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浅谈高低温温度试验箱电气原理设计

发布时间:2020/3/17   来源:www.ruihongshiye.com

高低温温度试验箱是一款模拟大自然温度环境中的测试设备,又叫做高低温交变湿热试验机。因为它的工作原理是主要通过控制高温、低温来检测产品或材料的性能情况。其内部结构分为箱体结构、制冷剂循环系统、空气循环系统和电气控制系统。作为一名电气工程人员,下面主要讨论一下高低温试验箱的电气控制原理设计:

引言:高低温试验箱电气自动控制系统通过PLC和LCD彩色液晶触摸控制屏组成的可视化的控制显示界面;(严盈富,西门子S7-200PLC入门:人民邮电出版社,2007)触摸控制屏一方面通过PLC控制压缩机的启动和停止操作,实现制冷系统的自动运行;另一方面触摸屏将预设定的温度值传送给温度控制器,温度控制器控制循环箱内部的加热系统,精确控制加热棒的发热功率、从而实现恒温控制及温度跟随的控制功能。

1. 触摸屏和PLC控制电路

采用触摸屏温湿度控制器和PLC相结合的控制方式,触摸屏控制器和PLC之间可通过RS232连接线进行通讯。触摸屏控制器可设置高低温循环曲线、温湿度显示、实时曲线和历史曲线显示和参数设置等情况,从而直观反映控制系统的流程走向;同时可以通过触摸操作改变PLC内部位状态,存储器数值,从而参与过程控制。可通过控制器上的USB接口导出数据到PC进行备份和分析;并能通过普通网线或wifi与PC直接相连实现远程监控和集群控制。

现代电路大量的使用PLC(可编程逻辑控制器)用于工业电气自动化系统设计,PLC因为其可靠性高、抗干扰能力强、功能完善、适应性强以及易学易用,系统的设计和建造工作量小、维护方便易于改造,体积小重量轻等诸多的优点,几乎已完全取代了传统的接触器控制和继电器控制系统。本电路中PLC主要作用是起到电机动作控制和信号收集的作用,并将状态信号反映到触摸屏上,通过PLC可以控制压缩机的启动和停止、循环风机的启停、电加热式加热器的电源控制。

图1 触摸屏和PLC控制电路图

图1 触摸屏和PLC控制电路图   

2. 制冷、加热设计

2.1 制冷系统

选用全封闭压缩机,视要求到达的低温试验温度采用风冷单机压缩/风冷复叠压缩制冷方式。制冷工作原理是制冷循环采用逆卡若循环,具体过程如下:制冷剂经压缩机绝热压缩到较高的压力,消耗的功使排气温度升高,之后制冷剂经冷凝器和散热风机进行热交换将热量传给四周介质。后制冷剂经截流阀绝热膨胀做功,这时制冷剂温度降低。最后制冷剂通过蒸发器从温度较高的物体吸热,使被冷却物体温度降低。此循环周而复始从而达到降温的目的。(吴业正,小型制冷装置设计指导:机械工业出版社,1998)

2.2 加热系统

一般采用镍铬合金电加热丝直接加热,在高低温试验箱工作时,循环风扇使箱内空气产生对流,带走加热丝产生的热量,进入工作室内,从而达到对箱内空气加热的效果;其加热控制系统通过控制固态继电器的通断,从而控制加热丝的通电时间,使得加热热量与制冷量达到动态平衡,实现精确控温的目的。

2.3 循环风系统

采用多翼式送风机强力送风循环,风路循环采用水平扩散和垂直热交换的方式,避免任何死角,使测试区域内温度分布均匀。

图2 制冷、加热设计系统图

图2 制冷、加热设计系统图   

2.4 温度控制原理

触摸屏通过RS232或其它通讯接口和温度控制器进行通讯,由触摸屏通过数据线将设定温度传递给温度控制器,同时温度传感器将循环箱内部的实测温度也传递给温度控制器,温度控制器将收到的设定温度和实测温度进行比较,输出控制信号驱动固态继电器的通断来实现对加热器的通电时间进行控制。

高低温循环箱的温度控制实际上就是制冷系统的制冷量和加热系统的制热量相互作用的一个过程,即在制冷系统连续工作的情况下,温度控制器根据设定的温度点通过PID自动运算输出的结果去控制加热器的输出量,最终达到一种动态平衡,这样循环箱箱体的温度就维持在设定的温度点上。当循环箱需要升温时,设定温度大于箱体内实际温度时,温度控制器自动加长脉冲输出宽度,使得固态继电器SSR导通的时间加长,加热系统的加热量大于制冷系统的制冷量,从而实现升温控制。当设定温度小于箱内温度时,固态继电器导通的时间变短,加热系统的加热量小于制冷系统的制冷量,从而实现降温控制。

同时触摸屏可以根据人工设定的循环程序自动分解输出温度设定值,在设定的升温降温时间段内均匀的增大或减小温度设定值,并实时将设定值传送到温度控制器,从而实现升降温过程的斜率控制和循环次数控制。

3. 保护及辅助电路的设计

3.1 相续和缺相保护

当电路中相序与指定相序不符或三相电源缺相时,系统不能启动,同时通过报警警示操作人员。

3.2 超温保护

保证在制冷或加热电路突发故障的情况下,循环箱体内的温度不会超过温度限值,造成循环箱内产品超温而损坏。

3.3 过载保护

保证循环风机和制冷压缩机在通电运行的过程中,因为机械故障或三相电源不平衡或接触不良等故障导致运行中电流超过电机的额定电流,导致电机温升过高而损坏,可以通过设置热保护继电器并整定保护电流值。

3.4 超压保护

在制冷回路上安装压力检测开关,当检测到压缩机压力超过设定保护值时,开启旁通阀,及时将高压端压力向低压端卸放,确保压缩机高低压值在正常范围内。

4. 辅助系统设计

为了便于观察循环箱体内产品的状态,可在循环箱的门的中心部位开孔安装玻璃,玻璃内表面附着导电膜防止结霜,可以保证在箱内低温状态下,观察窗玻璃表面不会结霜和凝露,同时安装箱内照明系统,需要观察时开启照明开关。

5. 结束语

高低温试验箱电气原理图设计,是用来表明设备电气的工作原理及各电气元件的作用,相互之间的关系的一种图形方式,是进行电气设计、维修、保养的基本工具,因此熟练运用电气原理图的方法和技巧是十分有益的。本机电路设计的基本原理图如图3所示。

图3 本机电路设计的基本原理图

图3 本机电路设计的基本原理图 

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