3.2. Основньїе понятия об автоматическом регулировании

Система автоматического управления — зто совокупность обьек-та управления и управляющего устройства, осуществляющих какой-нибудь процесс полностью или частично без вмешательства обслу-живающего персонала. Обьект управления — комплекс техничес-ких злементов, вьполняющих основную технологическую задачу — характеризуется значениями некоторьх величин на его входе и вьходе. Если в качестве обьекта управления рассматривать рефри-жераторньй вагон, то величиной на вьходе будет температура в грузовом помещении і_ваг, а величиной на входе — холодопроизво­дительность холодильной машинь Од.

Величину на вьходе, которую требуется поддерживать в опре-деленном интервале, назьвают регулируемьм параметром и обо-значают Хд. Величина на входе обьекта — зто параметр, с помо-щью которого управляют значением величинь на вьходе.

Внешнее воздействие на обьект управления, вьзьвающее откло-нение регулируемого параметра от исходного значения Хд, назьва-ется нагрузкой. В данном случае зто будут теплопритоки в вагон <2_н. Действительное значение регулируемого параметра Хпод воз-действием нагрузки 0_н отклоняется от заданного значения Хд. Та-кое отклонение назьвается рассогласованием: ДХ=Х - Хд. Воздей­ствие на обьект, которое уменьшает рассогласование ДХ, является регулирующим воздействием. В нашем примере зто будет холодо-производительность машинь Од. Если Од = О_н, то ДХ = 0, а регули-руемьй параметр не изменяется: Хд — соші.

Устройство, воспринима-ющее рассогласование АХ и воздействующее на обьект для уменьшения рассогласо-вания, назьвается автомати-ческим регулятором, или про­сто регулятором.

Обьект и регулятор обра-зуют систему автоматическо-го регулирования (рис. 3.1). Регулирование может вьпол-няться по нагрузке и рассогласованию. В первом случае регулятор воспринимает изменение нагрузки и на столько же изменяет регули-рующее воздействие, поддерживая равенство Од = О_н. Однако про-ще следить за отклонением регулируемого параметра Хд, т.е. изме-нять регулирующее воздействие Од в зависимости от значения ДХ.

Системь автоматизации различаются по своему назначению: управления, сигнализации, защить , регулирования и комбиниро-ваннье. Между собой они отличаются составом злементов и связя-ми между, ними.

Структурная схема автоматической системь определяет, из ка-ких звеньев она состоит. Например, в систему автоматического ре-гулирования входят обьект регулирования и автоматический регу­лятор, состоящий из нескольких злементов — чувствительного зле-мента, задающего устройства, злемента сравнения, регулирующего органа и т.д.

На рис. 3.2 показана простая одноконтурная система автомати-ческого регулирования, широко применяющаяся при автоматизации холодильньх установок. Работа обьекта характеризуется парамет­ром Х на вьходе, по которому ведется регулирование. На обьект воздействует внешняя нагрузка 0_н. Управление осуществляется ре-гулирующим воздействием Од. Автоматический регулятор должен так изменять величину Од, чтобь значение X. соответствовало за-данному Х_д. В системе имеются цепи прямой и обратной связи.

Цепь прямой связи служит для формирования и передачи к обьекту регулирующего воздействия Од; по цепи обратной связи поступает информация о ходе процесса. В цепь прямой связи вхо­

дят усилитель (У), исполнительньй механизм (ММ) и регулиру-ющий орган (РО). В цепь обратной связи включен чувствитель-ньй злемент (ЧЗ).

Обе цепи замькаются злементом сравнения (ЗС). В регуляторе могут не применяться отдельнье злементь (усилитель, исполнитель-ньй механизм). Некоторье детали могут вьполнять функции не-скольких злементов.

Система работает следующим образом. Чувствительньм злемен-том регулятор воспринимает регулируемьй параметр X и преобра-зует его в величину удобную для дальнейшей передачи.

Зта преобразованная величина поступает в злемент сравнения, на другой вход которого подается сигнал представляющий со-бой задание регулятору от устройства 3. В злементе сравнения про-изводится операция вьчитания, в результате которой получается рассогласование

АХ = X - Х₀.

