thiết kế chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel kéo máy phát điện

Điều này giúp tốc độ động cơ luôn giữ ở mức ổn định giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường khi động cơ hoạt động và hơn hết bộ điều tốc còn giúp các thiết bị điện hoạt động ổn định mà k

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNGTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

Đà Nẵng, tháng 6/2023

NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

NHẬN XÉT CỦA DOANH NGHIỆP

TÓM TẮT Tên đề tài: "Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ Diesel

kéo máy phát điện"

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đông MSV: 1911514110105 Lớp: 19SK1 Ngô Quang Đức MSV: 1911504210110 Lớp: 19DL1 Với mục tiêu giúp tối ưu hoạt động của động cơ diesel DP_170 kéo máy phát điện CT_3 nhóm em đã chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diếk kéo máy phát điện ” nhằm tối ưu công suất hoạt động của động cơ khi sông suất hệ thống phụ tải thay đổi Điều này giúp tốc độ động cơ luôn giữ ở mức ổn định giảm thiểu lượng khí thải ra môi trường khi động cơ hoạt động và hơn hết bộ điều tốc còn giúp các thiết bị điện hoạt động ổn định mà không gặp vấn đề khi thay đổi công suất trên hệ thống phụ tải máy phát điện Cụ thể hơn nhóm chúng em tính toán thiết kế chế tạo một bộ điều tốc điện tử bao gồm: một mạch điều khiển và một cơ cấu chấp hành

Bộ điều tốc có thời gian phản ứng nhanh và chính xác với thay đổi công suất của hệ thống phụ tải tạm thời Nó có một phạm vi kiểm soát tần số tương đối rộng Đối với bộ điều tốc điện tử, mạch điều khiển riêng biệt cho phép thiết lập các giá trị điều chỉnh ở các mức ổn định khác nhau Nhóm sử dụng giá trị tần số máy phát để làm thông số điều khiển và ứng dụng giải thuật PID kết hợp với Fuzzy logic để thiết kế mạch điều khiển

Các bộ điều tốc điện tử trên thị trường hiện nay rất phổ biến, tuy nhiên nhóm lấy giá trị tần số máy phát điện làm thông số để điều khiển tốc độ động cơ là rất mới với mong muốn tạo ta một bộ điều tốc điện tử có thể hoạt động ổn định và chính xác

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ KHÍ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

BỘ MÔN CƠ KHÍ Ô TÔ

Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel kéo máy phát điện

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Động cơ Diesel mã DP_170 Máy phát điện mã ST_3 có công suất 3kW Tần số hệ thống phụ tải hoạt động ở mức 50Hz

[1] Sách “Điều chỉnh tự động truyền động điện” của Bùi Quốc Khánh, Nguyễn

Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[2] Sách “Truyền động điện thông minh” của Nguyễn Phùng Quang NXB Khoa

học và kỹ thuật Hà Nội năm 2002

[3] Sách “Điều khiển logic & ứng dụng” của Nguyễn Trọng Thuần NXB Khoa

học & kỹ thuật Hà Nội năm 2006

[4] Sách “Lý thuyết điều khiển mờ” của Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước

NXB Khoa học Hà Nội 2006

[5] Sách “ Điều tốc động cơ”của TS Phan Văn Quân, NXB giao thông vận tải

[6] Và một số nguồn tài liệu trên internet: https://mayphatdienthanglong.vn/bo-dieu-toc.html https://banmayphatdien.vn/cach-thuc-hoat-dong-cua-bo-dieu-toc-trong-may-phat-dien

http://thuvienvimary.udn.vn/nghiencuuxaydungbodieutocvaboavrso http://dientuvietnam.net

http://www.tailieuxanh.com

3 Nội dung chính của đồ án

Nghiên cứu về các phương pháp điều tốc được dùng trên động cơ đốt trong, đặc biệt độ điều tốc điện tử sử dụng cho động cơ không đồng bộ

Nghiên cứu khả năng ổn định của động khi hoạt động dựa trên giá trị tần số để

điều khiển độ mở của tay ga Nghiên cứu thuật toán PID và các ứng dụng phương pháp điều khiển fuzzy logic để tối ưu thuật toán PID

Xây dựng phương án điều khiển và mô phỏng thuật toán hoạt động của bộ điều tốc

Tính toán, thiết kế mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành cho bộ điều tốc Thực nghiệm và cải thiện khả năng làm việc của bộ điều tốc

Mạch điều khiển và cơ cấu chấp hành

5 Ngày giao đề tài: 26/12/2022 6 Ngày kết thúc: 25/5/2023

Đà Nẵng, ngày 25 tháng 5 năm 2023

Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn

LỜI NÓI ĐẦU

Bộ điều tốc có vai trò rất quan trọng đối với máy phát điện Giúp tự động điều chỉnh tốc độ quay theo thông số được đặt trước để động cơ duy trì một tốc độ ổn định với mọi mức tải hoặc điều kiện cung cấp nhiên liệu

Các đời máy phát điện đồng bộ sản xuất hiện nay hầu hết đều sử dụng bộ điều tốc điện tử hoặc cơ khí Mang lại sự điều khiển chính xác, an toàn nhất và đặc biệt nó cho phép việc có thể đồng bộ các tổ máy phát điện với nhau

Động cơ DP_170 kéo máy phát điện CT_3 hiện trạng chỉ được trang bị bộ chống vượt tốc Vì vậy nhóm chúng em đã chọn đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel kéo máy phát điện” để tối ưu hoạt động của động cơ và tránh hư hỏng các thiết bị điện khi thay đổi hệ thống phụ tải

Sau hơn 4 năm học tại trường đại học Đồ án tốt nghiệp là môn học cuối cùng đánh dấu sự kết thúc quá trình học tập và rèn luyện các kiến thức cơ bản, đồng thời mở ra con đường thực tế đi vào cuộc sống trong tương lai Quá trình làm đồ án giúp em thu thập, tổng hợp lại các kiến thức đã học trong suốt những năm qua, qua đó rèn luyện khả năng tính toán và giải quyết các vấn đề thực tế

Trong quá trình làm đồ án này em đã gặp không ít những khó khăn và trở ngại do vốn kiến thức còn hạn chế Dù bận rộn rất nhiều công việc nhưng các Thầy vẫn giành nhiều thời gian và tâm huyết trong việc hướng dẫn em.Các Thầy luôn quan tâm chi bảo và sửa chữa những vấn đề quan trọng giúp em định hướng và làm việc theo quan điểm đúng đắn, chính sự tận tâm và nhiệt huyết của các Thầy đã giúp cho em có được tinh thần, một niềm tin và khối lượng kiến thức phong phủ đề đến ngày hôm nay đồ án tốt nghiệp của chúng em đã được hoàn thành

Nhóm chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn Th.S Hồ Trần Ngọc Anh đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này

Các thầy giáo, cô giáo trong khoa Cơ Khí - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật- Đại Học Đà Nẵng đã giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn

LỜI CAM ĐOAN

Chúng em xin cam đoan rằng đồ án tốt nghiệp với đề tài “ Thiết kế, chế tạo bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel kéo máy phát điện” là độc lập của nhóm chúng em Đồng thời những số liệu và kết quả nghiên cứu hoàn toàn trung thực, không sao chép từ bất kì một công trình nghiên cứu khác nào Những tài liệu trích dẫn đều đã được ghi rõ nguồn gốc

Chúng em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước nhà trường nếu trường hợp phát hiện ra bất cứ sai phạm hay vấn đề sao chép nào trong đề tài này

