotaj (6), tako da nisu potrebni klizni kolutovi, 2

r

., .-------,

.

.

\

l

1-------- ----------'I

I I

'I 'I I I ;I -,

...__ _. _ _._.

.....

_

I

Slika 6.42. Skica konstrukcije spojnice sa elektrornagnetnim poljem

Okretanjem rotora, u disku se indukuju vrtlozne struje. Mornenat generiran izmedu rotora i diska je srazmjeran jednosmjernoj struji koja se dovodi namotaju i nezavisan je od brzine. Tako se momenat beskontaktnog sprezanja izmedu pogonskog i pogonjenog vratila varira velicinom pobudne struje. Na pokretnom dijelu pogonjc-

6.3. Rcgulacija brzine elcktromotornih pogona

213

nog vratila ugraden je ,,vijenac" stalnih magneta koji u nepokretnim namotajima {9) indukuje napon srazmjeran brzini. R

0

EM spojnica

MOTOR

POGON

Slika 6.43. Regulator brzine sa beskontaktnom spojnicom

Tiristorski regulator brzine sa beskontaktnom spojnicom predstavljen je na slici 6.43. Primijenjena je jednokonturna povratna sprega sa PI regulatorom brzine, Ukoliko je stvarna brzina manja od namjestene, PI regulator obraduje gresku i preko tiristorske jedinice povecava struju elektromagnetne kocnice obezbjedujuci snaznije sprezanje, koje ima za posljedicu povecanje brzine. Po dostizanju namjestene brzine, momenat sprezanja pogonske i pogonjene brzine se odrzava.

LITERATURA 1. Basta T M: Masinska hidraulika, Naucna knjiga, Beograd, 1972. 2. Abduli T. M., Giner P.: Elektrohidraulicki elektrosistemi, Vojnoizdavacki i novinski centar, Beograd, 1986. 3. Giner P.: Hidraulicki uredaji, TSC KoV JNA, Zagreb, 1980. 4. Nikolic S.: Hidraulika i hidraulicke masine, Naucna knjiga, Beograd, 1982. 5. Dimitrijevic P.: Osnovi automatizacije sa elementima hidraulike, pneumatike i fluidike, Visa tehnicka masinska skola, Beograd, 1989. 6. Askovic R, Carurak S. i dr.: Hidrornotori i armature, OMO, Beograd, 1986. 7. Grujic Lj., Jovanovic P. i dr.: Hidraulika - proporcionalna tehnika, OMO, Beograd, 1985. 8. Milojkovic B., Grujic Lj.: Automatsko upravljanje, Masinski fakultet, Beograd, 1990. 9. Nikolic G.: Pneurnatsko upravljanje, Sveuciliste u Zagrebu, Zagreb, 1983. 10. Zrnic V.: Pneumatika, Tehnicka knjiga, Beograd, 1980. 1 I. Rajic D.: Projektovanje pneumatskih automata, Visa tehnicka rnasinska skola, Beograd, 1983. 12. Zaric S.: Autornatizacija proizvodnje, Masinski fakultet, Beograd, 1984. 13. Dirner A.: Pneumatski digitalni sistemi, Visa tehnicka skola, Subotica, 1978. 14. Jurkovic B.: Elektromotorni pogoni, Skolska knjiga, Zagreb, 1978.

214

6. Sistemi regulacije motomih pogona

15. Vuckovic V.: Elektricni pogoni, Elektrotehnicki fakultet, Beograd, 1997. 16. Radojkovic B.: Elektricna vuca, Naucna knjiga, Beograd, 1990. 17. Marinkovic N.: Elektromotoma postrojenja, Skolska knjiga, Zagreb, 1986. 18. Corak, Perkovic M i dr.: Dizala sa reguliranim asinhronim motorom za brzine do 2 mis, Koncar, Strucne informacije, l/81. · 19. Brodie T.: Energetska elektronika, Svjetlost, Sarajevo, 1988.

20. Lander G.: Power Elektronics, McGraw-Hi! Book Co., N. Y., 1987. 21. Marphy J; Thyristor control of AC motors, Pergamon, Oxford, 1975. 22. Kuljaca Lj., Vukic Z., Automatsko upravljanje sistemima, Skolska knjiga, Zagreb, 1985. 23. Katalozi firmi proizvodaca regulacione opreme motomih pogona: FESTO, REXROTH, WESTINGHOUSE, VICKERS, BOSCH, PRVA PETOLJETKA, SEVER, KONCAR, AEG, SIEMENS, RCA, ABB, I. R., PYE ELECTRIC LTD, itd.

7. BRODSKI UREDAJI I POGONI S gledista automatike brod se maze posmatrati kao objekat upravljanja, Za vodenje broda po kursu ili po trajektoriji nuzno je poznavati polozaj broda ali i uslove u kojima brod plovi ( dubina vode, brzina broda, meteoroloske podatke u vodi i vazduhu itd.) Mnoge od potrebnih podataka dobijaju se danas direktno preko satelitskih komunikacija. Istovremeno u brodu kao objektu upravljanja kontinuirano se izvodi veliki broj brodskih procesa. Razlicitosti tih brodskih procesa a shodno tome i raznovrsnost opreme zavisi od namjene samog broda. Brodska oprema posjeduje odredene specificnosti vezane za propise koje treba postovati pri izgradnji (pravila konvencije SOLAS, pravila zastite na radu, pravila klasifikacionih drustava itd.). Sem toga od opreme se trazi da posjeduje manju tezinu, da zaprema manju zaprerninu, da je pouzdana, fleksibilna, efikasna, da je jednostavna za odrzavanje itd. Veliki broj razlicitih zahtjeva onemogucuje brzu evoluciju brodske opreme, tako da je brodarstvo kao privreda poznato po svom konzervatizmu u prihvatanju inovacija. Prihvataju se samo provjerena rjesenja, a ponekad zadrzavaju i stara sto sve komplikuje i onako suzen prostor. Podjela opreme napravljena u ovom tekstu je proizvoljna. Nije doslovno primijenjena ni klasicna podjela na glavne i pomocne uredaje, pesto s gledista automatike to nema posebne vaznosti, a cinjenica je da se ponavljaju djelovi opreme glavnog pogona i pomocnih pogona, Radi boljeg razumijevanja vodenja procesa u tekstu se cesto daje kratak opis tehnologije i pojedostavljene skice masinske konstrukcije. Regulacioni sistemi vodenja procesa su najcesce prikazani preko blok sema uz pozivanje na osnovne principe funkcionisanja opisane u tackama osnovnih djelova automatskih sistema (poglavlje 4) ili u sistemima upravljanja i regulacije (poglavlja 5 i 6). Neke strujne (relejne) seme upravljanja su prikazane detaljnije s obzirom na njihovo izrazeno prisustvo na brodovima domacih pomorskih preduzeca. Uz klasicna rjesenja upravljanja (jednosmjerni motori, polnopreklopivi asinhroni motori itd.) ukazano je na sve siru primjenu frekventno upravljanih asinhronih motora. Meduzavisnost brodskih procesa iako veoma izrazena nije mogla da se zadovoljavajuce dobro rijesi klasicnim automatskim sistemima. Tek ce savrerneni mikroprocesorski sistemi distribuiranog upravljanja bazirani na industrijskim mikroracunarima (PLC, mikrokontroleri, PC racunari) omoguciti zadovoljavajuce vodenje kako broda kao objekta upravljanja, tako i brojnih brodskih procesa. Pritom treba naglasiti da se principi vodenja ne mijenjaju, da se najcesce zadrzavaju izvrsni organi vodenja (hidropogoni, pneumatski pogoni i elektromotorni pogoni) samo sto se dodatno opremaju senzorima i mikroprocesorskom opremom radi boljeg upravljanja

216

7. Brodski uredaji i pogoni

odnosno regulisanja s gledista nekog od kriterijuma (potrosnja energije, efikasnost, pouzdanost itd.) 7.1. PUMPE Pumpe su radne masine koje sluze za prebacivanje fluida cijevima sa jednog mjesta na drugo. Prenos se najcesce ostvaruje na racun energije elektricnog pogona. Pritorn se podrazumijevaju tri faze procesa: proces usisavanja (proces koji obuhvata dopremu fluida usisnim vodom do radnog organa); proces prirasta energije fluida ostvaren preko radnog organa pumpe; i proces potiskivanja fluida kojim se fluid otprema. ,. Pumpe se obicno dijele na tri osnovne grupe: zapreminske pumpe (klipne, krilne, membranske, zupcaste, vijcane itd.), rotacione (centrifugalne, propelerske itd.) i pumpe posebnih konstrukcija (strujne, mamut itd.). Karakteristicni djelovi klipnih pumpi su: klip, krilo, vijak, zub itd., a rotacionih: rotor sa lopaticama. Specijalne pumpe nemaju posebnih pokretnih djelova vec se kretanje ostvaruje posredstvom nekog drugog radnog fluida. Prema vrsti prebacivane tecnosti, pumpe se dijele na pumpe za: vodu, ulje, naftu, vazduh itd. Prema tipu pogona, pumpe mogu biti: rucne, parne, hidraulicne, pneumatske, elektricne itd. Prema proizvedenim pritiscima, postoje pumpe niskog, srednjeg i visokog pritiska. Slicno prema kapacitetu postoje pumpe malog, srednjeg i velikog kapaciteta. Prema namjeni, pumpe na brodu mogu biti: - pumpe brodskih uredaja (napajanje kotlova, hladenje kondenzatora i motora, isisavanje vazduha i kondenzata, doprema i ubrizgavanje goriva, doprema ulja za podmazivanje, doprema ulja za Iozenje itd.); - pumpe za specijalne namjene (pumpe na tankerima, tegljacima itd.); - pumpe opsteg brodskog sadrzaja: balastne pumpe, kaljuzne, protivpozarne pumpe, drenazne, upravljacke (kormilarska masina, pumpe za podesavanje koraka propelera), sanitarne itd. 7.1.1. Karakteristike pumpi Pod karakteristika se podrazumijevaju radne krive preko kojih se izrazava zavisnost: napora H, snage Pi koeficijenta korisnog djejstva 1J od protoka Q pri stalnoj brzini n. 7.1.1.1. Karakteristike zapreminskik pumpi Kapacitet zapreminskih pumpi Q se izrazava protokom, odnosno kolicinom fluida otpremljenog u jedinici vremena. Otuda je Qr=qn , (7.1.l) gdje je q- protok za jedan obrtaj vratila, a pesto je q konstantno, to je Q=cn.

I

(7.1.2)

7.1. Pumpe

217

Karakteristika kapaciteta je prikazana na slici 7.1.la. Realne krive kapacitera posjeduju lineamost za brzine iznad 20% norninalne brzine. H

Q

7

2

p

8

b-a

P=k3Q

P="2H 6

I

I

3

n

a)

Q b)

n,H,Q c)

Slika 7. LL Karakteristike zapreminskih purnpi a) kapacitct pumpi b) HQ - kriva pumpc c) PQ - kriva korisnc snagc

Za zapreminske pumpe je karakteristicno da ne postoji funkcionalna zavisnost izmedu osnovnih velicina Q i H, tako da se Q moze mijenjati nezavisno od Hi da se H moze mijenjati nezavisno od Q. Idealne osnovne karakteristike predstavljaju prave linije paralelne koordinatama. Na slici 7. L lb su predstavljene: Q = const (kriva niskog pritiska 1-2 i kriva visokog pritiska 3-4) i H = const (kriva niskog napora 5-6, i kriva visokog napora 7-8). Ova osobina zapreminskih pumpi obezbjeduje im dobre regulacione osobine, pesto se kod bilo kog napora protok moze mijenjati u sirokim granicama i, obrnuto, kod bilo kog protoka napor se maze mijenjati u sirokim granicama, Zbog uvijek prisutnih zapreminskih gubitaka realne krive se razlikuju od navedenih. Realne krive su na slici predstavljene debljim Iinijama, Velicina protoka se mijenja preko brzine, a velicina napora preko pritiska. Na slici je tackom a naznaceno ogranicenje napora ostvareno preko sigurnosnog ventila (ventil za ogranicenje pritiska). Taj ventil u tacki a spaja pritisnu i usisnu stranu pumpe, tako da se ostvarivanjem preliva onemogucuje dalje povecanje napora. Na slici je prikazan hidraulicni sistem sa QH karakteristikama pumpe i QH karakteristikom cjevovoda. Naznacena SU dva rezima rada saglasno radnim tackama A iB. Karakteristika korisne snage se moze izraziti preko brzine, protoka i napora.

Kako je P=kQH,

(7.1.3)

to se snaga, u slucaju konstantnog napora i protoka linearno zavisnog od brzine, mote izraziti relacijom (7.1.4) odnosno (7.1.5)

7. Brodski uredaji i pogoni

218

au slucaju konstantnog protoka (7.1.6) kako je to predstavljeno na slici 7 .1.1c. Pored dobrih regulacionih karakteristika, klipne pumpe posjeduju mogucnost postizanja visokih pritisaka, sposobnost suvog sisanja, veliki zapreminski koeficijenat korisnog dejstva itd. Klipne pumpe posjeduju i vise nedostataka vezanih za funkcionisanje ventila, malu brzinu, osjetljivost na necistocu fluida itd.

7.1.1.2. Karakteristike centrifugalnih pumpi Osnovne karakteristike centrifugalnih pumpi H, P i Tl u zavisnosti od Q, snimaju se pri konstantnoj vrijednosti brzine. Snimanje se vrsi na ispitnim stolovima ili u pogonu. Na slici 7. l.2 data je skica ispitnog stola sa osnovnim instrumentima: za mjerenje vakuuma Pv na usisnom prikljucku (presjek 1-1); za mjerenje pritiska PM na pritisnom prikljucku (presjek 2-2); i za mjerenje protoka Q na prigusnici.

H

7

HQ

Q

a)

b)

Slika 7.1.2. Karakteristike centrifugalnih pumpi a) skica ispitnog stola: j.; motor, 2 - pumpa, 3,4 - prigusni ventil, 5 - rezervoar, 6 - usisni vod, 7 - pritisni vod, 8 - zivin vakuummetar, 9 - zivin manometar, 10- zivin diferencijalni manometar b) karakteristika pumpe

Energija fluida na usisu (presjek 1-1) se moze izraziti Bemulijevom relacijom 2

v;

E; = p1 + m;i +mgz, =L1 +Ek1 +EP1

(7.1.7)

gdje su L1- energija pritiska, Ek kineticka energija, i EP potencijalna energija. Slicno, energija fluida na pritisnom prikljucku pumpe (presjek 2-2) moze se izraziti relacijom 1 -

1-

2

E; = PF2 + m;2

+mgz,

= L., + E<2 + Ep2.

