RU2024914C1 - Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization - Google Patents
Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization Download PDFInfo
- Publication number
- RU2024914C1 RU2024914C1 SU4936951A RU2024914C1 RU 2024914 C1 RU2024914 C1 RU 2024914C1 SU 4936951 A SU4936951 A SU 4936951A RU 2024914 C1 RU2024914 C1 RU 2024914C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- temperature
- output
- heater
- power
- input
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 12
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 title abstract description 8
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 title abstract description 8
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 claims description 31
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 28
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000005485 electric heating Methods 0.000 claims 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 claims 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 230000004075 alteration Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к автоматическому регулированию температуры и может быть использовано для стабилизации температуры в зоне криостатирования холодильных установок. The invention relates to automatic temperature control and can be used to stabilize the temperature in the cryostat zone of refrigeration units.
Известен способ стабилизации температуры охлаждаемых объектов, заключающийся в измерении температуры объекта, сравнении с ее заданным значением и формировании управляющего воздействия на исполнительный орган пропорционально их разности. При этом осуществляется реализация пропорционально-интегрального закона регулирования с изменением постоянной времени интегрирования в зависимости от разности температур датчика и задатчика [1]. A known method of stabilizing the temperature of refrigerated objects, which consists in measuring the temperature of the object, comparing with its predetermined value and forming a control action on the executive body in proportion to their difference. In this case, the proportional-integral control law is implemented with a change in the integration time constant depending on the temperature difference between the sensor and the setter [1].
Недостатком способа и устройства для его осуществления является низкая точность регулирования при значительной инерционности исполнительного органа. The disadvantage of this method and device for its implementation is the low accuracy of regulation with significant inertia of the executive body.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ стабилизации температуры в зоне криостатирования холодильных установок, реализуемый устройством для регулирования температуры [2] и заключающийся в измерении температуры в зоне криостатирования, сравнении ее значения с заданным и изменении устанавливаемой на нагревателе мощности пропорционально разности текущего и заданного значений температуры. Устройство для реализации этого способа стабилизации температуры содержит датчик и задатчик температуры, нагреватель и измеритель подводимой к нему мощности, а также регулирующее устройство электрической мощности, устанавливаемой на нагревателе. Closest to the proposed technical essence is a method of temperature stabilization in the cryostat zone of refrigeration units, implemented by a temperature control device [2] and consists in measuring the temperature in the cryostat zone, comparing its value with the set value and changing the power installed on the heater in proportion to the difference between the current and set temperature values. A device for implementing this method of temperature stabilization comprises a sensor and a temperature setter, a heater and a meter of the power supplied to it, as well as a control device for electric power installed on the heater.
Недостатком данного способа и устройства для его осуществления является значительная избыточная холодопроизводительность и потребляемая мощность холодильных установок, обусловленные требуемым запасом этих величин в широком диапазоне изменения условий эксплуатации. Действительно, задаваемая мощность (холодопроизводительность) холодильных установок определяется в первую очередь экстремальными условиями эксплуатации (повышенная температура окружающей среды, увеличенные тепловыделения охлаждаемого объекта). Но при работе в более мягких условиях (в номинальных режимах) для термокриостатирования на заданном уровне требуется компенсация избыточной холодопроизводительности таких установок дополнительной тепловой нагрузкой. The disadvantage of this method and device for its implementation is a significant excess cooling capacity and power consumption of refrigeration units, due to the required margin of these values in a wide range of changing operating conditions. Indeed, the set power (cooling capacity) of refrigeration units is determined primarily by extreme operating conditions (elevated ambient temperature, increased heat emission of the cooled object). But when working in milder conditions (in nominal modes), thermocryostatization at a given level requires compensation of the excess cooling capacity of such plants with an additional thermal load.
В качестве привода холодильных установок, например, микрокриогенных систем (МКС) обычно используют электродвигатели, как переменного, так и постоянного тока. При этом электрическая мощность, затрачиваемая на получение 1 Вт холода, достигает 100-150 Вт. Таким образом, эффективность данных систем в номинальном режиме работы становится низкой, существенно завышена их потребляемая мощность. Широкий диапазон изменения избыточной холодопроизводительности МКС обуславливает выбор нагревателя, рассчитанного на значительную мощность, что ужесточает предъявляемые к нему требования. Невозможность регулирования частоты вращения привода снижает ресурс, как электродвигателя, так и используемой в качестве холодильной установки газовой криогенной машины, реализующей холодильный цикл Стирлинга. As the drive of refrigeration units, for example, microcryogenic systems (MKS), electric motors, both alternating and direct current, are usually used. At the same time, the electric power spent on obtaining 1 W of cold reaches 100-150 W. Thus, the efficiency of these systems in the nominal mode of operation becomes low, their power consumption is significantly overestimated. The wide range of changes in the excess cooling capacity of the ISS determines the choice of a heater designed for significant power, which tightens the requirements for it. The inability to control the speed of the drive reduces the resource of both the electric motor and the gas cryogenic machine used as the refrigeration unit, which implements the Stirling refrigeration cycle.