Người thực hiện đề tài Nguyễn Đông Ngô Quang Đức

1.1 Ý nghĩa của việc ổn định tần số 3

1.2 Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện 3

1.2.1 Ổn định tần số sơ cấp 3

1.2.2 Ổn định tần số thứ cấp 6

1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diesel 7

1.3.1 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc 7

1.3.2 Phương trình động học động cơ diesel 9

1.4 Các bộ điều tốc được sử dụng hiện nay 12

1.4.1 Bộ điều tốc cơ khí con lăn 12

2.2 Định hướng phương pháp điều khiển 39

2.3 Bộ điều khiển PID 40

2.3.1 Sơ đồ thuật toán của hệ thống điều khiển 40

2.3.2 Lý thuyết về bộ điều khiển PID 40

2.3.3 Chỉnh định tham số bộ điều khiển PID 42

2.4 Bộ điều khiển Fuzzy-PID 43

2.4.1 Lý thuyết điều khiển mờ (Fuzzy Logic Control) 43

2.4.2 Cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID 44

3.2.1 Độ lệch tần số tương đối khi động cơ hoạt động 50

3.2.2 Mức quá độ của bộ điều khiển 50

4.2 Một số đề xuất và hướng phát triển đề tài 52

Các đề xuất cho đề tải 52

Hướng phát triển đề tài: 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 55

DANH MỤC BẢNG, HÌNH VẼ

Danh mục bảng:

Bảng 2-1 Bảng bộ nhớ Boot 33

Bảng 2-2 Các tính năng và thông số kỹ thuật STM32F4 34

Bảng 2-3 Lựa chọn giá trị tham số bộ PID 42

Bảng 2-4 Bảng đánh giá chất lượng bộ điều khiển PID và Fuzzy- PID 45

Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật động cơ DP_170 47

Bảng 3-2 Thông số máy phát điện ST3 48

Bảng 3-3 Kết quả thực nghiệm hoạt động bộ điều tốc điện tử 51

Danh mục hình ảnh: Hình 1.1 Đường đặc tính tĩnh của động cơ (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’) 5

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ điều tần thứ cấp 6

Hình 1.3 Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b) 7

Hình 1.4 Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel 9

Hình 1.5 Đồ thị cong động cơ 4 kỳ 10

Hình 1.6 BĐT cơ khi quả văng ly tâm 13

Hình 1.7 Cấu tạo của BĐT cơ khí quả văng 14

Hình 1.8 BĐT thủy lực Woodward SG 15

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc thủy lực Woodwards SG 16

Hình 1.10 Cấu tạo bên trong của BĐT thủy lực 17

Hình 1.11 Đường ống cấp dầu cho bộ điều tốc thủy lực 18

Hình 1.12 BĐT kết hợp Woodwards 19

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều tốc kết hợp 19

Hình 1.14 Bộ điều tốc điện tử ESD 25

Hình 1.15 Sơ đồ chân kết nối của bộ điều tốc điện tử 26

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch phần cứng 27

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí linh kiện trên mạch điều khiển 27

Hình 2.3 Sơ đồ chân STM32F4 28

Hình 2.4 Sơ đồ khối bảng mạch discovery STM32F4 33

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí các thiết bị ngoại vi trên bảng mạch STM32F4 35

Hình 2.6 Biến áp đối xứng 35

Hình 2.7 Module tăng áp 4A XL6009 36

Hình 2.8 Driver điều khiển động cơ bước TB6600 36

Hình 2.9 Biến trở và nút nhấn 36

Hình 2.10 Các linh kiện khác trong mạch điều khiển 37

Hình 2.11 Mạch điều khiển 37

Hình 2.12 Cơ cấu chấp hành 38

Hình 2.13 Nguyên lý điều chế độ rộng xung PWM 39

Hình 2.14 Sơ đồ thuật toán của hệ thống điều khiển PID 40

Hình 2.15 Sơ đồ khối của hệ điều khiển vòng kín 40

Hình 2.16 Xác định tham số của đặc tính quá tính 42

Hình 2.17 Giải mờ theo phương pháp cực đại 43

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-PID 44

Hình 2.19 Sơ đồ thuật toán bộ điều khiển Fuzzy-PID của bộ điều tốc điện tử 44

Hình 2.20 So sánh đáp ứng của bộ PID và Fuzzy PID 45

Hình 2.21 Ứng dụng lập trình STM32CubeIDE 46

Hình 3.1 Động cơ diesel DP- 170 47

Hình 3.2 Máy phát điện ST3 48

Hình 3.3 Hệ thống phụ tải thực nghiệm 49

Hình 3.4 Sơ đồ bố trí cơ cấu và mạch điều khiển trên động cơ và máy phát điện 49

Hình 3.5 Độ lệch tương đối giá trị tần số so với giá trị đặt định mức 50

Hình 3.6 Độ lệch tần số khi thay đổi phụ tải 50

Hình 3.7 Mức quá độ của bộ điều khiển 50

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Bảng chữ viết tắt

1 PWM Pulse Width Modulation 2 PID Proportional Integral Derivative 3 BĐT Bộ điều tốc

4 LHN Liên hệ ngược 5 HSKĐĐ Hệ số không đồng đều 6 PLC Programmable Logic Controller 7 BĐK Bộ điều khiển

8 BTH Bộ thực hiện 9 DC Động cơ điện một chiều 10 RAM Random Access Memory 11 ROM Read Only Memory 12 AVR Automatic Voltage Regulator 13 GND Ground/Chân điện áp âm 14 VDD voltage at drain/ Điện áp tại chân nguồn 15 V/ph Vòng/ phút

MỞ ĐẦU

Đối với các động cơ diesel lai máy phát điện, việc phụ tải thay đổi là thường xuyên và đột ngột do đóng ngắt các thiết bị điện và các chế độ hoạt động, do vậy bộ điều tốc quyết định đến thời gian và hiệu quả kinh tế trong khai thác Duy trì cho tốc độ động cơ ổn định ở tốc độ mong muốn mà không phụ thuộc vào tải cần có bộ điều tốc kèm theo Đối với diesel cũ thường được trang bị các bộ điều tốc cơ khí kiểu quả văng dựa trên nguyên tắc cân bằng lực ly tâm điều chỉnh lực căng của lò xo để điều chỉnh lượng nhiên liệu cấp cho động cơ Sau thời gian dài hoạt động, các cơ cấu cơ khí, lò xo đã xuống cấp và làm việc kém tin cậy Nhược điểm của các bộ điều tốc kiểu này là tiêu hao nhiều nhiên liệu, cơ cấu cơ khí cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc bảo dưỡng và lắp đặt Hiện nay, bộ điều tốc điện tử được áp dụng cho động cơ thế hệ mới là ứng dụng thành quả sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử, tin học Ưu điểm của các bộ điều tốc điện tử là điều khiển mềm dẻo và dễ dàng, tiết kiệm tiêu hao nhiên liệu; tích hợp được thêm nhiều chức năng khác như giám sát và bảo vệ Chính vì vậy nhóm chúng em đã chọn đề tài thiết kế chế tạo bộ điều tốc điện tử để cải tiến cho các động cơ đời cũ hoạt động tối ưu hơn Mục đích thực hiện đề tài:

Điều chỉnh được khả năng hoạt động của máy phát điện động cơ diesel khi thay đổi công suất hệ thống phụ tải

Ứng dụng điều khiển PID Fuzzy logic do khả năng kém bền vững đối với sự thay đổi tham số trong quá trình vận hành

Mục tiêu nghiên cứu:

Tìm hiểu và nắm rõ được nguyên lý hoạt động của hệ thống điều tốc máy phát điện động cơ diesel

Nghiên cứu bộ điều khiển PID thông dụng Nghiên cứu lý thuyết điều khiển fuzzy (mờ) và ứng dụng để điều khiển hệ thống điều tốc máy phát điện động cơ diesel

Thiết kế, chế tạo được bộ điều tốc máy phát điện động cơ diesel

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Là điều tốc điều khiển ổn định tần số đầu ra máy phát điện động cơ diesel Nghiên cứu nguyên lý làm việc và cách thức điều khiển cần ga khi thay đổi tải Nghiên cứu lý thuyết fuzzy logic (mờ)

Nghiên cứu ứng dụng chỉnh định mờ tham số PID cho bộ điều tốc máy phát đện động cơ diesel

Thực nghiệm hoạt động của bộ điều tốc trên động cơ diesel DP-170 và máy phát điện CT-3

Phương pháp nghiên cứu:

Nghiên cứu về hệ thống điều tốc máy phát điện Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định thông số PID Thực nghiêm trên động cơ DP-170, máy phát CT-3 và dàn đèn phụ tải

