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

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 q

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 bị phục vụ nhưbơm, máy nén khí Động cơ điêzel khi hoạt động với các phụ tải loại này có các đặc 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, cácthiết 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, chân vịt, ), điềukiện 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 điện -Dễ dẫn tới tình trạng động cơ bị quá tải, quá tốc hoặc động cơ bị dừng đột ngột => không an toàn

Vì vậy, yêu cầu đặt ra là phải điều chỉnh năng lượng cấp (điều chỉnh tay ga để thay đổi lượng nhiên liệucấp) cho phù hợp với năng lượng tiêu thụ (phụ tải của động cơ) Để thực hiện yêu cầu này có hai biệnpháp:

* Điều chỉnh bằng tay: Do người khai thác thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp tay ga (điều chỉnhnhiên liệu) Nhược điểm của biện pháp này là độ chính xác và tin cậy không cao mặc dù đòi hỏi nhiềucông 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 của động cơluôn ổn định ở một giá trị đặt trước Ưu điểm của biện pháp này là độ chính xác và tin cậy cao, đòihỏi 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 cần thiết Thiết bị

tự động làm nhiệm vụ duy trì ổn định vòng quay của động cơ có thể được gọi là bộ điều chỉnh tốc độ quay, bộđiều 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 trực tiếp (không

sử dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối như hình 1.1) hoặc là hệ thống hoạt động gián tiếp (có sử dụngđộng 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

§éng c¬

Diesel

b¬m cao ¸p

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 tử cảm biếnvòng quay kiểu cơ học tín hiệu này là tín hiệu cơ học tỷ lệ với vòng quay của động cơ - do động cơ dẫnđộng bộ điều chỉnh qua cơ cấu bánh răng truyền động; đối với bộ điều chỉnh vòng quay có phần tử cảmbiến vòng quay kiểu điện, điện tử tín hiệu này là tín hiệu điện 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 điềuchỉnh,

Δh là dịch chuyển của thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu) từ tác động của bộ điều chỉnh để làm thayđổi 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 đổi thì vòngquay 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 để khuếch đại, làmtăng 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,

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ diesel

§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 lượngnày được truyền xuống trục khuỷu làm quay trục tạo ra mô men động Md Năng lượng tiêu thụ là mô mencản Mpt do phụ tải tạo ra (có thể là chân vịt, máy phát điện, bơm, tời ) Có thể mô hình hoá động cơđiêzel 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

 (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      2.1

Trong đó:

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

: 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    2.2

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

pt d

t pt

M dt

Mô men động Md phụ thuộc vào hai thông số chính là vận tốc góc của trục khuỷu và vị trí thanh răng bơm cao

áp, nó có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Md = Md(,h)

Mô men cản Mpt phụ thuộc vào hai thông số chính là công suất của phụ tải và vận tốc góc của trục khuỷu, nó

có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Mpt = Mpt(,Npt)

Tuyến tính hoá các hàm này bằng khai triển Taylor:

! 2

h h

M

! 1

h h

M

! 2

M

! 1

M M

M

2 o 2 d 2 o

d 2

o 2 d 2 o

d do

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

h h

N N

o pt

pt

N N

M

h h

pt

N N

M







Giả sử giá trị các thông số của động cơ ở chế độ định mức là n, hn, Nptn , khử thứ nguyên bằng cách chia

các đại lượng ở cả hai vế của phương trình cho hn, nhân các số hạng ở vế trái với

J

n n

d o

pt n

pt n

ptn

N

N N

M h

M

: hệ số tự ổn định, đặc trưng cho khả năng

tự ổn định vòng quay của động cơ,

Kpt =

o d

o pt pt

n

ptn

h M N M

Thay vào 2.4 ta có phương trình:

f.