(7.1.8)

Pumpa fluidu dovodi energiju izmedu usisnog i pritisnog prikljucka, Prirastaj te energije iznosi (7.1.9)

/

7.1. Pumpe

219

Ako se prirastaj energije izrazi u odnosu na specificnu tezinu fluida, relacija poprirna oblik

E2 - El

= P2 - p, pg

2

2

+ v2 - vi + l1z = H 2g

(7.Ll 0)

'

u kojoj prvi Clan predstavlja razliku pritisnih odnosno piezometarskih visina, drugi clan razliku brzinskih visina i treci clan razliku polozajnih odnosno geodezijskih visina. Na bazi razlike specificnih energija, definisan je napor pumpe H, kao jedna od najznacajnijih velicina pumpe. Djelovi ove jednacine predstavliaju se velicinama:

H

= H,•/ + Hu >

H
= P2pg - p, + l1z >

1

1

= v; - v; «

H

2g

'

(7. l. l l)

gdje su: H - napor purnpe, lf.,1- staticki napor pumpe, i Hr dinamicki napor pumpe. Na slici 7.l.2a su naznacena mjerenja pomocu zivinih U cijevi. U pogonu su na pumpi obicno postavljeni mjerni instrumenti vakuuma (vakuumetar) i pritiska (manometar), a za mjerenje protoka Venturijev ili neki drugi protokomjer. Da bi se stekao dojam o ponasanju QH karakteristike, pretpostavice se da su precnici cjevovoda na presjecima 1-1 i 2-2 jednaki (D1 = D2), pa je dinamicki napor jednak nuli (Hd = 0), pesto su, shodno teorerni kontinuiteta, brzine v1 i v2 jednake. Ako se uzme da je i Liz zanemarljivo (& "" 0), onda ukupni napor iznosi (7.1.12) Kako je Pm = P2 - Pa i p,. =Pa - p1 gdje su Pm i p; pritisci indicirani zivinim vakuumetrom i zivinim manometrom, a P«: atmosferski pritisak, tada se dobija relacija

H = (p,;, + PJ - (p,, - PJ 2g

= P"' + P •. 2g

(7.1.13)

Pumpa unosi vise gubitaka koji rastu sa povecanjem protoka, tako da eksperirnentalna QHkriva poprima oblik prikazan na slici 7. l.2b. PQ karakteristika se snima na bazi elektricnih mjerenja snage motora, pri cemu je nuzno znati stepen korisnog dejsrva motora. Znatno preciznija mjerenja se mogu ostvariti u laboratoriji pomocu pendel elektromotora, a na bazi relacije P=Mro=kMn. s s

(7.l.14)

7.1.1.3. Karakteristika cjevovoda Pumpni sistem je sastavljen od pumpe koja je preko usisnog cjevovoda vezana sa crpnim rezervoarom a preko pritisnog cjevovoda sa prijemnim rezervoarom. Prijemni rezervoar se nalazi na odredenoj geodezijskoj visini prema crpnom rezervoaru. Pumpa pri prenosu fluida treba da savlada geodetsku visinu i sve otpore koji nastaju u usisnom vodu, pumpi i pritisnom vodu. Ukupan napor cjevovoda se, shodno Bemulijevoj jednacini, moze izraziti relacijom p p v2 v2 H= 2 - 1 +~ + & = 0 + kv2 + H = kv2 + H , (7 .1.15) pg 2g s st

7. Brodski urcdaji i pogoni

220

gdje su: kv2 - ukupni dinanieki gubici na cjevodu uvecani za peostalu kineticku energiju na presjeku (2-2), H; - staticka odnosno geodezijska visina cjevovoda i pad pritiska izmedu presjeka (l-1) i (2-2).

H

H

=~===

___

p.,

.

-r

-- --- - - - -

,..._

__

HQ

/fc.Q

YJ

]"__-'-----_

Q

,Q a)

b)

c)

Slika 7.1.3. Pumpni sistem a) skica pumpnog sistema b) krive pumpnog sistema: HQ- kriva pumpe, H.Q - kriva cjevovoda

Rezim rada pumpnog sistema je odreden presjekom krive pumpe i krive cjevovoda. Na slid 7.1.3c rezim rada pumpnog sistema je odreden protokom QA i

naporom HA. 7.1.2. Regulacija pogona centrifugalnih pumpi Centrifugalne pumpe, su s obzirom na svoje dobre karakteristike (kornpaktnost - mala tezina i mala zapremina, jednoliko i kontinualno doziranje fluida, jednostavno spajanje sa pogonskim motorom, moguce brzo pokretanje i zaustavljanje, mali investicioni troskovi, velika pouzdanost, jednostavno odrzavanje itd.), nasle siroku primjenu na brodu. Neki nedostaci, kao sto je zalivanje prije pokretanja, tehnoloski su rijeseni (samozalivne pumpe). S gledista kontinualnosti rada, postoje dva nacina regulacije centrifugalnih pumpi: ON/OFF regulacija i kontinualna regulacija, Svaki od ovih nacina ima svojih prednosti i nedostataka, pa primjena zavisi od tehnoloskih potreba. 7.1.2.1. ON/OFF regulacija centrifugalnih pumpi Karakteristicni primjer ON/OFF regulacije na brodu je hidroforski uredaj, odnosno hidroforsko postrojenje. Na slicnom principu rade pumpne stanice, i pumpna postrojenja \a snabdijevanje vodom. Hidrofor (rezervoar-kotao pod pritiskom) predstavlja o~novni elemenat hidroforskog postrojenja, Hidroforom se rjesavaju dva kljucna problema snadbijevanja vodom na brodu: vremenski neograniceno obezbjedenje konstantnog pritiska i izbor najpogodnijeg radnog podrucja HQ karakteristike pumpe. Zna se da centrifugalna pumpa radi neekonomicno kod malog kapaciteta, pa

7.1. Pumpe

221

je taj rad kod hidrofora izbjegnut. Jstovremeno kod hidrofora SU izbjegnuta cesta ukljucenja/iskljucenja, neugodna za mrezu i za samu instalaciju. Hidroforsko postrojenje sa osnovnim komponentama je prikazano na slici 7.l.4. Pumpa (1) tjera vodu preko cjevovoda (4) u hidrofor. Na vod (4) su ugradeni zasuni (2) i (13) i povratna zaklopka (3). Povratna zaklopka se po iskljucenju pumpe zatvara uslijed povratnog djelovanja pritiska iz mreze hidrofor-potrosac. Motor pumpe se ukljucuje preko pritisne sklopke (7). Hidrofor je obicno oprernljen manometrom (8), vodomjernim staklorn (9), otvorom za kontrolu unutrasnjosti (10), otvorom za ispustanje vode i taloga (11) i otvorom za dopunu vazduha (12).

r

8

RST

a)

sklopnik

b)

Slika 7.1.4. Hidroforsko postrojenje a) skica postrojenja sa osnovnim komponentama: I - pumpa, 2,3 - zasun, 4 - vod pod pritiskom, 5 - vod prema potrosacima, 6 - hidrofor (kotao), 7 - pritisna sklopka, 8 - manometar, 9 - vodomjerno .staklo, l 0 - otvor za kontrolu unutrasnjosti kotla, 11 - otvor za praznjenje, 12 - prikljucak za dopunu vazduha b) blok-sema ON/OFF regulacije

Hidrofor predstavlja poseban rezervoar u kome se nalazi voda i vazduh pod pritiskom. Pritisak vazduha direktno zavisi od nivoa vode i pove6ava se sa nivoom vode. Vazduh se u ovom slucaju ponasa kao pritisnuta opruga, pri cemu deformacija te opruge zavisi od nivoa vode. Hidrofor predstavlja osnovni izvor vode, dok je funkcija pumpe u dopunjavanju tog izvora. Koliko ce se cesto dopunjavati taj izvor, zavisi od velicine potrosnje i kapaciteta kotla. Kod ukljucenja pumpe, voda ulazi u hidrofor i povecava se pritisak vazduha. Kada nivo vode dostigne granicni nivo II, pritisna sklopka iskljucuje pumpu. Kada, usljed potrosnje, nivo vode u hidroforu padne ispod predvidenog nivoa I, pritisna sklopka ponovo ukljucuje pumpu. Pritisna sklopka (sklopka sa mijehom ili membranom) vrsi konverziju nivoa vode u pritisak vazduha. Podesavanje ovog odnosa se vrsi na osnovu pokazivanja vodomjernog stakla i pokazivanja manometra, a preko dovoda vazduha. Kod pumpnih postrojenja rezervoar vode se nalazi na odredenoj geodezijskoj visini u odnosu na pumpu, tako da zadovolji potrebe potrosaea. Umjesto preko senzora pritiska, ON/OFF regulacija se izvodi preko davaca nivoa. Pritom davac gornjeg nivoa iskljucuje pumpu, a davac donjeg nivoa ukljucuje pumpu. Posto se ovde

7. Brodski urcdaji i pogoni

222

najcesce radio pumpama srednje snage (stotine kilovati), pumpe se ukljucuju preko spoja zvjezda - trougao (tacka 5.3.2.1). Staticki napor stuba vode kod pokretanja preuzima povratna zaklopka. Motor u spoju zvjezda startuje prakticno bez opterecenja,
REG R,S,T

CD

-

s;

®-~

H qrcf

q

--

H,,, L-..~~~~--'-~-'-~....'..-~--+

Qc a)

QB QA

Q

b)

Slika 7.1.5. Autornatska regulacija protoka centrifugalnih pumpi prigusenjem a) blok-sema regulacionog sistema b) karakteristike hidraulienog sistema: l - kriva pumpe, 2 - kriva cjevovoda, 3 - zajednicka kriva cjevovoda i prigusnog ventila

Na slici 7.l.5b regulacija prigusenjem je prezentirana preko karakteristika regulacionog sistema. HQ karakteristika pumpe je predstavljena krivom ( 1 ), a HQ karakteristika cjevovoda krivom (2). Radna tacka sistema A je odredena presjekom ovih krivih, Ako se ventil prigusi, formirace se zajednieka kriva cjevovoda i ventila (3), koja krivu pumpe sjece u tacki B. Tacki B odgovara smanjeni protok Q8• Novim

7.1. Pumpc

223

prigusenjem, forrnirace se radna tacka C kojoj ce odgovarati jos manji protok Qc. Na ovaj nacin se povecanjem/srnanjenjem prigusenja smanjuje/povecava protok cjevovoda. Regulacija protoka prelivom ( engl, bypass control, overflow control - obilazna regulacija, bajpas regulacija) odnosno regulacija protoka pomocu bajpas ventila ostvaruje se vracanjem dijela protoka iz potisnog voda u usisni rezervoar. Regulacioni sistern se bazira na dvopolozajnom ili tropolozajnom regulatoru (slika 7 .1.6a). K.od regulacije prelivom hidraulicka energija se trosi na korisnu energiju transports fluida preko cjevovoda prema potosacu i energiju gubitaka koja odgovara transportu fluida preko bajpas ventila.

R,S,T

®---~

a)

b)

Slika 7 .1.6. Automatska regulacija protoka centrifugalne pumpe prelivom

a) blok-sema regulacionog sistema · b) karakteristike hidraulickog sistema: 1 - kriva pumpe, 2 - kriva cjevovoda, 3 - kriva bajpas ventila, 4 - zajednicka kriva cjevovoda i bajpas ventila Na slici 6. I .6b regulacija preliva je prezentirana preko karakteristika sistema, pri cemu je krivom (I) prikazana karakteristika pumpe, krivom (2) karakteristika cjevovoda, i krivom (3) karakteristika bajpas ventila. Karakteristika cjevovoda je staticko-dinamicke prirode dok je karakteristika bajpas ventila dinamicke prirode. K.od zatvorenog bajpas ventila radna tacka A se nalazi na presjeku krive pumpe i krive cjevovoda. Ovoj tacki odgovaraju napor HA i protok Q11• Otvaranjem bajpas ventila, pumpa ce paralelno napajati dva potrosaca: cjevovod i bajpas ventil, koji formiraju zajednicku karakteristiku predstavljenu krivom ( 4). Na presjeku ovih krivih (krive pumpe i krive zajednickog cjevovoda) forrnira se nova radna tacka B. Tacki B odgovaraju zajednicki protok Q9 i napor H8. Iz presjeka krive cjevovoda (2) i prave napora H8 nalazi se vrijednost smanjenog protoka cjevovoda Q8. Na ovaj nacin, otvaranjem i zatvaranjem bajpas ventila, mijenja se velicina protoka cjevovoda. Regulacija protoka promjenom brzine karakteristiku pumpe mijenja take sto potisnu visinu (napor koji se generise u pumpi) podesava prema karakreristici cjevovoda i zeljenog protoka. S aspekta potrosnje energije, ovaj nacin regulacije protoka pumpe je najracionalniji.

