BÀI GIẢNG hệ THỐNG tự ĐỘNG

Hình 1.1: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động trực tiếpΔn là tín hiệu độ lệch về vòng quay của động cơ, Δnđ là tín hiệu cảm biến vòng quay đưa tới bộ điều chỉnh, đối với bộ đ

BÀI GIẢNG

HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

Mục lục

BÀI GI NG Ả 1

H TH NG T NG Ệ Ố ỰĐỘ 1

M c l c ụ ụ 2

Ch ng I:T ng i u ch nh t c quay c a ng c iêzel t u th y ươ ự độ đ ề ỉ ố độ ủ độ ơ Đ à ủ 5

§1 Khái ni m v h th ng t ng i u ch nh t c quay c a ng c iêzel ệ ề ệ ố ự độ đ ề ỉ ố độ ủ độ ơ đ t u thu à ỷ 5

1.1 Nguyên nhân ph i t ng i u ch nh t c quay c a ng c iêzel t u ả ự độ đ ề ỉ ố độ ủ độ ơ đ à thuỷ 5

1.2 S kh i h th ng t ng i u ch nh t c quay ng c iêzel t u thu ơ đồ ố ệ ố ự độ đ ề ỉ ố độ độ ơ đ à ỷ 5

§2 Ph ng trình ng c a ng c iêzel t u thu ươ độ ủ độ ơ đ à ỷ 7

2.1 Xây d ng ph ng trình ng c a ng c iêzel ự ươ độ ủ độ ơ đ 7

2.2 Kh o sát c tính ng h c c a ng c iêzel ả đặ độ ọ ủ độ ơ đ 9

§3 Khái ni m v phân lo i các b i u t c c a ng c iêzel t u thu ệ à ạ ộ đ ề ố ủ độ ơ đ à ỷ 13

3.1 Khái ni m v b i u t c ng c iêzel t u thu ệ ề ộ đ ề ố độ ơ đ à ỷ 13

3.2 Phân lo i các b i u t c ạ ộ đ ề ố 14

3.3 Đặ c tính i u ch nh đ ề ỉ 14

3.4 Các thông s c tr ng c a b i u t c ố đặ ư ủ ộ đ ề ố 15

§4 B i u t c m t, hai, nhi u ch v b i u t c gi i h n ộ đ ề ố ộ ề ế độ à ộ đ ề ố ớ ạ 19

4.1 B i u t c m t ch ộ đ ề ố ộ ế độ 19

4.2 B i u t c hai ch ộ đ ề ố ế độ 21

4.3 B i u t c nhi u ch ộ đ ề ố ề ế độ 22

4.4 B i u t c gi i h n: ộ đ ề ố ớ ạ 24

§5 B i u t c có liên h ng c ph c ng ộ đ ề ố ệ ượ ụ ứ 25

5.1 Khái ni m v s ch c n ng c a b i u t c có liên h ng c ph ệ à ơ đồ ứ ă ủ ộ đ ề ố ệ ượ ụ 25

5.2 C u t o v nguyên lý ho t ng c a m t b i u t c có liên h ng c c ng ấ ạ à ạ độ ủ ộ ộ đ ề ố ệ ượ ứ 26

§6 B i u t c có liên h ng c ph m m ộ đ ề ố ệ ượ ụ ề 30

6.1 S ch c n ng c a các b i u t c có s d ng liên h ng c m m ơ đồ ứ ă ủ ộ đ ề ố ử ụ ệ ượ ề 30

6.2 C u t o, nguyên lý ho t ng c a m t b i u t c có liên h ng c m m ấ ạ ạ độ ủ ộ ộ đ ề ố ệ ượ ề 31 §7 B i u t c có liên h ng c t ng h p ộ đ ề ố ệ ượ ổ ợ 34

7.1 C u t o c a b i u t c có liên h ng c t ng h p ấ ạ ủ ộ đ ề ố ệ ượ ổ ợ 34

7.2 Nguyên lý ho t ng ạ độ 34

§8 B i u t c hai xung ộ đ ề ố 37

8.1 S ch c n ng c a b i u t c hai xung ơ đồ ứ ă ủ ộ đ ề ố 37

8.2 C u t o v nguyên lý ho t ng c a b i u t c hai xung ấ ạ à ạ độ ủ ộ đ ề ố 37

§9 B i u t c i n- i n t ộ đ ề ố đ ệ đ ệ ử 40

9.1 S ch c n ng c a b i u t c ki u i n- i n t ơ đồ ứ ă ủ ộ đ ề ố ể đ ệ đ ệ ử 40

9.2 Nguyên lý ho t ng ạ độ 40

9.3 c i m Đặ đ ể 41

§10 B i u t c thu l c c a hãng Woodward ộ đ ề ố ỷ ự ủ 42

10.1 Gi i thi u chung v hãng Woodward (Woodward Governor Company) ớ ệ ề 42

10.2 B i u t c thu l c SG ộ đ ề ố ỷ ự 42

10.3 B i u t c thu l c UG-D ộ đ ề ố ỷ ự 44

10.4 B i u t c thu l c PG ộ đ ề ố ỷ ự 48

10.5 B i u t c thu l c PGA ộ đ ề ố ỷ ự 51

§11 Ch l m vi c song song c a các ng c iêzel ế độ à ệ ủ độ ơ đ 54

11.1 Khái ni m ệ 54

11.2 Yêu c u i v i ch l m vi c song song ầ đố ớ ế độ à ệ 54

11.3 i u ki n i v i B T ch l m vi c song song t yêu c u Đề ệ đố ớ Đ để ế độ à ệ đạ ầ 54

11.4 Hi u ch nh b i u t c c a các ng c iêzel l m vi c song song ệ ỉ ộ đ ề ố ủ độ ơ đ à ệ 55

11.5 Các y u t nh h ng t i s l m vi c song song c a các ng c iêzel ế ố ả ưở ớ ự à ệ ủ độ ơ đ gi ng nhau ố 56

Câu h i ôn t p ch ng 1 ỏ ậ ươ 67

Ch ng II: H th ng i u khi n t xa v t ng i u khi n t xa ng c iêzel ươ ệ ố đ ề ể ừ à ựđộ đ ề ể ừ độ ơ đ t u thu à ỷ 68

§1 Khái ni m chung ệ 68

1.1.Khái ni m i u khi n t xa v t ng i u khi n t xa ệ đ ề ể ừ à ựđộ đ ề ể ừ 68

1.2.C u trúc c b n c a các h th ng T ấ ơ ả ủ ệ ố ĐĐ KTX 69

1.3.Nh ng quy nh chung i v i h th ng T ữ đị đố ớ ệ ố ĐĐ KTX 69

1.4.Công ch t chính dùng trong h th ng i u khi n ấ ệ ố đ ề ể 70

§2 C s xây d ng h th ng i u khi n ng c iêzel t u thu ơ ở ự ệ ố đ ề ể độ ơ đ à ỷ 72

2.1 Các tr ng thái l m vi c c a ng c iêzel ạ à ệ ủ độ ơ đ 72

2.2 Nh ng tính ch t quan tr ng c a h ng l c ữ ấ ọ ủ ệ độ ự 73

§3 Thu t toán i u khi n ng c iêzel t u thu ậ đ ề ể độ ơ đ à ỷ 75

3.1 Thu t toán i u khi n kh i ng ng c ậ đ ề ể ở độ độ ơ 75

3.2 Thu t toán i u khi n d ng ng c ậ đ ề ể ừ độ ơ 78

3.3 Thu t toán i u khi n o chi u ng c ậ đ ề ể đả ề độ ơ 79

3.4 Thu t toán thay i t c quay c a ng c iêzel ậ đổ ố độ ủ độ ơ đ 81

§4 H th ng t ng i u khi n h ng l c chân v t bi n b c ệ ố ựđộ đ ề ể ệ độ ự ị ế ướ 83

4.1 Khái ni m chung ệ 83

4.2 H th ng i u khi n t ng c a hãng SIEMEN ( c) ệ ố đ ề ể ự độ ủ Đứ 84

§5 H th ng t ng giám sát thông s v b o v h ng l c ệ ố ự độ ố à ả ệ ệ độ ự 85

5.1 Khái ni m v các ch c n ng c a h th ng ệ à ứ ă ủ ệ ố 85

5.2.H th ng t ng giám sát thông s ệ ố ự độ ố 86

5.3.H th ng báo hi u v báo ng ệ ố ệ à độ 88

5.4.H th ng b o v ệ ố ả ệ 88

5.5.H th ng t ng d báo h h ng k thu t ệ ố ự độ ự ư ỏ ỹ ậ 88

§6 H th ng t ng qu n lý i n t u th y ệ ố ự độ ả đ ệ à ủ 91

6.1 M t s khái ni m chung ộ ố ệ 91

6.2 M t s thu t toán v m ch i u khi n h th ng t ng qu n lý i n ộ ố ậ à ạ đ ề ể ệ ố ựđộ ả đ ệ 93

Câu h i ôn t p ch ng 2 ỏ ậ ươ 101

Ch ng III: T ng i u ch nh v i u khi n n i h i t u th y ươ ựđộ đ ề ỉ à đ ề ể ồ ơ à ủ 102

§1 Các khái ni m chung ệ 102

§2 Ph ng trình ng c a n i h i t u thu ươ độ ủ ồ ơ à ỷ 105

2.1 Ph ng trình ng c a n i h i theo áp su t h i ươ độ ủ ồ ơ ấ ơ 105

2.2 Ph ng trình ng c a n i h i theo m c n c ươ độ ủ ồ ơ ứ ướ 110

2.3 c tính thay i m c n c trong n i h i khi ph t i thay i Đặ đổ ứ ướ ồ ơ ụ ả đổ 114