Целью изобретения является снижение мощности и избыточной холодопроизводительности, повышение их ресурса и точности стабилизации температуры. The aim of the invention is to reduce power and excess cooling capacity, increase their resource and accuracy of temperature stabilization.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе стабилизации температуры, при котором измеряют температуру в зоне криостатирования, сравнивают ее значение с заданным и пропорционально разности текущего и заданного значений температуры изменяют устанавливаемую на нагревателе электрическую мощность, дополнительно сравнивают значение устанавливаемой на нагревателе мощности с заданным значением избыточной холодопроизводительности холодильных установок и пропорционально их разности изменяют частоту вращения электродвигателя, используемого в качестве регулируемого электропривода холодильных установок. The goal is achieved by the fact that in the known method of stabilizing the temperature at which the temperature in the cryostat zone is measured, its value is compared with the set value and the electric power set on the heater is changed in proportion to the difference between the current and set temperature values, and the value of the installed power on the heater is compared with the set value excessive cooling capacity of refrigeration units and proportionally to their difference change the frequency of rotation of the electric motor of Tell used as controlled electric refrigeration.
Для осуществления предлагаемого способа стабилизации температуры в известное устройство, содержащее датчик и задатчик температуры, соединенные с входами регулирующего устройства, нагреватель, подключенный к его выходу, измеритель мощности, подводимой к нагревателю, введены устройство сравнения, соединенное входами с выходом измерителя мощности, подводимой к нагревателю, и с выходом задатчика избыточной холодопроизводительности, а выходом - с входом интегратора и с первым входом сумматора, второй вход которого соединен с выходом интегратора, а выход - с управляющим входом силового преобразователя, к выходу которого подключен электродвигатель, используемый в качестве регулируемого электропривода холодильных установок. To implement the proposed method of temperature stabilization in a known device containing a sensor and a temperature controller connected to the inputs of the regulating device, a heater connected to its output, a power meter supplied to the heater, a comparison device connected to the inputs of the output of the power meter supplied to the heater is introduced , and with the output of the setpoint generator of excessive cooling capacity, and with the output - with the input of the integrator and with the first input of the adder, the second input of which is connected to the output of the Rathore, and an output - to the control input of the power converter, which is connected to the output of the motor, used as a controlled electric refrigeration.
Изменение частоты вращения электродвигателя в зависимости от значения избыточной холодопроизводительности холодильной установки позволило существенно снизить потребляемую мощность в номинальном режиме работы, увеличить ресурс за счет меньшего износа механических узлов и агрегатов. Changing the rotational speed of the electric motor depending on the value of the excess cooling capacity of the refrigeration unit has significantly reduced power consumption in the nominal operating mode, increased resource due to less wear of mechanical components and assemblies.
Наличие двух контуров регулирования: по температуре и по избыточной холодопроизводительности, позволило повысить точность криостатирования температуры, так как с помощью нагревателя по существу компенсируется статистическая ошибка, обусловленная регулированием избыточной холодопроизводительности путем изменения частоты вращения электропривода. The presence of two control loops: in temperature and in excess cooling capacity, made it possible to increase the accuracy of temperature cryostatization, since the statistical error caused by the regulation of excessive cooling capacity by changing the speed of the electric drive is essentially compensated with a heater.
Других технических решений, имеющих признаки, сходные с отличительными признаками предложенного способа стабилизации температуры в зоне криостатирования холодильных установок и устройства для его осуществления и обладающих теми же свойствами, не обнаружено. Other technical solutions having features similar to the distinguishing features of the proposed method for stabilizing the temperature in the cryostat zone of refrigeration units and a device for its implementation and having the same properties were not found.
На основании этого можно сделать вывод, что предложенное техническое решение обладает существенными отличиями. Based on this, we can conclude that the proposed technical solution has significant differences.
На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ стабилизации температуры. The drawing shows a functional diagram of a device that implements the proposed method of temperature stabilization.