Cấu trúc đồ án: Đồ án được chia thành 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về hệ điều khiển ổn định tần số máy phát điện diesel Chương 2: Thiết kế bộ điều tốc điện tử điều khiển ổn định tần số sử dụng cho động cơ diesel kéo máy phát điện

Chương 3: Thực nghiệm và đánh giá hoạt động của bộ điều tốc Chương 4: Kết luận và hướng phát triển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH TẦN SỐ TRÊN MÁY

PHÁT ĐIỆN DIESEL 1.1 Ý nghĩa của việc ổn định tần số

Tần số thể hiện công suất tác dụng của máy phát điện Khi tần số giảm công suất động cơ không đảm bảo Cụ thể khi tần số giảm không đảm bảo hiệu suất làm việc của các thiết bị phụ tải Nếu tần số đầu ra của máy phát điện giảm thì tốc độ của động cơ cũng giảm

Từ những nhận xét trên ta thấy nếu tần số không đảm bảo sẽ dẫn đến sự gia tăng chi phí vốn đầu tư, chi phí vận hành, giảm năng suất và hiệu quả làm việc của các thiết bị điện… Sự giảm tần số gây thiệt hại cho tất cả các thiết bị sử dụng điện Vì vậy khi thiết kế vận hành máy phát điện cần xem xét tới các biện pháp đảm bảo ổn định tần số Do đó để giải quyết việc ổn định tần số chúng em nghiên cứu bộ điều khiển tự động ổn định tần số băng cách tăng giảm ga khi thay đổi phụ tải máy phát điện

1.2 Các phương pháp ổn định tần số máy phát điện

Như ta đã biết tần số là chỉ tiêu chung về chất lượng điện năng của toàn hệ thống, vì trong hệ thống điện hợp nhất ở chế độ làm việc bình thường, tần số ở mọi điểm đều giống nhau Tần số sẽ thay đổi khi xảy ra mất cân bằng giữa tổng công suất tác dụng của các động cơ sơ cấp kéo máy phát điện với phụ tải tác dụng của máy phát điện

Cân bằng công suất tác dụng trong hệ thống điện ở chế độ bình thường, xét đối với máy phát kéo bằng động cơ đốt trong:

𝑃𝑇 = 𝑃𝑝𝑡 + 𝜋(1.1)

Trong đó:

𝑃𝑇: Công suất của động cơ kéo máy phát

Ppt: Công suất của phụ tải điện 𝜋: Tổn thất công suất tác dụng Để ổn định tần số máy phát điện có hai phương pháp ổn định sơ cấp và ổn định thứ cấp sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu lần lượt từng phương pháp

1.2.1 Ổn định tần số sơ cấp

Điều chỉnh sơ cấp là quá trình điều chỉnh tốc độ quay động cơ diesel bằng thay đổi lượng đầu vào diesel… Nhiệm vụ chính của bộ điều tốc là giữ cho tốc độ quay của rotor máy phát là không đổi khi có sự thay đổi của phụ tải

Tần số f của dòng điện phụ thuộc vào tốc độ góc  của máy phát điện theo quan hệ:

𝑓 = 2𝜋 =

𝑝 𝑛60 (1.2)

Trong đó:

p: Số đôi cực của máy phát điện n: Số vòng quay của máy phát điện Phụ tải điện của hệ thống tạo nên mô men cản trên trục rotor Công suất của từng loại phụ tải điện khác nhau phụ thuộc vào tần số dòng điện theo những quan hệ khác nhau

Chẳng hạn công suất tiêu thụ bởi các đèn sợi đốt và các loại phụ tải nhiệt hầu như không phụ thuộc vào tần số, công suất tiêu thụ bởi động cơ của máy móc gia công kim loại phụ thuộc bậc nhất tần số Công suất của các loại bơm, quạt tùy theo kết cấu, độ nghiêng của cánh có thể phụ thuộc bậc hai, ba vào tần số

Nói chung đối với phụ tải tổng hợp của hệ thống tùy theo tương quan giữa các

thành phần phụ tải mà quan hệ giữa công suất tác dụng và tần số sẽ thay đổi

𝑘𝑓 =∆𝑃∆𝑓 =

∆𝑃𝑃𝑑𝑑∆𝑓𝑓𝑑𝑑

đặc tính tĩnh của phụ tải Tần số của hệ thống điện được xác định tại điểm cắt O1 của

đặc tính 1 (động cơ) và đặc tính 1' (phụ tải) ở đó mô men kéo của động cơ cân bằng

với mô men cản của phụ tải M

Hình 1.1 Đường đặc tính tĩnh của động cơ (1,2,3) và phụ tải (1’,2’,3’)

Khi số lượng phụ tải trong hệ thống điện thay đổi, đặc tính tĩnh của phụ tải 1' sẽ bị dịch chuyển Chẳng hạn khi đấu thêm phụ tải, đặc tính này sẽ bị dịch chuyển sang bên phải (2') và sẽ cắt đặc tính động cơ tại điểm O3, tương ứng với tần số f3 Khi cắt bớt phụ tải, đặc tính 1’ sẽ bị dịch chuyển sang trái (3') và sẽ cắt đặc tính 1 của động cơ tại O2, tương ứng với tần số f2 Như vậy khi phụ tải thay đổi sẽ làm cho tần số thay đổi:

∆𝑓 = 𝑓2 − 𝑓3 (1.4)

Để đảm chất lượng điện năng không cho phép tần số của hệ thống thay đổi nhiều Vì vậy khi phụ tải thay đổi, để giảm mức thay đổi tần số, bắt buộc phải thay đổi đặc tính tĩnh của động cơ Chẳng hạn khi phụ tải tăng phải dịch chuyển đặc tính tĩnh của động cơ sang phải (đường 2) Khi ấy điểm cắt nhau giữa đặc tính động cơ (2) và phụ tải ( 2') tại O4, tương ứng với tần số𝑓4 > 𝑓3, Tương tự khi phụ tải giảm ta phải dịch chuyển đặc tính động cơ sang trái (3) và điểm cắt nhau giữa đặc tính 3 và 3' tại O5, tương ứng với tần số𝑓5 > 𝑓2, Nhờ sự dịch chuyển đặc tính động cơ mà độ lệch tần số

𝑆∗ = −∆𝑓

∗

∆𝑃∗ = −

∆𝑓𝑓𝑑𝑑∆𝑃𝑃𝑑𝑑

(1.6)

Thông thường S* của đặc tính điều chỉnh động cơ trong hệ thống điện nằm trong giới hạn S* = 0.02 ÷0.06 Trị số càng bé càng chứng tỏ hệ thống càng khỏe, nghĩa là với một mức biến đổi công suất như nhau, thì mức biến đổi của tần số trong hệ thống có S* bé hơn sẽ ít biến đổi hơn

1.2.2 Ổn định tần số thứ cấp

Điều chỉnh thứ cấp là quá trình tăng công suất máy phát, điều tần để đưa tần số về trị số định mức Tăng công suất máy phát bằng cách tăng tốc độ cho động cơ diesel Nhờ cơ cấu đo lường khá chính xác độ lệch tần số khỏi giá trị định mức và phát tín hiệu điều khiển

Sau đây chúng ta xét một cơ cấu đo lường đơn giản nhất phản ứng theo độ lệch tức thời của tần số Sơ đồ mạch bao gồm điện trở tác dụng và điện kháng hoặc điện dung nối song song Khi tần số hệ thống bằng định mức thì dòng I1 và I2 bằng nhau Khi tần số giảm thấp hoặc tăng cao sẽ làm thay đổi XL hoặc XC và dòng I1 và I2 sẽ khác nhau Tùy thuộc vào giá trị và dấu của độ lệch tần số mà góc pha của dòng điện ở đầu ra của mạch sẽ bị thay đổi, nhờ bộ tự động điều chỉnh tần số thứ cấp có thể phản ứng để đưa ra tác động điều chỉnh phù hợp

Hình 1.2 Sơ đồ khối bộ điều tốc tần số thứ cấp

Trong đó:

BĐ/Cf: Bộ điều chỉnh tần số TB: động cơ diesel

F : Máy phát CCĐ: Cơ cấu đo tần số

Hình 1.3 Sơ đồ cơ cấu đo tần số (a); Biều đồ vectơ điện áp (b)

Sơ đồ cơ cấu đo tần số được thể hiện trên hình 1-2 Các tham số L và R của bộ lọc tần được chọn sao cho U1 = U2 và U1 +U2 = UR + UL, ở chế độ làm việc bình thường với tần số định mức U thì UR = UL. Khi đó điện áp đầu ra hai bộ chỉnh lưu 1 và 2 bằng nhau do đó đầu ra khuếch đại thuật toán bằng 0 Giá trị đưa vào bộ điều chỉnh tần số bằng giá trị đặt Khi tần số lệch khỏi giá trị chuẩn thì khi đó UL = jω.L.IL sẽ lớn hơn hoặc nhỏ hơn UR = R.IR tuỳ thuộc vào tần số tăng hay giảm, làm cho giá trị ra khuếch đại thuật toán Ur ≠ 0 Khi đó tín hiệu vào bộ điều chỉnh tần số không phải là giá trị đặt nữa mà bằng giá trị đặt cộng hoặc trừ đi 1 lượng Ur, dẫn đến bộ điều chỉnh sẽ tác động vào động cơ làm tần số trở về giá trị chuẩn

1.3 Hệ điều tốc ổn định tần số máy phát diesel

1.3.1 Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc

Bộ điều tốc có tác dụng giữ cho vòng quay trục khuỷu không thay đổi hay thay đổi do tác động của con người, không phụ thuộc vào tải Đặc tính của bộ điều tốc được đặc trưng bởi một số thông số chủ yếu sau:

𝑛𝑘𝑡: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ không tải, v/ph 𝑛𝐻: vòng quay ứng với động cơ làm việc ở chế độ định mức, v/ph

𝛿 =𝑛𝑘𝑡− 𝑛𝐻

2 vòng quay trung bình, v/ph

δ là mức độ sai số tĩnh của bộ điều tốc, nó đặc trưng cho khả năng duy trì vòng quay ban đầu, δ càng nhỏ chất lượng bộ điều tốc càng cao, tuy nhiên khi đó thời gian

điều chỉnh tăng lên Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc vuông góc với trục hoành (δ=0) gọi là đặc tính siêu tĩnh hay phi tĩnh Trong trường hợp đường đặc tính điều tốc có độ dốc (δ > 0) gọi là đặc tính tĩnh

Độ rộng vùng không nhạy

Nếu có lực ma sát, khi vận tốc góc của động cơ thay đổi rất ít cũng làm dịch chuyển các cơ cấu bộ điều tốc Thực tế do ảnh hưởng lực ma sát trong các cơ cấu của bộ điều tốc và cơ cấu chấp hành nên khi vận tốc góc thay đổi nhỏ, bộ điều tốc không có phản ứng gì Giới hạn thay đổi vận tốc góc tương ứng vùng không có phản ứng gọi là khu vực không nhạy Chiều rộng khu vực không nhạy thể hiện bằng độ nhạy của bộ điều tốc εkn:

Trong bộ điều tốc hiện đại lực ma sát khô rất nhỏ Trong điều kiện làm việc độc lập, độ không nhạy ảnh hưởng không nhiều tới chất lượng làm việc của động cơ Khi làm việc song song, chỉ cần có độ nhạy nhỏ cũng có thể gây ra độ sai lệch lớn về công suất giữa các động cơ vì chế độ cân bằng của hệ thống điều chỉnh có thể được xác lập ở bất kỳ chế độ phụ tải nào trong khu vực không nhạy của động cơ

Độ không nhạy của bộ điều tốc tăng lên phụ thuộc vào thời gian khai thác động cơ và bảo dưỡng Với các động cơ làm việc song song mặc dù động cơ còn mới, bộ điều tốc giống nhau nhưng vùng không nhạy không hoàn toàn giống nhau nên khi hiệu chỉnh cần phải xem xét cẩn thận

Độ thay đổi vòng quay lớn nhất φ là tỉ số giữa biên độ dao động vòng quay lớn nhất hay vận tốc góc lớn nhất trong thời gian chuyển tiếp với vòng quay định mức:

𝜑 =∆𝜔𝑑𝑑𝜔𝐻 =

∆𝑛𝑑𝑑𝑛𝐻 (1.10) ndd (ωdd) biên độ dao động vòng quay (vận tốc góc) lớn nhất trong quá trình chuyển tiếp

Giá trị độ thay đổi vòng quay tương đối lớn nhất φ phụ thuộc vào chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

Độ không ổn định vòng quay tương đối

Độ không ổn định vòng quay tương đối ψ là tỉ số giữa biên độ vòng quay khi động cơ làm việc ứng với chế độ ổn định với vòng quay ổn định tương đối (định mức,

không tải …)

ψ = ∆𝜔𝑠𝜔𝐻 (1.11) hoặc ψ =

∆𝜔𝑠𝜔𝑘𝑡 (1.12)Trong đó:

ωs: Biên độ dao động vận tốc góc ứng với chế độ ổn định ωH, ωkt: Vận tốc góc ứng với chế độ ổn định (chế độ định mức và không tải)

Thời gian điều chỉnh

Thời gian điều chỉnh tct là thời gian tính từ lúc bắt đầu thay đổi tải tới lúc biên độ dao động vòng quay nằm trong giới hạn không ổn định cho phép Thời gian tct cũng phụ thuộc vào loại và chất lượng bộ điều tốc, trạng thái kỹ thuật và mức độ thay đổi tải theo quy định

1.3.2 Phương trình động học động cơ diesel

Động cơ diesel là động cơ trong đó không khí và nhiên liệu được đưa riêng vào xilanh, còn khí hỗn hợp công tác (hỗn hợp giữa không khí mới và nhiên liệu và một ít sản phẩm cháy của chu trình trước sót lại) được hình thành ở bên trong xi lanh động cơ do phun nhiên liệu dưới dạng sương mù vào trong xi lanh ở áp suất cao và tạo sự cháy Trong động cơ diesel, piston của động cơ chuyển động tịnh tiến Chuyển động tịnh tiến của piston được biến thành chuyển động quay trục khuỷu và trục rotor máy phát

Do đó để ổn định tần số máy phát diesel khi tải thay đổi thì ta phải điều chỉnh lượng nhiên liệu cũng như lượng khí vào trong động cơ diesel thông qua bộ điều tốc

Hình 1.4 Giới thiệu hệ điều tốc máy phát diesel

Mô men của động cơ

Đối với động cơ diesel, để mô men quay của nó ta phải tiến hành thành lập nên đồ thị công chỉ thị Đồ thị công chỉ thị gần đúng của động cơ diesel

Hình 1.5 Đồ thị cong động cơ 4 kỳ

Trong đó:

Quá trình nén a-c (c’) Quá trình cháy trong động cơ diesel được xem là bao gồm hai quá trình: Quá trình cháy đẳng tích c-z1

Quá trình cháy đẳng tích z1-z Điểm c được coi là điểm bắt đầu cháy còn điểm z là điểm kết thúc quá trình cháy

Quá trình giãn nở z – b – a Từ đồ thị công chỉ thị ở trên ta có thể tính được công thực hiện của chất khi trong một chu trình công tác Li là diện tích của hình được giới hạn đường cong ac’cz1 zb Khi đó công suất chỉ thị của động cơ là:

𝑁𝑖 = 𝐿𝑖 𝑛 𝑖

60.75 𝑚 (1.13)Cuối cùng ta được mô men chỉ thị của động cơ là

𝑀𝑖 = 𝐿𝑖 𝑖

60.75 𝑚 (1.14) Giá trị mô men này phụ thuộc rất nhiều vào mức nhiên liệu cung cấp cho một chu trình và tốc độ của động cơ Đây là mối quan hệ phi tuyến, kết luận này hết sức

quan trọng nó là cơ sở cho việc khẳng định rằng các thông số của mô hình toán là thay đổi trong quá trình hoạt động

Mô hình toán của Diesel

Phương trình biểu thị trạng thái động của Diesel được thể hiện như sau:

𝑗𝑑𝜔𝑑𝑡 = 𝑀𝑑+ 𝑀𝑘𝑑− 𝑀𝑡 − 𝑀𝑝𝑡(1.15)Trong đó:

J: Mô men quán tính của chi tiết quay so với trục động cơ  : Vận tốc góc của động cơ (vòng/phút)

Md: Mô men quay do động cơ sinh ra (KGm) Mkd: Mô men quay được tạo ra bởi khí nén khởi động (KGm), chỉ xảy ra khi khởi động

Mt: Mô men cản ma sát (KGm) Mpt: Mô men cản của phụ tải (KGm) Khi động cơ làm việc có tải máy phát

𝑗𝑑𝜔𝑑𝑡 = 𝑀𝑑 − 𝑀𝑝𝑡(1.16) Trong trường hợp này, do mô men khởi động bằng không, mô men ma sát có giá trị rất nhỏ so với mô men phụ tải nên có thể bỏ qua

Như ta đã biết, tín hiệu ra của động cơ là vòng quay hoặc vận tốc góc ω và tín hiệu vào là lượng cấp nhiên liệu h Ta tiến hành lập phương trình động mô tả đối tượng thông qua tín hiệu vào và ra kết hợp với nhiễu là tải Mô men quay do động cơ sinh ra phụ thuộc vào vận tốc góc ω và lượng nhiên liệu cấp cho bơm cao áp h

𝑀𝑑 = 𝑓(𝜔, ℎ)

Mô men phụ tải

𝑀𝑝𝑡 = 𝑓(𝜔, 𝑁𝑝𝑡)Dựa vào khai triển maclaurin có thể khai triển phương trình mô men của động cơ dưới dạng:

𝑀𝑑 = 𝑀𝑑0 +𝛿𝑀𝑑

𝛿𝜔 ; 𝜔 = 𝜔0.

∆𝜔1! +

𝛿3𝑀𝑑𝛿𝜔2 ; 𝜔 = 𝜔0.∆𝜔

2! + ⋯ +

𝛿𝑀𝑑𝛿ℎ ; 𝑛

= 𝑛0.∆ℎ1! +

𝛿3𝑀𝑑𝛿ℎ2 ; 𝑛 = 𝑛0.∆ℎ

2! + ⋯

Tiến hành khai triển tương tự cho mô men phụ tải: 𝑀𝑝𝑡 = 𝑀𝑝𝑡0+𝛿𝑀𝑝𝑡

𝛿𝜔 ; 𝜔 = 𝜔0.

∆𝜔1! +

𝛿3𝑝𝑡𝛿𝜔2 ; 𝜔 = 𝜔0.∆𝜔

2! + ⋯ +

𝛿𝑀𝑝𝑡𝛿𝑁𝑝𝑡 ; 𝑁𝑝𝑡= 𝑁𝑝𝑡0.∆𝑁𝑝𝑡

1! +

𝛿3𝑀𝑝𝑡𝛿𝑁𝑝𝑡2 ; 𝑁𝑝𝑡 = 𝑁𝑝𝑡𝑜

∆𝑁𝑝𝑡2! + ⋯ Thay thế phương trình 2 vào phương trình 1 bỏ qua phần tử có đạo hàm bậc cao và khi xét đến điều kiện ở trạng thái cân bằng tĩnh Md0 = Mpt0 có thể rút ra được:

𝑗𝑑𝜔𝑑𝑡 + (

𝛿𝑀𝑝𝑡𝛿𝜔 −

𝛿𝑀𝑑𝛿𝜔 ) ∆𝜔 =

𝛿𝑀𝑑𝛿𝜔 ∆ℎ −

𝛿𝑀𝑝𝑡𝛿𝑁𝑝𝑡 ∆𝑁𝑝𝑡Ta chia cả hai vế của phương trình trên cho giá trị lưu lượng nhiên liệu định mức hn và đặt:

Trong đó:

Hệ số Td là hằng số thời gian (s) đặc trưng cho động cơ về tính quán tính Hệ số Kd là hệ số chỉnh đặc trưng cho tính chất ổn định của động cơ Hệ số Kpt là hệ số đặc trưng về sự thay đổi của phụ tải đối với động cơ Trong thực tế các hệ số Td, Kd, Kpt luôn luôn thay đổi, chẳng hạn hệ số chỉnh Kd phụ thuộc nhiều vào vòng quay và tình trạng cũ mới của động cơ… Sau khi xác định được phương trình động của động cơ, trên cơ sở đó cần xây dựng thuật toán điều khiển của bộ điều tốc để hệ thống ổn định và đạt được chỉ tiêu chất lượng mong muốn

1.4 Các bộ điều tốc được sử dụng hiện nay

1.4.1 Bộ điều tốc cơ khí con lăn

Bộ điều tốc đầu tiên được phát minh là BĐT quả văng của Jame Watt Các BĐT

làm việc theo nguyên tắc lực ly tâm, nó được sử dụng rộng rãi trên hầu hết các động cơ Diesel cho đến ngày nay

BĐT cơ khi quả văng được dẫn động trực tiếp bởi động cơ, công suất ra của điều tốc được hình thành bởi lực li tâm của quả văng và lực căng của lò xo BĐT cơ khí quả văng còn gọi là BĐT tác động trực tiếp

Cấu tạo BĐT tương đối đơn giản tuy nhiên do tác động trực tiếp điều khiển thanh răng cấp nhiên liệu cho động cơ nên quả văng có khối lượng và kích thước lớn, cồng kềnh

Các BĐT cơ khí được sử dụng rộng rãi trên các động cơ Diesel công suất vừa và nhỏ của các hãng HANSHIN, DAIHATSU, MITSUBISHI Các BĐT này làm việc với độ bền rất cao, tuy nhiên về mặt công suất của trục ra, chúng chỉ có thể đáp ứng được đổi với các động cơ công suất vừa và nhỏ Dù khoa học kỹ thuật phát triển, sự ra đời hàng loạt các BĐT hiện đại, nhưng do tính đơn giản dễ sử dụng, nên hiện tại các BĐT cơ khi vẫn được sử dụng phổ biến trên hầu hết các động cơ Diesel công suất nhỏ

Hình 1.6 BĐT cơ khí quả văng li tâm

1 Động cơ; 2 Vỏ hộp bánh răng; 3 Vít đặt tốc độ; 4 Dẫn hướng lò xo; 5 Trục truyền động; 6.7,8 Cụm bánh răng hành tinh; 9 Vòng bi; 10,11 Bánh răng truyền động: 12,13,14 Cơ cấu truyền động đặt tốc độ bằng tay; 15 Chốt giới hạn

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Cấu tạo:

Trung tâm của BĐT cơ khí là cụm quả văng li tâm, thường có 2 hoặc 4 quả văng (11) lắp đối xứng nhau và được dẫn động bởi trục dẫn điều tốc (7) Lực li tâm quả văng được biến đổi thành lực dọc trục thông qua chốt ở quả văng (12) Lực li tâm của quả văng cộng với lực căng lò xo tại ổ đỡ chặn (27)

Hình 1.7 Cấu tạo của BĐT cơ khí quả văng

1 Vỏ hộp; 2 Gioăng làm kin; 3 Vỏ hộp bánh răng; 4 Gioăng làm kín; 5 Nắp điều tốc; 6 Gioăng làm kín; 7 Trục dẫn điều tốc; 8 Đế quả văng; 9 Bánh răng nón; 10 Bạc làm kín; 11 Quả văng; 12, Chốt quả văng; 13 Đệm làm kín; 14 Con lăn; 15 Chốt con lăn; 16 Vòng bi; 17 Vòng bi con lăn; 18 Đệm con lăn; 19 Tay gạt; 20 Căn đệm trên; 21 Căn đệm; 22 Vòng bi: 23 Tay đặt tốc độ; 24 Trục đặt tốc độ; 25 Dẫn hướng lò xo; 26 Đai ốc trục đặt tốc độ; 27 Ổ đỡ chặn; 28 Chạc ba ăn khớp; 29 Chốt định vị; 30 Trục quay; 31,32 Vòng bi; 33 Đệm căng; 34 Cần nổi thanh rằng; 35 Lò xo tốc độ; 36 Đai ốc hãm

và cân bằng với lực căng lò xo, ổ đỡ chặn dịch chuyển về vị trí cân bằng ban đầu và xác lập lại trạng thái cân bằng mới Ở trạng thái cân bằng mới ứng với phụ tải tăng, tốc độ động cơ sẽ giảm đi một ít trong trường hợp không hiệu chỉnh lực căng lò xo, lúc đó tốc độ quay động cơ sẽ tồn tại sai số