§3 T ng i u khi n quá trình c p n c n i h i ự độ đ ề ể ấ ướ ồ ơ 116

3.1 T ng i u khi n b m c p n c ự độ đ ề ể ơ ấ ướ 116

3.2 T ng i u ch nh áp su t n c c p ự độ đ ề ỉ ấ ướ ấ 117

3.3 T ng i u ch nh l u l ng n c c p ự độ đ ề ỉ ư ượ ướ ấ 118

§4 T ng i u khi n quá trình cháy ựđộ đ ề ể 128

4.1 T ng i u ch nh c ng cháy ự độ đ ề ỉ ườ độ 129

4.2.T ng i u ch nh ch t l ng quá trình cháy ự độ đ ề ỉ ấ ượ 130

§5 T ng i u ch nh nhi t h i quá nhi t ự độ đ ề ỉ ệ độ ơ ệ 134

5.1 Ph ng pháp t n d ng nhi t c a khí th i ươ ậ ụ ệ ủ ả 134

5.2 Ph ng pháp trích m t ph n h i quá nhi t cho qua b u l m mát ươ ộ ầ ơ ệ ầ à 135

5.3 Ph ng pháp phun n c d i d ng s ng v o h i ã quá nhi t ươ ướ ướ ạ ươ à ơ đ ệ 137

§6 T ng i u ch nh các quá trình ph tr c a n i h i ự độ đ ề ỉ ụ ợ ủ ồ ơ 138

6.1 T ng i u ch nh nhi t c a nhiên li u ự độ đ ề ỉ ệ độ ủ ệ 138

6.2.T ng i u ch nh quá trình th i mu i ự độ đ ề ỉ ổ ộ 139

§7 T ng i u khi n quá trình t v d ng n i h i ự độ đ ề ể đố à ừ ồ ơ 141

Câu h i ôn t p ch ng 3 ỏ ậ ươ 144

Ch ng 4 T ng i u ch nh tua bin h i t u th y ươ ự độ đ ề ỉ ơ à ủ 145

§1.Tính ch t ng h c c a tua bin t u thu ấ độ ọ ủ à ỷ 145

1.1 Ph ng trình ng c a không gian ch a h i ươ độ ủ ứ ơ 146

1.2 Ph ng trình ng c a roto tua bin ươ độ ủ 147

1.3 nh h ng c a các thông s c u t o n quá trình chuy n ti p trong tua bin ả ưở ủ ố ấ ạ đế ể ế 149

§2.H th ng t ng i u khi n v i u ch nh tua bin h i t u th y ệ ố ựđộ đ ề ể à đ ề ỉ ơ à ủ 150

§3 H th ng t ng i u ch nh áp su t b l m k n ệ ố ự độ đ ề ỉ ấ ở ộ à ớ 152

§4 H th ng t ng i u ch nh b u ng ng h i ệ ố ự độ đ ề ỉ ầ ư ơ 153

Câu h i ôn t p ch ng 4 ỏ ậ ươ 154

Ch ng 5 T ng i u ch nh v i u khi n các thi t b ph ươ ựđộ Đề ỉ à đ ề ể ế ị ụ 155

§1 T ng i u khi n máy nén khí ự độ đ ề ể 155

§2 T ng i u khi n b m la canh ự độ đ ề ể ơ 158

§3 B i u ch nh khí nén ộ đ ề ỉ 161

3.1 B i u ch nh khí nén ộ đ ề ỉ 161

3.2.T ng i u ch nh nhi t ự độ đ ề ỉ ệ độ 164

3.3.T ng i u ch nh áp su t ự độ đ ề ỉ ấ 166

3.4.T ng i u ch nh nh t nhiên li u ự độ đ ề ỉ độ ớ ệ 167

Câu h i ôn t p ch ng 5 ỏ ậ ươ 170

Chương I:Tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Điêzel tàu thủy

§1 Khái niệm về hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học:

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Giải thích được lý do tại sao phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thủy

- Vẽ được sơ đồ thể hiện mối quan hệ giữa động cơ, bộ điều tốc trong hai trường hợp bộ điều tốc

hoạt động trực tiếp và gián tiếp

1.1 Nguyên nhân phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu thuỷ

Trên tàu thuỷ động cơ điêzel được trang bị để lai chân vịt, lai máy phát điện, lai các thiết bịphục vụ như bơm, máy nén khí Động cơ điêzel khi hoạt động với các phụ tải loại này có cácđặc điểm như sau:

· Động cơ dẫn động máy phát điện: Phụ tải điện (mô tơ điện lai các bơm, máy lái, máy nén,tời cẩu, các thiết bị chiếu sáng, thiết bị hàng hải ) thường xuyên thay đổi

· Động cơ dẫn động chân vịt: Điều kiện khai thác (manơ, điều động, trạng thái vỏ tàu, chânvịt, ), điều kiện hành hải (sóng, gió, thời tiết, ) thường xuyên thay đổi

Do đó, năng lượng tiêu thụ (phụ tải của động cơ) thường xuyên thay đổi, dẫn đến vòng quay của động cơ bị dao động nếu giữ nguyên đặc tính cấp năng lượng (giữ nguyên tay ga của động cơ)

Hậu quả có thể xảy ra là

-Tần số của lưới bị thay đổi làm ảnh hưởng tới chế độ làm việc và tuổi thọ của các thiết bị

* Điều chỉnh bằng tay: Do người khai thác thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp tay ga(điều chỉnh nhiên liệu) Nhược điểm của biện pháp này là độ chính xác và tin cậy không caomặc dù đòi hỏi nhiều công sức và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện được

* Điều chỉnh tự động: Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ quay (bộ điều tốc) để giữ vòng quay củađộng cơ luôn ổn định ở một giá trị đặt trước Ưu điểm của biện pháp này là độ chính xác vàtin cậy cao, đòi hỏi ít công sức của người khai thác

Như vậy, việc trang bị một thiết bị tự động nhằm duy trì ổn định vòng quay của động cơ là cầnthiết Thiết bị tự động làm nhiệm vụ duy trì ổn định vòng quay của động cơ có thể được gọi là bộđiều chỉnh tốc độ quay, bộ điều chỉnh vòng quay hay ngắn gọn là bộ điều tốc

1.2 Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ điêzel tàu thuỷ

Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel có thể là hệ thống hoạt động trựctiếp (không sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối như hình 1.1) hoặc là hệ thống hoạt độnggián tiếp (có sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối như hình 1.2)

Hình 1.1: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động trực tiếp

Δn là tín hiệu độ lệch về vòng quay của động cơ,

Δnđ là tín hiệu cảm biến vòng quay đưa tới bộ điều chỉnh, đối với bộ điều chỉnh có phần tửcảm biến vòng quay kiểu cơ học tín hiệu này là tín hiệu cơ học tỷ lệ với vòng quay của động

cơ - do động cơ dẫn động bộ điều chỉnh qua cơ cấu bánh răng truyền động; đối với bộ điềuchỉnh vòng quay có phần tử cảm biến vòng quay kiểu điện, điện tử tín hiệu này là tín hiệuđiện có độ lớn tỷ lệ với vòng quay của động cơ,

Δz là tín hiệu ra của bộ điều chỉnh - tín hiệu điều chỉnh, chính là dịch chuyển của trục ra của

bộ điều chỉnh,

Δh là dịch chuyển của thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) từ tác động của bộ điều chỉnh

để làm thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào động cơ nhằm duy trì ổn định vòng quay,

Δg là sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp vào động cơ do sự thay đổi vị trí thanh răng,

Δnp là sự thay đổi vòng quay của trục cam bơm cao áp Khi vòng quay của động cơ thay đổithì vòng quay của bơm cao áp cũng thay đổi,

Hình 1.2: Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp

Hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hoạt động gián tiếp có thêm động cơ trợ động đểkhuếch đại, làm tăng công suất của tín hiệu điều chỉnh

Δx là tín hiệu vào động cơ trợ động,

Δy là tín hiệu ra của động cơ trợ động, được khuếch đại từ Δx,

§éng c¬

Diesel

b¬m cao ¸p

Δg

Bé ®iÒu chØnh

Δn®

§2 Phương trình động của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Thành lập được phương trình động của động cơ điêzel

- Phân tích được mối quan hệ giữa các thông số trong phương trình động

- Giải thích được đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ trong các trường hợp:

• Có sự thay đổi đột ngột nhiên liệu, phụ tải không thay đổi (đặc tính thay đổi tốc độ)

• Nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất, lượng nhiên liệu cấp không thay đổi (đặc tính tự ổn định)

2.1 Xây dựng phương trình động của động cơ điêzel

Động cơ điêzel là thiết bị năng lượng có năng lượng cấp vào do nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra,năng lượng này được truyền xuống trục khuỷu làm quay trục tạo ra mô men động Md Nănglượng tiêu thụ là mô men cản Mpt do phụ tải tạo ra (có thể là chân vịt, máy phát điện, bơm,tời ) Có thể mô hình hoá động cơ điêzel một cách đơn giản như sơ đồ hình 2.1

h: vị trí thanh răng bơm cao áp, biểu thị năng lượng cấp vào

Npt: công suất cản của phụ tải biểu thị năng lượng tiêu thụ

ω (n): vận tốc góc của trục động cơ (vòng quay)

Phương trình cân bằng mô men cho động cơ:

t pt kd

M dt

d

J ω = + − − 2.1

Trong đó:

J: mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay so với đường tâm trục khuỷu (kG.m2),

ω: vận tốc góc của trục khuỷu của động cơ (rad/s),

Md: mô men động do khí cháy sinh ra (kG.m),

Mkd: mô men quay tạo ra bởi không khí nén khởi động (kG.m),

Mms: mô men cản ma sát (kG.m),

Mpt: mô men cản của phụ tải (kG.m),

Phương trình cân bằng mô men khi động cơ không mang tải:

t

M dt

d

J ω = − 2.2

Phương trình cân bằng mô men khi động cơ mang tải:

pt d

t pt

M dt

răng bơm cao áp, nó có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Md = Md(ω,h).