Устройство для стабилизации температуры в зоне криостатирования холодильных установок содержит датчик 1 и задатчик 2 температуры, подключенные к входам регулирующего устройства 3, нагреватель 4, измеритель мощности 5, подводимой к нагревателю 4, устройство сравнения 6, задатчик 7 избыточной холодопроизводительности, сумматор 8, интегратор 9, силовой преобразователь 10 и электродвигатель 11 привода холодильной установки. A device for stabilizing the temperature in the cryostat zone of refrigeration units contains a sensor 1 and a temperature adjuster 2 connected to the inputs of a control device 3, a heater 4, a power meter 5 supplied to the heater 4, a comparison device 6, an excess cooling capacity adjuster 7, an adder 8, an integrator 9 , power converter 10 and electric motor 11 of the drive of the refrigeration unit.
Нагреватель 4 подключен к выходу регулирующего устройства 3. Выход измерителя мощности 5, подводимой к нагревателю 4 и выход задатчика 7 избыточной холодопроизводительности соединены с входами устройства сравнения 6, выход которого соединен с первым входом сумматора 8 и с входом интегратора 9. Второй вход сумматора 8 подключен к выходу интегратора 9, а управляющий вход силового преобразователя 10 соединен с выходом сумматора 8. Электродвигатель 11 привода холодильной установки подключен к выходу силового преобразователя 10. The heater 4 is connected to the output of the regulating device 3. The output of the power meter 5 supplied to the heater 4 and the output of the over-capacity generator 7 are connected to the inputs of the comparison device 6, the output of which is connected to the first input of the adder 8 and to the input of the integrator 9. The second input of the adder 8 is connected to the output of the integrator 9, and the control input of the power converter 10 is connected to the output of the adder 8. The electric motor 11 of the drive of the refrigeration unit is connected to the output of the power converter 10.
Устройство реализует предлагаемый способ стабилизации температуры. The device implements the proposed method of temperature stabilization.
При запуске холодильной установки температура в зоне криостатирования выше заданной и установки тепловой мощности на нагревателе не происходит. Так как значение этой мощности Рн (Рн=0) не превышает заданного значения избыточной холодопроизводительности q, то осуществляют повышение частоты вращения электропривода холодильной установки пропорционально их текущей разности. При достижении в зоне криостатирования заданной температуры тепловая мощность на нагревателе растет до значения, равного заданной избыточной холодопроизводительности, при достижении которого изменение частоты вращения электропривода не осуществляют. При колебаниях тепловой нагрузки термостатирование осуществляют изменением тепловой мощности, подводимой к нагревателю. Одновременно с этим сравнивают значение тепловой мощности на нагревателе с заданным значением избыточной холодопроизводительности и уменьшают или увеличивают частоту вращения электропривода в соответствии с их разностью. Конечное значение тепловой мощности, устанавливаемой на нагревателе и возможность его оперативного изменения обеспечивает прецизионное статирование температуры даже при мгновенных изменениях тепловой нагрузки. Регулирование частоты вращения электродвигателя по значению избыточной холодопроизводительности ограничивает значение последней, повышает энерго- и ресурсосбережение холодильных установок.When starting the refrigeration unit, the temperature in the cryostat zone is higher than the set temperature and the thermal power does not install on the heater. Since the value of this power P n (P n = 0) does not exceed a predetermined value of excess cooling capacity q, an increase in the rotational speed of the electric drive of the refrigeration unit is carried out in proportion to their current difference. When the temperature reaches the set temperature in the cryostat zone, the thermal power on the heater grows to a value equal to the specified excess cooling capacity, at which no change in the frequency of rotation of the electric drive is carried out. With fluctuations in the thermal load, thermostating is carried out by changing the thermal power supplied to the heater. At the same time, the value of the thermal power on the heater is compared with the set value of the excess cooling capacity and the speed of the electric drive is reduced or increased in accordance with their difference. The final value of the thermal power installed on the heater and the possibility of its rapid change provides precise temperature coding even with instantaneous changes in the heat load. Regulation of the motor speed by the value of excess cooling capacity limits the value of the latter, increases energy and resource saving of refrigeration units.
Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.