Khi phụ tải giảm, tương tự như trong trường hợp phụ tải tăng, khi phụ tải giảm tốc độ quay của động cơ sẽ tăng lên và BĐT sẽ tác động làm giảm tốc độ động cơ và xác lập trạng thái cân bằng mới ứng với phụ tải giảm thì tốc độ quay động cơ sẽ tăng lên một ít ứng với vị trí thanh răng giảm

1.4.2 Bộ điều tốc thủy lực

BĐT thủy lực cũng được sử dụng rất phổ biến trên các động cơ Diesel công suất vừa và nhỏ, nó đã được nghiên cứu chế tạo từ những năm 40 của thế kỷ XX, tuy nhiên vì một số ưu điểm nổi bật của nó mà ngày nay nó vẫn được sản xuất và sử dụng trên các động cơ Diesel

BĐT thủy lực thường được lắp đặt trên động cơ Diesel lai chân vịt và trên các động cơ lai máy phát điện làm việc độc lập và song song

Về nguyên lý cấu tạo BĐT thủy lực thường có LHN phụ cứng, có HSKĐĐ có thể điều chỉnh được từ giá trị = 0 đến giá trị =max Tốc độ quay trục dẫn thường từ 1200-3600 v/p Điều khiển đặt tốc độ bằng động cơ điện thuận tiện cho việc phân chia tài giữa các động cơ mắc song song Công suất trục dẫn động phát ra lớn nhất là 150W

Hình 1.8 BĐT thủy lực Woodward SG

1 Đường cấp dầu; 2 Vít giới hạn tốc độ cao; 3 Trục đặt tốc độ; 4 Vít giới hạn trục ra; 5 Vit giới hạn tốc độ thấp; 6 Trục ra

Trục dẫn động của BĐT quay được cả 2 chiều Tuy nhiên đường dầu cấp vào van điều áp phải được lắp ở bên trái khi nhìn BĐT từ phía trước khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ và lắp ở bên phải khi động cơ quay ngược chiều kim đồng hồ

Dầu sử dụng cho BĐT thủy lực dùng chung với dầu của động cơ hoặc từ một bình dầu riêng có bơm trung gian

BĐT thủy lực được sử dụng phổ biến trên các động cơ máy phát công suất vừa từ 150 – 250 HP

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Sơ đồ nguyên lý làm việc được trình bày ở hình 1.9 Dầu động cơ được đưa vào điều tốc qua một van điều áp, rồi đi vào của hút của bơm bánh răng bên dưới điều tốc Trong trường hợp áp lực cửa đẩy của bơm cao hơn yêu cầu thì van hồi sẽ xả dầu về cửa hút và đầu sẽ tuần hoàn dầu trong điều tốc, điều này sẽ làm điều hòa giữ cho áp lực dầu trong điều tốc ổn định

Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lý của bộ điều tốc thủy lực Woodwards SG

1 Piston lực; 2 Chốt điều chỉnh HSKĐĐ; 3 Lò xo phục hồi; 4 Vít điều chỉnh giới hạn tốc độ thấp nhất; 5 Cần đặt tốc độ cho trước; 6 Vít giới hạn tốc độ cao nhất 7 Thanh đặt tốc độ; 8 Của cấp dầu; 9 Lò xo van giảm áp; 10 Của điều khiển; 11 Ống bao quay; 12 Van trượt điều khiển; 13 Quả văng; 14 Lò xo tốc độ

Khi van trượt điều khiển làm việc, dầu áp lực sẽ được đưa vào hoặc thoát ra khỏi piston lực làm cho piston lực dịch chuyển lên xuống để điều khiển thanh răng được nối với thanh răng bơm cao áp

Ở chế độ cân bằng ổn định, tốc độ của động cơ bằng với tốc độ cho trước của điều tốc lực li tâm của quả văng và lực căng của lò xo sẽ cân bằng nhau, van trượt điều khiển sẽ đóng kín cửa cấp dầu làm cho piston lực giữ ở trạng thái ổn định (Hình 1.9)

Hình 1.10 Cấu tạo bên trong của BĐT thủy lực 1 Ông bao quay; 2 Piston lực; 3 Thanh truyền; 4 Vít điều chỉnh HSKĐĐ; 5 Trục ra điều tốc; 6 Cần đặt tốc độ; 7 Quả văng; 8 Van trượt điều khiển; 9 Cửa điều khiển

Khi phụ tải của động cơ tăng lên, tốc độ của điều tốc giảm xuống lực căng của lò xo tốc độ lớn hơn lực ly tâm quả văng, van trượt điều khiển đi xuống, dầu áp lực đi vào bên dưới piston lực và đẩy nó đi lên, làm cho đầu chốt quay đẩy đầu trục theo hướng tăng nhiên liệu

Khi trục ra quay theo hướng tăng nhiên liệu thì cần LHN cứng sẽ làm cho lực căng lò xo giảm, tốc độ cho trước của động cơ giảm và quả văng BĐT điều khiển van trượt đóng cửa cấp dầu cho piston lực, xác định vị trí cân bằng mới ở giá trị tốc độ thấp hơn giá trị ban đầu khi lượng nhiên liệu tăng

Trong trường hợp ngược lại, khi phụ tải động cơ giảm, tốc độ động cơ sẽ tăng lên lực li tâm sẽ thắng lực căng lò xo và làm van trượt điều khiển dịch chuyển lên trên làm cửa điều khiển cấp dầu thông với đường dầu xả dưới tác dụng của lò xo lực bên ngoài,

làm cho piston lực đi xuống làm giảm nhiên liệu cấp vào động cơ Khi dịch chuyển theo hướng giảm nhiên liệu, thông qua LHN cứng làm cho lực lò xo đặt tốc độ giảm, van trượt điều khiển đi xuống theo hướng đóng cửa cấp dầu dịch chuyển xuống dưới đóng cửa cấp dầu vào piston lực, động cơ xác lập trạng thái cân bằng mới ở tốc độ cao hơn giá trị ban đầu

Mức độ thay đổi tốc độ của động cơ phụ thuộc vào việc đặt chốt điều chỉnh HSKĐĐ Khi dịch chuyển chốt về phía quả văng làm giảm HSKĐĐ và dịch chuyển nó về phía xa quả văng làm tăng HSKĐĐ

Hình 1.11 Đường ống cấp dầu cho bộ điều tốc thủy lực

1.4.3 Bộ điều tốc kết hợp

Cấu tạo và nguyên lý làm việc

BĐT kết hợp được cấu tạo bởi các bộ phận chính sau:

Diện tích tác dụng phía dưới của piston lực lớn hơn phía trên Do đó áp lực dầu phía bên dưới của piston nhỏ hơn phía bên trên giữ cho piston ổn định Nếu áp suất ở hai phía bằng nhau, piston sẽ dịch chuyển lên trên quay thanh răng theo chiều tăng lượng cấp nhiên liệu Piston dịch chuyển xuống phía dưới quay trục ra điều tốc theo chiều giảm nhiên liệu khi dầu ở phía dưới thông với đường xã

Dầu vào và ra khỏi phía dưới của piston lực được điều khiển bằng cụm van trượt điều khiển và ống bao quay

Cụm van trượt điều khiển

Chức năng của cụm van trượt điều khiển và ống bao quay là điều khiển lượng dầu vào và ra khỏi bên dưới của piston lực

Cụm van trượt điều khiển bao gồm ống bao quay (38) và van trượt điều khiển (39) Ông bao quay (38) được dẫn động quay bởi trục dẫn (36), van trượt điều khiển chỉ dịch chuyển lên xuống Thông qua chuyển động quay, ma sát giữa van trượt điều khiển và ống bao quay sẽ giảm Trên van trượt có một vành điều khiển, nó sẽ điều khiển dầu thông qua của điều khiển trên ống bao