Сигнал АХ заставляет работать остальнье злементь схемь. В уси-лителе его мощность повьшается до Х₃ и воздействует на исполни-тельньй механизм, которьй преобразует зтот сигнал в удобньй для использования вид знергии Х4 и изменяет положение регулирующе-го органа. В результате изменяется поток знергии или вещества, под-водимого к обьекту, т.е. изменяется регулирующее воздействие.

По взятому для примера рефрижераторному вагону можно просле-дить за взаимодействием злементов структурной схемь (рис. 3.1 и 3.2).

Температуру в вагоне X воспринимает термочувствительная систе­ма термостата, преобразует ее в давление Х1 и воздействует на пружину термостата ЗС, отрегулированную на определенное усилие сжатия вин-том задающего устройства 3. При повьшении температурь в вагоне і_ваг в результате теплопритоков £>_н увеличивается рассогласование АХ. При определенном значении ї_ваг замькаются контакть термостата, включающие злектрическую систему управления холодильной маши-ной У, которая получает знергию Е от внешнего источника. Мсполни-тельнье механизмь ИМ злектрической системь включают холодиль­ную машину РО, которая воздействует величиной £>_н на обьект.

Структурнье схемь других автоматических устройств можно по-лучить из рассмотренной схемь. Сигнализирующая система отлича-ется от системь регулирования тем, что в ней нет исполнительного механизма. Цепь прямой связи разрьвается, и сигнал Х3 подается об-служивающему персоналу (звонок, включение сигнальной лампь), которьй и должен произвести регулирование. В системе автоматичес-кой защить вместо исполнительного механизма и регулирующего органа имеется устройство управления, которое отключает холодиль­ную установку. В системах сигнализации и защить сигнал Х3 изменя-ется скачкообразно, когда величина X достигает заданного значения.

Автоматические регуляторь классифицируются по назначению: регуляторь давления, температурь, уровня и т.д. Они различаются конструкцией чувствительного злемента.

Регуляторь бьвают прямого и непрямого действия. Если мощность сигнала рассогласования достаточна для воздействия на регулирующий орган, регулятор считается прямодействующим. В регуляторах непря­мого действия для привода регулирующего органа используется вне-шний источник знергии Е (злектрический, пневматический, гидравли-ческий, комбинированньй), подводимой через усилитель мощности У.

В зависимости от способа воздействия на обьект различают ре­гуляторь плавного и позиционного (релейного) действия. В регу­ляторах плавного действия регулирующий орган может занять лю-бое положение в пределах между максимальньм и минимальньм. У позиционньх регуляторов регулирующий орган может занимать два или несколько определенньх положений.

По типу задающего злемента регуляторь бьвают стабилизиру-ющие, программнье, следящие, оптимизирующие. Стабилизирую­щие регуляторь поддерживают регулируемую величину на посто-янном заданном уровне. Программнье регуляторь изменяют регу-лируемую величину по заранее намеченной программе, следящие

— в зависимости от изменений какого-нибудь внешнего парамет­ра, Оптимизирующие регуляторь , анализируя внешние параметрь , обеспечивают оптимальное ведение процесса. В холодильньх уста­новках чаще применяются стабилизирующие регуляторь .

Система регулирования согласовьвает характеристики отдельньх злементов машинь при изменений их холодопроизводительности.

Характеристики представляют собой зависимости холодопроиз-водительности, расхода знергии на работу компрессора и охлажде-ние конденсатора от внешних условий, т.е. от температурь окру-жающей средь . Они позволяют установить взаимную связь пара-метров компрессора, испарителя и конденсатора. Построение ха­рактеристик проводят по уравнениям теплового баланса системь «холодильная машина — охлаждаемое помещение» и знергетичес-ким соотношениям, описьвающим работу основньх злементов ма-шинь с учетом изменения по времени параметров хладагента и ок-ружающей средь . При зтом балансовье и знергетические соотно-шения представляют в функции температурь охлаждаемого обьек-та (температурь кипения хладагента) и температурь окружающей средь (температурь конденсации хладагента).