При запуске холодильной установки температура датчика 1 ниже заданной. Значение тепловой мощности Рн, устанавливаемой регулирующим устройством 3 на нагревателе 4, равно нулю. На выходе устройства сравнения 6 формируется напряжение Δ U, пропорциональное (или равное) разности напряжений задатчика 7 и измерителя мощности 5,
Δ U= K (Uq-Up), где Uq - напряжение задатчика 7, определяющее среднее значение избыточной холодопроизводительности холодильной установки;
Up - выходное напряжение измерителя мощности 5, определяющее текущее значение устанавливаемой на нагревателе мощности (текущей избыточной холодопроизводительности).When starting the refrigeration unit, the temperature of sensor 1 is lower than the set temperature. The value of the thermal power P n set by the regulating device 3 on the heater 4 is equal to zero. At the output of the comparison device 6, a voltage Δ U is generated proportional to (or equal to) the voltage difference of the setter 7 and the power meter 5,
Δ U = K (U q -U p ), where U q is the voltage of the setter 7, which determines the average value of the excess cooling capacity of the refrigeration unit;
U p is the output voltage of the power meter 5, which determines the current value of the power installed on the heater (current excess cooling capacity).
Поступающее на вход сумматора 8 напряжение Δ U вызывает изменение напряжения на его выходе, которое поступает на управляющий вход силового преобразователя 10. По мере повышения частоты вращения электродвигателя 11 и достижении ее установленного значения, происходит уменьшение температуры, измеряемой датчиком 1, При достижении датчиком 1 температуры, определяемой задатчиком 2, ее регулирование осуществляется изменением тепловой мощности, подводимой к нагревателю. При достижении этой мощности значения избыточной холодопроизводительности, заданного задатчиком 7, изменения скорости вращения электродвигателя не происходит. Выходное напряжение интегратора в этом случае определяет установленную частоту вращения электродвигателя при нулевом выходном сигнале устройства сравнения. The voltage Δ U supplied to the input of the adder 8 causes a change in the voltage at its output, which is fed to the control input of the power converter 10. As the speed of the electric motor 11 increases and its set value is reached, the temperature measured by the sensor 1 decreases. When the sensor 1 reaches the temperature determined by the setter 2, its regulation is carried out by changing the thermal power supplied to the heater. When this power is reached, the excess cooling capacity specified by the setter 7 does not change the rotation speed of the electric motor. The output voltage of the integrator in this case determines the set frequency of rotation of the electric motor at zero output signal of the comparison device.
При изменении условий эксплуатации холодильной установки или тепловыделений охлаждаемого объекта, это скомпенсируется изменением тепловой мощности, устанавливаемой на нагревателе. В свою очередь, по изменению разности сигналов задатчика 7 и измерителя мощности 5 произойдет изменение выходного напряжения сумматора 8 и уменьшение или увеличение холодопроизводительности холодильной установки, благодаря изменению частоты вращения ее привода. После отработки возмущающего воздействия уровень тепловой мощности на нагревателе устанавливается равным заданной избыточной холодопроизводительности. When changing the operating conditions of the refrigeration unit or the heat dissipation of the refrigerated object, this is compensated by the change in thermal power installed on the heater. In turn, by changing the difference between the signals of the setter 7 and the power meter 5, the output voltage of the adder 8 will change and the cooling capacity of the refrigeration unit will decrease or increase due to a change in the speed of its drive. After practicing the disturbing effect, the level of thermal power on the heater is set equal to the specified excess cooling capacity.
Таким образом, при компенсации изменения тепловых воздействий охлаждаемого объекта или окружающей среды регулированием тепловой мощности на нагревателе происходит одновременное изменение частоты вращения привода холодильной установки. Это приводит к поддержанию заданной избыточной холодопроизводительности на некотором минимальном уровне, достаточном для оперативной отработки возникающих тепловых воздействий в зону криостатирования. Действительно, высокая точность термокриостатирования не может быть обеспечена регулированием холодопроизводительности холодильных установок только изменением частоты вращения их привода. Это обусловлено значительной статической ошибкой регулирования, характерной для одноконтурных замкнутых систем электроприводов. Thus, when compensating for changes in the thermal effects of the cooled object or the environment by regulating the thermal power on the heater, the rotational speed of the drive of the refrigeration unit changes simultaneously. This leads to maintaining a given excess cooling capacity at a certain minimum level, sufficient for the operational development of the resulting thermal effects in the cryostat zone. Indeed, the high accuracy of thermal cryostatting cannot be ensured by regulating the cooling capacity of refrigeration units only by changing the speed of their drive. This is due to a significant static control error, characteristic of single-circuit closed drive systems.
Повышение точности обусловлено тем, что с помощью нагревателя осуществляется компенсация не полностью каких-либо тепловых воздействий, а только той их части, которую не успевает отработать электропривод холодильной установки. The increase in accuracy is due to the fact that with the help of the heater, compensation is not carried out completely for any thermal effects, but only for the part of them that the electric drive of the refrigeration unit does not have time to work out.
