Структура АСР и ее основные элементы.

Основные понятия и определения в теории и практике автоматического регулирования

Основная задача автоматического регулирования энергетической установки - обеспечить ее работу во всей области гарантированных режимов. Режимы работы различных энергоустановок характеризуются значениями одной или несколькими величин. Так, режимы работы парового котла характеризуются давлением и температурой пара при выходе из котла, его паропроизводительностью. Режим работы турбины – частотой вращения ротора турбины и напряжением на клеммах генератора для конденсационного турбогенератора, для турбин с отборами пара для потребителя еще и давлением пара в отборах- теплофикационном или производственном. Те параметры режима работы энергоустановки, которые регламентируются внешним потребителем, называются внешними регулируемыми параметрами, остальные внутренними. Для турбогенератора внешними являются частота вращения ротора, напряжение на клеммах генератора и давление в отборах пара к потребителю. Для котельной установки- давление, температура и расход свежего пара. Внутренние регулируемые параметры в большинстве своем относятся к параметрам, определяющим регламентное состояние и работу вспомогательного оборудования электростанций.

Если в процессе работы энергоустановки регулируемые величины существенно отклоняются от требуемых (нормируемых) значений, то в работу вступают регулировочные органы энергоустановки, изменяя в необходимом направлении значения этих величин. В таком случае энергоустановка становится объектом управления в широком смысле или объектом регулирования, например, по одному внешнему параметру регулирования.

Для того, чтобы была обеспечена нормальная работа объекта регулирования (ОР) во всей области гарантированных режимов, он должен обладать определенной статической характеристикой, которая связывает режимные параметры энергоустановок в равновесных процессах, последняя может быть выражена аналитической или графической зависимостью регулируемой величины от нагрузки.

Например: n=f(Рн) или w=f(Nт),

где Рн – нагрузка турбогенератора, Nт – электрическая мощность турбогенератора, n - число оборотов ротора турбины, w - его угловая скорость вращения.

Р=f(Dп) - давление пара при выходе из котла, Dп- расход пара, tпп = f(Dп) – температура свежего пара.

Рис. 1.1 Статические характеристики объекта регулирования.

а) турбины по скорости вращения ротора,б), в) котла по давлению и температуре пара.

Естественная характеристика ОР зачастую может не удовлетворять потребителя. Чтобы привести ее в соответствие с требованиями потребителя применяется система регулирования, которая позволяет получить надлежащую статическую характеристику ОР. Система регулирования может состоять из нескольких элементов, каждый из которых имеет свою статическую характеристику.

Статическая характеристика ОР может быть получена на основании статических характеристик элементов, входящих в состав системы регулирования. Таким образом, статическая характеристика ОР является результирующей, поскольку, влияя на статические характеристики элементов системы регулирования, можно получить приемлемую для потребителя статическую характеристику ОР. Задача нахождения требуемой статической характеристики относится к статике регулирования - регулированию в установившихся (равновесных) процессах.

Режимы работы ОР и их систем регулирования называются равновесными или установившимися, если регулируемая величина и все действующие в системе возмущения не изменяются во времени. Так, установившиеся движение турбогенератора возможно при равенстве момента движущих сил М_т, развиваемых паром или газом на лопатках турбины, и момента сил сопротивления - электромагнитных сил генератора М_г, т.е. . В действительности момент сил сопротивления, зависящий от потребителя (электросети), в процессе работы турбогенератора может изменяться, вследствие чего равновесие в силовом поле взаимодействующих сил нарушается, и ротор турбогенератора получает ускорение или замедление, из-за чего равновесный режим нарушается.

При неустановившемся (неравновесном) режиме в действие приходит система регулирования. Связи между элементами системы регулирования и объектом регулирования в переходных процессах называются динамическим направленного действия. Они определяют характер переходных процессов в системе. Задача системы регулирования – перевести ОР в такой режим, который соответствует равновесному состоянию системы. Изучение переходных процессов составляет вторую основную задачу автоматического регулирования и относится к динамике регулирования.