Mô men cản Mpt phụ thuộc vào hai thông số chính là công suất của phụ tải và vận tốc góc của trụckhuỷu, nó có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Mpt = Mpt(ω,Npt)

Tuyến tính hoá các hàm này bằng khai triển Taylor:

! 2

h h

M

! 1

h h

M

! 2

M

! 1

M M

∂

∂ +

∆

∂

∂ + + ω

∆ ω

∂

∂ + ω

∆ ω

∂

∂ +

=

! 2

N N

M

! 1

N N

M

! 2

M

! 1

M M

M

2 pt o

2 pt

pt

2 pt o pt

pt 2

o 2 pt 2

o

pt pto

∂

∂ +

∆

∂

∂ + + ω

∆ ω

∂

∂ + ω

∆ ω

∂

∂ +

h h

N N

o pt

∂

∂

o

d o

M

h h

∂

∂ ω

n o

d o

pt n

pt n

ptn

N

N N

M h

∂

∂

o

d o

Kpt =

o d

o pt pt

n

ptn

h M N M

: hệ số biểu thị sự ảnh hưởng của phụ tải

Thay vào 2.4 ta có phương trình:

f.

K

K dt

d

T ϕ + đϕ = λ − pt 2.5

Phương trình 2.5 được gọi là phương trình động của động cơ điêzel

Quan hệ giữa các thông số của động cơ và các hệ số của phương trình động:

Hằng số thời gian Tđ phụ thuộc vào mô men quán tính J và tỉ số giữa vận tốc góc định mức vàtrị số thanh răng định mức

Kpt phụ thuộc vào ptn

n

N

h là tỉ số giữa công suất cản của phụ tải ở chế độ định mức và trị số

thanh răng nhiên liệu định mức, nghĩa là phụ thuộc vào đặc điểm của phụ tải và của hệ thốngnhiên liệu

2.2 Khảo sát đặc tính động học của động cơ điêzel

2.2.1 Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lượng cấp nhiên liệu, công suất của phụ tải không thay đổi

Lúc này phương trình 2.5 có thể viết thành T đ.

sẽ thấy được phản ứng của động cơ (đặc tính thay đổi vòng quay)

Tìm nghiệm ử của phương trình 2.6:

Giải phương trình vi phân thuần nhất:

Nghiệm riêng của phương trình vi phân 2.5 là φ r =

d

K 1

→ Nghiệm tổng quát của 2.5 là φ =

Xây dựng đường cong đặc tính thay đổi tốc độ (thường được gọi là đặc tính tăng tốc)

Từ nghiệm của phương trình vi phân xây dựng đường cong biểu thị sự thay đổi tốc độ quay ửkhi tín hiệu vào (lượng nhiên liệu cấp) là hàm bước nhảy đơn vị Đường cong này có dạngnhư hình 2.2

Đường cong biểu thị đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lượng cấpnhiên liệu còn hay được gọi là đặc tính tăng tốc của động cơ độ dốc của đường đặc tính thayđổi tốc độ phụ thuộc vào hằng số thời gian Tđ, Tđ nhỏ thì thời gian phản ứng của động cơ ngắn(vòng quay của động cơ nhanh đạt tới vòng quay tương ứng với lượng cấp nhiên liệu mới) vàngược lại Tđ được gọi là thời gian thay đổi tốc độ của động cơ

Trên thực tế tồn tại thời gian trễ τ (thời gian tính từ khi có sự thay đổi đột ngột tay ga ở cho tới khi động cơ bắt đầu có phản ứng (vòng quay của động cơ bắt đầu thay đổi)

Đặc tính thay đổi tốc độ và thời gian trễ của động cơ thay đổi theo tình trạng kỹ thuật của hệđộng lực

Với động cơ hoạt động độc lập, khi tình trạng kỹ thuật của động cơ kém đi, nếu cứ giữ nguyên quy luật thay đổi nhiên liệu (thời gian điều chỉnh) của bộ điều tốc như khi động cơ còn mới sẽ dẫn tới sự hoạt động không ổn định của hệ thống động cơ - bộ điều tốc.

Với động cơ hoạt động song song, nếu đặc tính thay đổi tốc độ của các động cơ không giống nhau quá trình làm việc đồng bộ sẽ bị ảnh hưởng xấu.

Vì vậy phải hiệu chỉnh lại bộ điều tốc cho phù hợp với tình trạng kỹ thuật của động cơ 2.2.2 Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi không thay đổi lượng cấp nhiên liệu vào động cơ, nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất

Phương trình động của động cơ trong trường hợp này có thể viết như sau:

Tđ

dt

d ϕ + Kđ.φ = - Kpt.f

Để nghiên cứu phản ứng của động cơ khi phụ tải thay đổi, cho một kích thích nhỏ f dạng hàmxung đơn vị ọ(t) ở đầu vào (cho phụ tải thay đổi một lượng nhỏ sau đó mất đi), tức là xétphương trình động: Tđ.

dt

d ϕ + Kđ.φ = 0Phương trình có nghiệm: φ = C.ept = C t

→ sự thay đổi của ử hay phản ứng của động cơ có dạng hàm mũ

Do J luôn có giá trị dương, đường cong biểu thị phản ứng của động cơ phụ thuộc vào dấu của

< 0 → Fđ > 0: Đường đặc tính của động cơ có dạng như hình vẽ 2.3.

Trong trường hợp này nếu động cơ đang làm việc ổn định có tác động nhiễu dạng xung (phụtải thay đổi đột ngột sau đó lại trở về trạng thái bình thường) thì vòng quay ự của động cơ cókhả năng trở lại trạng thái cân bằng (ựo) mà không cần có tác động điều chỉnh nào

Hình 2.3: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ > 0

b

J

Fd

−

= 0 → Fđ = 0: Đường đặc tính của động cơ có dạng như hình vẽ 2.4.

Trong trường hợp này động cơ luôn tái lập được trạng thái làm việc cân bằng, tuy nhiên trạngthái cân bằng mới được thiết lập lại có thông số không giống với trạng thái cân bằng trước khi

Hình 2.5: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ < 0Trong trường hợp này động cơ làm việc không ổn định Nếu xuất hiện tác động nhiễu trạngthái cân bằng ban đầu sẽ bị phá vỡ, vòng quay của động cơ ngày càng lệch xa khỏi giá trị banđầu (dễ dẫn tới trạng thái dừng máy (lịm máy) đột ngột hoặc quá tốc).

2.2.3 Xác định hệ số tự chỉnh F đ của động cơ điêzel

Với năng lượng thoát là E1 = Mpt, năng lượng cấp là E2 = Mđ, đại lượng được điều chỉnh là y =

n, áp dụng công thức xác định hệ số tự chỉnh của đối tượng điều chỉnh bất kỳ (xem lại giáotrình Cơ sở lý thuyết - phần tử tự động):

716 e =

n

p n C 2 ,

716 1 e = K.pe, ự =

30

n 60

n

2 π = π

→ Fđ = (2C.n – K.pe) = A.n – B

Hình 2.6: Hệ số tự chỉnh của động cơ điêzel

Từ đây có thể giải thích khái niệm vòng quay tối thiểu ổn định của động cơ là vòng quay nhỏnhất mà động cơ có thể hoạt động ổn định (có khả năng tự ổn định vòng quay) Cũng từ đây cóthể thấy rằng động cơ hoạt động càng gần chế độ vòng quay định mức thì hệ số tự chỉnh của nócàng cao, nghĩa là động cơ hoạt động càng ổn định và tin cậy hơn

-B

§3 Khái niệm và phân loại các bộ điều tốc của động cơ điêzel tàu thuỷ

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được tên và chức năng của các nhóm chi tiết chính của bộ điều tốc

- Nêu được một số cách phân loại bộ điều tốc

- Định nghĩa và giải thích được các khái niệm về đặc tính điều chỉnh

- Định nghĩa được các thông số chính của bộ điều tốc

3.1 Khái niệm về bộ điều tốc động cơ điêzel tàu thuỷ

Bộ điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel (bộ điều tốc) là một thiết bị có cấu tạo bao gồmhàng loạt các nhóm chi tiết có chức năng khác nhau

Nhóm điều chỉnh: cảm biến tốc độ quay, phần tử cảm biến có thể là

 Kiểu cơ học như quả văng ly tâm (flyweight, flyball), hoặc

 Kiểu điện như tachogenerator, pulse generator (pick-up sensor), hoặc

 Kiểu thuỷ lực

Nhóm chi tiết này tạo nên phần chính của bộ điều tốc

Động cơ trợ động: khuyếch đại tín hiệu ra của bộ điều tốc, gồm hai cơ cấu chính là

 Thiết bị điều khiển (pilot valve) và,

 Piston lực (power piston, servo piston)

Các cơ cấu phản hồi: tăng tính ổn định

 Phản hồi cứng, hoặc

 Phản hồi mềm, hoặc

 Phản hồi tổng hợp

Hình 3.1 là một ví dụ về bộ điều tốc Đây là một bộ điều tốc một chế độ

1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4 Lò xo tốc độ 5 Thanh truyền

6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc này sẽ được giải thích trong các bài tiếp theo

Hình 3.1: Bộ điều tốc một chế độ

3.2 Phân loại các bộ điều tốc

 Phân loại theo phương thức truyền động từ nhóm thiết bị điều chỉnh đến cơ cấu điều chỉnh: bộđiều tốc hoạt động trực tiếp, bộ điều tốc hoạt động gián tiếp

 Phân loại theo số lượng chế độ hoạt động của bộ điều tốc: bộ điều tốc một chế độ, bộ điều tốchai chế độ, bộ điều tốc nhiều chế độ, bộ điều tốc giới hạn

 Phân loại theo tín hiệu ra của nhóm điều chỉnh: bộ điều tốc cơ học, bộ điều tốc thuỷ lực, bộđiều tốc điện - điện tử

 Phân loại theo nguyên lý xây dựng: bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý độ lệch, bộ điều tốchoạt động theo nguyên lý bù nhiễu và bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý kết hợp

 Phân loại theo tính chất của phản hồi (liên hệ ngược): bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược cứng,

bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược mềm, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược tổng hợp

3.3 Đặc tính điều chỉnh

Đặc tính điều chỉnh là tập hợp các điểm biểu thị các trạng thái làm việc cân bằng của động cơ

trên đồ thị công suất - vòng quay khi có sự hoạt động của bộ điều tốc

Hình 3.2 biểu thị đặc tính điều chỉnh hữu sai Tương ứng với các chế độ tải khác nhau vòngquay của động cơ bị sai lệch so với giá trị đặt

A4, A2, A5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không được trang bị

bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),

A1, A2, A3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ được trang bị bộ

điều tốc hữu sai (vòng quay được duy trì ổn định ở no và lân cận khi tải thay đổi trong khảnăng của động cơ)

Hình 3.3 biểu thị đặc tính điều chỉnh vô sai, với mọi chế độ tải nằm trong khả năng công táccủa động cơ thì bộ điều tốc sẽ duy trì vòng quay ổn định chính xác bằng giá trị đặt.