7. Brodski urcdaji i pogoni

224

Klasicni pogon centrifugalne pumpe sa promjenom brzine je ostvaren pomocu

Vard-Leonardove grupe. Dalji progres je napravljen primjenom tiristorskih pretvaraca jednosmjemih motora, Savremena regulacija brzine kaveznih asinhronih motora se vrsi pomoeu frekventnih i vektorskih pretvaraca (tacka 6.3.3.2). Na slici 7.l.7a prikazana je blok-sema frekventno upravljanog asinhronog motora. U slucaju smanjenja reference protoka, regulator obraduje nastalu gresku i preko frekventnog pretvaraca smanjuje frekvenciju napona napajanja asinhronog motora, cime se smanjuje brzina motora, i istovremeno, protok pumpe. R,S,T H

a)

b)

S!ika 7.1.7. Regulacija protoka centrifugalne pumpe promjenom brzine a) blok-sema frekventno upravljanog asinhronog motora b) karakteristike hidraulicnog sitema: 1- kriva pumpe, 2 - kriva pumpe pri povecanju brzine, 3 - kriva pumpe pri smanjenju brzine, 4 - kriva cjevovoda

Na slici 7.1.7b, preko karakteristika, prezentirana je regulacija protoka promjenom brzine pumpe. Neka je presjekom krive pumpe (1) i krive cjevovoda (4) odredena radna tacka A. Ovoj radnoj tacki odgovaraju protok QA i napor H,1• Povecanjem brzine, formira se nova karakteristika pumpe predstavljena krivom (2). Kriva (2) pumpe i kriva (4) cjevovoda definisu na svom presjeku radnu tacku P(%) B, kojoj odgovaraju povecani protok Q8 i povecani napor H8• Analogno, kod smanjenja brzine, uspostavlja se stacionarni resim rada u npr. tacki C, kome odgovaraju smanjeni protok Qc i smanjeni napor He. Prednost regulacije brzinom moze se sagledati na osnovu PQ karakteristika sistema sa re0 L---==----l------L---+ gulacijom brzine i sitema sa regulaci100 Q(%) 0 50 jom prigusenja. Na slici 7.1.8, u normalizovanim Slika 7 .1.8. PQ karakteristike regulacije koordinatama, prikazane su PQ karakprotoka brzinom i prigusenjem: teristike navedenih sistema, u slucaju l - cjevovod bez statickog napora, cjevovoda sa zanemarljivim statickim 2 -regulacija protoka promjenom brzine, 3 - regulacija protoka pumpe prigusenjem naporom, Sa krivih je ocigledno da je

7.2. Ventilatori

225

potrosnja elektricne energije kod brzinski regulisane pumpe (kriva 2) zanemarljiva u odnosu na potrosnju ostvarenu regulacijom pomocu prigusnog ventila (kriva 3). S gledista regulacije posebne pogodnosti posjeduje centrtfugalna magnetna pumpa, kod koje se beskontaktno, preko magnetnog polja, prenosi momenat sa motora na rotor pumpe (tacka 6.3.4.3). Konstrukciono, prostor pumpe sa rotorom i kolom stalnog magneta je fizicki odvojen od drugog dijela magnetnog kola koji je spregnut sa motorom napajanim iz frekventnog odnosno vektorskog pretvaraca, Tehnoloska prednost ovih pumpi odnosi se na eliminaciju zaptivanja pogonske osovine, Podsinhrona kaskada (tacka 6.3.3.3) se koristi za regulaciju protoka centrifugalnih pumpi pogonjenih visokonaponskim kliznokolutnim asinhronim motorima velike snage. Kod ove q regulacije gubici enegije su maleni pesto se energija klizanja ( energija rotora) vraca u mrezu, Blok-sema regulacije pomjenom brzine pomocu podsinhrone kaskade prikazana je na slici 7.1.9. Detaljnija sema podsinR,S,T hrone kaskade je predstavljena na slici 6.40. Slika 7.1.9. Blok-sema regulacije protoka Regulacija protoka pornocu centrifugalne pumpe pomocu podsinhrone statickih pretvaraca posjeduje vise kaskade prednosti kao sto su: smanjenje potrosnje elektricne energije, eliminacija dinamickih hidraulicnih udara, smanjenje broja kvarova na armaturnim elementima, smanjenje troskova na ime gubitaka fluida, humanizacija rada zaposlenog osoblja, povecanje nivoa kvaliteta vodenja procesa (visi nivo: akvizicije, upravljanja, regulacije, nadzora, zastite, protokolisanja itd.). 7.2. VENTILATOR! Ventilatori su pornocni uredaji na brodovima, a njihova osnovna funkcija je doprema vazduha radi obezbjedenja odgovarajucih uslova za rad Ijudi i opreme. Njima se obnavlja promjena vazduha u prostorijama i doprema vazduha za normal-

a)

b)

Slika 7 .2 .1. Ventilatori a) centrifugalni ventilator b) aksijalni (propelerski) ventilator

7. Brodski urcdaji i pogoni

226

nu eksploataciju opreme (kotlovi, dizel motori itd.). Prema principu rada, brodski ventilatori se dijele na: centrifugalne ili radijalne i aksijalne ili propelerske. Prema vrsti ventilacije, ventilatori mogu biti: usisni i pritisni, odnosno potisni, Prema velicini napora, ventilatori mogu biti: niskog napora < 100 mm vodenog stuba (Imm VS= 10-s bara = 10 Pa), srednjeg napora 100 + 300 mm VS i visokog napora > 300 mm VS. Prema konstrukciji, ventilatori su slicni centrifugalnim i propelerskim pumpama (slika 7.2.L) 7.2.1..Karakteristikeveutilatorskog sistema Ventilatorski sistem cine ventilator i ventilatorski cjevovod (usisni + pritisni cjevovod). QH karakteristika ventilatora moze se postaviti analogno QH karakteristici pmnpe 1

1

H:=P1-P1+.'.:L~+.6z pg 2g

(7.2.1)

Kod ventilatora, s obzirom na malu vrijednost gustine vazduha, gcodezijski napor moze se zanemariti (Liz= 0), pa se relacija ventilatora redukuje na oblik H ""' P1 - Pi pg

'

1

+ v; - v; 2g

(7.2.2)

Umjesto napora, cesto se govori o velicini ukupnog (totalnog) pritiska vazduha, u kom slucaju gornja relacija poprima oblik ~p=p2-P1+~(v~-v:)=p,,,,

...

.

(7.2.3)

·

H

2

__ HQ

r;

Pv

r

t Q a)

b)

Sljka 7 .2.2. Karakteristike centrifugalnog ventilatora a) skica mjerenja osnovnih velicina: p,,, - manornetarski pritisak, p, - vakuumetarski pritisak, Q - protok mjeren protokomjerima b) karakteristike ventilators: HQ - kriva, PQ - kriva snage, 1'] -

kriva korisnog dejstva

7.2. Vcntilatori

227

Prirastaj strujnog pritiska P, - P, se moze izraziti relacijom (7.2.4)

P2-P1=Pm+p,.-(p,,-pJ=p,,,+p",

gdje su: p; - atmosverski pritisak, p0-vakuumetarski pritisak na usisnom prikljucku, i p111- manometarski pritisak na pritisnom prikljucku. Poslije zamjene, totalni pritisak se moze izraziti relacijom t3.p = r. + r: +%(v~ -v;).

(7.2.5)

Ako su presjeci na usisnom i pritisnom prikljucku jednaki, onda se, shodno jednacini kontinuiteta, dinamicki clan moze zanemariti, pa je prirastaj pritiska dat sumom vakuumetarskog i manometarskog pritiska, Na osnovu mjerenja pada pritisaka, ostvarenih pomocu vakuumetra i manometra, i protoka Q, ostvarenog pomocu krilnog anemometra ili na neki drugi nacin, moze se snimiti HQ karakteristika ventilatora. Ponasanje ove krive je slicno ponasanju HQ krive kod centrifugalnih pumpi. Detaljnija mjerenja se vrse pomocu Pitove (Pitot) cijevi, Prandlove (Prandl) i U vodenih cijevi. Na slici 7.2.3 prikazana su mjerenja na cjevovodu ostvarena pomocu Pitove i Prandlove cijevi.

rPs1

l ...

L

-l

P
Aot

r-

--

__ J

-r··

. J...

Ao1

I

_.,____

a)

Pdin

_ ,_..,...,..

-f--

r: Pst

1...

b)

Slika 7.2.3. Mjerenje pritisaka na cjevovodu a) mjerenje pomocu Pitove cijevi b) mjerenje pomocu Prandlove cijevi

Pomocu Pitove cijevi mote se naci dinamicki pritisak u odgovarajucem presjeku (7.2.6)

Slicno se dobija pomocu Prandlove cijevi (slika 7.2.3b), s tim sto se kombinacijom Prandlove cijevi i U cijevi moze suditi o velicini protoka, Pritom je v :; ;: ~2gh,,," , tako
(7.2. 7)

7. Brodski urcdaji i pogoni

228

(7.2.8)

Q=Sv=SJ2ghdin.

Na slici 7.2.4 prikazan je ventilatorski sistem sa usisnim cjevovodom, ventilatorom i pritisnim cjevovodom. Pad pritiska u cjevovodu je
+ ~ pv' ,

(7 .2.9)

gdje su: !J.pcu - gubitak pritiska na usisnom cjevovcdu, !J.p,P - gubitak pritiska na pritisnom cjevovodu, i pv2/2 - dinamicki pritisak strujanja na izlazu iz pritisnog cjevovoda. Posto su gubici pritiska !J.pc,, i Apcp srazmjerni kvadratu brzine, to se ukupan pad pritiska Sp moze izraziti relacijom !J.p,

= kv' = KQ2

,

(7 .2.10)

koja predstavlja jednacinu kvadratne parabole. H

..__I

--

-2/J

--1

A ff A ----------------------------

a)

QA

Q

b)

a) skica sisterna

Slika 7.2.4. Vcntilatorski sistem b) karakteristike sistema. HQ -kriva ventilatora, HcQ- kriva cjevovoda

7.2.2. Regulacija protoka ventilatora Regulacija protoka (kapaciteta) ventilatora se obavlja slicno kao kod pumpi. Najcesce se koriste regulacija prigusenjem, regulacija brzinom i regulacija zakrctanjern lopatica.

7.2.2.1. Regulacija kapaciteta prigusenjem Princip regulacije prigusenjem cjevovoda je isti kao kod purnpi (tacka 7, 1.2.2) a razlika je samo u konstrukciji izvrsnih organa. Izvrsni organi ventilatora su veoma razliciti, Koriste se zasuni, klapne, preklopke, leptirice, blende itd. Oni se mogu montirati na usisnom i na pritisnom cjevovodu. Na slici 7.2.5 prikazana su dva tipa simetricnih prigusivaca. Prigusivac sa blendom funkcionise kao blenda za prigusenje svjetla kod fotografskih aparata. Radijalnim pomjeranjem segmenata blende, ostvaruje se manje ili vece prigusenje,

7.2. Vcntilatori

229

Prigusnik sa obrtnim preklopkama, sinhronom rotacijom preklopki, vise ili manje zatvara ulaz odnosno prolaz vazduha.

H

a)

REGULATOR

[> c) b) Slika 7.2.5. Regulacija kapaciteta ventilatora prigusenjcm a) regulacija pomocu blende b) regulacija pomocu sistema obrtnih preklopki c) krive ventilatorskog sistema

Na slici 7.2.5c prikazana je kriva ventilatora i familija krivih cjevovoda nastalih prigusenjem. Povecanjem prigusenja, iduci od tacke A (cjevovod) prema tacki B (cjevovod + prigusivac), smanjuje se vrijednost protoka. Centrifugalni i aksijalni ventilatori se ponasaju razlicito u slucaju punog prigusenja ulaza ili izlaza. Kod centrifugalnih ventilatora, kod punog prigusenja ulaza, dolazi do pada opterecenja ventilatora, sto ima za posljedicu izrazeno povecanje brzine. Opterecenje centrifugalnog ventilatora je posljedica potiskivanja vazduha prema periferiji rotora, take da opterecenje zavisi od tezine i ubrzanja vazduha. Zatvaranjem ulaza, stvara se vakuum na usisu, tako da ventilator nema sta da prebacuje, odnosno ostje bez opterecenja, Kod zatvaranja izlaza, vazduh se nagomilava u kucistu ventilatora onemogucavajuci kretanje vazduha od centra prema periferiji, uslijed cega ventilator gubi opterecenje, Stoga centrifugalni ventilatori posjeduju odgovarajuce zastite od pojave prekobrzine (krajnji prekidaci za ogranicenje hoda izvrsnih organa, presostati, brzinske zastite od pojave prekobrzina itd.). Kod aksijalnih ventilatora opterecenje zavisi od velicine napora (diferencijalni pritisak) izmedu izlaza i ulaza. Zatvaranje ulaza iii izlaza ovih ventilatora ima za posljedicu povecanje opterecenja, uslijed cega dolazi do pada brzine. Zatvaranjem ulaza, u usisnom dijelu ventilatora se stvara vakuum, sto ima za posljedicu povecanje napora odnosno opterecenja. Zatvaranjern izlaza, povecava se pritisak na izlazu u odnosu na atmosferski pritisak na ulazu, tako da dolazi do povecanja napora ventilatora, a time i opterecenja,

7.2.Z.2. Regulacija protoka promjenom brzine Ovaj nacin regulacije je opisan kod regulacije protoka centrifugalnih pumpi (tacka 7.1.2.2). Ponasanje ventilatora je principijelno isto. Svakoj novoj brzini od-

7. Brodski urcdaji i pogoni

230

govara nova HQ kriva, cime se mijenja tacka presjeka sa HQ krivom cjevovoda, a time i rezim rada sistema sa novom velicinom protoka. 7.2.2.3. Regulacija protoka aksijalnih ventilatora zakretanjem lopatica Rotori propelerskih ventilatora, slicno kao i rotori propelerskih pumpi, sastoje se od hidraulicno oblikovane glaveine i lopatica, koji posjeduju oblik slican brodskim propelerima, odakle i irne propelerski ventilatori. Regulacija protoka sa zakretanjem lopatica je poznata kod vodenih turbina (Kaplanova turbina) i brodskih propelera sa prekretnim krilima (KaMeWa). Na slici 7 .2.6a prikazan je zakretni mehanizam sa lopaticama propelerskog ventilatora. Postoje razne izvedbe regulacionih sistema. Regulacioni sistem sa hidraulicnim cilindrom, upravljan preko hidrostatickog prenosnika snage pumpa - servocilindar je prikazan na slici 6.6. Zakretni mehanizam i servomotor (hidromotor) se nalaze u glavcini ventilatera. Servomotor, preko klipa (1) i klipnjace (2), vrsi aksijalno pomjeranje diska (3) na kome se nalaze sipke (4) preko kojih se zakrecu poluge (5), ostvarujuci rotaciju vretena lopatica (7) u lezajevirna (6).

H

I a) Slika 7.2.6. Regulacija protoka aksijalnog ventilatora zakretanjem lopatica a) zakretni mehanizam: 1- klip servornotora, 2 - klipnjaca hidrocilindra, 3 - disk, 4 - sipka, 5 - poluga, 6 - lezaj vretena lopatice, 7 - lopatica sa vretenom b) karakteristike ventilatorskog sisterna. H,.Q - krive ventilatora (a = 0, o.= +, a "" -), H,.Q- kriva cjevovoda

Na slici 7 .2.6b prikazane su karakteristike aksijalnih ventilatora sa razlicitim uglovima zakreta lopatica. Obicno se sa a= 0 definise HQ kriva koja odgovara nekom proracunatom (optimalnom) rezimu rada, onda uglu a""+ odgovara kriva sa povecanim protokom a uglu a= - kriva sa smanjenim protokom. Ako bi se nastavilo sa zakretanjem lopatica u smjeru a= - protok bi pao na nulu. Daljim zakretanjem iopatica usisni ventilator poprima osobine pritisnog ventilatora.