K

K dt

d

T   đ    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 và trị số thanh

tức là với động cơ thấp tốc, chi tiết chuyển động quay có quán tính lớn thì Tđ lớn

Hệ số tự chỉnh Kđ phụ thuộc vào Fôđ và

n

n

h



, nếu Kđ > 0 thì động cơ có khả năng tự ổn định còn nếu Kđ <

0 thì động cơ không có khả năng tự ổn định, tính chất này sẽ được đề cập kỹ hơn ở phần sau

Hình 2.2: Đặc tính thay đổi tốc độ của động cơ

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 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 ử khi tín hiệuvào (lượng nhiên liệu cấp) là hàm bước nhảy đơn vị Đường cong này có dạng như hình 2.2

Đường cong biểu thị đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lượng cấp nhiên liệucòn hay được gọi là đặc tính tăng tốc của động cơ độ dốc của đường đặc tính thay đổi tốc độ phụ thuộc vào

Trên thực tế tồn tại thời gian trễ  (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 hệ động 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:

→ 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

J

Fd



Sauđây sẽ lần lượt xét các trường hợp

a

J

Fd



< 0 → F đ > 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 (phụ tải thay đổiđột ngột sau đó lại trở về trạng thái bình thường) thì vòng quay ự của động cơ có khả năng trở lại trạngthái 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 → F đ = 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 trạng thái cânbằng mới được thiết lập lại có thông số không giống với trạng thái cân bằng trước khi có nhiễu

> 0 → F đ < 0: Đường đặc tính của động cơ có dạng như hình vẽ 2.5.

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 trạng thái cân bằngban đầu sẽ bị phá vỡ, vòng quay của động cơ ngày càng lệch xa khỏi giá trị ban đầu (dễ dẫn tới trạng tháidừng 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 dụngcông thức xác định hệ số tự chỉnh của đối tượng điều chỉnh bất kỳ (xem lại giáo trình 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





→ 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 nhỏ nhất mà động

cơ có thể hoạt động ổn định (có khả năng tự ổn định vòng quay) Cũng từ đây có thể thấy rằng động cơ hoạtđộng càng gần chế độ vòng quay định mức thì hệ số tự chỉnh của nó càng cao, nghĩa là động cơ hoạt độngcàng ổn định và tin cậy hơn

φ φ

n

min

F

d max

-B

6 4

§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 gồm hàng loạtcác 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 tốc haichế 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, bộ điềutốc điện - điện tử

 Phân loại theo nguyên lý xây dựng: bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý độ lệch, bộ điều tốc hoạtđộng 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, bộđiều 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 vòng quay củađộng cơ bị sai lệch so với giá trị đặt

A 4 , A 2 , A 5 : 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),

A 1 , A 2 , A 3 : 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 khả năng của động cơ)

10

N(t)PS)

ọ=0 100%

A 4 , A 2 , A 5 : 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),

A 1 , A 2 , A 3 : 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 năng của 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 so với vòngquay cho trước (vòng quay đặt - setting speed) khi phụ tải thay đổi Giả sử vòng quay của động cơ ở chế

độ tĩnh khi không mang tải là no, vòng quay của động cơ ở chế độ tĩnh khi mang 100% tải là n1 thì:

100 n

n 2 1

n n

1 o

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 tác của động cơ Nói cáchkhác khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả năng làm việc của nó thì vòng quay ở các chế độ tĩnhluôn 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 trong phạm 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 điềuchỉnh 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 độ cân bằng tĩnh) có chiềungược 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 quan Đăng 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 song song 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

N(PS) 100%

Nếu sự thay đổi của phụ tải làm thay đổi vòng quay của động cơ nhưng vòng quay chưa vượt ra khỏivùng không nhạy thì bộ điều tốc chưa làm việc, chỉ khi nào sự thay đổi của phụ tải làm cho vòng quayvượt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc mới hoạt động và có tác động điều chỉnh Vùng không nhạyđược đặc trưng bởi hệ số không nhạy ε

Công thức xác định hệ số không nhạy:

100 ''

n ' n 2 1

'' n ' n

Hình 3.6: ảnh hưởng của vùng không nhạy đến 

Hình vẽ 3.6 được dùng để xét ảnh hưởng của  tới : khi  = 0 thì

100 n

n 2 1

n n

1 o

1 o

n 2 1

n n

12 1

12 1

n ( ) n n

2 1

) n n ( ) n n

(

1 o

1 o

n n’

n’’

N(t)PS) 100%

o

1

n n 2 1

n 2 100

n n 2 1

n n

: 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 phần làm giảm 

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 biến vòng quay (do lò xo tốc độ speeder spring), do truyền động từ bộ điều tốc đến thanh răng bơm cao áp, do truyền động từ động cơ đến