Процесс регулирования машинь на требуемьй режим охлаждения или на заданньй температурньй режим теоретически может бьть ре-ализован количественньм или качественньм способом. Первьй пре-дусматривает изменение расхода хладагента через испаритель, второй

— изменение его параметров. Однако температура охлаждаемого обьекта определяется температурой кипения хладагента, которая са-моустанавливается в зависимости от холодопроизводительности ком-прессора, испарителя и конденсатора. Позтому процесс регулирова-ния определяет не только баланс холодопроизводительности компрес-сора О_ок и испарителя О_ои, но и температурньй уровень отвода или подвода теплоть . Следовательно, регулирование паровой компрессор-ной машинь представляет собой комбинированньй процесс, сочета-ющий количественньй и качественньй способь .

Исполнительньм органом системь регулирования (регулятором холодопроизводительности) служит дроссельньй вентиль. Рабочий

режим машинь, которьй соответ-ствует точке пересечения характе­ристик компрессора и испарителя О_ок = О_ои, обеспечивают измене-нием проходного сечения вентиля. Схема согласования характерис­тик основньх злементов машинь при некотором постоянном зна-чении температурь окружаю-щей средь приведена на рис. 3.3. Характеристика испарителя

2ок =Д ^Г0) (^Г0 — температура ки-пения хладагента) отвечает изме-нению теплопритоков охлаждае-мого помещения, характеристика компрессора 2_ок = /(?о) — регули-рованию его производительности, расходная характеристика дрос-сельного вентиля 2_дв=/(^0) устанавливает степень его закрьтия или открьтия. Характеристики перечисленньх злементов машинь при изменении режима ее работь показань штриховьми линиями. Точ­ка А определяет рабочую точку системь «машина — охлаждаемое помещение» как обьекта регулирования при переходе с одного ре-жима работь на другой. При зтом точка А соответствует рабочему режиму в процессе регулирования компрессора, а точка А" — при изменении характеристики испарителя. Регулирование холодопро-изводительности машинь с поршневьм компрессором осуществля-ют плавньм или ступенчатьм (позиционньм) регулированием его производительности. В машинах малой и средней мощности полу-чили распространение следующие способь плавного регулирования с помощью внешних или встроенньх конструктивньх устройств:

перепуск хладагента со сторонь нагнетания на всасьвание (бай-пасирование), которьй осуществляют регулирующими вентилями, управляемьми от датчика давления или температурь;

дросселирование на всасьвании с переводом компрессора на работу при пониженном давлении всасьвания;

изменение обьема мертвого пространства подключением к нему дополнительного внешнего обьема;

изменение частоть вращения вала компрессора.

Ступенчатое регулирование в машинах малой и средней холо-допроизводительности в основном вьполняют способом «пуск-ос-тановка» с предельной частотой циклов до 5-6 в 1 ч; для многосту-пенчатьх компрессоров зффективно используют отключение от-дельньх цилиндров путем отжатия всасьвающих клапанов с помо-щью механических толкателей. Управление движением толкателей производят гидравлическими, пневматическими или злектромагнит-ньми приводами. Внедряется система злектронного регулирования производительности с воздействием на всасьвающие клапань злек-тромагнитного поля.

Примером ступенчатого пропорционального регулирования яв-ляется регулирование температурь воздуха в вагоне летом, когда с увеличением теплопритока в вагон увеличивается холодопроизво-дительность холодильной установки (увеличиваются частоть вра-щения вала компрессора или включается большее количество его цилиндров). В зтом случае импульсом, сигнализирующим необхо-димость увеличения холодопроизводительности, является дальней-шее повьшение температурь воздуха в вагоне.

Пример пропорционального плавного регулирования — регу-лирование температурь воздуха в вагоне зимой, когда с увеличе-нием теплопотерь вагона плавно увеличивается температура водь в котле водяного отопления. В зтом случае импульсом, сигнализи-рующим необходимость повьшения температурь водь в котле, яв-ляется изменение температурь наружного воздуха.

Наиболее совершенньм, но и наиболее сложньм видом пропор-ционального регулирования является изодромное регулирование, основанное на применении чувствительной и гибкой обратной свя-зи, благодаря которой регулируемьй параметр изменяется в очень узких пределах или даже держится на практически постоянном уров-не. Первоначально изодромное регулирование применялось для обеспечения постоянной скорости вращения деталей машин, отку-да и получило свое название (по-гречески изо — постоянньй, рав-ньй; дромос — бег, скорость). В настоящее время оно применяется в самьх различньх процессах, например, для автоматического вож-дения морских кораблей по заданному курсу.