A4, A2, A5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không được trang bị

bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),

A1, A2, A3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ được trang bị bộ

điều tốc vô sai (vòng quay được duy trì ổn định ở no với mọi chế độ tải nằm trong khả năngcủa động cơ)

3.4 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc

3.4.1 Hệ số không đều về tốc độ δ (speed droop)

Hệ số không đều về tốc độ đặc trưng cho khả năng duy trì ổn định vòng quay của động cơ sovới vòng quay cho trước (vòng quay đặt - setting speed) khi phụ tải thay đổi Giả sử vòngquay của động cơ ở chế độ tĩnh khi không mang tải là no, vòng quay của động cơ ở chế độtĩnh khi mang 100% tải là n1 thì:

2 1

n n

1 o

(%)

(Tham khảo: Công thức của Woodward Governor 100

n

n n

Với bộ điều tốc có δ = 0 (bộ điều tốc phi tĩnh hay bộ điều tốc vô sai) vòng quay của động cơ ở

các chế độ tĩnh sẽ được duy trì ở giá trị đặt no với mọi chế độ tải nằm trong phạm vi công táccủa động cơ Nói cách khác khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả năng làm việc của nóthì vòng quay ở các chế độ tĩnh luôn được duy trì như giá trị đặt mà không có sai lệch

Bộ điều tốc có δ ≠ 0 (bộ điều tốc tĩnh học hay bộ điều tốc hữu sai) không có khả năng duy trì

vòng quay của động cơ ở các chế độ tĩnh chính xác bằng giá trị đặt no khi phụ tải nằm trongphạm vi công tác của động cơ Khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả năng làm việc của

nó thì vòng quay sẽ bị sai lệch một lượng nhỏ so với giá trị đặt khi trạng thái cân bằng được

lặp lại Nói cách khác bộ điều tốc chỉ có khả năng duy trì vòng quay của động cơ ở lân cận no

khi phụ tải thay đổi Hình 3.4 biểu thị đặc tính điều chỉnh trong các trường hợp

Với bộ điều tốc có δ > 0 vòng quay của động cơ ở chế độ cân bằng tĩnh sẽ giảm đi một ít so

với giá trị đặt khi phụ tải tăng Sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại chế độcân bằng tĩnh) có chiều ngược với sự thay đổi tải

Ngược lại nếu bộ điều tốc có δ < 0 sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại chế độ

cân bằng tĩnh) cùng chiều với sự thay đổi phụ tải Trên thực tế bộ điều tốc có δ < 0 thường

không được sử dụng do nó có thể dẫn tới trường hợp vòng quay của động cơ không ổn định được.

Giá trị của hệ số không đều ọ thường được qui định trực tiếp hoặc gián tiếp bởi các cơ quanĐăng kiểm Các bộ điều tốc trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện thường yêu cầu

có δ < 5% và các động cơ điêzel lai chân vịt thì δ < 10%.

Hệ số không đều về tốc độ có vai trò rất quan trọng với các động cơ điêzel làm việc songsong Chúng ta sẽ xét đến điều này trong các bài sau

3.4.2 Vùng không nhạy (dead zone) và hệ số không nhạy

Trên thực tế do các chi tiết của bộ điều tốc có khối lượng và giữa các chi tiết chuyển động có

ma sát, quán tính nên có hiện tượng có sự thay đổi về vòng quay nhưng bộ điều tốc chưa cótác động điều chỉnh, vùng này được gọi là vùng không nhạy của bộ điều tốc Hình 3.5 biểu thịvùng không nhạy của đặc tính điều chỉnh

Nếu sự thay đổi của phụ tải làm thay đổi vòng quay của động cơ nhưng vòng quay chưa vượt

ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc chưa làm việc, chỉ khi nào sự thay đổi của phụ tảilàm cho vòng quay vượt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc mới hoạt động và có tácđộng điều chỉnh Vùng không nhạy được đặc trưng bởi hệ số không nhạy ε

Công thức xác định hệ số không nhạy: ( n ' n '' ) 100

2 1

'' n ' n

× +

−

= ε

(%)

Hình 3.5: Vùng không nhạy

Hệ số không nhạy ε lớn (vùng không nhạy rộng) thì không có lợi vì khi đó bộ điều tốc mất đi

độ nhạy và trở nên ì (tác động chậm trễ) trước sự thay đổi của phụ tải

Hệ số không nhạy ε thay đổi theo thời gian khai thác, tình trạng kỹ thuật (mới, cũ) và công tácchăm sóc, bảo dưỡng Giá trị hệ số không nhạy ồ càng nhỏ càng tốt nhưng trên thực tế không

n

N(PS)

δ=0 100%

no

N(PS)

n

δ > 0 100%

no n1

Hình 3.4: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc δ =0, δ >0 và δ <0

n

N(PS) 100%

n

’ n’

’

thể loại bỏ hoàn toàn nó được, người ta chỉ có thể hạn chế vùng không nhạy bằng cách chămsóc, bảo dưỡng bộ điều tốc theo định kỳ Trong kỹ thuật thường yêu cầu ε <1~5%.

Hình 3.6: ảnh hưởng của vùng không nhạy đến δ

Hình vẽ 3.6 được dùng để xét ảnh hưởng của ε tới δ: khi ε = 0 thì ( n n ) 100

2 1

n n

1 o

1 o

+

−

= δ

Khi ε ≠ 0 thì ( n n ) 100

2 1

n n

12 1 o

12 1

+

−

= δ

Giả sử no1+n12=2∆n và ∆n=const trong mọi trường hợp Với no1=no+∆n, n12=n1-∆n có:

[ n n ) ( n n ] 100

2 1

) n n ( ) n n

(

1 o

1

∆

− +

∆ +

∆

−

−

∆ +

= δ

∆ +

× +

−

=

1 o 1

o

1

n n 2 1

n 2 100

n n 2 1

n n

δε: thành phần gia tăng hệ số không đều do ảnh hưởng của vùng không nhạy

Từ việc phân tích trên đây có thể thấy công tác bảo dưỡng, vệ sinh định kỳ cũng góp phầnlàm giảm δ

3.4.3 Độ phi tuyến (nonlinearity)

Sở dĩ có độ phi tuyến là do quan hệ giữa công suất và vòng quay không phải là tuyến tính.Nguyên nhân có thể là do quan hệ phi tuyến giữa tín hiệu ra và vào của phần tử cảm biếnvòng quay (do lò xo tốc độ - speeder spring), do truyền động từ bộ điều tốc đến thanh răngbơm cao áp, do truyền động từ động cơ đến bộ điều tốc Đường đặc tính điều chỉnh do đó códạng cong

n’’

N(PS) 100%

Thông số đặc trưng cho độ phi tuyến là hệ số phi tuyến ợ: 100

) '' n ' n ( 2 1

'' n '

+

−

= ξ

(%)

Quá trình động hay quá trình chuyển tiếp là quá trình mà tốc độ quay của động cơ chuyển từtrạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác Hình 3.8 biểu thị một dạng quá trìnhđộng Thông số đặc trưng quan trọng nhất của quá trình động là thời gian điều chỉnh và độquá điều chỉnh hay còn được gọi là độ lệch động

3.4.5 Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh là thời gian tính từ khi xuất hiện nhiễu loạn (thay đổi phụ tải) làm thayđổi vòng quay của động cơ tới khi vòng quay của động cơ được điều chỉnh ổn định trở lại.Vòng quay của động cơ được coi là ổn định trở lại khi sự thay đổi của nó nằm trong vùngkhông nhạy của bộ điều tốc

Thời gian điều chỉnh biểu hiện sự phối hợp công tác giữa bộ điều tốc và động cơ Thời gianđiều chỉnh thường được tính bằng giây Nó phụ thuộc vào các yếu tố như kiểu loại bộ điều tốc(cơ học, thuỷ lực, điện-điện tử), sự phù hợp giữa bộ điều tốc và động cơ, việc hiệu chỉnh bộđiều tốc và công tác bảo dưỡng

Hình 3.8: Đặc tính độngNgoài các thông số kể trên bộ điều tốc còn các thông số đặc trưng khác như độ suy giảm biên

độ, giới hạn vùng vòng quay hoạt động, khả năng chịu tải của trục ra

Các thông số δ, ε, ξ là các thông số đặc trưng cho chế độ tĩnh của bộ điều tốc còn tđc, σđ làcác thông số đặc trưng cho chế độ động của bộ điều tốc