-bộ điều tốc Đường đặc tính điều chỉnh do đó có dạng cong

Hình 3.7: Độ phi tuyếnThông số đặc trưng cho độ phi tuyến là hệ số phi tuyến ợ: 100

) '' n ' n ( 2 1

'' n ' n

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 thay đổi vòngquay của động cơ tới khi vòng quay của động cơ được điều chỉnh ổn định trở lại Vòng quay của động cơđược coi là ổn định trở lại khi sự thay đổi của nó nằm trong vùng không nhạy của bộ điều tốc

Thời gian điều chỉnh biểu hiện sự phối hợp công tác giữa bộ điều tốc và động cơ Thời gian điều chỉnhthường 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 bộ điều tốc và công tác bảodưỡng

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 hạnvùng vòng quay hoạt động, khả năng chịu tải của trục ra

Các thông số , ,  là các thông số đặc trưng cho chế độ tĩnh của bộ điều tốc còn tđc, đ là các thông sốđặc trưng cho chế độ động của bộ điều tốc

2

35

64

§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

Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn Khi động cơ hoạtđộng với vòng quay ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc, lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cânbằng 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 cặp quả văngtạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay cùng chiều kimđồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp được đẩy theo chiều (+) tăng lượng nhiên liệu cấp vàođộng cơ Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của 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 bằngđược thiết lập lại thì thanh răng bơm cao 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 nhiênliệu thường là liên kết mềm (qua lò xo hoặc xy lanh giảm chấn)

Hình 4.2: Bộ điều tốc một chế độ

Chú thích hình vẽ: 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)

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 tốcnhiều chế độ có thể được dùng như bộ điều tốc một chế độ khi động cơ chỉ hoạt động ở một vòng quay nhất định,người khai thác sẽ ấn định tốc độ đặt ở một giá trị cố định Trong quá trình khai thác động cơ người khai tháckhông tác động để thay đổi tốc độ đặt của bộ điều tốc (không thay đổi 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 cơ điêzel cỡ nhỏ nhưđộng 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 trì vòng quay

ở no (có thể là một trong các giá trị vòng quay định mức, vòng quay tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cựcđại ) và lân cận ở các chế độ vòng quay khác bộ điều tốc không có tác dụng, động cơ làm việc theo đặctính 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 ở chế độ vòngquay khai thác (hoặc vòng quay định mức) mà còn phải làm việc ổn định cả ở chế độ vòng quay nhỏ (nhưvòng 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 vòngquay nhỏ chỉ có một cặp quả văng hoặc một lò xo làm việc, còn ở chế độ vòng quay lớn hơn cả hai cặpquả 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 quaycủa động cơ tương ứng với vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo thứ nhất 4-1 tại vòng bi chặn 3 Lò xo thứ hai 4-2 tự do Khi vòngquay của động cơ tương ứng với vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quảvăng 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 lên vòng bi chặn

4-1

4-2

Hình 4.4: Bộ điều tốc hai chế độ Chú thích hình vẽ: 1 Động cơ 2 Quả văng 3 Vòng bi chặn 4-1 Lò xo tốc độ thứnhất 4-2 Lò xo tốc độ thứ hai 5 Thanh truyền 6 Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiênliệu)

Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc Giả sử phụ tải củađộng cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xothứ nhất sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay cùng chiều kim đồng hồquanh 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 thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặpquả văng tạo ra sẽ dần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng được thiếtlập lại thì thanh răng bơm cao áp ở một vị trí khác tương ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bịthay đổi một ít

Trường hợp động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc và có sự thayđổi phụ tải, bộ điều tốc sẽ hoạt động tương tự chỉ khác là lực ly tâm của cặp quả văng tạo ra phải cânbằng 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 độ

Hình 4.3 biểu thị dạng đường đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độ, hai chế độ làm việc là vòng quaykhai thác và vòng quay tối thiểu ổn định Trong khoảng giữa hai chế độ vòng quay này bộ điều tốc bị ngắtkhỏi quá trình công tác, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không có bộ điều tốc và người khai thácđiều 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