Вследствие сложности аппаратурь , трудньх условий ее работь при вибрации и тряске, а главное из-за отсутствия практической необходимости в предельно точном регулировании температурь воздуха, в установках кондиционирования воздуха вагонов изод-ромное регулирование не применяется.

При вьборе способа регулирования необходимо учитьвать на-чальнье и зксплуатационнье затрать , технологичность и надежность конструкции. Для оценки знергетической зффективности системь ре-гулирования используют отношение холодопроизводительности ком-прессора при заданной степени регулирования к номинальной: х = д₀р/д_он =/(Тд). Показатели сравнительной зффективности основньх способов регулирования производительности поршневьх компрес-соров приведень на рис. 3.4. Для способов пуск-остановка (линия 1) и отжатие впускньх клапанов (линия 2) характернь малье знергетичес-кие потери и практическая независимость от режима работь. При дрос-селировании на всасьвании (линия 3) наблюдается резкое падение зффективности с ростом температурь кипения хладагента, позтому зтот способ применяют в компрессорах, которье работают в узком диапазоне давлений кипения. Байпасирование (линия 4) — наименее зффективньй вариант регулирования, так как он связан с потерями знергии сжатого пара при его перепуске, повьшением температурь всасьвания хладагента, а следовательно, и температурь нагнетания; знергетические потери при зтом способе соответствуют степени умень-шения холодопроизводительности машинь .

В холодильньх машинах с винтовьми компрессорами используют

следующие способь регулирования холодопроизводительности: дроссе-лирование на всасьвании, байпаси-рование, изменение частоть враще-ния вала, золотниковой системой.

ния производительности поршневьх компрессоров

Дросселирование обеспечивают автоматическим перекрьтием дрос-сельного клапана, установленного на входе в компрессор. Зффектив-ность зтого способа ограничена сни-жением производительности до 70⁰/о ^{Рис. 3.4.} З^{нергетическая зффектив-} от номинальной; при более глубо-ность основньх способов регулирова-

ком дросселировании существенно снижается зкономичность.

Байпасирование осуществляют перепуском части хладагента через байпасньй клапан со сторонь нагнетания на всасьвание. Применение такого способа обьчно ограничивают компрессора-ми сухого сжатия.

Наиболее зкономичное регулирование путем отключения в про-цессе сжатия части обьема рабочих полостей обеспечивает золот­никовая система. Несмотря на усложнение конструкции компрес-сора, такая система открьвает дополнительнье схемнье возмож-ности усовершенствования паровьх холодильньх машин.

Автоматизация работь холодильной машинь позволяет с вьсо-кой точностью поддерживать требуемьй уровень параметров про-цесса охлаждения, отвечающий оптимальному технологическому режиму, а также частично или полностью исключить участие обслу-живающего персонала в зксплуатации холодильного оборудования. В паровьх компрессорньх машинах обьектами автоматизации яв-ляются теплообменнье аппарать, в частности степень заполнения испарителя жидким хладагентом и давление процесса конденсации.

Обьективньм и технически наиболее удобньм показателем, от-ражающим степень заполнения испарителя, служит перегрев пара на вьходе из него. Действительно, когда часть теплопередающей поверхности испарителя обеспечивает перегрев паров хладагента, уменьшение его подачи приводит к снижению степени заполнения, а следовательно, к росту перегрева. При зтом повьшение темпера­турь перегрева сверх расчетного уровня ухудшает знергетические показатели машинь и надежность ее работь. Подача хладагента в испаритель в количестве, превьшающем возможности процесса теп-лопередачи, связана с переполнением испарителя и снижением пе-регрева. Последнее приводит к снижению холодопроизводительно-сти машинь, а в ряде случаев к работе компрессора на влажном паре, что может привести к гидравлическому удару.

Системь автоматического регулирования степени заполнения испа­рителя по перегреву паров хладагента вьполняют плавньми и позици-онньми (обьчно двухступенчатьми). В качестве автоматического ре­гулирования в плавньх системах широко используют терморегулиру-ющие вентили (ТРВ), в которьх величину перегрева паров хладагента получают в виде разности между температурой пара, вьходящего из испарителя, и температурой кипения хладагента. Терморегулирующие

вентили, обеспечивающие процесс

дросселирования хладагента от давления конденсации до давле-ния испарения, устанавливают на линии между конденсатором и ис-парителем.