7.3. Kornprcsori

231

7.3. KOMPRESORI Kompresori su masine koje, koristeci energiju pogonskog rnotora, komprimuju (sabijaju) gas, najcesce vazduh. Nivo sabijenosti (zgusnutosti) vazduha zavisi od odnosa izlaznog i ulaznog pritiska (pi/p1). Kod centrifugalnih ventilatora odnos p/p1 = 1,1 pa je izlazni pritisak povecan za 10 kPa (0,1 bar). Kod visestepene centrifugalne duvaljke i vazdusne klipne pumpe odnos p2/p1 ee 1, 1 -e- 3 pa povecanje izlaznog pritiska iznosi 10 + 200 kPa odnosno 0,1 + 2 bara. Kod kompresora je p/p1 > 3, tj. izlazni pritisak je za najmanje 200 kPa odnosno za najmanje 2 bara veci od ulaznog. Kompresori su siroko primijenjeni na brodu. Oni su osnovne komponente uredaja za hladenje i uredaja za klimatizaciju, Komprimovani vazduh, dobijen pornocu kompresora, se koristi u sistemima za prednabijanje (prehranjivanje) dizel-motora, u sistemima za sagorijevanje, za napajanje pneumatskih pogona, u sistemima pneumatskog transporta rasutih materijala itd. Postoji vise podjela kompresora. Prema principu rada, kompresori se dijele na: zapreminske (staticke) kompresore i kompresore sa lopaticama (dinamicke), Zapreminski kompresori ( klipni, krilni, vijcani, membranski itd.) sabijaju vazduh smanjenjem radne zapremine. Dinamicki kompresori ( centrifugalni, aksijalni) pomocu lopatica daju vazduhu kineticku energiju, da bi se, zatim, kineticka energija transformisala u potencijalnu energiju vazduha (energiju pritiska). Najcesce korisceni klipni kompresori imaju mali kapacitet (do 8 m3/s), ali se njima obezbjeduju visoki pritisci (kompresori srednjeg pritiska do 60 barn, kompresori visokog pritiska iznad 60 bara). Diuamicki kompresori imaju veliki kapacitet (centrifugalni do 70 m3/s, aksijalni do 250 m3/s) i nizak izlazni pritisak (ispod 10 bara). 7.3.1. Kompresorski

proces

Kompresorki proces bice predstavljen na klipnom kompresoru (slika 7.3.1). Pri kretanju klipa od cela cilindra (krajnji lijevi polozaj) udesno, dolazi do pojave vakuuma uslijed cega se otvara usisni ventil (5). Vazduh se usisava pri prakticno konstantnom pritisku. Dolaskom klipa u krajnji desni polozaj zavrsava se proces usisavanja, klip pocinje da se vraca, pri cemu dolazi do zatvaranja ventila (5). Sada su oba ventila zatvorena. Vazuh se sabija do pritiska p2, koji je nesto veci od pritiska u rezervoaru (skladiste vazduha). Ovim se zavrsava proces sabijanja ( 1-2), poslije cega se otvara izduvni ventil (6) i sabijeni vazduh se uvodi u rezervoar (proces 2-3). Rad kompresora treba da bude takav
7. Brodski uredaji i pogoni

232

toplota ne odvodi. Ovu toplotu je potrebno kompenzovati uzimanjem energije iz mreze. S obzirom na to da je proces prirasta toplote znatno brzi od procesa hladenja, realni proces sa hladenjem se odvija po nekoj politropskoj krivoj (slika 7.3. l c), koja se nalazi izmedu izoterrne i adijabate. Pritisak sabijenog vazduha u kompresoru ne smije da prede 1 MPa (10 bara), pesto pri vecim pritiscima, oak i kod dobro hladenog cilindra, temperature vazduha postaje nedopustivo velika. Zato se za vece pritiske koriste visestepeni kompresori. Predvideno je da se poslije svakog stepena kompresije sabijeni vazduh hladi pornocu posebnog izmjenjivaca toplote. Ovim se temperatura sabijenog vazduha spusti na temperaturu izlaznog vazduha priblizavajuci se idealnom izotermskom procesu. p

2

6

P2

2

3

--~r.

--~ """5

Pi

4

v a)

b)

p

p,

p,

2a

2

2b

3

pV~const pV'~const . pVi.;,,,const

4

T

2a

c)

v

--J>-

d)

s

Slika 7.3 .1- Kompresorski proces a) skica kompresora: 1- cilindar, 2 - k!ip, 3 - klipnjaca, 4 - koljenasto vratilo, 5 - usisni ventil, 6 - izduvni ventil b) p V- idealna karakteristika c) pV- karakteristike procesa (1-2), d) Ts-karakteristike procesa ( l-2)

Principijelna sema dvostepenog kompresora je prikazana na slici 7.3.2a. Sistem se sastoji iz dva jednostepena kompresora, meduhladnjaka i izlaznog hladnjaka, U prvi stepen vazduh se usisava po liniji (4-1), sabija po politropi (1-21), i izduvava po liniji (21-5). Pri prolasku kroz izmjenjivac vazduh se hladi do pocetne temperature. Ohladeni vazduh se usisava u drugi cilindar (proces 5-12), sabija (proces 12-2) i izduvava (proces 2-3). Izlazni hladnjak nema tehnolosku vec zastitnu funkciju. On stiti pneumatske instalacije i opremu od vlage. Prisustvo vlage u vazduhu je nepozeljno iz vise razloga: vlaga je uzrocnik korozije; vlaga moze da izazove poremecaje na pneumatskim uredajima i instrumenrima; vlaga mrzne itd. lzlazni hladnjak, preko izmjenjivaca toplote, snizuje temperaturu vazduha ispod tacke rose, izazivajuci zasicenje ili kondenzaciju, Cuvanje vazduha pod visokim pritiskom zahtijeva susenje vazduha. Susenje se izvodi pomocu adsorpcionih susaca i susaca na bazi hladenja. Adsorpcioni susaci za upijanje vlage koriste zrnaste porozne materijale, Susaci sa hladenjern koriste iz-

7.3. Kornprcsori

233

mjenjivac toplote i agregat za hladenje, Prvo se pomocu izmjenjivaca toplote ostvari os~ovno izdvajanje vlage , da bi se pomocu uredaja za hladenje, preko sredstva za

£4_,_2 __

b)

~i uQ_

T

Ti'------'"------

I

T, L----~---" 12

a)

c) Stika 7.3.2.

v

s

Dvostepeni kompresor

a) blok-sema kornpresora: I - prvi stepen, 2 - drugi stepen, 3 - meduhladnjak, 4 - izlazni hladnjak b) pV-karakteristika c) T.~-karakteristika

hladenje predvidenog za nize tempeature, ostvarilo dodatno izdvajanje vlage (slika 7.3.3). RAS HLAD NI UREDAJ

ISPARIVAC KONDENZAT KONDENZAT

Slika 7.3.3. Susenje vazduha hladenjem

7.3.2. Regulacija rada kompresorsklh stanica Pomenuto je da se kompresori koriste kao osnovne komponente sistema za hladenje (rashladni uredaji-frigotehnika, klimatizacija), sisterna za prednabijanje itd., pa su odredene funkcije kompresora obradene u okviru tih sistema. Tako je

regulaciji kapaciteta kompresora najvise prostora posveceno u sklopu rashladnih uredaja (tacka 7.6). Ovdje ce biti obradena funkcija kompresora u napojnim jedini-

7. Brodski urcdaji i pogoni

234

cama pneumatske energije. Napojne jedinice za centralno obezbjedenje pneumatske energije su poznate kao kompresorske stanice. Materija kompresorskih stanica je dotaknuta u tacki 5.2.1. Na slici 7.3.4 su naznacene slijedece osnovne komponente stanice iduci od usisa vazduha: filter, stabilizator strujanja, kompresor sa motorom, izlazni hladnjak, separator vlage i rezervoar, Kopresorska stanica, zavisno od izvedbe, moze da ima vise regulacija, kao StO SU'. regulacija pritiska vazduha u rezervoaru, regulacija hladenja vazduha u meduhladnjaku, regulacija hladenja vazduha u izlaznom hladnjaku, regulacija susenja vazduha, regulacija pritiska ulja za pomazivanje itd.

2

4

6

Slika 7.3.4. Blok-sema kompresorske stanice l~ filtar, 2 - stabilizator strnjanja, 3 - kompresor sa rnotorom, 4 - izlazni hladnjak, 5 - separator vlage, 6 - rezervoar

7.3.2.1. Regulacija pritiska vazduha kompresorske stanice Rezervoar vazduha igra ulogu napojne jedinice pneumatske energije. Stanje izvora se karakterise nivoom pritiska. Rereferentni nivo pritiska se postavlja pornocu presostata .. Kada pritisak u rezervoaru dostigne refercntni nivo, presostat inicira operaciju rastere6enja u kojoj kompresor radi na prazno. Ukoliko se dostignuti referentni pritisak zadrzi duze, doci ce do iskljucenja kompresora. Ukoliko pritisak brzo padne, blokirace se rasterecenje, a kompresor ce poceti ponovo da sabija vazduh. Strujna sema elektricnog sisterna je prikazana na slici 7.3.5. Ona se sastoji se iz energetskog dijela (predstavljen debljim linijama) i relejno-upravljackog dijela (predstavljen tankim linijama). Obicno se kod kompresorske stanice predvida poluautomatski i autornatski rad. Poluautomatski rad predvida da motor kornpresora radi bez prekida u rezimima sabijanja i rasterecenja, zavisno od pritiska u rezervoaru, Ovaj nacin rada se bira kada su proizvodnja i potrosnja vazduha bliske. Automatski rad je kombinacija tri rezirna rada: sabijanja, rasterecenja i iskljucenja. Startovanje kompresora Se inicira ukljucenjem prekidaca bl' cime se ukljucuje komandni relej d5. Relej d5 se ukljucuje preko mirnih kontakata vremenskog releja d8 i mirnih kontakata bimctalnih zastita Fl i F2. Komandni relej ukljuci svoje radne kontakte produzavajuci upravljacku sabirnicu na relejni blok, Dalje ukljuee-

7.3. Komprcsori

235

nje zavisi od stanja pritiska u rezervoaru, Ako je pritisak u rezervoaru iznad referentnog pritiska postavljenog na presostatu b4, onda su kontakti BA otvoreni, tako da je ukljucenje kompresora blokirano. Kada, pritisak u rezervoaru padne ispod referentnog, uslijed potrosnje, presostat b4 zatvori kontakte BA. Ovim se, preko kontakata cl, c3 i d4, na sklopnik c2 i vremenski relej d4, dovodi upravljacki napon,

R----S __

p b4

......_.,___

T ------1--1-o-c3

d7

cl c2

cl 5 -o

} .• ..-.

4t2

Slika 7.3.5.

6

T1

c3 10

9 ~--1

6,9i 10

5.6,S,!Oi

7

: n-1

Stmjna sema jedne kompresorske Staniec

Sklopnik c2: - preko jednog para pomocnih radnih kontakata ostvari samodrzanje; - preko drugog para pomocnih radnih kontakata ukljuci sklopnik cl; - preko treceg para pomocnih mirnih kontakata blokira ukljucenje sklopnika c3; - preko tri para glavnih kontakata
7. Brodski urcdaji i pogoni

236

Motor kompresora se ukljucuje u spoj zvijezda i radi na prazno t]. u rasterecenom stanju. Relej d4 nastavlja da cdraduje svoje vrijeme zatezanja, da bi po isteku vremena zatezanja, iskljucio sklopnik c2. Sklopnik c2 preko svojih mirnih kontakata ukljucuje sklopnik c3.

Sklopnik c3 - preko para pomocnih radnih kontakata pripremi ukljucenje releja d7 i releja

d6; - preko para glavnih kontakata dovodi mrezni napon na motor kornpresora obezbjedujuci rad motora u spoju trougao, Vremenski relej d8; po odradi vremena zatezanja iskljucuje svoje mime kontakte u kolu kornandnog releja d5 (relej dS nastavi da se drzi preko kontakata presostata b5; presostat b5 zatvori svoje kontakte kada pritisak ulja za podmazivanje dostigne odgovarajuci nivo; zupcasta uljna pumpa je mehanicki spregnuta sa pogonom kompresora); preko para radnih kontakata ukljucuje elektromagnetni ventil Yl (ventil Yl, slika 7.3.6, - blokira sisteme rasterecenja cilindra niskog pritiska, meduhladnjaka i cilindar visokog pritiska; kompresor se prebacuje u radni rezim sabijanja vazduha).

Slika 7.3.6. Sistem za rasterecenje kompresora A - mehanizam za rasterecenje niskopritisnog cilindra, B - mehanizam za rasterecenje visokopritisnog cilindra, C - mehanizam za rasterecenje meduhladnjaka, b4 - presostat na rezervoaru odnosno izlazu kompresora, YI - elektromagnetni ventil, E - manometar radnog pritiska

U rezimu sabijanja upravljacka sabirnica relejnog bloka se dvostruko drzi pod naponom: preko kontakata BA presostata b4, i preko kontakata releja d6 i sklopnika cl. Po dostizanju referentnog pritiska, presostat otvara kontakte BA, a zatvara kentakte BC, sto trenutno nema uticaja na stanjc upravljacke sabirnice. Presostat b4 preko kontakata c3 ukljucuje pomocni relej d7 i vremenski relej d6. Relej d7 iskljucttje elektromagnetni ventil Yl, tako da se kompresor prebacuje u stanje rasterecenja, cime se prekida dotok vazduha u rezervoar, Motor kornpresora radi na prazno. Ako
7.3. Komprcsori

237

vremenski relej d6 ne iskljuci napon upravljacke sabirnice a time i kompresor. Relej d8 ispada preuzimajuci od presostata bS drzanje komandnog releja dS. Gore je opisan automatski rad kompresora sa rezimima sabijanja, praznog hoda i iskljucenja. Poluautomatski rad predvida iskljucenje prekidaca b3. Iskljucenjem prekidaca b3 ne dolazi do raskidanja upravljacke sabirnice d6-cl sto ima za posljedicu smenjivanje rezima sabijanja i rezima praznog hoda kompresora. Iskljucenjem prekidaca b2, kompresor se prebacuje i radi stalno u rezimu praznog hoda. Indikatorski rezim kompresorske stanice zavisi od izvedbe. Sistern normalno posjeduje mjerenje pritiska na rezervoaru i izlazu kompresora, mjerenje pritiska na medukazanu i mjerenje pritiska ulja za podmazivanje, 7.3.2.2. Regulacija hladenja i susenja vazduha Oduzimanje toplote od sabijenog vazduha vrsi se pomocu izrnjenjivaca toplote. Izmjenjivaci toplote su posebni uredaji u kojima se toplota prenosi sa jedne sredine sa jednim radnim tijelom na drugu sredinu sa drugim radnim tijelom. Hladenje sabijenog vazduha moze da se ostvari pomocu: - izmjenjivaca vazduh/vazduh. U ovom slucaju hladnjak se konstrukciono izvodi sa rebrima na bazi specijalnih materijala sa povecanim sposobnostima zracenja. Prisilno hladenje se ostvaruje pomocu ventilatora; - izmjenjivaca vazduh/voda, U ovom slucaju kroz izmjenjivac prolaze vazduh i hladna voda; - izmjenjivaca/rashladnog sredstva. U ovom slucaju izmjenjivac funkcionise kao isparivac, cime je ornoguceno hladenje vazduha na nizim temperaturama. Najcesce se koriste izmjenivaci vazduh/voda. Na slici 7.3.7 prikazana su dva rjesenja procesa hladenja, Oba rjesenja posjeduju dva izmjenjivaca: prvi se koristi - .... - -1