§4 Bộ điều tốc một, hai, nhiều chế độ và bộ điều tốc giới hạn

(Chế độ hoạt động của bộ điều tốc ở đây được hiểu là chế độ vòng quay)

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được khái niệm về

 bộ điều tốc một chế độ

 bộ điều tốc hai chế độ

 bộ điều tốc nhiều chế độ và

 bộ điều tốc giới hạn

- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc theo

cách phân loại trên

- Vẽ được dạng đường đặc tính điều chỉnh của các loại bộ điều tốc kể trên

4.1 Bộ điều tốc một chế độ

Bộ điều tốc một chế độ chỉ có tác động điều chỉnh để duy trì vòng quay ổn định ở một giá trị đặttrước nhất định, khi khai thác động cơ ở các chế độ vòng quay khác giá trị này thì bộ điều tốckhông có tác dụng điều chỉnh, lúc đó động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không có bộ điềutốc Vòng quay làm việc của bộ điều tốc một chế độ thường là vòng quay định mức, vòngquay tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cực đại

Hình vẽ 4.2 minh họa một bộ điều tốc một chế độ hoạt động trực tiếp

Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn Khiđộng cơ hoạt động với vòng quay ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc, lực ly tâm docặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo 4 tại vòng bi chặn 3

Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay của động cơ tức thời sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặpquả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéoquay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp được đẩy theo chiều(+) tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thìvòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằng vớisức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập lại thì thanh răng bơmcao áp ở một vị trí khác tương ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một

ít Liên kết giữa thanh truyền ABC (trục ra của bộ điều tốc) và thanh răng nhiên liệu thường làliên kết mềm (qua lò xo hoặc xy lanh giảm chấn)

Hình 4.2: Bộ điều tốc một chế độ

5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngược lại

Đặc điểm cơ bản của bộ điều tốc một chế độ là sức căng của lò xo tốc độ không thay đổi Trên thực tế

bộ điều tốc nhiều chế độ có thể được dùng như bộ điều tốc một chế độ khi động cơ chỉ hoạt động ởmột vòng quay nhất định, người khai thác sẽ ấn định tốc độ đặt ở một giá trị cố định Trong quá trìnhkhai thác động cơ người khai thác không tác động để thay đổi tốc độ đặt của bộ điều tốc (không thayđổi sức căng của lò xo tốc độ)

Bộ điều tốc một chế độ thường được trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện, các động cơđiêzel cỡ nhỏ như động cơ lai máy nén, lai bơm, các động cơ điêzel thấp tốc lai chân vịt

Hình 4.1: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc một chế độHình 4.1 biểu thị dạng đặc tính tĩnh của bộ điều tốc một chế độ Bộ điều tốc làm việc và duy trìvòng quay ở no (có thể là một trong các giá trị vòng quay định mức, vòng quay tối thiểu ổnđịnh hoặc vòng quay cực đại ) và lân cận ở các chế độ vòng quay khác bộ điều tốc không có

1

2

35

64

tác dụng, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài.

4.2 Bộ điều tốc hai chế độ

Từ yêu cầu thực tế với động cơ điêzel lai chân vịt là cần phải làm việc ổn định không chỉ ởchế độ vòng quay khai thác (hoặc vòng quay định mức) mà còn phải làm việc ổn định cả ởchế độ vòng quay nhỏ (như vòng quay tối thiểu ổn định) bộ điều tốc hai chế độ được sử dụng

để đáp ứng yêu cầu này

Bộ điều tốc hai chế độ có hai loại kết cấu: loại có hai cặp quả văng và loại có hai lò xo ở chế

độ vòng quay nhỏ chỉ có một cặp quả văng hoặc một lò xo làm việc, còn ở chế độ vòng quaylớn hơn cả hai cặp quả văng hoặc hai lò xo đều làm việc

Hình 4.3 minh họa một bộ điều tốc hai chế độ kiểu có hai lò xo

Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.Khi vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc thìlực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 tại vòng bichặn 3 Lò xo thứ hai 4-2 tự do Khi vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làmviệc thứ hai của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của

lò xo thứ nhất 4-1 và lò xo thứ hai 4-2 tại vòng bi chặn 3 Cả hai lò xo đều có tác dụng lênvòng bi chặn

1

2

3 5

6

4-1

4-2

Hình 4.4: Bộ điều tốc hai chế độ

tốc độ thứ nhất 4-2 Lò xo tốc độ thứ hai 5 Thanh truyền 6 Thanh răngbơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)

Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc Giả sửphụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quảvăng tạo ra giảm đi, lò xo thứ nhất sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bịkéo quay cùng chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp được đẩy theochiều (+) tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lênthì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằngvới sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập lại thì thanh răngbơm cao áp ở một vị trí khác tương ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổimột ít

Trường hợp động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc và

có sự thay đổi phụ tải, bộ điều tốc sẽ hoạt động tương tự chỉ khác là lực ly tâm của cặp quảvăng tạo ra phải cân bằng với lực đàn hồi của hai lò xo

Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngược lại

Hình 4.3: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độHình 4.3 biểu thị dạng đường đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độ, hai chế độ làm việc làvòng quay khai thác và vòng quay tối thiểu ổn định Trong khoảng giữa hai chế độ vòng quaynày bộ điều tốc bị ngắt khỏi quá trình công tác, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không

có bộ điều tốc và người khai thác điều chỉnh trực tiếp tay ga để ổn định vòng quay (không qua

bộ điều tốc)

Bộ điều tốc loại này có thể được trang bị trên các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm

4.3 Bộ điều tốc nhiều chế độ

Bộ điều tốc nhiều chế độ cho phép thay đổi vòng quay đặt trước và nó sẽ tác động để duy trì

ổn định vòng quay của động cơ theo giá trị đặt khi phụ tải nằm trong khả năng phát ra côngsuất của động cơ

Việc đặt vòng quay cho bộ điều tốc được thực hiện bằng cách thay đổi độ lớn giá trị tín hiệucho trước (với bộ điều tốc kiểu cơ khí, thủy lực là sức căng lò xo tốc độ và với bộ điều tốckiểu điện - điện tử là điện áp đặt)

Hình 4.6 minh họa một bộ điều tốc nhiều chế độ kiểu cơ khí đơn giản

Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.Khi vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làm việc của bộ điều tốc thì lực ly tâm

do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo tại vòng bi chặn 3

Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc Giả sử phụ tảicủa động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả văng tạo

ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay cùngchiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp được đẩy theo chiều (+) tănglượng nhiên liệu cấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quaycủa động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽ dần cân bằng với sức căng

lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập lại thì thanh răng bơm cao áp ởmột vị trí khác tương ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít

2

35

64

7

Hình 4.6: Bộ điều tốc nhiều chế độ

5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) 7 Tay điều khiển

Tay điều khiển 7 được dùng để thay đổi sức căng của lò xo tốc độ Khi đẩy tay điều khiển lên

lò xo tốc độ sẽ bị nén lại đẩy vòng bi chặn 3 đi xuống Thanh truyền ABC bị kéo đi xuống sẽđẩy thanh răng nhiên liệu theo chiều (+), cấp thêm nhiên liệu vào động cơ để tăng vòng quaycủa động cơ Trạng thái cân bằng được lập lại khi vòng quay của động cơ đạt tới giá trị đặtmới (tạo ra lực ly tâm của cặp quả văng cân bằng với sức căng mới của lò xo)

Hình 4.5: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc nhiều chế độHình vẽ 4.5 minh họa dạng các đường đặc tính tĩnh của bộ điều tốc nhiều chế độ

Đường đặc tính tĩnh của bộ điều tốc ở các chế độ vòng quay khác nhau lập thành họ các

đường đặc tính Mỗi đường đặc tính tương ứng với một giá trị vòng quay đặt trước của bộđiều tốc.

Bộ điều tốc nhiều chế độ có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc laibơm, khi trang bị cho động cơ điêzel lai máy phát điện thì vòng quay đặt trước được đặt ởvòng quay định mức của máy phát điện

4.4 Bộ điều tốc giới hạn:

Trong một số điều kiện khai thác phụ tải của động cơ thay đổi liên tục nhưng không lớn làmcho bộ điều tốc hoạt động liên tục, do đó lượng nhiên liệu cấp vào động cơ bị thay đổi liên tụcdẫn tới trạng thái nhiệt của các chi tiết thay đổi nhiều Các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu(bơm cao áp, vòi phun) cũng thay đổi trạng thái làm việc với tần số lớn Trước đây có nhữngđộng cơ điêzel không được trang bị bộ điều tốc nhiều chế độ mà được trang bị bộ điều tốcgiới hạn Các bộ điều tốc này chỉ hoạt động khi phụ tải thay đổi nhiều làm vòng quay củađộng cơ vượt khỏi một giá trị nào đó

Bộ điều tốc giới hạn thường là giới hạn vòng quay cực đại, nghĩa là chỉ khi nào phụ tải thayđổi nhiều làm vòng quay của động cơ lớn hơn vòng quay cực đại thì bộ điều tốc mới làm việc.Cũng có thể gặp bộ điều tốc giới hạn vòng quay cực đại và cực tiểu Các bộ điều tốc giới hạn

có thể là bộ điều tốc một chế độ, hai chế độ, hoặc nhiều chế độ với cơ cấu truyền động đặcbiệt từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu để đảm bảo bộ điều tốc chỉ có tác dụnggiới hạn vòng quay của động cơ

Hình 4.7: Cơ cấu giới hạn của bộ điều tốc giới hạnHình 4.7 minh họa một cơ cấu liên kết từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu Giả

sử vòng quay của động cơ vượt quá vòng quay cực đại, trục ra của bộ điều tốc kéo thanh liênkết tới vị trí làm chốt tì vào đầu rãnh và kéo thanh răng nhiên liệu ra để giảm nhiên liệu cấpvào động cơ, giảm vòng quay của động cơ Khi vòng quay của động cơ đã giảm xuống dướivòng quay cực đại thì chốt được nhả ra không tì vào đầu rãnh nữa, động cơ lại hoạt động bìnhthường không có sự can thiệp của bộ điều tốc