Принципиальная схема авто-

матического регулирования

уровня хладагента в испарителе Рис. 3.5. Схема автоматического ре- ^ *

гулирования уровня хладагента в ис- ^{с помощью ТРВ, используемая}

парителе с помощью ТРВ

в хладоновьх машинах РПС, приведена на рис. 3.5. Чувстви-

тельньй злемент измерительной головки 1 терморегулирующего вентиля, вьполненньй в виде мембрань 2 или сильфона, находит-ся под воздействием разности давлений перегретого пара, соответ-ствующего температуре перегрева, и хладагента на вьходе из испа-рителя 7, отвечающего температуре кипения. Перегретьй пар, ко-торьй образуется в термосистеме, состоящей из термобаллона 6 и капилляра 3, поступает в пространство над мембраной; простран-ство под мембраной связьвают уравнительной трубкой 4 с всась-вающей линией компрессора 5. При зтом уравнительную трубку присоединяют к всасьвающей линии в месте установки термобал-лона. В некоторьх конструкциях в термобаллон вводят твердьй по-глотитель и всю термосистему заполняют газом.

Перемещение штока 12 в результате деформации чувствительного злемента при изменении температурь перегрева обеспечивает открь-тие или закрьтие запорного клапана 11, регулирующего поступление жидкого хладагента из конденсатора в испаритель по линии 10. С по­мощью регулировочного винта 8 изменяют силу затяжки пружинь 9 и, следовательно, необходимую величину температурь перегрева.

В процессе автоматического регулирования ТРВ должен обес-

печить оптимальньй уровень заполнения испарителя и устойчивость

системь во всем требуемом диапазоне изменения холодопроизво-

^дительности, что особенно важно для холодильньх машин рефри­^жераторного подвижного состава. Практически устойчивая рабо-та системь ТРВ начинается при перегреве (3 -*-6) К. Для расширения диапазона регулирования и повьшения его устойчивости в системе может бьть использовано несколько ТРВ.

Процесс автоматического регулирования давления конденсации хладагента в машинах с конденсаторами воздушного охлаждения осу-ществляют изменением скорости или расхода охлаждающего воздуха. Технически его обеспечивают системой жалюзи или поворотньх зас-лонок, использованием вентиляторов с изменяемьм углом установки направляющих лопаток, применением двухскоростньх злектродвига-телей, а также периодическим вьключением вентиляторов. Измене-ние скорости или расхода охлаждающего воздуха приводит к измене-нию козффициента теплопередачи конденсатора, а следовательно, к изменению температурь и давления процесса конденсации.

В ряде случаев повьшения температурь конденсации добива-ются частичньм подтоплением поверхности конденсатора жидким хладагентом.

Приборь автоматического регулирования, помимо контроля параметров испарителя и конденсатора, поддерживают заданную температуру воздуха в охлаждаемом помещении, обеспечивают сво-евременное удаление инея («снеговой шубь ») с поверхности испа-рителя, регулируют уровень масла в маслоотделителях и т.д. Рабо-ту системь регулирования сочетают с автоматической защитой, которая включает комплекс мер по безопасной зксплуатации холо-дильньх машин и предупреждает аварийнье режимь путем отклю-чения машинь .

Система автоматической защить включает соответствующие датчики (реле защить и устройства для преобразования импульсов от зтих реле в сигнал остановки). В ряде случаев систему защить дополняют блокировкой, которая исключает повторньй пуск ма-шинь без устранения причинь , вьзвавшей срабатьвание защить . В компрессорньх холодильньх машинах датчики системь защить следят за уровнем максимального давления и температурь хлада-гента на нагнетании компрессора, минимального давления на вса-сьвании, за давлением и температурой масла в системе смазки, за работой злектродвигателя, исключающей его перегрузку или ко-роткое замькание. В систему, автоматической защить может бьть введена световая или звуковая сигнализация, оповещающая о дос-тижении предельного значения контролируемой величинь или при-ближения к опасному режиму работь машинь .