REGULATOR

T

~~ a)

c) REGULATOR

b) Slika 7.3.7. Regulacija hladenja sabijenog vazduha a) regulacija pumpom promjenjivog protoka b) regulacija servopogonom sa trokrakim ventilom c) trokraki ventil mjesac d) trokraki ventil separator

238

7. Brodski urcdaji i pogoni

Kontinualno upravljanje trokrakim ventilima najcesce se ostvaruje pomocu membranskih servomotora i elektricnih servomotora. Mernbranski servomotor je direkto spregnut sa vretenorn trokrakog ventila, dok se kod elektricnog, sprega ostvaruje pomocu posebnog prenosa obrtnog hoda u translatorni hod. Diskretno upravljanje trokrakim ventilom se ostvaruje pomocu elektromagnetnih ON/OFF ventila. Najjednostavnije funkcionisanje se ostvaruje pomocu dvopolozajne regulacije (tacka 4.2.3.2). Na bazi signala regulacionog odstupanja, regulator preko elektromagnetnog ventila definise odnos komponenata. U konkretnom slucaju hladenja vazduha, dio h!adne vode prelazi preko hladnjaka, a dio preko bajpas voda. U slucaju vece greske, regulator ce preko elektromagnetnog ventila povecati protok vode preko hladnjaka, tj. ON stanje elektromagnetnog ventila ce biti srazmjerno duze od OFF stanja, Kada greska padne na nulu, trajanje stanja ON i OFF ce se izjednaciti. Protok hladne vode koja prolazi kroz hladnjak se moze izaziti relacijom Qfl= Q(t0N+ t0ff), gdje je Q - konstantni protok pumpe. Postoje rjesenja u kojima SU odnosi loN i tor:F bolje definisani. Tako rjesenje sa frekventno-impulsnom modulacijom drzi vrijednost t0.v konstantnim, a mijenja vrijednost periode t0N+ t0ff, dok rjesenje Sa sirinsko-impulsnom modulacijom drzi konstantnu periodu foN+ tof'F, a mijenja vrijeme toN Sistemi regulacije susenja vazduha hladenjem se ostvaruju pomocu rashladnih uredaja. Nivo hladenja se obezbjeduje promjenom kapaciteta kompresora ili promjenom kapaciteta isparivaca (tacke 7.6.2; 7.6.5). 1.4. DESTILATORI Destilatori (isparivaci, evaporatori) su uredaji pomocu kojih se iz morske vode dobija pitka (slatka) voda. Cinjenica, da je za potrebe zivljenja na brodu (voda za pice, kuvanje, pranje) i potrebe opreme (parni kotlovi, dizel-motori itd.) nuzno obezbijediti, zavisno od namjene broda, odgovarajuce kolicine pitke vode. Kontinualna proizvodnja pitke vode na brodu u toku plovidbe poboljsava ekonomiju broda (ustede na prostoru i tezini, ustede na transportu, koriscenje otpadne toplote itd.). Morska voda predstavlja rastvor vecih ili manjih kolicina raznih soli, ciji procenat se krece izmedu 0,20 % i 3,60 °;;>. Najizrazenije su prisutne soli h1orida, bromida, karbonata itd. Izdvajanje soli iz vode (desalinacija) vrsi se raznim metodama baziranim na djelovanju sila (gravitaciona, centrifugalna, elektricna, magnetna), toplote, na prolazu kroz membrane, ekstakciji pomocu organskih materija itd. Metoda destilacije je jedna od najsire prmijenjenih metoda, Prema pritisku isparivanja u isparivacu, destilatori mogu biti niskopritisni Hi vakuumski destilatori i visokopritisni destilatori. Kod vakuumskih destilatora se, s obzirom na niske temperature 45 + 55 °C, obrazuje samo karbonatni talog, cije izolovanje je relativno jcdnostavno. Visokopritisni destilatori posjeduju znatne prednosti s obzirorn na tezinu, zapreminu i slozenost konstrukcije, ali i veliki nedostatak vezan za izdvajanje taloga. Danas se, posebno na motornim brodovima, koriste vakuumski destilatori. Prema nacinu obezbjedenja energije, desti!atori mogu biti autonomni i utilizacioni. Autonomni su nezavisni od rada glavnog pogona i koriste se kao rezervni, dok utilizacioni koriste otpadnu toplotu glavnog pogona.

7.4. Dcstilatori

239

7.4.1. Regulacija process destilacije uredaja sa uronjenom grejnom baterijom Jedan od najprostijih destilacionih uredaja, uredaj koji se u prvobitnoj izvedbi jos moze sresti na selu, vezanje za proizvodnju alkohola. Formirana pulpa (trop) sc stavlja u kotao, koji se direktno zagrijava, pri cemu se izdvaja alkohol kao najlaksa isparljiva komponenta pulpe. U hladnjaku se vrsi kondenzacija alkoholnih para, da bi se na izlazu formirao destilat - alkohol, Pri pocetnoj destilaciji, destilat posjeduje mah procenat alkohola, pesto ovi najprostiji uredaji ne posjeduju deflegmatore (deflegmacija oznacava djelimicnu kondenzaciju para alkohola), stoga se prve kolicine destilata ponovo vracaju u proces.

4

Slika 7.4.1. Presti destilatori za proizvodnju alkohola 1- kotao (isparivac),.2 - hladnjak (kondenzator), 3 - zmijaca, 4 - crijevo za ulaz hladne vode

Na slici 7 .4.1 data je ski ca destilacionog uredaja za proizvodnju alkohola. Regulacija procesa destilacije se bazira na odrzavanju dotoka toplote grijanjem kotla i temperature kondenzacije dotokom hladne vode. Na istom principu funkcionise destilator kojim se iz morske vode dobija destilovana voda (slika 7.4.2). Osnovne komponente destilatora su isparivac (l) i .kondenzator (5). Isparivac i kondenzator predstavljaju izmjenjivace toplote. Toplota (topla voda, para) se preko zmijacc prenosi na morsku vorlu, Pod djelovanjem toplote, iz mjesavine se izdvajaju molekuli vode (Iaksa frakcija), a u isparivacu ostaju teski molekuli soli (rasol). Iz vodene pare se pomocu separatora odvajaju kapljice vode. Formirana vodena para se uvodi u kondenzator, gdje se pod uticajem rashladne vode kondenzuje. Kondenzovana vodena para (kondenzat) je zapravo destilat (destilovana voda). Za hladenje se koristi morska voda koja se dovodi cirkulacionom pumpom (6). Dio ove vode se preko napojnog voda uvodi u isparivac. Neispareni dio teskih jona (rasol) se pomocu pumpe odstranjuje iz isparivaca. Posebnom obradom destilovane vodc, dobija se voda za pice. Proces destilacije se ostvaruje kontrolom procesa isparavanja mors.ke vode, kontrolom procesa kondenzovanja destilovane vode i odrzavanjem nivoa morske vode u isparivacu.

240

7. Brodski urcdaji i pogoni

Slika 7.4.2. Principijelna sema destilatora sa uronjenom grejnom baterijom (kipeci isparivac)

1- isparivac, 2 - grejna baterija, 3 - pumpa za rasol, 4 - separator, 5 - kondenzator, 6 - rashladna p11mpa, 7 - pumpa za odvodenje destilata Regulacija temperature isparavanja. Pomocu regulatora temperature isparavanja odrzava se konstantnom temperatura morske vode u isparivacu, Na slici je naznacena primjena trokrakog ventila kao izvrsnog organa. Na bazi odnosa referentne i stvarne temperature regulator postavlja odnos tople vode koja se zatvara preko zmijace i vode koja se zatvara preko bajpas-voda. Regulacija temperature kondenzovanja vodene pare. Na bazi temperature destilata regulator kondenzacije preko trokrakog ventila pusta vise ili manje rashladne vode u kondenzator. Regulacija nivoa vode u isparivacu. Regulacija se najcesce izvodi pomocu regulatora sa plovkom (funkcionisanje ovih regulatora je principijelno slicno regulatorima nivoa vode u vodokotlicima) 7.4.2. Regulacioni sistcm generators slatke vode Efikasnost procesa destilacije, koji je principijelno predstavljen preko destilatora sa uronjenom baterijom, moze da se poboljsa primjenom vakuuma. Vakuumom se smanjuje pritisak vodene pare u isparivacu, cime se proces isparavanja pomjera prema nizim temperaturama. Tako vakuumu od 0, 1 barn odgovara temperatura isparavanja od 45°C. Smanjenjem temperature, obezbjeduje se bolje iskoriscenje otpadne toplote i lakse izdvajanje taloga. Na motornim brodovima ugraduju se vakuum-destilatori, poznati kao generatori slatke vode (engl. freshwater generators), koji za isparavanje morske vode koriste otpadnu toplotu hladne pitke vode dizel-motora. Na slici 7.4.3 prikazana je sema generatora slatke vode. Pumpama je definisano pet radnih krugova, Pumpa pitke vode (1) hladi kosuljice cilindara dizel-motora (2). Zagrijana pitka voda se hladi pomocu izmjenjivaca (3). Paralelno ovom izmjenjivacu, vezan je isparivac generatora slatke vode (4). S gledista hladenja dizel-mo-

7.4. Destilatori

241

tora, isparivac igra funkciju rashladnika (hladionika), analogno izmjenjivacu (3). S gledista generatora slatke vode, isparivac koristi otpadnu toplotu dizel-motora radi isparavanja morske vode, pa se ponasa kao izmjenivac zagrijac. Morska voda pogonjena pumpom (5) se koristi u izmjenjivacima hladenja pitke vode (3), h1adenja ulja (7) itd., a kod generatora sladke vode za hladenje kondenzatora (6). Istovremeno, pumpa morske vode preko membranskog ventila (9) snadbijeva isparivac morskom vodom, Mlazna pumpa (10) sluzi za izvlacenje taloga iz isparivaca. Mlazna pumpa (11) sluzi za odrzavanje vakuuma u isparivacu. r---, I I

--------------------------------i--~~-----,

1---

J I l

J I

I

I

I

*

I

:

I

J I ! I I

I I

L. .............. ,

I I 1.

I

I I I

~a

: ;::~,_...-,..._..

:

: : !3 :

I

b-------

I

I I I I +!

l ~----,,.

: b

~-ypiikavodR.J I

5

slana voda

8

Slika 7.4.3. Regulacioni sistem generatora slatke vode l - pumpa pitke rashladne vode dizel-motora, 2 - dizel-motor, 3 - izmjenjivac hladitelj pitke vode, 4 - isparivae, 5 - pumpa morske vode, 6 - kondenzator, 7 - izmjenjivac-hladitelj pitke vode, 8 - pumpa destilovane vode, 9 - membranski ventil dotoka morske vode u isparivac, l 0 - mlazna pumpa taloga, 11 - mlazna pumpa vakuuma, 12 - separator, 13 - izmjenjivac koji nije u funkciji generatora, 14 - ventil za ozracivanje, 15 - sigumosni ventil; R1 - regulator temperature isparivaca, R, - regulator temperature kondenzatora, R3 - regulator granicnog saliniteta, R4 - regulator nivoa morske vode u isparivacu, Rs - regulator izvlacenja taloga, R1; - regulator vakuuma u isparivacu; V - vakuumetar, T - tennometar, S - salinometar, P - manometar, SP - senzor protoka

Postoji vise regulacionih petlji: - regulaciona petlja temperature isparavanja. Dotokom tople vode ( otpadna voda dizel-motora) mijenja se temperatura slane vode u isparivacu. Postavljenu referentnu temperaturu odrzava regulator R1 preko trokrakog ventila, mijenjajuci odnos komponenata protoka preko zmijace i bajpas-voda; - regulaciona petlja temperature kondenzovanja vodene pare. Temperatura kondenzovanja se odzava pomocu regulatora R2, koji preko trokrakog ventila postavlja odnos protoka morske vode preko kondenzatora i bajpas voda; - regulaciona petlja povracaja destilovane vode povecanog saliniteta. Kada salinitet destilovane vode, mjeren pomocu salinometra S, prede dozvoljenu vrijed-

242

7. Brodski urcdaji i pogoni

nost, regulator R3 prebaci · trokraki ventil na bajpas-vod, cime se destilovana voda vraca na ponovno destiliranje; - regulaciona petlja nivoa vode u isparivacu. Regulacija se vrsi pomocu regulatora R4, koji je najcesce na bazi plovka. Na slici je naznacena upotreba pneumatskog davaca nivoa sa membranskim ventilom kao aktuatorom; - regulaciona pet!ja izvlacenja taloga. Kvalitetno odvijanje procesa destilacije se ostvaruje kada je kolicina slane vode 3 -i- 4 puta veca od kolicine destilovane vode. Pomocu regulatora R5 ostvarena je potrebna proporcionalnost protoka proizvedene destilovane vode i protoka taloga, Regulator preko trokrakog venti1a mijenja protok morske vode kojim se upravlja mlazna pumpa (10). Povecanjem protoka rnorske vode, povecava se protok izvlacenja taloga; - regulaciona petlja odriavanja vakuuma u separatoru i kondenzatoru. Regulacija je ostvarena pomocu regulatora R6. Regulator R6 preko trokrakog ventila upravlja protokom mlazne pumpe. Povecanom protoku odgovara povecanje vakuurna i obrnuto. Generator slatke vode posjeduje vise rnjernih krugova: rnjerenje temperature na ulazu i izlazu pitke vode u isparivac, mjerenje temperature na ulazu i izlazu morske vode u kondenzator, mjerenje vakuuma u isparivacu i kondenzatoru, mjerenje pritiska na pritisnom cjevovodu morske vode, mjerenje protoka destilovane vode, mjerenje kolicine proizvedene destilovane vode itd, Posjedovanje mjernih krugova i regulacionih petlji zavisi od izvedbe. Starije konstukcije posjeduju regulaciju nivoa morske vode u isparivacu na bazi plovka, dok se ostali parametri postavljaju rucno pomocu bajpas-ventila i prigusnih ventila. Dotok pitke vode u isparivac i slane vode u kondenzator se postavlja preko bajpas-ventila a izvlacenje taloga i postavljanje vakuuma preko prigusnog ventila. Unutar kola pitke vode je skicom a) predstavljena bajpas - rucna regulacija temperature isparivaca i kondenzatora a sa b) prigusna regulacija izvlacenja taloga i postavljanja odgovarajiceg vakuuma. 7.5. CENTRIFUGALNI SEPARATORI Rad masinske opreme znacajno zavisi od kvaliteta ulja za podmazivanje, pa se stoga u sistemu za podmazivanje vrsi kontinualno odstranjivanje stranih materija (voda, sljaka, rda, razne kiseline itd.). Na slican nacin kvalitet pogonskog goriva znacajno zavisi od cistoce i homogenosti goriva, sto je posebno izrazeno kod teskih goriva koja se pretezno koriste za pogon sporohodnih dizel-motora, a u kojima se cesto nalaze cvrste cestice razlicitog porijekla. Uredaji pomocu kojih se vrsi kontinualno ciscenje ulja i goriva su poznati pod imenom separatori (precistaci). Postoji viSe vrsta separatora, a najsiru primjenu su nasli centrifugalni separatori. Najcesce su u pitanju dva procesa: - proces ciscenja, poznat i kao proces bistrenja, kojim se iz mjesavine (neoisto ulje, necisto gorivo) izdvaja tecna faza (cisto ulje, cisto gorivo) i cvrsta faza (talog). Ovaj proces se vrsi pomocu uredaja poznatih pod nazivom klarifikatori; - proces separiranja mjesavine na tri komponente: Iaka tecna komponenta (osnovna komponenta), teska tecna komponenta (obicno voda) i cvrsta komponenta (talog). Ovaj proces se izvodi pomocu separatora poznatih pod imenompurifikatori.