Thanh răngnhiên liệuThanh truyền từ trục ra của

bộ điều chỉnh tới thanh răng nhiên liệu

RãnhChốt

§5 Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được khái niệm về bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng

- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc có

liên hệ ngượcphụ cứng

- Vẽ được dạng đường đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng

5.1 Khái niệm và sơ đồ chức năng của bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ

Phần tử phản hồi phụ trong bộ điều tốc là phần tử truyền tác động từ đầu ra của một phần tửnào đó đến đầu vào của chính phần tử này hoặc đầu vào của một phần tử khác nằm trước nóvới mục đích tăng chất lượng hoạt động của hệ thống

Trong bộ điều tốc phản hồi phụ được dùng để tăng chất lượng điều chỉnh và thường được gọi là liên

hệ ngược Có hai dạng liên hệ ngược là liên hệ ngược cứng và liên hệ ngược mềm

Liên hệ ngược cứng (còn có các tên gọi khác là phản hồi cứng, hồi tiếp cứng): là phần tử phảnhồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tín hiệu vào xvht:

Các tín hiệu giới hạn để nâng cao an toàn và tăng chất lượng hoạt động của động cơ như giớihạn nhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt sẽ tác động vàothiết bị điều khiển là van trượt

Hình 5.1: Sơ đồ khối của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực với phần tử phản hồi phụ

ĐIÊZEL BCA

XYLANH TRỢ ĐỘNG

VAN TRƯỢT

Lề XO

TỐC ĐỘ TRƯỢT KHỚP

QUẢ VĂNG

LHN MỀM LHN

CỨNG

A Feedback lever B

Power piston

Output shaft

Pilot control valve bush

Pilot control valve plunger

To sump

From pump

C Speeder

Spring

Flyweights

Spring holder

Thrust bearing Ballhead

Driving

gear

Hình 5.2: Sơ đồ khối của bộ điều tốc điện - điện tử với phần tử phản hồi phụ

Hình 5.2 là sơ đồ khối của một bộ điều tốc điện - điện tử với các phản hồi

Các tín hiệu giới hạn để nâng cao an toàn và tăng chất lượng hoạt động của động cơ như giớihạn nhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt sẽ tác động vào

bộ xử lý PID để khống chế tín hiệu ra

5.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

Hình vẽ 5.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của một bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

5.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ

Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ

Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt)

Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ

Feedback lever: thanh truyền liên hệ ngược cứng

Hình 5.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

To sump: về két sump Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm

Pilot control valve: van trượt điều khiển

Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển

Power piston: piston lực

BỘ SO SÁNH

KHUẾCH ĐẠI

THỰC HIỆN

PHẢN HỒI PHỤ

BỘ SO SÁNH

CẢM BIẾN VỊ TRÍ

BIẾN TRỞ

ĐẶT TỐC ĐỘ

ĐỘNG CƠ ĐIÊZEL

CẢM BIẾN VềNG QUAY

Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

A=A'" B=B"=B'"

C=C'=C'"A"

Trong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ tức thời bị giảm đi, lực ly tâm do cặpquả văng tạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bêntrái (A) của thanh truyền liên hệ ngược cứng đi xuống vị trí (A’) Thanh ABC quay tức thờiquanh đầu bên phải C, điểm (B) đi xuống vị trí (B’) kéo van trượt điều khiển đi xuống Do đókhoang phía bên dưới của xi lanh lực được thông với đường dầu cấp từ bơm còn khoang phíatrên xilanh lực lại thông về két sump Dầu được cấp vào khoang bên dưới và xả ra từ khoangtrên của xilanh lực đẩy piston lực đi lên kéo trục điều khiển thanh răng nhiên liệu quay theochiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Lúc đó đầu C của thanh ABC đi lên vị trí C”(thanh ABC quay tức thời quanh A) vì vậy B’ được kéo lên, tác động này có xu hướng kéocho van trượt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngược với tác động trong giai đoạntrước)

Hình 5.4: Phân tích chuyển động của thanh truyền liên hệ ngược cứng ABC

Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực li tâm

do cặp quả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trượt do đó lạiđược đẩy dần lên, đầu A của thanh truyền ABC thay đổi vị trí từ A’ tới A” Quá trình điều chỉnhkết thúc khi van trượt điều khiển được kéo về vị trí đóng kín các cửa dầu và cố định vị trí củapiston lực tức là vị trí của điểm B lại thay đổi từ B’ tới B”=B Trạng thái cân bằng được thiếtlập với vị trí thanh ABC bây giờ là A”BC” Sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít tươngđương với việc giá trị đặt của bộ điều tốc bị thay đổi đi một ít

Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quaycủa động cơ tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới Trường hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt

bộ điều tốc hoạt động ngược lại

Những mô tả trên đây chỉ thể hiện một cách tuần tự các quá trình, trên thực tế các quá

trình xảy ra gần như đồng thời và rất phức tạp.

5.1.3 Đặc điểm của bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng có hệ số không đều δ ≠ 0 (đặc tính điều chỉnh có dạngnhư hình vẽ 5.5) ở các trạng thái cân bằng tương ứng với các phụ tải có công suất khác nhauthì vị trí của điểm C (vị trí thanh răng nhiên liệu) sẽ thay đổi (C => C”) do đó vị trí của Acũng thay đổi (A => A”) Hậu quả là sức căng lò xo cũng bị thay đổi đi một lượng nhỏ tức làvòng quay của động cơ sau khi trạng thái cân bằng được thiết lập sẽ bị sai lệch so với giá trịđặt một lượng nhỏ Có thể thay đổi ọ bằng cách thay đổi vị trí của điểm B Nếu dịch B về phía

A thì δ sẽ giảm đi do sự thay đổi sức căng lò xo ứng với các phụ tải khác nhau giảm đi.Ngược lại nếu đưa B về gần C sẽ làm tăng δ

noHình5.5: Đặc tính điều chỉnh và đặc tính cấp nhiên liệu của bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng có tác động điều chỉnh nhanh và mang tính xung dotính chất hoạt động của liên hệ ngược là theo qui luật tỷ lệ Hình 5.3 biểu thị quy luật thay đổilượng nhiên liệu cấp

Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc không thay đổi được, do đó mỗi loại động cơ lại phải có

bộ điều tốc phù hợp Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc thay đổi theo tình trạng kỹ thuật vìvậy khi bộ điều tốc và động cơ đã cũ sẽ dẫn tới trường hợp thời gian điều chỉnh và thời gianthay đổi tốc độ của động cơ không còn phù hợp Khi đó động cơ sẽ có khói đen khi tăng tảihoặc vòng quay của động cơ lâu trở về trạng thái cân bằng

Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện,các động cơ điêzel lai chân vịt, lai bơm, máy nén, tua bin hơi nước, tua bin khí

Lò xo bù

Từ phần tử cảm biến tốc độ quay

Từ piston lực

Từ bơm dầu Vành bù

Dịch chuyển từ phần tử cảm biến tốc độ quay

Van kim tiết luu

Piston đệm

Lò xo đệm

Piston lực

Về két

Đ6 Bộ điều tốc cú liờn hệ ngược phụ mềm

Mục tiờu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viờn sẽ cú khả năng:

- Nờu được khỏi niệm về bộ điều tốc cú liờn hệ ngược phụ mềm

- Nờu được đặc điểm cấu tạo và giải thớch được nguyờn lý hoạt động của một số bộ điều tốc cú

liờn hệ ngượcphụ mềm

- Vẽ được dạng đường đặc tớnh điều chỉnh của bộ điều tốc cú liờn hệ ngược phụ mềm

6.1 Sơ đồ chức năng của cỏc bộ điều tốc cú sử dụng liờn hệ ngược mềm

Liờn hệ ngược phụ mềm (cũn cú cỏc tờn gọi khỏc là phản hồi mềm, hồi tiếp mềm): là phần tửphản hồi cú tớn hiệu ra xrht tỷ lệ với tốc độ thay đổi của tớn hiệu vào xvht:

dt

dx K x

ht v ht

ht

Tỏc động của liờn hệ ngược mềm chỉ xuất hiện ở chế độ động khi tớn hiệu vào thay đổi Liờn

hệ ngược mềm cú tỏc dụng tăng tớnh ổn định của quỏ trỡnh chuyển tiếp và triệt tiờu sai số tĩnh.Một số kiểu kết cấu của liờn hệ ngược mềm:

 Kiểu bộ giảm chấn thuỷ lực: bao gồm piston-xilanh giảm chấn, thanh truyền và lũ xo Lũ xonày ở trạng thỏi tự do (khụng chịu kộo, nộn) khi bộ điều tốc ở trạng thỏi cõn bằng Xem chitiết ở hỡnh vẽ 5.3

 Kiểu cặp piston bự trong hệ thống bỡnh thụng nhau: bao gồm piston chủ động, piston bị động, vantiết lưu Hỡnh 6.1 thể hiện cấu tạo của một liờn hệ ngược mềm kiểu này

Hỡnh 6.1: Liờn hệ ngược mềm kiểu bỡnh thụng nhau (bự thuỷ lực - cơ học)

 Kiểu cặp piston ngăn kộo: bao gồm một cặp piston (piston bự và piston đệm), cặp lũ xo đệm

và van kim tiết lưu Hỡnh 6.2 thể hiện cấu tạo của một liờn hệ ngược mềm kiểu này

A Floating lever B

Compensating spring

Compensating needle valve

Power piston

Output shaft

Pilot control valve bush

Pilot control valve plunger

To sump

From pump

C Speeder

Spring

Flyweights

Spring holder

Thrust bearing Ballhead

Driving

gear

Hình 6.2: Liên hệ ngược mềm kiểu cặp piston ngăn kéo (bù thuỷ lực)