Первым шагом при изучении динамики регулирования должно быть разграничение систем годных от систем не годных для целей управления объектом. Такое разграничение выполняется путем исследования устойчивости систем регулирования. Система регулирования называется устойчивой, если будучи выведенной из состояния равновесия сообщением ей некоторых начальных отклонений в своем дальнейшем движении будет стремиться к некоторому равновесному состоянию. Регулирование, не удовлетворяющее этому условию, называется неустойчивым. Исследование устойчивости регулирования имеет целью дать качественную оценку той или иной принципиальной схеме регулирования, то есть установить правильно ли будет функционировать данная система регулирования при каких-либо нарушениях равновесного режима или нет.

В исследованиях динамических процессов регулирования, предполагают, что к ОР или регулятору приложены некоторые воздействия. Их называют соответственно: возмущающими и управляющими.

В зависимости от характера связей системы регулирования делятся на системы работающие по:

1) замкнутому циклу (Рис. 1.2)

Рис. 1.2 Схема замкнутого регулирования

Р-Р- регулятор, ОР- объект регулирования, ГОС – главная обратная связь,

- управляющее воздействие, - возмущающее воздействие, - регулируемый параметр, - входная величина отклонения регулируемого параметра.

2) разомкнутому циклу (Рис. 1.3.)

Рис. 1.3 Схема разомкнутого регулирования.

Наличие обратной связи между ОР и регулятором, которую называют главной, является необходимым условием автоматической системы регулирования (АСР), т.е. АСР это замкнутые динамические системы направленного действия.

В теплоэнергетике находят применение системы регулирования нескольких величин. При этом их регуляторы связаны вне ОР. Такие схемы называются системами связанного регулирования, например, АСР теплофикационных турбин.

Системы регулирования, где управляющее воздействие изменяется в зависимости от времени по заданному закону, носят название систем программного регулирования.

Структура АСР и ее основные элементы.

По виду используемой энергии различают АСР: механические, гидравлические, пневматические, электрические, комбинированные.

Регулятор, выполняя свои функции, должен перемещать регулировочные органы (РО) в требуемом направлении, для обеспечения устойчивого движения системы. При этом нередко для перестановки РО требуются затраты значительной мощности, которую не могут развить регуляторы. В таких случаях в составе АСР предусматривают усилительные устройства, которые включают в передаточный механизм между регулятором и РО. Усилители воспроизводят все указания от регулятора, и мощность сигнала от них должна быть достаточной для необходимого перемещения регулировочных органов. Автоматическое регулирование без участия усилителей называется прямым регулированием, а при наличии их в передаточном механизме - непрямым регулированием.

Рис. 1.4 Схема прямого (а) и непрямого регулирования (б) турбин.

РС- регулятор скорости, ПЗ- промежуточный золотник, СМ-сервомотор, РО- регулировочные органы (клапаны) турбины.

АСР с использованием электрической энергии нашли широкое применение для котельного оборудования и вспомогательных установок на ТЭС (Рис. 1.5)

Рис 1.5 Схема электрической системы регулирования.

Д-датчик, в состав которого могут входить преобразователь энергии и чувствительный элемент: давления, температуры, расхода, других регулируемых величин;

ЗД-задатчик, с помощью которого устанавливают заданное значение регулируемого параметра.

УОС-устройство внутренней обратной связи, предназначенной для стабилизации процесса регулирования, его сигнал направлен навстречу х_вх;

ИБ-измерительный блок, производит алгебраическое суммирование сигналов, поступающих от датчика и задатчика;

КУУ-командно - усилительное устройство;

ИМ-исполнительный механизм.

Примером использования в АСР комбинированного вида энергии является система регулирования турбины, в которой установлен электрогидравлический преобразователь для преобразования электрического сигнала от регуляторов энергосистемы (корректора частоты, противоаварийной автоматики, регулятора обменной мощности) в гидравлический сигнал для гидравлической системы регулирования турбоагрегата.