7.5. Ccntrifugalni separatori

243

Separatori mogu biti staticki i dinamicki. Kod statickih separatora separiranje se vrsi pod uticajem zemljine teze (slika 7.5. la), a mote se izraziti jednakoscu hi-

drostatickih pritisaka (7.5.1)

odakle je: Sh

=h - h =h I

2

I

y2 -Yi

Yi

(7.5.2)

•

Ovi separatori zauzimaju puno prostora, a proces separiranja se vremenski odvija veoma sporo. Koriste se u rudarstvu i metalurgijl. Separiranje se znatno efikasnije ostvaruje pomocu centrifugalnih separatora (slika 7.5.2b). Ovde se tecnost separira pod uticajem snaznog, vjestacki formiranog, centrifugalnog polja. 0 uticaju ovog polja moze se suditi na bazi odnosa centrifugalne i gravitacione sile, U slucaju obrtne brzine separatora od 6000 o/min i odstojanja od 0,3 m od ose rotacije, cestica tecnosti je podvrgnuta centrifugalnoj sili

rro2

rro2

g

g

F,_ =mrro2 =mg-=G-.,,38·103G

(7.5.3)

sto govori da je cestica u centrifugalnom polju separatora 38000 puta teza nego u zemljinom gravitacionom polju. Povecana razlika izmedu cestica razlicite prirode tako vise dolazi do izrazaja, sto obezbjeduje bolje i Iakse odvajanje. 2

'J ~

ulaz

mjesavine

-==========-·::!::.

. .· ~~~~~~~~~~=Jm - - -

-

'-t

- ::.:·:·

;~

~'

Lt>~
b)

~5

c)

Slika 7.5.l. Ciscenje ulja i goriva separiranjem a) princip rada statickog separatora b) principijelna sema centrifugalnog separatora c) skica konstrukcije centrifuga!nog separators: 1- dotok mjesavine,

2 - izlaz ciste komponente, 3 - izlaz vode, 4 - diskovi, 6 - scparaciona zona, 7 - talozna komora Skica konstrukcije separatora je prikazana na slici 7 .5. l c. Separator se izvodi u obliku bubnja, formiranog sa velikim brojem konusnih diskova - tanjira. Mjesavina izmedu tanjira se separira na taj nacin da teze cestice klize niz unutrasnju (donju) stranu gornjeg tanjira, a Iakse cestice klize uz spoljasnju (gornju) stranu donjeg tanjira, Tako se laksa komponenta izdvaja na unutrasnjem izlazu, a teza na spoljasnjem izlazu, Cvrsta fazase talozi uz unutrasnju stranu bubnja 4 ttv-,it~lofaoj komori., ..

244

7. Brodski urcdaji i pogoni

Izmedu talozne komore i cilindra tanjira formira se cilindricna separaciona zona tecnih komponenata. Fino postavljanje cilindricne separacione zone (separacione povrsine) izmedu tecnih faza je veoma bitno za kvalitetno odvijanje procesa separiranja. U ovom smislu, shodno Iaboratorijskoj analizi mjesavine, treba odabrati odgovarajuci gravitacioni prsten i pomocu prigusnog ventila postaviti tzv. povratni pritisak na izlaz osnovne komponente (ulje, gorivo), 7.5.1. Automatsko upravljanje procesom separiranja Automatski sistem separatora se sastoji iz podsistema glavnog pogona i programskog uredaja procesa separiranja. Glavni pogon cine pogonski motor, rnehanicki prenos sa kocnicom i bubanj kao radna masina. Danasnji separatori posjeduju konstantnu brzinu, pesto se baziraju na asinhronom motoru. Primjena pogona sa promjenjivom brzinom obezbijedice nova poboljsanja procesa separiranja, uz odgovarajuca mehanicka pojednostavljenja (otpada potreba za gravitacionim prstenom i sf). Podsistem glavnog pogona brine o startovanju, zaustavljanju i zastiti pogona. Programski uredaj upravlja procesom separacije. On treba da, na bazi predvidenog tehnoloskog programa, inicira operaciju samociscenja bubnja (odstranjivanje taloga, priprerna bubnja za novi ciklus separiranja). Na slici 7.5.2 prikazane su osnovne komponente programskog uredaja. Klasicni programator je realizovan po ugledu na programator masine za pranje rub1ja. Najsavremeniji programatori su na bazi mikroprocesora. Na slici su navedeni osnovni signali programatora preko kojih se izvodi kontinualno odvijanje procesa separacije i povremeno odstranjivanje taloga. U toku procesa separiranja, programator preko elektromagnetnog ventila v, aktivira pneumatski ventil V1 omogucujuci ulaz mjesavine iz izmjenjivaca (3) u bubanj (1). Istovremeno, preko elektrornagnetnih ventila su zatvoreni ulazi hladne, tople i upravljacke vode Programski ciklus separiranje + izvlacenje taloga se postavlja na bazi laboratorijske analize mjesavine. U njemu proces separiranja moze da traje na desetine sati, a proces odstranjivanja taloga 150+200 sekundi. U procesu separiranja mjesavina kontinuirano ulazi u bubanj, a iz bubnja kontinuirano izlaze laka (osnovna) komponenta (cisto ulje, cisto gorivo) i teska kornponenta (voda), dok se cvrsta komponenta talozi po periferiji bubnja (talozna komora). Kada, shodno programu, talog dostigne odgovarajucu vrijednost, programator generise odgovarajuce signale procesa odstranjivanja taloga, to: - preko elektromagnetnog ventila v, prebaci pneumatski ventil V1 u drugo stanje, kojim se, s gledista mjesavine, inicira proces recikliranja. Mjesavina se vraca na usis pumpe i cirkulise preko izmjenjivaca ne ulazeci u separator; - preko elektromagnetnog ventila v, aktivira hidraulicki ventil V4 koji otvara ispust taloga; - pomocu elektromagnetnog ventila v2 upusta toplu vodu radi ciscenja bubnja; - pornocu elektromagnetnog ventila v, upusta hladnu vodu radi formiranja vodenog prstena (tecna brtva) kao podloge prije novog upustanja mjesavine.

7.5. Ccntrifugalni separatori

245

Redoslijed faza i trajanje pojedinih faza u programu ostranjivanja taloga zavisi od izvedbe. Obicno se predvidaju mogucnosti podesavanja pojedinih velicina. Po odstranjivanju taloga, programator, ukljucenjem elektromagnetnog ventila v., inicira prekid procesa recikliranja i pocetak novog procesa separiranja. Odvijanje procesa separiranja moze da se prati preko indikatorskog sistema koji posjeduje vise indikatora kao cto su: dotok mjesavine, temperatura mjesavine, pritisak na izlazu osnovne komponente, protok osnovne komponente itd. Indiciraju se i neke velicine glavnog pogona: vibracije postolja, temperatura namotaja motora, brzina motora itd.

para topla voda

komprim. vazduh

v I

hladna voda

PROGRAMATOR

voda za uprav!janje

Slika 7.5.2. Blok-serna programskog uredaja centrifugalnog separatora

1- separator, 2 - pumpa mjesavine, 3 - zagrijac mjesavine, v 1 - elektromagnetni ventil komprimiranog vazduha, V, - pneumatski trokraki ventil, v2 - em ventil tople vode, v3 - em ventil hladne vode, v4 - em ventil hidroventila taloga, RV- regulacioni ventil povratnog pritiska, P - manometar povratnog pritiska, PS - presostat na izlazu osnovne komponente

Osnovna komponenta pomocu koje se postavljaju parametri procesa separiranja je regulacioni ventil RV, koji se nalazi na izlazu osnovne komponente, Radi se o prigusnom ventilu pomocu koga se namjesta povratni pritisak. Pomocu RV se postavlja opterecenje, odnosno radna tacka separatora. Od nivoa povratnog pritiska zavisi polozaj separacione povrsine izmedu tecnih faza, a od njenog polozaja zavisi

246

7. Brodski urcdaji i pogoni

kvalitet separiranja. Pomocu presostata PS, a na bazi odabrane vrijednosti povratnog pritiska, postavljaju se granice (gornja i donja) podrucja rada separatora. Kada povratni pritisak izade van ovog podrucja, presostat generira upozoravajuci signal, na osnovu koga programski uredaj proizvodi signale alarma i blokade rada separatora.

7.5.2. Konfiguracije separatora Prema izvedbi, separatori se dijele na separatore sa raspodijeljenim kornponentama i separatore modularnog (kontejnerskog) tipa. Separatori sa vise jedinica se pri montazi prilagodavaju raspolozivom prostoru. Separator modul je dizajniran tako da je u minimumu prostora smjestena sva potrebna oprema, pa u tom smislu predstavlja slozenu integrisanu komponentu. Modularna izvedba posjeduje odredene prednosti, s gledista tezine i prostora. Posebne prednosti su vezane za formirnnje konfiguracija (baterija) vise separatora. 7.5.2.1 Paralelna veza separatora Paralelna veza separatora je nuzna kada se pomocu jednog separatora ne mogu obezbijediti potrebne kolicine ciste komponente. Na slici 7 .5.3 prikazana je paralelna veza tri separatora u sistemu snadbijevanja gorivom dizel-motora,

Slika 7.5.3. Blok-sema paralelne veze separatora u sistemu napajanja gorivom dizel-motora 1 - separator, 2 - tank dnevne proizvodnje, 3 - talozni tank, 4 - usisni filtar, 5,6 - zagrijac, 7 - pumpa visokog pritiska, 8 - rasprsivac goriva

S gledista automatskog upravljanja, separatori rade sinhrono tj. sinhrono se smjenjuju separiranje i izvlacenje taloga kod svih separatora. Programski uredaj se sastoji od osnovne jedinice sa programatorom i dodatnih jedinica. Osnovna jedinica se postavlja najedan separator, koji postaje glavni (engl. master separator), a dodatne jedinice se postavljaju na ostale separatore, Osnovna jedinica diriguje programom. Ona, zavisno od nivoa goriva u tanku dnevne proizvodnje, moze da iskljuci neki od separatora iii sve separatore. Kod ponovnog ubacivanja separatora, inicira se programski ciklus izvlacenja taloga iz svih separatora i ponovni zajednicki start.

7.5. Ccntrifugalni

scparatori

247

7.5.2.2. Serijska veza separatora Na blok-serni (slika 7 .5.4) prikazana je priprema ulja za podmazivanje, ostvarena pomocu dva serijski vezana separatora, dva mjesaca, dva dozatora aditiva, i jednog dozatora vode. Cirkulacija ulja na trasi dobava - dnevni tank je ostvarena pomocu dvije pumpe (radna + rezervna), a slicno i otprema na trasi dnevni tank potrosac.

7

10

Slika 7.5.4. Priprema ulja za podmazivanje u sisternu sa dva serijski vezana purifikatora: 1,9 - tank aditiva, 2 - tank pitke vode, 3,5,10 - centrifugalni mikser; 4,6 - separator, 7 - dnevni tank ulja, 8 - tank neeistog ulja

Poznato je da ulje za podmazivanje mora da posjeduje strogo definisane tehnoloske parametre, koje poprima odgovarajucim Ciscenjem i dodavanjem aditiva. Prije separiranja i zagrijavanja, ulju se kontrolisano, pornocu dozatora (dozir pumpa), dodaje prva kolicina odredenih aditiva iz tanka aditiva, Rucnim postavljanjem protoka dozatora prema protoku ulja obezbjeduje se proporcionalno doziranje aditiva u mjesavinu, Navedenoj mjesavini ulja i aditiva dodaje se pitka voda radi purifikacije. Da bi se proces purifikacije sto kvalitetnije izvodio, pomocu centrigugalnih mjesaca formira se homogena mjesavina ulje + aditivi + voda. Prije drugog stepena purifikacije ponovo se dozira pitka voda. Proizvedena mjesavina cistog ulja i aditiva se radno skladisti u dnevni tank. Otprema zapocinje ukljucenjem pumpi za otpremu. Cistom ulju se iz tanka aditiva dodaju posebni aditivi, Ovo dodavanje se obavlja pornocu automatskih dozatora. Doziranje aditiva se vrsi na bazi mjerenja protoka ulja tako da je pomocu regulatora R ostvarena proporcionalnost ulje - aditivi, Homogeniziranje novoformirane mjesavine se vrsi novim centrifugiranjem.

7.5.2.3. Serijska veza purifikatora i klarifikatora Poboljsanje kvaliteta cistog goriva i ulja dobijenih iz purifikatora moze da se ostvari dodatnim separiranjem pomocu klarifikatora. Na slici 7.5.5 je prikazana serijska konfiguracija purifikator - klarifikator.

7. Brodski urcdaji i pogoni

248

p

Slika 7.5.5.

