Каждый регулирующий клапан характеризуется диаметром, условным расходом и характеристикой его подвижных частей. Диаметр клапана обычно определяют по размеру присоединительного фланца. Условный расход зависит от конструкции клапана и его диаметра. При известной конструкции условный расход можно найти для любого диаметра клапана, учитывая, что он пропорционален квадрату диаметра клапана. К характеристикам подвижных частей регулирующих клапанов относятся конструктивные, внутренние и регулировочные. Конструктивная характеристика клапана устанавливает зависимость между перемещением подвижной части клапана и изменением площади открытого сечения для прохода среды. Внутренняя характеристика клапана определяет зависимость между ходом поршня h и расходом среды Gw через клапан при постоянном перепаде давлений на нем. В зависимости от типа подвижных частей клапана он может иметь линейную, параболическую или логарифмическую идеальную внутреннюю расходную характеристику. Исходными данными при выборе регулирующего клапана являются схема управления теплообменным аппаратом, его регулировочная характеристика, расчетный расход тепло/хладоносителя через клапан, сопротивление регулируемого участка, на котором устанавливается клапан, при расчетном расходе среды. Правильный выбор клапана, обеспечение требуемой регулировочной характеристики гарантируют необходимое качество процесса регулирования.

При мгновенномизменении h расход среды через клапан также меняется мгновенно. Поэтому регулирующие клапаны являются обычными усилительными звеньями системы автоматического регулирования. Коэффициент передачи таких звеньев определяется нелинейной функцией КGw = f(h) и при разных положениях поршня h может значительно меняться. Поэтому при разработке системы управления (СУ) требуется проверка регулирующего клапана по управляемости и учету времени полного хода его поршня. Последний показатель обычно задается техническими характеристиками электропривода клапана. Задача управления традиционно сводится к целенаправленному изменению коэффициента эффективности технологического процесса (КВ), зависящего в том числе и от расхода тепло/хладоносителя (Gw).

Решая задачу, связанную с разработкой устройства электропривода для регулирующего клапана, в качестве базового был выбран клапан типа ETS фирмы Danfoss. Конструкция клапана обеспечивает реверсивное движение потока и плотное закрытие клапана вне зависимости от направления потока. Использование клапана ETS позволяет изменять расход тепло/хладоносителя, дросселировать поток при переменном положении поршня клапана. Такой клапан обладает высокой точностью регулирования благодаря его конструктивной внутренней регулировочной характеристике. Клапан сочетает в себе лучшие свойства клапанов, применяемых в сетях, а именно: малый ход; почти линейную характеристику регулирования при высоких значениях относительного поршня клапана (при значительных изменениях параметров регулирования и расхода теплоносителя); высокую точность регулирования при малых значениях расхода.

Регулировочные характеристики клапана, а именно зависимость расхода среды (в долях от расчетного расхода Gw.расч) от положения поршня и относительного сопротивления клапана (S) при условии S = 0,5 приближаются к его собственной линейной характеристике. Соответствующие характеристики клапанов в зависимости от относительного сопротивления клапана приведены на рис. 1. Как следует из рис. 1, при S = 0,4 регулировочные характеристики отличаются от естественных характеристик клапана и становятся нелинейными.

Схема электропривода, состоящего из исполнительного устройства (электродвигателя) и его СУ, используемого Danfoss совместно с регулирующим клапаном типа ETS, обладает рядом недостатков, к которым следует отнести биполярную конфигурацию обмоток двигателя, использование полношагового управления с включением двух фаз управления двигателем. Недостатки конструкции регулирующего клапана ETS с электроприводом можно исключить в результате совершенствования его регулирующих органов, что является насущной задачей и средством повышения экономической эффективности используемых технических решений.

Следует отметить, что современный электропривод для подобного клапана — это пропорциональное устройство дискретного типа, управляющее исполнительным органом (поршнем клапана). СУ электроприводом должна реализовывать прямое цифровое управление исполнительным устройством, что в конечном итоге позволит обеспечивать с высокой точностью заданный перепад давления в системе охлаждения.