Hình 1.12 BĐT kết hợp Woodwards 1 Tân điều tốc; 2 Bảng điều khiển; 3 Nắp; 4 Nắp cấp dầu; 5 Van điện từ dùng động cơ; 6 Động cơ điện đặt tốc độ; 7 Kính thăm dầu; 8 Trục ra; 9 Kim bù; 10 Đế; 11 Vít xả dầu; 12 Van kim bù

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý làm việc của bộ điều tốc kết hợp

1 Động cơ đặt tốc độ; 2 Khớp ma sát; 3 Thanh LHN cứng; 4 Kim chỉ đồng bộ; 5 Núm chỉnh đồng bộ; 6 Trục ra điều tốc; 7 Kim chỉ bảo tải; 8 Thanh giới hạn tải; 9 Piston lực; 10 Van một chiều đóng; 11 Bình tích năng; 12 Dầu xả; 13 Van một chiều mở; 14 Bơm bánh răng; 15 Dầu xả; 16 Cam giới hạn tải; 17.Cần dừng sự cố; 18 Khớp quay; 19 Kim bù; 20 Thanh giới hạn tải; 21 Cần tốc độ; 22, Thanh chính bù; 23 Đầu quả vùng; 24 Quả văng; 25 Lò xo tốc độ; 26 Khớp trượt; 27 Núm điều chỉnh HSKĐĐ 28 Vì đặt tốc độ; 29 Vành đặt tốc độ; 30 Ổ đỡ chặn; 31 Thanh truyền; 32 Khớp nối mềm dẫn động quả văng; 33 Van kim bù; 34 Piston chủ động; 35 Piston bị động; 36 Trục dẫn; 37 Cửa điều khiển; 38 Ống bao quay; 39 Van trượt điều khiển

Khi van trượt điều khiển (39) đi xuống dưới, dầu áp lực sẽ đi vào phía dưới của piston lực (9) đẩy nó đi lên Khi van trượt điều khiển đi lên, dầu từ phía dưới của piston lực được xã về khoang chứa, piston lực đi xuống Khi van trượt điều khiển (39) ở vị trí trung tâm, vành điều khiển sẽ đóng cửa điều khiển như mô tả trên hình 1.13 và piston lực sẽ đứng yên Sự dịch chuyển của van trượt điều khiển (39) được điều khiển bởi đầu quả văng (23) và cặp piston bù giảm chấn (34) và (35)

Khi đầu quả văng (23) quay, quả văng (24) dịch chuyển ra ngoài nhờ vào lực li tâm Cùng lúc đó lực căng lò xo tốc độ (25) tác động đẩy ổ đỡ chặn (30) đi xuống tì lên chân của quả vắng Lực đi xuống này ngược chiều với lực li tâm của quả văng Khi tăng tốc độ dẫn động sẽ làm tăng lực li tâm của quả văng Khi nén lò xo tốc độ (25) nhờ vào vành tốc độ (29) sẽ làm tăng lực hướng xuống tác dụng lên chân quả văng làm tăng tốc độ đặt của điều tốc Động cơ sẽ làm việc nhanh hơn để tạo ra lực li tâm cần bằng với lực đặt tốc độ của lò xo

Lực căng của lò xo tốc độ hay tốc độ cho trước được điều khiển bằng tay thông qua núm đặt tốc độ (5) và nó cũng có thể được thực hiện từ xa bằng động cơ điện đặt tốc độ lắp đặt trên điều tốc (1)

LHN phụ mềm

Chức năng của LHN phụ mềm làm ổn định điều tốc và điều khiển tốc độ động cơ ở trạng thái không đổi Đồng thời khi điều chỉnh đúng, LHN phụ mềm sẽ tác động cấp lượng nhiên liệu cần thiết để làm cho động cơ làm việc ổn định và điều chỉnh tăng giảm nhiên liệu theo phụ tải Cơ cấu LHN phụ mềm có tác dụng làm cho tốc độ đặt của điều tốc thay đổi nhỏ và trục ra của điều tốc dịch chuyển theo đặc tính điều chỉnh của điều tốc Sự thay đổi tốc độ đặt của điều tốc sẽ làm cho tốc độ áp suất khí lại giá trị ban đầu LHN phụ mềm cũng có thể được gọi là cơ cấu tạo HSKĐĐ tức thời của điều tốc

Cơ cấu LHN phụ mềm bao gồm cặp piston giảm chấn chủ động (34) và bị động (35), thanh truyền (31), thanh điều chỉnh bù (22) với khớp quay (18), van kim bù (33) Piston chủ động (34) được nối với trục ra của điều tốc (6) bằng thanh điều chỉnh bù (22) Khớp quay (18) dịch chuyển trên thanh điều chỉnh bù (22) Khi thay đổi khớp quay (18) trên thanh điều chỉnh bủ (22) sẽ làm thay đổi hành trình của piston bù chủ động (34)

Piston bù bị động (35) được nối với thanh truyền (31) đến van trượt điều khiển (39) và cần tốc độ (21) Sự dịch chuyển của piston giảm chấn bù chủ động (34) đi xuống thông qua dầu công tác sẽ tác động lên bề mặt phía dưới của piston bị động (35) Khi đó sẽ làm cho piston bù bị động (35) đi lên, điều khiển van trượt điều khiển đóng cửa cấp dầu vào phía dưới của piston lực (9)

Van kim bù (33) sẽ làm thay đổi tiết diện tiết lưu của đầu giữa khoang piston chủ động (34) và piston bị động (35) với khoang chứa dầu

LHN phụ mềm phải được điều chỉnh đúng theo đặc tính của động cơ thực với tải để hệ thống làm việc ổn định

Bộ phận giới hạn tải

Chức năng của bộ phận giới hạn tải giới động cơ là giới hạn hành trình của trục ra điều tốc theo hướng tăng lượng cấp nhiên liệu và qua đó giới hạn được lượng cấp nhiên liệu vào động cơ Điều khiển giới hạn tài cũng có thể được dùng để dùng động cơ khi quay chúng về vị trí “0” Việc điều khiển giới hạn tải được thực hiện theo kim chỉ báo (7), thanh răng truyền động (8) và núm điều khiển tác động lên cam giới hạn tải (16)

Cơ cấu giới hạn tải được nối với núm điều chỉnh giới hạn tải (cam 16) Khi chỉ báo tải làm việc đến mức giới hạn, van trượt điều khiển (39) được mở ra, dùng việc tiếp tục tăng nhiên liệu

Xoay núm điều khiển giới hạn tải từ “không” đến “dừng” động cơ là quay cam (16) tác động lên thanh giới hạn tải (20) và đẩy cần “dùng” (17) đi xuống Khi đó ở đầu mút bên phải của thanh giới hạn tải (20) đi lên tác động vào thanh truyền (31) và kéo vạn trượt điều khiển (39) đi lên, xả đầu bên dưới của piston lực (9) về khoang chứa Dầu áp lực sẽ tác động vào phía trên của piston lực (9) làm cho piston lực đi xuống, quay trục ra (6) của điều tốc về vị trí thấp nhất và dừng động cơ

Cơ cấu đặt tốc độ đồng bộ

Cơ cấu điều chỉnh đặt tốc độ đồng bộ được dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ và dùng để đặt tốc độ động cơ khi nó làm việc độc lập Núm phía trên gọi là núm đồng bộ (núm điều khiển) Núm bên dưới là bộ chỉ báo đồng bộ

LHN phụ cứng

LHN phụ cứng là cơ cấu tạo ra HSKĐĐ để ổn định sự làm việc của BĐT HSKĐĐ còn được dùng để chia và cân bằng tải đối với các động cơ làm việc đồng bộ cùng lai một trục chân vịt hoặc cùng lai các máy phát điện làm việc song song

