Nghiên cứu lắp đặt bộ điều tốc điện tử cho động cơ diesel tàu thủy

Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu ở nước ta ngày càng phát triển với số lượng tàu có tải trọng lớn ngày một gia tăng. Sự trẻ hóa độ tuổi của đội tàu và năng lực vận tải nhằm để đáp ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trong lĩnh vực vận chuyển bằng đường biển. Do đó, các trang thiết bị trên tàu cũng được hiện đại hóa với mức độ tự động điều khiển ngày càng cao. Trong xu thế đó, hệ động lực chính và phụ ở buồng máy cũng được trang bị hiện đại hóa, trong đó có bộ điều tốc điện tử dùng để duy trì ổn định tốc độ của động cơ. Bộ điều tốc điện từ đang dần thay thế cho các bộ điều tốc cơ thủy lực bởi tính chính xác của nó trong hoạt động điều khiển và duy trì tính ổn định của động cơ, góp phần vào việc đảm bảo an toàn trong khai thác tàu. Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi người vận hành máy phải có đầy đủ kiến thức chuyên môn và kỹ năng để vận hành, điều khiển, điều chỉnh, bảo dưỡng và khắc phục các sự cố hoặc hỏng hóc liên quan đến điều tốc trong suốt thời gian động cơ hoạt động, cũng như nắm rõ các chế độ quá độ của động cơ khi hoạt động trong điều kiện phụ tải luôn thay đổi. Xét tình hình thực tế của xưởng thực hành động cơ sẵn có tại Khoa máy thuộc trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, căn cứ trên nhu cầu cần thiết của công việc trên các đội tàu biển, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu lắp đặt bộ điều tốc điện tử cho động cơ Diesel tàu thủy. Mô phỏng và khảo sát bằng thực nghiệm quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải”. Đề tài nghiên cứu ra đời nhằm phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy của giáo viên và nhu cầu tiếp cận thực tế của sinh viên đối với các thiết bị điều khiển công nghệ cao đang được lắp đặt dưới buồng máy tàu thủy hiện nay. Đồng thời, nó cũng giúp cho các sỹ quan máy đang làm việc trên các tàu biển có thể hiểu rõ các chế độ làm việc của động cơ ứng với các điều kiện khai thác khác nhau, cũng như tác động điều khiển của bộ điều tốc điện tử lên động cơ trong suốt các quá trình quá độ này, làm cho người vận hành không còn bối rối và có đủ tự tin để xử lý các tình huống trong khai thác, giúp duy trì hệ động lực ở trạng thái làm việc tốt nhất.

2.1 Tính thời sự và nhu cầu cấp thiết của đề tài 7

Chương 3 Cơ sở lý thuyết tự động điều chỉnh và điều khiển tốc độ quay động cơ Diesel tàu thủy 9

3.3 Sơ đồ chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay

3.6 Giới thiệu về bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E 19

Mục Nội dung Trang

Chương 4 Cơ sở lý thuyết quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy 30 4.1 Các chế độ làm việc và quá trình quá độ của động cơ Diesel