Serijska veza purifikatora i klarifikatora 1- purifikator, 2 - klarifikator

Cisto ulje/gorivo dobijeno u purifikatoru uvodi se u klarifikator. Ovaj proces dodatnog separiranja pomocu klarifikatora sve se koristi kod klasicnih separatora, pesto se oni po svojim karakteristikama nalaze na tehnoloskoj granici kada su u pitanju nisko kvalitetna goriva. Ovom kombinacijom se ta granica znacajno pomjera.

eesce

7.6. RASHLADNI UREl:lAJI Rashladni uredaji na brodovima obezbjeduju hladenje komora u kojima se Cuva hrana, pravi led, hladi voda, vrsi hladenje stambenih i sluzbenih prostorija u sklopu klima uredaja itd. Za razliku od kopnenih, brodske masine za hladenje treba da budu malih dimenzija i male tezine. Hladenje kao termodinamicki proces predstavlja proces oduzimanja toplote nekom tijelu, Prirodno hladenje se zasniva na drugom zakonu termodinamike, koji govori o prenosu toplote sa tijela koje posjeduje visu temperaturu na tijelo koje posjeduje nizu temperaturu. Kod uredaja sa vjestackim hlacenjem problem oduzimanja toplote je rjesen pomocu rashladnog sredstva kao prenosnika toplote. Tu je iskorisceno prirodno svojstvo gasa, cijim sabijanjem se povecava pritisak i unutrasnja toplota, dok se ekspanzijom (sirenjem) gasa oduzima toplota od okoline. Posebno velika kolicina energije se apsorbuje kod izmjene agregatnih stanja (prelaz cvrstog i tecnog u gasovito stanje). Kontinualni proces hladenja podrazumijeva istorashladno sredstvo, koje se ciklicki poslije isparavanja vraca u tecno stanje. Rashladne masine predstavljaju oblik toplotnih pumpi, pesto se njima oduzima toplota od tijela koja imaju nisku temperaturu i predaje tijelu koje ima visu temperaturu, uz potrosnju odgovarajuceg rada. Uslovi konverzije zavise od pritiska s obzirom na medusobnu zavisnost prtiska i temperature prikazanu na slici 7.6.la. Dijagram cine: kriva isparavanja (I), kriva topljenja (II), i kriva sublimacije (III), a tacka presjeka (T) je poznata kao trojna tacka (stanje u kome su prisutne sve tri faze: cvrsta, tecna i gasovita), Zavisnost izmedu pritiska zasicenja i temperature zasicenja rashladnih sredstava je prikazana karakteristikom na slici 7 .6.1 b. Ova zavisnost se na manometrima cesto indicira dvojnom skalom (temperatura i pritisak). U procesu hladenja rashladno sredstvo stalno cirkulise mijenjajuci svoje agregatno stanje. Isparavanjem u isparivacu rashladno sredstvo oduzima t9pJotu okolini ···--··· __ ·~ _ '

.,.-·-

'···--

7.6. Rashladni urcdaji

249

(hladi je), da bi poslije kompresije, oduzimanjem toplote u kondenzatoru doslo do kondenzovanja para rashladnog sredstva. Da bi se ova konverzija obavljala efikasno, rashladno sredstvo treba da ima odredene termicke, fizicke, hemijske, i druge osobine. Tako rashladno sredstvo treba da ima sto vecu toplotu isparavanja da bi od okoline oduzelo sto vecu toplotu. Temperatura ocvrscavanja treba
p II teena faza

-30

a)

-20

-10

0

10

20

30

40

b)

Slika 7.6.l. pt-dijagram a) pt -dijagram za sve tri faze b) pt-dijag:rarn sredstva za hladenje tecne i gasovite faze

7.6.1. Kompresorske rashladne masine U rashladnoj tehnici se koriste apsorpcione i kompresione masine za hladenje. Zbog veceg stepena iskoriscenja, znatno sire su zastupljene kompresione rashladne masine, Kompresioni proces se moze objasniti obrnutim Kamovim (Carne) ciklusom (slika 7.6.2). Predpostavimo da se klip nalazi u polozaju III a
7. Brodski urcda'.Jl i pogoni

250

Ii vrijednost zi, i T2 (adijabatska kompresija 1-2). U polozaju 2 uspostav1ja se ponovo kontakt sa okolinom, ali se sada mikrosredina hladi vodom. Kako pri pritisku Pi rashladno sredstvo ima temperaturu T2 vecu od temperature okoline, to cc toplota prelaziti na okolinu. Pare rashladnog sredstva se kondenzuju. Kondenzacija se vrsi pri konstantnom pritisku i temperaturi (izobara 2-3). Kada klip
I I

pr --·'!.!..''1:i ___::._:______.,

P2

.

;

I?_

I I

!~

. I!

~

I

T

I I

T2 ---------3~-----\.

I

I

Pi ·····r·--·4, I

1:

I

' ''

''

I

a)

v

b)

Slika 7.6.2. Idealni proces rada kompresione rashladne masine a) skica cilindra sa klipom ipV-dijagramom b) Ts-dijagram

Povrsina 1-2-3-4 up V-dijagramu predstavlja u odgovaraju6oj razmjeri utroseni rad koji je potreban da se rashladnom sredstvu povisi pritisak od p1 na p2 i poveca temperatura od T1 do T2• Na slici 7.6.2b Karnov ciklus je prikazan na Zs-dijagramu, gdje je sa s predstavljena entalpija definisana relacijom dQ dU pdV s =-=-+(7.6.1) dT T T gdje su: Q - kolicina toplote, U - unutrasnja toplota, i p V - mehanicki rad. Na slici 7.6.2b sa 2-3 i 4-1 prikazane su izoterme a sa 3-4 i 1-2 adijabate Karnoovog kruznog ciklusa. Povrsina 1-2-3-4 predstavlja toplotu ekvivalentnu mehanickom radu, a povrsina 4-1-8- 7 toplotu ekvivalentnu toploti oduzetoj od okoline, Implementacija obrnutog Karnoovog ciklusa je ostvarena pomocu rashladne masine koja posjeduje posebne djelove za ostvarivanje sva cetiri segmenta ciklusa. Tako se adijabatska ekspanzija 3-4 vrsi u ekspanzionom cilindru, izotermska ekspanzija 4-1 u isparivacu, adijabatska kompresija 1-2 u kompresoru i izobarska kondenzacija 2-3 u kondenzatoru, Na slici 7.6.3 prikazana je principijelna sema kompresione rashladne masine sa okvirnim vrijednostima karakteristicnih velicina procesa, Kompresija rashladnog sredstva se vrsi u kompresoru, kondenzacija u kondenzatoru, ekspanzija u ekspanzionom cilindru i isparavanje u isparivacu. Kompresor usisava pare rashladnog sredstva iz isparivaca i sabija ih na toliki pritisak da dobiju

7.6. Rashladni urcdaji

251

temperaturu koja ce biti veca od temperature vode za hladenje, cime se osigurava prelaz toplote sa rashladnog sredstva na vodu za hladenje. Pare se pod djelovanjem rashladne vode kondenzuju, tako da u ekspanzioni cilindar odlazi rashladno sredstvo u tecnom obliku. U ekspanzionom cilindru tecnost ekspandira do pritiska koji odgovara temperaturi isparavanja, Danas se kod rashladnih masina umjesto ekspanzionog cilindra koristi regulacioni ventil pritiska, ISPARIVAC EKSPANZIONI VENT!L -10°

KOMPRESOR

KONDENZATOR

12° l,2bnr 30° 12°

Slika7.6.3 - Serna kompesione rashladne masine

Svaki od navedenih procesa se posebno regulise preko relativno jednostavnih uredaja upravljanja i regulacije. Principijelno funkcionisanje tih uredaja je ranije upoznato. U daljem tekstu, s obzirom na siru upotrebu tih uredaja u sistemima male automatizacije, bice, preko korikretne primjene u rashladnoj tehnici, ukazano na posebna rjesenja, 7.6.2. Regulacija kapaciteta hladenja pomocu kompresora Kapacitet hladenja se obezbjeduje pomocu kompresora. Kapacitet kompresora treba da zadovolji potrebe toplotnog opterecenja rashladne masine, Kompresor treba da obezbijedi cirkulaciju rashladnog sredstva shodno promjenama opterecenja, Kapacitet najsire primijenjenog klipnog kompresora se maze izraziti relacijom

T,

Q =cVnz'Aq -L... T, .I'

(7.6.2)

gdje su: Q - kapacitet kompresora (kJ/h), c - koeficijent proporcionalnosti, V - zapremina cilindara (nr'), n - broj obrtaja kompresora (o/min), z - broj cilindara kompresora, A, - koeficijenat dopreme, q, - specificna zapreminska rashladna sposobnost (kl/nr'), TP -vrijeme rada kompresora (min), T- vrijeme trajanja ciklusa (min). Kapacitet odnosno protok kompresora moze da se mijenja preko bilo koje od promjenjivih velicina, pri cemu promjene mogu biti diskretne iii kontinualne prirode, Od diskretnih je najsire zastupijena dvopolozajna regulacija, a od kontinualnih promjena brzine motora kompresora.

7. Brodski uredaji i pogoni

252

7.6.2. l. Dvopoloiajna regulacija Postoji vise rjesenja dvopolozajne regulacije, kao sto su: regulacija pomocu presostata i termostata, regulacija iskljucenjem pojedinih cilindara, reguJacija otvaranjem/zatvaranjem usisnih cilindara, stepenasta promjena brzine motora itd. Dvopolozajna regulacija pomocu presostata i termostata Dvopolozajna regulacija (ON/OFF regulacija) se bazira na ukljucenju motora (ON stanje) i iskljucenju motora (OFF stanje) zavisnim od pritiska na usisu kompresora (presostat) odnosno temperaturi isparivaca (termostat). Na slici 7.6.4a je data sema ON/OFF regulacije kapaciteta kompresora ostvarenih pomocu presostata odnosno termostata.

6

a)

b)

c)

Slika 7 .6.4. ON/OFF regulacija kapaciteta kompresora a) blok-sema regulacije b) skica presostata: 1 - mijeh, 2 - kontakti, 3 - opruga, 4 - dugme za postavljanje referentnog pritiska c) skica termostata: 5 - kapilara, 6 - termobalon (pipak)

Presostat sa mijehom (slika 7.6.4b) prati promjene pritiska para rashladnog sredstva na izlazu isparivaca odnosno na usisu kompresora. Promjene pritiska su posljedica toplotnog opterecenja isparivaca, Ukoliko se temperatura u isparivackoj komori snizava, snizava se i intenzitet isparavanja rashladnog sredstva u isparivacu a time i pritisak para u presostatu, tako da presostat preko pritiska prati promjene temperature isparivaca, Na presostatu se pomocu jednog dugmeta postavlja vrijednost referentnog pritiska tzv. granicnog pritiska, a pomocu drugog dugmeta tzv.diferencijalni odnosno donji nivo pritiska, Kada pritisak na usisu dostigne gornji nivo, presostat ukljuci kompresor a kada pritisak opadne ispod donje granice, presostat iskljuci kompresor (na slid nije prikazano podesavanje diferencijalnog pritiska). Funkcionisanje dvopolozajne regulacije na bazi termostata je prakticno identicno. Povecanjem temperature rashladnog sredstva povecava se temperatura termobalona, dilataciono sredstvo se siri i peko kapilare prenosi na mijeh. Mijeh, uslijed povecanog pritiska dilatira, sabija oprugu, pri cemu dolazi do zatvaranja kontakata i ukljucenja motora. Namjestanje referentnog pritiska i diference se kao i u slucaju presostata vrsi pomocu dva dugmeta. Presostati i termostati SU konstrukciono slozene komponente fine mehanike ipneumatike.

7.6. Rashladni uredaji

253

Regulacija sa dva nivoa brzine kompresora Kod ove regulacije kompresor se pogoni pomocu asinhronog kaveznog polnopreklopivog motora, Prebacivanje motora sa viseg kapaciteta (visi nivo brzine) na nizi kapacitet (nizi nivo 'brzine) se vrsi pomocu dva presostata niskog pritiska, postavljenih na usisu kompresora. Pomocu jednog presostata motor se prebacuje iz vise u nizu brzinu a pomocu drugog presostata se motor iskljucuje. Kapacitet kompresora se mijenja u tri nivoa: 0-50-l 00%. Regu/acija iskljucenjem pojedinik cilindara visecilindricnih kompesora Kod kompresora sa vise cilindara odnosno vise grupa cilindara, kapacitet se moze mijenjati iskljucenjem pojedinog (pojedinih) cilindara. Na slici 7.6.Sa data je skica diskretne regulacije ostvarene sa dva niskopritisna presostata. Pomocu presostata p2, preko elektromagnetnog ventila, iskljucuje se odredeni cilindar odnosno odredeni broj cilindara. Pomocu elektromagnetnog ventila se spaja pritisna i usisna strana cilindra, cime se taj cilindar izbacuje iz procesa. Nepovratni ventil vezan izmedu izlaza iskljucenog cilindra i aktivnih cilindara onemogucuje da pare pod pritiskorn udu u iskljuceni cilindar, Daljim opadanjem pritiska, presostat Pi iskljucuje kompresor. Regulacija kapaciteta otvaranjem usisnih ventila Smanjenje kapaciteta kompresora uspjesno se rjesava otvaranjem usisnih ventila. Otvoreni usisni ventil, pare, usisane u procesu usisavanja, vraca u toku procesa kompresije, Cilindar sa otvorenim usisnim ventilom radi na prazno. Upravljanje se, kao u slucaju regulacije ukljucenja/iskljucenja cilindara, vrsi pomocu dva presostata postavljena na usisu kompresora. Na slici 7.6.Sb predstavljena je skica hidraulicnog rjesenja, Kod povecanja pritiska na usisu, presostat p2, preko elektromagnetnog razvodnika, klipnjace cilindra i sistema poluga (1) i (2), otvara usisni ventil (ventile ), a ukoliko pritisak ne opadne dovoljno presostat p, iskljucuje kompresor. Znatno jednostavnija rjesenja su ostvarena sa elektromagnetim ventilima. Skica jednog od rjesenja je data na slici 7.6.5c. Smanjenje kapaciteta se ostvaruje tako sto elektromagnetni ventil (ventili) zatvaraju jednu iii vise usisnih komora cilindara,

a)

a)

b) c) Slika 7.6.5. Regulacija kapaciteta kompresora regulacija iskljucenjem cilindara b) regulacija otvaranjem/zatvaranjem usisnih ventila c) regulacija otvaranjem/zatvaranjern usisne komore

sprijecavajuci usisavanje para rashladnog sredstva, Pritisak na usisu cilindra (cilindara) pada na 0 bara. Kolicina para koja prode krozventil obezbjeduje pcdmaziva-

7. Brodski uredaji i pogoni

254

nje klipova u praznom hodu. Dovodenjem napona na namotaj ventila ( 1 ), elektromagnetna sila spaja nepokretni dio jezgra (2) i pokretni dio jezgra (3). Jezgro povlaci sa sobom cauru sa prorezom (4) obezbjedujuci ulaz para u usisnu komoru cilindra (5). 7.6.2.2. Kontinualna regulacija Kontinualna regulacija se ostvaruje postupcima primijenjim kod regulacije protoka pumpi i to: promjenom brzine, prigusenjem, vracanjem dijela pare sa pritisne na usisnu stranu itd. (tacka 7.1.2.2). Najpovovoljnije rjesenje se ostvaruje promjenom brzine. Danas se u tu svrhu koriste asinhroni kavezni motori napajani preko frekventnih i vektorskih pretvaraca. Na slika 7.6.6a prikazana je blok-sema regulacionog kruga, gdje se referentna vrijednost PREF postavlja prema termickom opterecenju rashladne masine. Posebno interesantno rjesenje je ostvareno sa tzv. integralnim motorima. Integralni motor u svom kucistu kao sastavni dio (konstrukciono integrisan) posjeduje regulator brzine (frekventni pretvarac brzine + PID regulator) sa mogucnostima daljinskog postavljanja parametara pomocu telekomunikatora.