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 quaycủa động cơ tương ứng với vòng quay làm việc của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cânbằng 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 tải của động cơtăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩyvòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay 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 cấpvào động cơ đã tăng lên thì vòng quay của động cơ sẽ dần tăng lên, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra sẽdần cân bằng với sức căng lò xo trên vòng bi chặn Khi trạng thái cân bằng được thiết lập lại thì thanhrăng bơm cao áp ở một vị trí khác tương ứng với phụ tải mới, sức căng của lò xo tốc độ bị thay đổi một ít

1

2

35

64

7

Hình 4.6: Bộ điều tốc nhiều chế độ Chú thích hình vẽ: 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) 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 sẽ đẩy thanh răng nhiênliệu theo chiều (+), cấp thêm nhiên liệu vào động cơ để tăng vòng quay của động cơ Trạng thái cân bằngđược lập lại khi vòng quay của động cơ đạt tới giá trị đặt mới (tạo ra lực ly tâm của cặp quả văng cânbằng với sức căng mới của lò xo)

m đ

bộ điều chỉnh tới thanh răng nhiên liệu

RãnhChốt

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 bộ điều tốc

Bộ điều tốc nhiều chế độ có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm, khi trang

bị cho động cơ điêzel lai máy phát điện thì vòng quay đặt trước được đặt ở vòng quay định mức của máyphát 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 làm cho bộ điềutốc hoạt động liên tục, do đó lượng nhiên liệu cấp vào động cơ bị thay đổi liên tục dẫn tới trạng thái nhiệtcủa các chi tiết thay đổi nhiều Các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu (bơm cao áp, vòi phun) cũng thayđổi trạng thái làm việc với tần số lớn Trước đây có những động cơ điêzel không được trang bị bộ điều tốcnhiều chế độ mà được trang bị bộ điều tốc giới hạn Các bộ điều tốc này chỉ hoạt động khi phụ tải thayđổi nhiều làm vòng quay của động 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 thay đổi nhiều làmvòng quay của động cơ lớn hơn vòng quay cực đại thì bộ điều tốc mới làm việc Cũng có thể gặp bộ điềutốc giới hạn vòng quay cực đại và cực tiểu Các bộ điều tốc giới hạn có thể là bộ điều tốc một chế độ, haichế độ, hoặc nhiều chế độ với cơ cấu truyền động đặc biệt từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiênliệu để đảm bảo bộ điều tốc chỉ có tác dụng giới 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 vòngquay của động cơ vượt quá vòng quay cực đại, trục ra của bộ điều tốc kéo thanh liên kết tới vị trí làm chốt

tì vào đầu rãnh và kéo thanh răng nhiên liệu ra để giảm nhiên liệu cấp vào động cơ, giảm vòng quay củađộng cơ Khi vòng quay của động cơ đã giảm xuống dưới vòng quay cực đại thì chốt được nhả ra không tìvào đầu rãnh nữa, động cơ lại hoạt động bình thường không có sự can thiệp của bộ điều tốc

§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 tử nào đó đếnđầu vào của chính phần tử này hoặc đầu vào của một phần tử khác nằm trước nó với mục đích tăng chấtlượng 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 phản hồi có tínhiệu ra xrht tỷ lệ với tín hiệu vào xvht:

Hình vẽ 5.1 minh họa sơ đồ khối của bộ điều tốc cơ khí - thủy lực với phần tử phản hồi phụ Đây là một

sơ đồ tổng quát của bộ điều tốc có cả liên hệ ngược cứng và mềm Trên thực tế bộ điều tốc có thể chỉ cóliên hệ ngược mềm hoặc liên hệ ngược cứng

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

CSpeeder

Spring

Flyweights

Spring holder

Thrust bearingBallhead

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

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

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

ở một vị trí nhất định Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi

xi lanh lực Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệutương ứng với phụ tải hiện tại của động cơ

Trong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ tức thời bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo

ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A) của thanh truyềnliên hệ ngược cứng đi xuống vị trí (A’) Thanh ABC quay tức thời quanh đầu bên phải C, điểm (B) đixuống vị trí (B’) kéo van trượt điều khiển đi xuống Do đó khoang phía bên dưới của xi lanh lực đượcthông với đường dầu cấp từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump Dầu được cấpvào khoang bên dưới và xả ra từ khoang trên của xilanh lực đẩy piston lực đi lên kéo trục điều khiểnthanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Lúc đó đầu C của thanhABC đi lên vị trí C” (thanh ABC quay tức thời quanh A) vì vậy B’ được kéo lên, tác động này có xuhướng kéo cho 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 ABCKhi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực li tâm do cặp quảvăng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trượt do đó lại được đẩy dần lên, đầu Acủa thanh truyền ABC thay đổi vị trí từ A’ tới A” Quá trình điều chỉnh kết thúc khi van trượt điều khiểnđược kéo về vị trí đóng kín các cửa dầu và cố định vị trí của piston lực tức là vị trí của điểm B lại thay đổi

từ B’ tới B”=B Trạng thái cân bằng được thiết lập với vị trí thanh ABC bây giờ là A”BC” Sức căng của lò

xo tốc độ bị thay đổi một ít tương đương 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 quay của động cơtăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới Trường hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt độngngược 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 dạng như hình vẽ5.5) ở các trạng thái cân bằng tương ứng với các phụ tải có công suất khác nhau thì vị trí của điểm C (vịtrí thanh răng nhiên liệu) sẽ thay đổi (C => C”) do đó vị trí của A cũng thay đổi (A => A”) Hậu quả làsức căng lò xo cũng bị thay đổi đi một lượng nhỏ tức là vòng quay của động cơ sau khi trạng thái cânbằng được thiết lập sẽ bị sai lệch so với giá trị đặt một lượng nhỏ Có thể thay đổi ọ bằng cách thay đổi vịtrí 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 tảikhác nhau giảm đi Ngược lại nếu đưa B về gần C sẽ làm tăng δ

o

5.5: 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 do tính chất hoạtđộng của liên hệ ngược là theo qui luật tỷ lệ Hình 5.3 biểu thị quy luật thay đổi lượng 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 tốcphù hợp Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc thay đổi theo tình trạng kỹ thuật vì vậy khi bộ điều tốc vàđộng cơ đã cũ sẽ dẫn tới trường hợp thời gian điều chỉnh và thời gian thay đổi tốc độ của động cơ khôngcòn phù hợp Khi đó động cơ sẽ có khói đen khi tăng tải hoặc vòng quay của động cơ lâu trở về trạng tháicân 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 cơđiêzel 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 dầuVành 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 tử phản hồi cútớn 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 ngượcmềm 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 xo này ởtrạng thỏi tự do (khụng chịu kộo, nộn) khi bộ điều tốc ở trạng thỏi cõn bằng Xem chi tiết ở hỡnh vẽ5.3

 Kiểu cặp piston bự trong hệ thống bỡnh thụng nhau: bao gồm piston chủ động, piston bị động, van tiếtlưu 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 vàvan kim tiết lưu Hỡnh 6.2 thể hiện cấu tạo của một liờn hệ ngược mềm kiểu này

Hỡnh 6.2: Liờn hệ ngược mềm kiểu cặp piston ngăn kộo (bự thuỷ lực)

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

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 bằng với lực lytâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu bên trái (A) của thanh truyền ABC đứng yên ở một vị trínhất định Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi xi lanh lực.Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tương ứng vớiphụ 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 văng tạo ra nhỏhơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A) của thanh truyền ABC đixuống vị trí (A’) Thanh ABC này quay tức thời quanh đầu bên phải (C), điểm (B) đi xuống vị trí (B’) kéotheo van trượt điều khiển đi xuống Do đó khoang bên dưới của xi lanh lực thông với đường dầu cấp từbơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump Dầu được cấp vào khoang phía bên dưới và

xả ra ở khoang trên của xilanh lực làm cho piston lực bị đẩy đi lên kéo trục điều khiển thanh răng nhiênliệu quay theo chiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ

o

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 kéocho van trượt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngược với tác động trong giai đoạn trước).Đồng thời khi piston lực đi lên do dầu phải tiết lưu qua van kim tiết lưu nên tức thời lò xo bù bị nén lại.Một khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòng quay của động cơ tăng dần lên, lực li tâm do cặpquả văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với 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 rađẩy dầu từ khoang trên qua van kim tiết lưu xuống khoang dưới của xilanh bù làm cho piston bù chuyểnđộng xuống dưới (nghĩa là điểm (C) đi xuống (C”=>C’”)) Tốc độ chuyển động của piston bù (tốc độchuyển động của điểm (C)) phụ thuộc vào độ mở của van kim tiết lưu, vào độ nhớt của dầu và độ cứngcủa lò xo Nếu tốc độ đi lên của điểm (A) và tốc độ đi xuống của điểm (C) phù hợp nhau thì thanh ABC

sẽ quay quanh B”’=B nghĩa là van trượt điều khiển sẽ được duy trì ở vị trí đóng kín các cửa dầu Pistonlực do đó được cố định và xác lập một vị trí thanh răng nhiên liệu mới tương ứng với sự thay đổi của phụtải

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 dao động quanh

vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trượt được định vị tại vị trí đóngkín 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 xilanh lực tức làđiểm B’ lại trở về điểm B’”=B”=B Vị trí của thanh ABC ở trạng thái cân bằng mới A’”B”’C”’=ABC Lò

xo bù lại trở về trạng thái tự do không chịu kéo, nén Chỉ có vị trí tương đối của piston và xilanh bù làthay đổi

Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quay của động cơtăng 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

Hình 6.5: Đặc tính điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược mềmThời gian điều chỉnh của bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm 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 chocác động cơ khác nhau mà không cần thay đổi cấu trúc của bộ điều tốc và khi động cơ, bộ điều tốc đã cũvẫn có thể hiệu chỉnh để có thể phối hợp tốt với nhau

Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai chân vịt, lai máy phátđiện 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 và nguyên lý hoạt động 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

7.2.1 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 lytâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu (E) của thanh truyền tự do EFG (floating lever) đứng yên ởmột vị trí nhất định Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín cửa dầu vào xi lanh lực.Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tương ứng vớiphụ tải hiện tại của động cơ ở trạng thái cân bằng lò xo của cơ cấu bù (compensating spring) ở trạng thái

tự do không chịu kéo và không chịu nén

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’) Tácđộng này có xu hướng giảm sức căng của lò xo tốc độ Kết quả là giảm tín hiệu độ lệch (giữa lực ly tâm

và sức căng lò xo tốc độ), và van trượt điều khiển sẽ có xu hướng được kéo lên đóng kín cửa dầu điềukhiển Khi đó thanh truyền tự do EFG dịch chuyển như 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 lên làm cho lò xo bù (compensating spring) bịnén lại, đầu (G) của thanh truyền EFG sẽ đi lên Một khi nhiên liệu cấp vào động cơ tăng lên, vòng quaycủa 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 lại được đẩy dần lên, đầu (E) của thanh truyền EFG đi lên (E”=>E’”) Trong khi đó

lò xo bù khi 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 vankim 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 xuốngcủa điểm (G) phù hợp nhau thì thanh EFG sẽ quay quanh F”’=F nghĩa là van trượt điều khiển sẽ được duytrì ở vị trí đóng kín cửa dầu điều khiển Piston lực do đó được cố định và xác lập một vị trí mới của thanhrăng nhiên liệu tương ứng 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 dao động quanh

vị trí cân bằng, quá trình điều chỉnh cứ thế lặp đi lặp lại cho tới khi van trượt được định vị tại vị trí đóngkín các cửa dầu Trong trường hợp này vòng quay của động cơ bị dao động

Trạng thái cân bằng được thiết lập khi van trượt điều khiển che kín các cửa dầu ra, vào xilanh lực tức làđiểm 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 làthay đổi so với ban đầu

Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quay của động cơtăng 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.



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 có liên hệngược tổng hợp khi phụ tải thay đổi được thực hiện từng bước cho nên quá trình điều chỉnh cũng được mềmhoá 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, lai máy phát điệnlàm 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 thay đổi từnhỏ 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 hiệnnguyên 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 độdòng tải (đối với động cơ điêzel lai máy phát điện), và cảm biến công suất-vòng quay của động cơ(đối với động cơ điêzel lai chân vịt)