Кроме этого, существенно повышена устойчивость такой системы за счет наличия самостоятельного контура регулирования температуры, осуществления регулирования избыточной холодопроизводительности по ее отклонению от заданного минимального значения и использования пропорционально-интегрального закона регулирования при управлении частотой вращения привода. Контур регулирования частоты вращения электропривода по избыточной холодопроизводительности не требует высоких коэффициентов усиления, что позволяет легко обеспечить устойчивость устройства для стабилизации температуры в целом. In addition, the stability of such a system is significantly increased due to the presence of an independent temperature control loop, the regulation of excess cooling capacity by its deviation from the set minimum value and the use of the proportional-integral control law when controlling the drive speed. The control circuit of the rotational speed of the electric drive for excessive cooling capacity does not require high gain, which makes it easy to ensure the stability of the device to stabilize the temperature as a whole.
Среднее значение тепловой мощности нагревателя (избыточной холодопроизводительности холодильных установок) уменьшено в 10-20 раз и составляет 25 мВт для МКС, реализующих цикл Стирлинга. При этом точность термостатирования достигает ± (0,05-0,1) К. The average value of the heater’s thermal power (excess cooling capacity of refrigeration units) is reduced by 10-20 times and amounts to 25 mW for ISS implementing the Stirling cycle. In this case, the temperature control accuracy reaches ± (0.05-0.1) K.
Потребляемая МКС мощность снижена на 30% и увеличен ресурс на 5-10%. The power consumed by the ISS was reduced by 30% and the resource was increased by 5-10%.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4936951 RU2024914C1 (en) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4936951 RU2024914C1 (en) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2024914C1 true RU2024914C1 (en) | 1994-12-15 |
Family
ID=21574899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4936951 RU2024914C1 (en) | 1991-05-20 | 1991-05-20 | Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2024914C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2238487C2 (en) * | 2002-10-09 | 2004-10-20 | Открытое акционерное общество криогенного машиностроения | Method and device for cryostatting object with varying heat load |
-
1991
- 1991-05-20 RU SU4936951 patent/RU2024914C1/en active
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 1. Авторское свидетельство СССР N 1427349, кл. G 05D 23/19, 1986. * |
| 2. Авторское свидетельство СССР N 1583927, кл. G 05D 23/19, 1988. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2238487C2 (en) * | 2002-10-09 | 2004-10-20 | Открытое акционерное общество криогенного машиностроения | Method and device for cryostatting object with varying heat load |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6624528B2 (en) | Engine operated generator | |
| US6796924B2 (en) | Engine revolution controlling apparatus | |
| RU2024914C1 (en) | Method of temperature stabilization in the zone of cryostatting and device for its realization | |
| CN101887275B (en) | High-precision temperature control method | |
| US6522990B1 (en) | Methods and apparatus for reducing temperature overshoot | |
| JPH0432921B2 (en) | ||
| JPH04372328A (en) | Machine tool temperature control method and device therefor | |
| CN120101295A (en) | A control method and system for undervoltage of outdoor AC motor of variable frequency air conditioner | |
| JP3411098B2 (en) | Air conditioning equipment | |
| JPH022199A (en) | Dye circulator of dye laser | |
| JP3395512B2 (en) | Refrigerator temperature control device | |
| JPS5912269A (en) | Refrigerator | |
| JPS5812938A (en) | Method of controlling air conditioner | |
| JP2000259268A (en) | Static var compensator | |
| SU944989A1 (en) | Cooling system of ship diesel-electric sets with heat utilization | |
| SU939791A1 (en) | Steam turbine cooling method | |
| RU1823070C (en) | Method of automatic limiting of power transfer in intersystem electric power line | |
| JPS61289266A (en) | Flow amount control of hot-water supplier | |
| RU92000918A (en) | METHOD OF CONTROL OF THE REGULATED PARAMETER DURING THE START-UP OF THE POWER PLANT | |
| SU1498930A1 (en) | Device for controlling temperature of cooling liquid in double-circuit cooling system of ic-engine | |
| JP2019082913A (en) | Temperature control device and method | |
| SU538349A1 (en) | Temperature controller | |
| SU756375A1 (en) | DEVICE FOR REGULATING THE TEMPERATURE OF THE ENGINE OF A LIFTING INSTALLATION1 | |
| JP2006288175A (en) | Control device for synchronous generator | |
| SU1727703A1 (en) | Device for heating hangar hothouse |