® I

frekventni regulator

3 a)

b)

c)

Slika 7.6.6. Kontinualna regulacija kapaciteta kompresora a) regulacija klipnih kompresora-pomocu frekventnih pretvaraca b) regulacija vijcanih kompresora pomocuservomotora c) poprecni presjek vijcanog kompresora sa upravljivim klipom

Neki kompresori su posebno prilagodeni za promjenu protoka. To je slucaj sa vijcanim kompresorima, koji se sve vise koristc u rashladnoj tehnici. Vijcani (zavojni) kompresor posjeduje dva rotora: pogonski rotor sa zupcima (I) i pogonjeni rotor sa zljebovima (2). Izmedu zubaca i i zljebova fonnira se zapremina slozenog oblika. Rotacijom rotora pomjera se i sabija preuzeta zapremina para. Regulacija kapaciteta se vrsi pomocu aksijalnog klipa (vratilo sa zasunom odnosno siberom) (3) cijim kretanjem odnosno polozajem se direktno definise zapremina para. Pomjeranjem klipa od jednog do drugog kraja kapacitet kompresora se mijenja u opsegu 10 +- 100 %, i obrnuto. Samo pomjeranje se vrsi pomocu servomotora (hidromotor, elektricni motor) a obicno se predvida i rueno upravljanje. Sistem regulacije je principijelno identican sa sistemima regulacije sa promjenjivom zapreminom ostvarenim kod aksijalno-klipnih pumpi i motora (upravljanje nagibom rotora) i krilnih pumpi i motora (upravljanje ekscentricitetom). Blok-sema sistema je prikazana na slici 7.6.6b i 7.6.6c. Regulator na bazi greske regulacije definisane referencom (pR£F) i stvarnom vrijednosti protoka na usisnoj strani (pwp) upravlja polozajem klipa.

7.6. Rashladni uredaji

255

7.6.3. Regulacija pritiska kondenzacije U kondenzatoru se na odredenom pritisku kondenzacije i odredenoj temperaturi kondenzacije stjesnjava para rashladnog sredstva. Pritisak kondenzacije koji vlada u kondenzatoru zavisi od dotoka vode za hladenje i temperature vode. Povecanjem dotoka vode, smanjuje se pritisak kondenzacije a time i potrebna energija za sabijanje. Po dostizanju pritiska kondenzacije, dalje povecanje protoka vode za hladenje ima neznatan uticaj, Regulacija pritiska kondenzacije se moze vrsiti indirektno na bazi izlazne temperature vode za hladenje kada kondenzator u pravom smislu radi kao izmjenjivac. Znatno bolja regulacija se postize na bazi pritiska para na pritisnoj strani kompresora. Na slici 7.6.?a dataje blok-sema regulacionog sistema pritiska kondenzacije na bazi regulatora protoka vode za hladenje.

~---'---~

voda

KONDENZATOR rash!. sredstvo

a)

b) Slika 7.6.7. Regulacija pritiska kondenzacije a) blok-sema regulacionog sistema b) regulator protoka: 1- dovod signa!a visokog pritiska, 2 - mijeh, 3 =ventilsko vreteno, 4 - deformaciona opruga, 5 - tockic za postavljanje reference

Na slici 7.6.7b prikazana je skica regulatora protoka. Signal pritiska kondenzacije (1) preko mijeha (2) djeluje na ventilsko vreteno (3), koje sluzi istovremeno kao komparator ikao aktuator. Na bazi poredenja sila pritiska (1) i opruge (4), ventilsko vreteno manje iii vise zatvara ventilski otvor vode za hladenje, Namjestanje referentnog pritiska se vrsi pomocu tockica (5). Dobro vodenje vretena se obezbjeduje preko klipova i zaptivaka. Na istom principu funkcionise termostatski regulator protoka, samo se na ulaz (1) umjesto signala pritiska sa izlaza kompresora prikljucuje kapilara sa tennopipkom vezanim na izlaznu cijev kompresora.

7.6.4. Regulacija procesa ekspanzije rashladnog sredstva Umjesto ekspanzionih ventila koriste se regulacioni ventili pritiska (reducir ventili pritiska). Regulacioni ventil, pored regulacije pritiska, treba da obezbijedi odgovarajuci protok. Najvise se koriste ventili na bazi pritiska i vcntili na bazi temperature. Pose ban slucaj ,,automatskog" ventila predstavlja kapilarna cijev, prirnijenjena u instalacijama malog kapacireta (kucni frizideri, rashladne vitrine).

7. Brodski urcdaji i pogoni

256

7.6.4.1. Presostatski regulacioniventil Presostatski regulacioni ventil (presoventil) regulise protok rashladnog sredstva na osnovu promjene pritiska isparavanja u isparivacu odnosno na osnovu opterecenja isparivaca. Ovaj ventil prikazan je na slid 7.6.8a. Tecnost rashladnog sredstva iz kondenzatora preko prikljucka (1) i filtera (2) stize do ventilske igle (3) kojom se mijenja protok rashladnog sredstva. Igla je sa jarmom (4) vezana na mijeh (5). Polozaj igle zavisi od pritiska isparivaca i zategnutosti opruge (6) koja se podesava pomocu vijka (7). U normalnom rezimu rada sile su u ravnotezi, sto odgovara odredenoj vrijednosti protoka. Povecanje opterecenja isparivaca prouzrokuje smanjenje pritiska, uslijed cega se regulaciona igla pomjera nadolje sto ima za posljedicu povecanje protoka. Obrnuto, smanjenjem opterecenja povecava se pritisak u isparivacu, uslijed cega regulaciona igla zatvara dotok rashladnog sredstva.

r---------1 __..~i:::::::=--1

! :

I

!

I

:

: ISPARIVAC :

2

I

I

I

I

:

I

I

I

:_ ------

1

z 5

b)

Slika 7.6.8. Ekspanzioni regulacioni ventil a) presostatski regulacioni ventil: I - ulaz teonog rashladnog sredstva, 2 - filtar, 3 - ventilska igla, 4 - jaram, 5 - mijeh, 6 - defonnaciona opruga, 7 - dugme (vijak) b) termostatski regulacioni ventil: l - pipak, 2 - mijeh, 3 - oprnga, 4 - vijak, 5 - ventilska igla

I

Kod iskljucenja kompresora, pritisak isparivaca se naglo poveca, sto PfOUZfOkuje potpuno zatvaranje ventila. Kod ukljucenja, pritisak isparivaca se nagld smanji, sto prouzrokuje otvaranje ventila. Pored ovih dobrih karakteristika, presovttil ima i losih strana, medu kojima je izrazena inercija. 7.6.4.2. Termostats~iregulacioni ventil

\

Termostatski regulacioni ventili su najsire primijenjeni ventili u regulaciji ekspanzije rashladnog sredstva. Protok rashladnog sredstva se podesava prema ternperaturi na izlazu isparivaca. Davao temperature (I) je pricvrscen na usisni vod kompresora, tako da fluidno punjenje davaca prati temperaturu na izlazu isparivaca. Ova se temperatura preko mijeha (2) poredi sa referentnom temperaturom, definisanom oprugom (3) a postavljenom pomocu dugmeta (4). Na bazi poredenja termosile i sile opruge, odreduje se polozaj ventilske igle (5) a time i dotok rashladnog sredstva u isparivac. Povecanje temperature prouzrokuje sabijanje opruge, tako da se ig-·

7.6. Rashladni urcdaji

la pomjera nanize, sto ima za posledicu povecanje dotoka rashladnog sredstva u isparivac. Termostatski ventili posjeduju odredene nedostatke kod ukljucenja i isklucenJ'1:; kompresora. Tako kod iskljucenja kompresora temperatura jos raste (mrtvo vrij~~1 me), da bi se kod novog ukljucenja zadrzao povecan pritisak u instalaciji, uslijy,4;. cega moze da
I

l ----[J---q t"

.

RT

: t"

A

I I I

:_ --------R:,~Q---<=J

t"

~-~~~~.........v·!-,..,..,

a)

b)

-.

c)

Slika 7Y).9. Regulacija hladenja promjenom kapaciteta isparivaea

. .:;'._·_,

~.;; ~·.:: ()

fefope~J

1

Na slici 7 .6.9a isparivac je prikljucen preko kontinualnog regulatora rature. Kod povecanja opterecenja, regulator preko ventila upusta u ispariya~'v8'61.t: kolicinu rashladnog sredstva i obrnuto. U slucajevima malog opterecenjai'tifo:':l.'spa'.F rivaca ostaje neiskoriscen. ·

Na slici 7.6.9b prikazanje nacin regulacije temperature pomocu ON/OFFtemperatumog regulatora. U ON rezimu rada u isparivac se ubacuje rashladna tecnost, 11 u OFF rezimu rada tecnost isparava. Regulacioni ventil isparivaca, u ovom slfaC-ajir',:igra funkciju zastite. :, · •;,':. i."t iJ U.' i ;:-; Najbolja regulacija se ostvaruje pomocu isparivaca sa vise:~~~c'.ijf~f.~iit'( 7.6.9c prikazano je rjesenje sa dvije sekcije, Sekcija A, vodena sdpstveriij.Tireguld~I:-; onim ventilom, radi normalno. Kod povecanja opterecenja, temper:~itirn! .Q~iOFF regulator ubacuje sekciju B koja je vodena sopstvenim regulacionim ventildm.' ,

258

7. Brodski urcdaji i pogoni

7.7. KLIMA-UREDAJI Savremeni brodski klima-uredaji treba da obezbijede ugodne uslove za rad i boravak ljudi u zatvorenom prostoru (komfoma klimatizacija) a isto tako i potrebne uslove za rad brodske opreme i skladistenje roba na brodu (industrijska klimatizacija), Klima-uredaji su rjesenjem regulacije temperature i vlaznosti vazduha rijesili dva klimatski najvaznija faktora po ljudski organizam. Ova dva faktora SU uspjesno rijesenja i u mnogo tezim tehnicko-tehnoloskim uslovima industrijske proizvodnje. Obrada vazduha, odnosno njegovo kondicioniranje vrsi se, nezavisno od atmosferskih prilika, pomocu klima-uredaja poznatih kao klima-komore. Obrada obuhvata: - ciscenje (filtriranje) vazduha, kojim se odstranjuje prasina i druge mehanicke necistoce, ali i mirisi, mikroorganizmi i sl; grijanje i hladenje vazduha, kojima se odrzava temperatura odredenog prostora; vlazenje, kojim se mijenja procentualni sastav vlage u vazduhu itd. Klima-komore su preuzele mnoge funkcije uredaja za ventilaciju, grijanje i hladenje dodajuci im veoma vaznu funkciju vlazenja. Savremene centralne klimakomore su modularne prirode, sastavljene od modula kojima se obezbjeduje neka iii vise osnovnih funkcija kondicioniranja vazduha. Modularnost je obezbijedila integrisano rjesavanje zajednickih problema, sto je, osim povecane fleksibilnosti, doprinijelo, za bred tako vaznom, smanjenju zapremine i tezine u odnosu na klima sisteme rijesene prostorno distibuiranim komponentama. 7.7.1. Procesi promjene stanja vazduha u zavisnosti od vlage Znacajno mjesto u obradi vazduha pripada odrzavanju vlaznosti vazduha. Vlazan vazduh predstavlja mjesavinu suvog vazduha i vodene pare. Suvi vazduh kao jedna od komponenata atmosverskog vazduha predstavlja i sam mjesavinu gasova. U praksi se ova komponenta vlaznog vazduha smatra nepromjenjivom. Mijenja se samo druga komponenta - vodena para. Zapreminski dio vodene pare u atmosferskom vazduhu, u zavisnosti od lokaliteta i klimatskih uslova, varira izmedu I i 3%. Obje komponente, suvi vazduh i vodena para, se ponasaju kao idealni gasovi. Ukupan pritisak vlaznog vazduha (p) je jednak barometarskom pritisku, a prema Daltonovom zakonu se moze izraziti sumom parcijalnog pritiska suvog vazduha i parcijalnog pritiska vodene pare

P = Pxv + P''l' · (7.7.1) Vlazan vazduh moze da bude nezasicen, zasicen i prezasicen, U nezasicenom vlaznom vazduhu, vodena para je u stanju pregrijane pare (tacka A na dijagramu slike 7.7.1), jer je parcijalni pritisak pare nizi od pritiska zasicenja za datu temperaturu mjesavine (p.," < p,). Ako se, dovodenjem dodatne kolicine vlage, pri istoj temperaturi, parcijalni pritisak pare povisi do vrijednosti p,, vodena para u vlaznom vazduhu postaje zasicena, Takav vazduh ne moze da primi vecu kolicinu vodene pare i zbog toga se naziva vlazan zasiceni vazduh, iako je u njemu zasicena samo vodena para. Svako dalje dovodenje pare iznad granicne vrijednosti definisane zasicenjem,

259

7.7. Klima-urcdaji

izaziva izdvajanje viska vlage u obliku kondenzata (magla veoma sitnih cestica vode ), sto se oznacava kao stanje prezasicenog (zamagljenog) vlaznog vazduha. Slicna situacija nastaje snizavanjem temperature vlaznog vazduha, pri konstantnom parcijalnom pritisku vodene pare, kada u tacki R, poznatoj kao temperatura tacke rose (tR), dolazi u zasicenje, Dalje snizavanje temperature vlaznog vazduha ima p za rezultat kondenzaciju dijela vodene pare. Vlazan vazduh se karakterise velicinama apsolutne vlaznosti i relativne vlaznosti, K Apsolutna vlaznost x predstalja odnos mase vodene pare m",, i mase suvog vazduha m.; u masi vlaznog vazduha m.;

x= ::

[~~l

(7.7.2)

Ako se suvi vazduh i vodena para posmatraju kao idealni gasovi, onda se na bazi jednacine gasnog stanja, dobija

Slika 7.7.l. Stanje vodene pare u vazduhu

x = P.,V l(R,'l,T)

= M,'l,p'l' = 0,622 P.p = 0,622 p''l' (7.7.3) p,y l(R,,,.T) M ... P,,. p". P - P,.,, Relativna vlaznost