LHN cứng sẽ làm giảm HSKĐĐ khi trục ra điều tốc dịch chuyển từ vị trí cấp nhiên liệu nhỏ nhất đến vị trí lớn nhất, ứng với trường hợp phụ tải động cơ tăng lên và được biểu diễn bằng tỉ số phần trăm của tốc độ

Thay cho trường hợp giảm tốc độ là tăng tốc độ, điều tốc sẽ hồi tiếp HSKĐĐ âm LHN cứng có HSKĐĐ âm sẽ làm cho BĐT làm việc mất ổn định HSKĐĐ nhỏ cũng có thể làm cho BĐT làm việc kém ổn định với tốc độ động cơ dao động, hoặc không phản ứng khi tải thay đổi HSKĐĐ quá lớn cũng sẽ làm cho điều tốc phản ứng chậm khi tăng hoặc giảm tải

Đối với các BĐT kết hợp, thường chỉ số trên núm điều chỉnh độ không đồng đều “speed droop” chỉ bảo vùng giá trị HSKĐĐ từ 0 đến 100% là giá trị HSKĐĐ lớn nhất có thể chỉnh được của điều tốc chứ không có nghĩa là HSKĐĐ bằng 100%

Nguyên lý làm việc

Để phân tích nguyên lý làm việc của BĐT kết hợp, chúng ta tham khảo sơ đồ nguyên lý hình 1.13 Việc thay đổi tốc độ đặt của BĐT tương tự như thay đổi tải tác động lên động cơ Trong phần phân tích này chúng ta sẽ dựa trên cơ sở tác động của phụ tải làm thay đổi tốc độ quay của động cơ

Giả sử ban đầu động cơ đang làm việc ở trạng thái cân bằng, quả văng (24) đang đứng thẳng van trượt điều khiển (39) đóng kín cửa cấp dầu, piston lực (9) đang đứng yên Trục ra điều tốc (6) đang đứng yên

Khi tài giảm

Khi tải giảm ở vị trí thanh răng cấp nhiên liệu không đổi, tốc độ động cơ sẽ tăng lên Điều này sẽ làm cho điều tốc làm việc như sau:

1 Khi tốc độ tăng lên sẽ làm lực li tâm của quả văng (24) tăng lên và thắng lực căng lò xo tốc độ (25)

2 Khi quả văng (24) dịch chuyển ra ngoài và làm cần tốc độ (21) và đầu bên phải của thanh truyền (31) đi lên

3 Điều này sẽ làm cho van trượt điều khiển (31) đi lên, mở cửa cấp dầu trên ống bao quay (38) Dầu từ bên dưới của piston lực (9) sẽ chảy về khoang chứa

4 Dầu áp lực ở phía trên sẽ làm piston lực (9) đi xuống, quay trục ra của điều tốc theo chiều giảm nhiên liệu vào động cơ

5 Liên kết từ trục ra của điều tốc (6) sẽ làm cho thanh chỉnh bù (22) đi xuống, và quay quanh khớp quay (18) làm cho piston chủ động giảm chấn (34) đi lên

6 Thông qua khoang đầu bên trong làm cho piston bù giảm chấn bị động (35) đi xuống, làm cho đầu bên trái của thanh truyền (31) đi xuống

7 Điều này sẽ làm cho van trượt điều khiển (39) đi xuống, đóng cửa điều khiển (37) 8 Khi đó dầu từ bên ngoài khoang chứa thông qua van kim bù (33) sẽ vào bên trong của cặp piston giảm chấn bù (34) và (35) Piston bị động (35) sẽ phục hồi lại vị trí ban đầu nhờ vào các lò xo bù tương ứng với sự dịch chuyển của cần tốc độ (21) Điều này sẽ làm cho van trượt điều khiển trở về vị trí đóng cửa điều khiển ban đầu 9 Cửa điều khiển trên ống bao quay (38) được đóng lại bởi vành điều khiển trên van trượt điều khiển (39)

10.Trục ra của điều tốc dừng lại và piston lực sẽ dịch chuyển đến vị trí mới giảm lượng cấp nhiên liệu vào động cơ Vị trí cân bằng mới được xác lập ở tốc độ đặt và

phụ tải mới tương ứng

Khi tải tăng

Khi phụ tải tăng tốc độ động cơ giảm, điều tốc làm việc theo các bước sau: 1 Khi tốc độ động cơ giảm, lực li tâm của quả văng (24) giảm, lực căng lò xo tốc độ (25) thắng lực li tâm của quả văng (24)

2 Quả văng li tâm (24) sẽ khép lại vào trọng và làm cho cần tốc độ (21) đi xuống, đầu bên phải của thanh truyền (31) đi xuống

3 Điều này sẽ làm cho van trượt điều khiển (39) đi xuống, mở cửa điều khiển trên ống bao quay (38) Dầu áp lực thông qua cửa điều khiển sẽ đi vào phía dưới xy lanh của piston lực (9)

4 Dầu áp lực đầy piston lực bị đẩy đi lên, trục ra của điều tốc sẽ quay theo chiều

tăng lượng cấp nhiên liệu vào cho động cơ 5 Liên kết từ trục ra điều tốc (6) sẽ kéo thanh chỉnh bù (22) đi lên, quay quanh gối đỡ (18) làm cho piston bù chủ động (34) đi xuống

6 Dầu áp lực sẽ tác động vào bên dưới của piston bị động (35) làm cho đầu bên trái thanh truyền (31) đi lên

7 Điều này làm cho van trượt điều khiển (39) đi lên đóng cửa điều khiển (37) 8 Khi đó dầu áp lực thông qua van kim bù (33) từ trong piston giảm chấn (34) và (35) đi ra khoang chứa, piston bù giảm chấn bị động sẽ phục hồi lại vị trí ban đầu nhờ vào các lò xo bù cùng tốc độ dịch chuyển của cần tốc độ (21) Điều này sẽ giữ cho van trượt điều khiển (39) dừng ở vị trí đóng cửa cấp dầu

9 Cửa điều khiển trên ống bao quay (38) được đóng lại nhờ vành điều khiển trên van trượt (39)

10 Điều này sẽ làm cho trục ra của điều tốc dừng lại ở vị trí cấp nhiên liệu mới Đây là vị trí cân bằng mới ứng với tốc độ đặt trước được lựa chọn và phụ tải mới

Trong cả hai trường hợp, tăng và giảm tải, hệ thống LHN phụ mềm sẽ làm việc ngược chiều nhau Khoảng dịch chuyển của piston chủ động (34) được điều khiển bằng thanh LHN thông qua khớp quay (18)

Tốc độ phục hồi của piston bị động (35) được điều chỉnh bằng độ mở của van kim bù (33) thông qua lượng dầu vào ra khỏi cơ cấu LHN phụ mềm

1.4.4 Bộ điều tốc điện tử

BĐT điện tử là thiết bị điều khiển tốc độ động cơ với ưu điểm phản ứng nhanh và chính xác với sự thay đổi tải động cơ Đây là BĐK làm việc theo nguyên tắc vòng kín (close loop) Khi kết nối BĐK với BTH tỉ lệ và một cảm biến tốc độ điện tử (pick up), nó sẽ điều khiển động cơ làm việc ở một phạm vi thay đổi tốc độ rộng cùng với khả năng làm việc đồng bộ có HSKĐĐ Nó được thiết kế với độ tin cậy và chính xác cao, phù hợp với điều kiện môi trường làm việc khó khăn của động cơ

Đặc trưng đầu tiên của BĐT điện tử là điều chỉnh được tốc độ khởi động động cơ và HSKĐĐ Việc sử dụng những khả năng đặc trưng này của BĐK sẽ giảm lượng khí xả động cơ ở mức tối thiểu trước khi đạt được tốc độ làm việc của động cơ

Một ưu điểm khác của BĐT này là kết hợp việc điều chỉnh HSKĐĐ và làm việc không tải BĐT này có thể được sử dụng cho nhiều loại động cơ khác nhau và cho các ứng dụng đặc biệt khác với các chức năng như bảo vệ sự đảo chiều điện áp (công suất ngược), điện áp nguồn cấp thay đổi, bảo vệ ngắn mạch của BTH và các sự cố về mất tín hiệu cảm biến tốc độ hay điện áp nguồn cấp