При разработке СУ регулирующим клапаном на первом этапе необходимо выбрать тип пропорционального исполнительного устройства. В качестве такого устройства может быть использован шаговый двигатель (ШД). Он представляет собой электромеханическое устройство, преобразующее сигнал управления в угловое (или линейное) перемещение ротора с точной фиксацией его в заданном положении. Благодаря возможности управления перемещением ротора на любой угол ШД обладает наилучшими свойствами, которые успешно могут быть использованы при конструировании исполнитель-
ного устройства дискретного типа — регулирующего клапана системы охлаждения.

Разработанная схема управления воздухоохладителем СКВ, с использованием регулирующего клапана ETS совместно с электроприводом, показана на рис. 2. В приведенной схеме положение поршня клапана изменяется посредством электропривода, управляемого импульсным сигналом. Сигнал формируется в устройстве управления 9 в полном соответствии с используемым законом регулирования, формируемом регулятором 10 (пропорциональным, пропорционально-интегральным, пропорционально-интегрально-дифференциальным).

Из существующих биполярной и униполярной конфигураций обмоток ШД, в отличие от используемой Danfoss биполярной конфигурации, предпочтение было отдано униполярной. Это объясняется тем, что в решаемой задаче не требуется повышенный момент двигателя. Такой выбор позволяет уменьшить габариты регулирующего клапана, работать с меньшими потерями, а также существенно упростить разрабатываемую схему СУ.

Для управления фазами ШД разрабатываемую СУ можно реализовать на основе универсального или специализированного микроконтроллера, а также на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС).

Устройство, выполненное на основе микроконтроллераили микропроцесса, как это имеет место в разработках Danfoss, легко программируется, потребляет мало энергии и без сложностей включается в схему. Однако ПЛИС обладает: большим числом выводов; настраиваемой стыковкой входов и выходов с практически любым стандартом логических уровней; способностью заменить собой несколько микросхем, включая микропроцессор, регистры портов, интерфейс и т.п. Учет архитектурных особенностей, и в ряде случаев преимуществ ПЛИС перед микроконтроллером, позволяет выполнять на его основе конкурентоспособные изделия.

Исходя из перечисленных особенностей и преимуществ, реализация разработанной импульсной СУ ШД регулирующим клапаном осуществлена на ПЛИС. При проектировании устройства использовалась свободно распространяемая САПР Quartus II ver. 4.2, позволяющая реализовать проект на базе ПЛИС фирмы Аltera.

Для реализации схемы импульсного управления фазами ШД разработана принципиальная электрическая схема устройства, приведенная на рис. 3. На принципиальной схеме DD1 — генератор тактовых импульсов (микросхема КХО-800). Для коммутации обмоток двигателя клапана используются транзисторные ключи с открытым коллектором, входящие в состав микросхемы DD3. Мощность выбираемого ШД ограничена максимальным током через один ключ и аппаратной суммарной мощностью, рассеиваемой микросхемой DD3.

В качестве ШД (рис. 3) для регулирующего клапана может быть выбран электродвигатель РМ5525-01, имеющий крутящий момент 1,60 кг . см, момент инерции 30 кг . см2. Реверсивное управление двигателем задается логическим уровнем сигналов в результате коммутации FF электронного ключа (рис. 3).

Совместные технические характеристики регулирующего клапана и разработанной схемы управления его электроприводом на основе униполярного ШД приведены в таблице.

Моделированием работы разработанной СУ ШД на базе ПЛИС были получены результаты (рис. 4, 5), подтверждающие работоспособность схемы СУ в полном соответствии с предъявленными к ней требованиями.


Разработанная СУ униполярным ШД регулирующего клапана для СКВ позволяет точно регулировать расход хладоносителя в широком диапазоне его изменения. Система быстро и точно приспосабливается к небольшим изменениям в нагрузке. Использование СУ регулирующим клапаном в устройстве охлаждения обеспечивает реверсивное движение хладоносителя в воздухоохладителе и обратно. Схема управления ШД клапаном отличается доступностью элементной базы, относительной простотой ее реализации и настройки.