6.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm

Hình vẽ 6.3 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm

6.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ

Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ

Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt)

Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ

Floating lever: thanh truyền tự do To sump: về két chứa ở đáy

Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm

Pilot control valve: van trượt điều khiển

Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển

Power piston: piston lực

Compensating needle valve: van kim tiết lưu

Compensating spring: lò xo của cơ cấu bù

Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

6.2.2 Nguyên lý hoạt động:

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằngvới lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu bên trái (A) của thanh truyền ABCđứng yên ở một vị trí nhất định Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín cáccửa dầu vào và ra khỏi xi lanh lực Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vịtrí của thanh răng nhiên liệu tương ứng với phụ tải hiện tại của động cơ ở trạng thái cân bằng

lò xo của cơ cấu bù ở trạng thái tự do không chịu kéo và không chịu nén

Hình 6.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềmTrong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văngtạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A)của thanh truyền ABC đi xuống vị trí (A’) Thanh ABC này quay tức thời quanh đầu bên phải(C), điểm (B) đi xuống vị trí (B’) kéo theo van trượt điều khiển đi xuống Do đó khoang bêndưới của xi lanh lực thông với đường dầu cấp từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại

Tác động của liên hệ ngược mềm: khi piston lực đi lên đầu (C) của thanh truyền ABC cũng

đi lên (C’=>C”), thanh ABC quay tức thời quanh (A’) làm (B) đi lên (B’=>B”) Tác động này

có xu hướng kéo cho van trượt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngược với tácđộng trong giai đoạn trước) Đồng thời khi piston lực đi lên do dầu phải tiết lưu qua van kimtiết lưu nên tức thời lò xo bù bị nén lại Một khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòngquay của động cơ tăng dần lên, lực li tâm do cặp quả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằngvới sức căng lò xo, khớp trượt do đó lại được đẩy dần lên, đầu A của thanh truyền ABC đi lên(A”=>A’”) Trong khi đó lò xo bù khi trước bị nén bây giờ giãn ra đẩy dầu từ khoang trên quavan kim tiết lưu xuống khoang dưới của xilanh bù làm cho piston bù chuyển động xuống dưới(nghĩa là điểm (C) đi xuống (C”=>C’”)) Tốc độ chuyển động của piston bù (tốc độ chuyểnđộng của điểm (C)) phụ thuộc vào độ mở của van kim tiết lưu, vào độ nhớt của dầu và độcứng của lò xo Nếu tốc độ đi lên của điểm (A) và tốc độ đi xuống của điểm (C) phù hợp nhauthì thanh ABC sẽ quay quanh B”’=B nghĩa là van trượt điều khiển sẽ được duy trì ở vị tríđóng kín các cửa dầu Piston lực do đó được cố định và xác lập một vị trí thanh răng nhiênliệu mới tương ứng với sự thay đổi của phụ tải

Hình 6.3: Phân tích chuyển động của thanh truyền ABCNếu tốc độ chuyển động của (A) và (C) không phù hợp nhau thì van trượt điều khiển sẽ daođộng quanh vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trượtđược định vị tại vị trí đóng kín các cửa dầu Trong trường hợp này vòng quay của động cơ sẽ

bị dao động

Trạng thái cân bằng được thiết lập khi van trượt điều khiển che kín các cửa dầu ra, vào xilanhlực tức là điểm B’ lại trở về điểm B’”=B”=B Vị trí của thanh ABC ở trạng thái cân bằng mớiA’”B”’C”’=ABC Lò xo bù lại trở về trạng thái tự do không chịu kéo, nén Chỉ có vị trí tươngđối của piston và xilanh bù là thay đổi

Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quaycủa động cơ tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới

Trường hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động ngược lại

Trên đây chỉ là những mô tả một cách tuần tự hoạt động của bộ điều tốc trên thực tế các

quá trình xảy ra đồng thời và rất phức tạp.

6.2.3 Đặc điểm

Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm với cấu trúc như trong hình 6.3 có hệ số không đều δ = 0

∆h

: tổng lượng nhiên liệu cần thay đổi cho phù hợp với

sự thay đổi của phụ tải

: lượng nhiên liệu cần thay đổi được chia nhỏ thànhnhiều bước nhờ liên hệ ngược mềm

Hình 6.5: Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm

Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm có thể thay đổi được thông quaviệc thay đổi độ mở của van kim tiết lưu Đặc điểm này rất quan trọng vì cùng một loại bộđiều tốc có thể trang bị cho các động cơ khác nhau mà không cần thay đổi cấu trúc của bộđiều tốc và khi động cơ, bộ điều tốc đã cũ vẫn có thể hiệu chỉnh để có thể phối hợp tốt vớinhau

Hình 6.6: Đặc tính cấp nhiên liệu của bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm

Tác động của bộ điều tốc để thay đổi lượng nhiên liệu cấp khi phụ tải thay đổi được thực hiện từngbước cho nên quá trình điều chỉnh mềm hơn so với bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt, laimáy phát điện hoạt động độc lập

Power cylinder

Transmitting piston

Receiving piston

Compensating spring

Flyweights

Thrust bearing

Speeder spring Adjusting nut

From pump

To sump

Pivot

Floating lever Compensating needle

valve

Compensating lever Pivot

Power piston Ballhead

§7 Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được khái niệm về bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc có

liên hệ ngược tổng hợp

- Vẽ được dạng đường đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

7.1 Cấu tạo của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

Hình vẽ 7.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý cấu tạo của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

Hình 7.1: Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

7.2 Nguyên lý hoạt động

7.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ Adjusting nut: đai ốc điều

chỉnh sức căng lò xo tốc độ Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt) Ballhead: mâm đỡ

quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ Feedback lever: thanh truyền liên

hệ ngược cứng To sump: về két sump From pump: dầu cấp từ bơm Pilot control valve

bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển

Power piston: piston lực Pivot: khớp quay Compensating needle valve: van kim tiết lưu

Receiving piston: Piston bù thụ động (bị động) Transmitting piston: piston bù chủ động

Compensating spring: lò xo của cơ cấu bù Floating lever: thanh truyền tự do Output shaft:

trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)

7.2.2 Nguyên lý hoạt động

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng

với lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu (E) của thanh truyền tự do EFG

E=E'" F=F"=F'"

G=G'=G'" E"

Trong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văngtạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (E) củathanh truyền tự do đi xuống vị trí (E’) Thanh EFG này quay tức thời quanh đầu bên phải (G).Điểm (F) đi xuống vị trí (F’) kéo van trượt điều khiển đi xuống, khoang dưới của xi lanh lựcđược nối thông với đường cấp từ bơm Dầu được cấp vào khoang phía bên dưới của xilanh lựclàm cho piston lực bị đẩy đi lên kéo thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lượng nhiên liệucấp vào động cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ tăng lên vòng quay của động cơ cũng sẽ tăngdần lên (theo đặc tính thay đổi tốc độ)

Tác động của liên hệ ngược cứng: khi piston lực đi lên đầu (B) của thanh truyền liên hệ

ngược cứng cũng đi lên (B=>B’), thanh ABC quay tức thời quanh khớp quay (pivot) làm (A)

đi lên (A=>A’) Tác động này có xu hướng giảm sức căng của lò xo tốc độ Kết quả là giảmtín hiệu độ lệch (giữa lực ly tâm và sức căng lò xo tốc độ), và van trượt điều khiển sẽ có xuhướng được kéo lên đóng kín cửa dầu điều khiển Khi đó thanh truyền tự do EFG dịch chuyểnnhư sau: E=>E’, F=>F’

Hình 7.2: Phân tích chuyển động của thanh truyền tự do EFG (floating lever)

Tác động của liên hệ ngược mềm: khi piston lực đi lên piston bù chủ động (transmitting

piston) sẽ bị đẩy đi xuống nhờ thanh truyền DC Do dầu phải tiết lưu qua van kim tiết lưu(compensating needle valve) nên tức thời piston bù bị động (receiving piston) bị đẩy đi lênlàm cho lò xo bù (compensating spring) bị nén lại, đầu (G) của thanh truyền EFG sẽ đi lên.Một khi nhiên liệu cấp vào động cơ tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực litâm do cặp quả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trượt do đólại được đẩy dần lên, đầu (E) của thanh truyền EFG đi lên (E”=>E’”) Trong khi đó lò xo bùkhi trước bị nén bây giờ giãn ra đẩy dầu từ phía trong bình thông nhau qua van kim tiết lưu rangoài làm cho piston bù bị động chuyển động xuống dưới (nghĩa là điểm (G) đi xuống(G”=>G’”)) Tốc độ chuyển động của piston bù bị động (tốc độ chuyển động của điểm (G))phụ thuộc vào độ mở của van kim tiết lưu, vào độ nhớt của dầu và độ cứng của lò xo Nếu tốc

độ đi lên của điểm (E) và tốc độ đi xuống của điểm (G) phù hợp nhau thì thanh EFG sẽ quayquanh F”’=F nghĩa là van trượt điều khiển sẽ được duy trì ở vị trí đóng kín cửa dầu điềukhiển Piston lực do đó được cố định và xác lập một vị trí mới của thanh răng nhiên liệu tươngứng với sự thay đổi của phụ tải

Nếu tốc độ chuyển động của (E) và (G) không phù hợp nhau thì van trượt điều khiển sẽ daođộng quanh vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trượtđược định vị tại vị trí đóng kín các cửa dầu Trong trường hợp này vòng quay của động cơ bịdao động

Trạng thái cân bằng được thiết lập khi van trượt điều khiển che kín các cửa dầu ra, vào xilanhlực tức là điểm F’ lại trở về điểm F”’=F”=F Vị trí của thanh EFG ở trạng thái cân bằng mới

là E”’F”’G”’=EFG Lò xo bù lại trở về trạng thái tự do không chịu kéo, nén Chỉ có vị trí của

piston bù chủ động và piston lực là thay đổi so với ban đầu.

Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quaycủa động cơ tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới

Trường hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động ngược lại

Trên đây chỉ là mô tả một cách tuần tự hoạt động điều chỉnh của bộ điều tốc, trên thực

tế các quá trình xảy ra gần như đồng thời và rất phức tạp.

7.2.3 Đặc điểm

Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp với cấu tạo kiểu này là bộ điều tốc có hệ số không đều

ọ ≠ 0 Tuy nhiên có thể hiệu chỉnh để có ọ = 0

Tương tự như bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc có liên

hệ ngược tổng hợp có thể thay đổi được thông qua việc thay đổi độ mở của van kim tiết lưu.Đặc điểm này rất quan trọng vì cùng một loại bộ điều tốc có thể trang bị cho các động cơ khácnhau mà không cần thay đổi cấu trúc của bộ điều tốc và khi động cơ, bộ điều tốc đã cũ vẫn cóthể hiệu chỉnh để có thể phối hợp công tác tốt với nhau

δ

Hình 7.3: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợpGiống với bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm sự thay đổi lượng nhiên liệu cấp của bộ điều tốc cóliên hệ ngược tổng hợp khi phụ tải thay đổi được thực hiện từng bước cho nên quá trình điềuchỉnh cũng được mềm hoá hơn so với bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng

Hình 7.6: Quy luật cấp nhiên liệu của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp

Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt, laimáy phát điện làm việc song song hoặc độc lập, các tua bin hơi nước, tua bin khí

BĐC động cơ

Phụ tải

§8 Bộ điều tốc hai xung

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được khái niệm về bộ điều tốc hai xung

- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc hai xung

8.1 Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc hai xung

 Do tính chất phức tạp của nhiễu loạn: sự thay đổi phụ tải không có tính qui luật, phụ tải thayđổi từ nhỏ nhất đến lớn nhất trong thời gian ngắn

Để đáp ứng được yêu cầu ổn định vòng quay của động cơ một cách chính xác và nhanh người

ta xây dựng bộ điều tốc hai xung hoạt động trên nguyên lý kết hợp độ lệch và bù trừ nhiễu.Hình vẽ 8.1 thể hiện nguyên lý xây dựng bộ điều tốc hai xung

Hình 8.1: Sơ đồ khối của hệ thống tự động điều chỉnh vòng quay hai xung

Bộ điều tốc có hai phần tử cảm biến:

 Phần tử cảm biến vòng quay (kiểu cơ học hoặc kiểu điện)

 Phần tử cảm biến sự thay đổi của phụ tải, thường thông qua cảm biến sự thay đổi của cường

độ dòng tải (đối với động cơ điêzel lai máy phát điện), và cảm biến công suất-vòng quay củađộng cơ (đối với động cơ điêzel lai chân vịt)

8.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc hai xung

Hình vẽ 8.2 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ điều tốc hai xung

8.2.1 Chú thích hình vẽ

Flyweights: cặp quả văng ly tâm Speeder spring: lò xo tốc độ Adjusting nut: đai ốc điều

chỉnh sức căng lò xo tốc độ Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt)

Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ

To sump: về két sump Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm Pilot control valve: van

trượt điều khiển Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển Power

piston: piston lực Pivot: khớp quay Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng

nhiên liệu) Transformer: biến áp Primery feedback coil: cuộn dây phản hồi sơ cấp

Secondery feedback coil: cuộn dây phản hồi thứ cấp From load detector: từ thiết bị cảm

ứng tải Ferrous core: lõi sắt

Hình 8.2: Bộ điều tốc hai xung

8.2.2 Nguyên lý hoạt động

ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằngvới lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và van trượt điều khiển đứng yên ở một vịtrí nhất định Bên cạnh đó cường độ dòng điện trong cuộn dây cảm ứng phụ tải không thayđổi và vì lõi (core) của biến áp phản hồi (feedback transformer) đứng yên ở một vị trí nhấtđịnh nên cường độ dòng điện chạy trong các cuộn phản hồi không thay đổi do đó lõi sắt từ(ferrous core) cố định ở một vị trí Van trượt điều khiển và ống bao ở vị trí làm các cửa điềukhiển bị đóng kín Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanhrăng nhiên liệu tương ứng với phụ tải hiện tại của động cơ

Trong trường hợp phụ tải tăng, do có độ nhạy cao và do được thiết kế để cảm ứng sự thay đổicủa phụ tải nên có tín hiệu từ phần tử cảm ứng tải tới cuộn dây ở phía trên của lõi sắt từ, lõisắt và cuộn dây hoạt động như một nam châm, lõi sắt sẽ bị hút xuống ống bao van trượt điềukhiển bị đẩy đi lên, mở cửa dầu cấp từ bơm vào khoang dưới của piston lực và mở thôngkhoang trên của piston lực với đường xả về két hồi Piston lực bị đẩy đi lên, kéo thanh răngnhiên liệu theo chiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Đồng thời vì vòng quay củađộng cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớptrượt bị đẩy đi xuống kéo theo van trượt điều khiển đi xuống do đó lại mở to hơn cửa điềukhiển cấp dầu từ bơm vào khoang dưới của xi lanh lực Piston lực bị đẩy đi lên nhanh hơnnữa, kéo thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng hơn nữa lượng nhiên liệu cấp vào động

cơ

Khi piston lực đi lên lõi của biến áp phản hồi cũng đi lên, cường độ dòng điện trong cuộnphản hồi sơ cấp thay đổi dẫn tới dòng điện ở cuộn phản hồi thứ cấp thay đổi Kết quả là lõi sắt(phía trái) bị đẩy lên làm ống bao của van trượt điều khiển đi xuống Cửa dầu điều khiển đượcđóng dần lại, piston lực chuyển động chậm dần rồi dừng lại

Trạng thái cân bằng được thiết lập khi van trượt điều khiển, ống bao van trượt điều khiển, lõi sắt

từ trở lại vị trí cân bằng ban đầu nghĩa là bộ điều tốc thuộc loại vô sai (δ=0)

Trên đây chỉ là những mô tả một cách tuần tự quá trình hoạt động của bộ điều tốc hai

transformer

Flyweight

Thrust bearingBall head

Driving gear

Adjusting nut

Oil supply from

Speeder spring

pivot

Power piston

+ _

Output shaft

Source

From load

detector

Primery feedback coil secondery

xung trên thực tế các quá trình xảy ra nhanh, gần như đồng thời và rất phức tạp.

8.2.3 Đặc điểm

Bộ điều tốc hai xung phản ứng nhanh với sự thay đổi của phụ tải

Bộ điều tốc hai xung có cấu tạo như trong hình vẽ 8.2 là bộ điều tốc vô sai

Bộ điều tốc hai xung có độ nhạy cao, hoạt động ổn định do tận dụng được các ưu điểm củacác bộ điều tốc hoạt động theo nguyên tắc độ lệch và bù nhiễu

Đòi hỏi người khai thác có trình độ nhất định

Đòi hỏi hiệu chỉnh chính xác các phần tử cảm biến

Dec

engine

F/v

pi d

Actuator drive unit

actuator Speed

order

Actuator position feedback

Fo pump

link

Fo

limite r

§9 Bộ điều tốc điện-điện tử

Mục tiêu của bài học

Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:

- Nêu được khái niệm về bộ điều tốc điện-điện tử

- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc

điện-điện tử

9.1 Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc kiểu điện-điện tử

Hình vẽ 9.1 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ điều tốc điện tử trang bị cho động cơ điêzel

Hình 9.1: Bộ điều tốc điện - điện tử

Engine: động cơ điêzel Pulse Generator: thiết bị đếm vòng quay kiểu xung Speed feedback: tín hiệu phản hồi của liên hệ ngược chính F/V: thiết bị biến đổi tần số - điện áp

(frequency/voltage converter) Speed order: tín hiệu đặt tốc độ Control Unit: phần chính của

bộ điều tốc PID: bộ điều tốc PID (xử lý tín hiệu theo nguyên tắc tỷ lệ - tích phân - vi phân)

Limiter: các thiết bị giới hạn nhiên liệu Actuator drive unit: thiết bị điều khiển cơ cấu thực

hiện Actuator: thiết bị thực hiện việc điều chỉnh thanh răng nhiên liệu Actuator position

feedback: phản hồi của thiết bị thực hiện (liên hệ ngược phụ) Link: cơ cấu truyền động Inc.: (Increase) chiều tăng Decrease: chiều giảm FO pump: bơm cao áp

9.2 Nguyên lý hoạt động

Thiết bị đếm vòng quay kiểu xung (thường nằm ở gần bánh đà) có nhiệm vụ cảm biến giá trịvòng quay của trục động dưới dạng cơ dạng xung, tần số của xung này biểu thị vòng quay củađộng cơ Xung vòng quay được đưa tới bộ biến đổi tần số - điện áp để biến đổi thành tín hiệuđiện áp Như vậy vòng quay của động cơ được cảm biến và biến đổi thành tín hiệu điện áp.Khi vòng quay của động cơ thay đổi thì độ lớn của điện áp này cũng thay đổi Tín hiệu đovòng quay thực của động cơ được so sánh với tín hiệu cho trước (giá trị đặt) tại thiết bị sosánh Độ lệch của hai tín hiệu này (e(t)) được đưa tới bộ xử lý PID để đưa ra tín hiệu điềuchỉnh u(t) Thiết bị giới hạn nhiên liệu tiếp tục xử lý tín hiệu điều chỉnh theo các hàm giới hạnnhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, theo tốc độ đặt hoặc thay đổi tốc độ theo chương trình Tínhiệu điều chỉnh được đưa tới thiết bị điều khiển và hiệu chỉnh cơ cấu thực hiện (Actuator