4.1.1 Chế độ làm việc tĩnh của động cơ Disesel tàu thủy 30

4.1.2 Chế độ làm việc động và các quá trình quá độ của động cơ

4.2 Tính chất động học của động cơ Diesel tàu thủy 36 4.2.1 Tính chất động học của động cơ Diesel khi làm việc với chân

4.3.1 Mối quan hệ giữa vòng quay, phụ tải và thanh răng nhiên liệu

4.3.2 Phương trình động của động cơ Diesel 41

4.3.3 Quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi lượng cấp nhiên

Mục Nội dung Trang

5.2.1.2 Giao tiếp qua rãnh cắm theo chuẩn PCI 55

5.3 Ghép nối máy tính với các thiết bị đo lường 58 Chương 6 Ứng dụng Simulink/Matlab trong mô phòng quá trình quá độ

của động cơ Diesel khi thay đổi phụ tải 59

6.2 Mô phỏng quá trình quá độ của động cơ Diesel khi phụ tải

6.2.1 Mô phỏng bằng lý thuyết quá trình quá độ 60

6.2.2 Mô phỏng bằng các ngôn ngữ lập trình 62

6.2.3 Mô phỏng bằng thư viện Simulink/Matlab 63

6.3 Ứng dụng thư viện Simulink mô phỏng quá trình quá độ của

động cơ Diesel có trang bị bộ đều tốc điện tử 65

6.3.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tần số thành điện áp 68

Mục Nội dung Trang

7.1.5 Các phần tử cảm ứng vòng quay và vị trí thanh răng 80

7.2.2 Khảo sát quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải 84

CHƯƠNG 1 - MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Nhằm đi sâu tìm hiểu lý thuyết quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy, cũng như khảo sát thực tế một cách trực quan các quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy sẵn có tại xưởng thực hành động cơ của trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM Kết quả rút ra từ quá trình thực nghiệm này sẽ là cơ sở để củng cố lại lý thuyết giảng dạy môn học trên lớp, cũng như nâng cao công tác thực hành trong nhà trường, giúp Thầy và trò ứng dụng kiến thức môn học và công nghệ tiên tiến vào thực tiễn công việc trên tàu Đó chính là lý do của việc chọn đề tài nghiên cứu này

1.2 Mục đích của đề tài

Mục đích duy nhất của đề tài là nghiên cứu để ứng dụng và lắp đặt các thiết bị điều khiển điện tử tiên tiến nhất hiện nay vào một động cơ Diesel tàu thủy sẵn có tại xưởng thực hành của nhà trường để nâng cao khả năng điều khiển tối ưu quá trình làm việc của động cơ Đồng thời kết hợp với kỹ thuật lập trình và đo lường bằng máy tính để khảo sát các quá trình quá độ xảy ra bên trong động cơ khi làm việc và xuất dữ liệu trực quan ra màn hình Kết quả của đề tài này sẽ được ứng dụng trực tiếp vào công tác giảng dạy lý thuyết trên lớp và thực hành tại xưởng động cơ cho sinh viên chuyên ngành máy tàu thủy

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là động cơ Diesel thủy hiệu VM MOTORI HR-M do Ý sản xuất, có trang bị thiết bị thử tải kiểu thủy lực đang được lắp đặt tại xưởng thực hành máy tàu thủy, cơ sở Quận 12, thuộc trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM Sau khi tiến hành bảo dưỡng để đưa động cơ về trạng thái làm việc bình thường, sẽ tiến hành nghiên cứu lắp đặt mới bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E SERIES do Mỹ sản xuất làm thiết bị chính điều khiển tốc độ động cơ trong quá trình làm việc Ứng dụng Simulink/Matlab để mô phỏng quá trình quá độ

của động cơ Kết hợp với lập trình và đo lường bằng máy tính để khảo sát và kiểm tra lại kết quả bằng thực nghiệm các quá trình quá độ diễn ra bên trong động cơ

1.4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

1.4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu, vận tải đường biển là liên tục và ngày một cải tiến Do đó, đòi hỏi sự phát triển của công nghệ điều khiển và trang thiết bị máy móc ở buồng máy tàu thủy Điều này, yêu cầu người vận hành phải luôn cập nhật kiến thức, trau dồi và nâng cao chuyên môn, kỹ năng nghề nghiệp

Đề tài nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết chuyên sâu về chế độ quá độ của động

cơ Diesel tàu thủy, điều tốc điện tử hiện đại, kỹ thuật điều khiển lập trình và đo lường ứng dụng, kết hợp với máy tính Kết quả của đề tài góp một phần quan trọng trong tiến trình cải tiến công nghệ, nâng cao tính làm việc tin cậy của hệ động lực lắp đặt trên tàu và hoàn thiện kỹ năng của người vận hành

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Trong khai thác hệ động lực, nhu cầu chăm sóc, bảo dưỡng động cơ, hiệu chỉnh, xử lý các hỏng hóc, đặc biệt là trong các giai đoạn quá độ khi phụ tải động cơ thay đổi liên tục là yếu tố quan trọng và cần thiết Vì vậy, đề tài này giúp cho các sỹ quan máy đang làm việc trên các tàu biển có thể hiểu rõ chế độ làm việc của động

cơ ứng với các điều kiện khai thác khác nhau, tác động điều khiển của bộ điều tốc điện tử lên động cơ ở các quá trình quá độ Từ đó, làm cho người vận hành không còn bối rối và có đủ tự tin để xử lý các tình huống trong khai thác, giúp duy trì hệ động lực ở trạng thái làm việc tốt nhất

Đề tài cũng giúp ích cho các bạn sinh viên khi còn ngồi trên ghế giảng đường

có thể hiểu rõ hơn nội dung của môn học lý thuyết trên lớp và có những trải nghiệm ban đầu trước khi bước chân xuống làm việc thực tế trên các đội tàu biển

CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

2.1 Tính thời sự và nhu cầu cấp thiết của đề tài

Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu ở nước ta ngày càng phát triển với số lượng tàu có tải trọng lớn ngày một gia tăng Sự trẻ hóa độ tuổi của đội tàu và năng lực vận tải nhằm để đáp ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trong lĩnh vực vận chuyển bằng đường biển Do đó, các trang thiết bị trên tàu cũng được hiện đại hóa với mức

độ tự động điều khiển ngày càng cao Trong xu thế đó, hệ động lực chính và phụ ở buồng máy cũng được trang bị hiện đại hóa, trong đó có bộ điều tốc điện tử dùng để duy trì ổn định tốc độ của động cơ

Bộ điều tốc điện từ đang dần thay thế cho các bộ điều tốc cơ - thủy lực bởi tính chính xác của nó trong hoạt động điều khiển và duy trì tính ổn định của động cơ, góp phần vào việc đảm bảo an toàn trong khai thác tàu Tuy nhiên, điều này cũng đòi hỏi người vận hành máy phải có đầy đủ kiến thức chuyên môn và kỹ năng để vận hành, điều khiển, điều chỉnh, bảo dưỡng và khắc phục các sự cố hoặc hỏng hóc liên quan đến điều tốc trong suốt thời gian động cơ hoạt động, cũng như nắm rõ các chế độ quá độ của động cơ khi hoạt động trong điều kiện phụ tải luôn thay đổi Xét tình hình thực tế của xưởng thực hành động cơ sẵn có tại Khoa máy thuộc trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, căn cứ trên nhu cầu cần thiết của công

việc trên các đội tàu biển, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu lắp đặt bộ điều tốc điện tử cho động cơ Diesel tàu thủy Mô phỏng và khảo sát bằng thực nghiệm quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải”

Đề tài nghiên cứu ra đời nhằm phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy của giáo viên và nhu cầu tiếp cận thực tế của sinh viên đối với các thiết bị điều khiển công nghệ cao đang được lắp đặt dưới buồng máy tàu thủy hiện nay Đồng thời, nó cũng giúp cho các sỹ quan máy đang làm việc trên các tàu biển có thể hiểu rõ các chế độ làm việc của động cơ ứng với các điều kiện khai thác khác nhau, cũng như tác động điều khiển của bộ điều tốc điện tử lên động cơ trong suốt các quá trình quá

độ này, làm cho người vận hành không còn bối rối và có đủ tự tin để xử lý các tình huống trong khai thác, giúp duy trì hệ động lực ở trạng thái làm việc tốt nhất

2.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Với mục tiêu giải quyết các vấn đề thực tế nêu trên, đề tài đi vào nghiên cứu lắp đặt mới bộ điều tốc điện tử cho động cơ có sẵn tại xưởng thực hành, đi sâu nghiên cứu lý thuyết của các quá trình quá độ trong động cơ Diesel, ứng dụng mô phỏng Simulink/Matlab và kỹ thuật lập trình máy tính để khảo sát quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải

2.3 Phương pháp nghiên cứu đề tài

Dùng phương pháp phân tích, tổng hợp để nghiên cứu lý thuyết quá trình quá

độ của động cơ Diesel tàu thủy, lý thuyết tự động điều khiển và điều chỉnh, nguyên

lý làm việc của bộ điều tốc điện tử

Dùng phương pháp nghiên cứu thử nghiệm tiến hành lắp đặt hoàn chỉnh bộ điều tốc điện tử trên động cơ Diesel tại xưởng thực hành ở cơ sở Quận 12, thuộc Trường Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, kiểm tra sự làm việc của điều tốc điện

tử khi thay đổi phụ tải của động cơ Diesel

Dùng phương pháp mô hình hóa bằng ứng dụng mô phỏng Simulink trong Matlab để xây dựng mô hình lý thuyết, khảo sát quá trình làm việc ở chế độ quá độ của động cơ Diesel tàu thủy có trang bị bộ điều tốc điện tử khi thay đổi phụ tải

Sử dụng ngôn ngữ lập trình ứng dụng Visual basic và kỹ thuật đo lường điều khiển để kết nối các thông số, dữ liệu từ động cơ đến máy tính, tiến tới khảo sát thực nghiệm quá trình quá độ trong động cơ Diesel có trang bị bộ điều tốc điện tử khi phụ tải thay đổi

CHƯƠNG 3 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH

VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY ĐỘNG CƠ

3.1 Điều khiển là gì ?

Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trước Để có thể hiểu rõ hơn khái niệm về điều khiển, chúng ta tìm hiểu ví dụ dưới đây:

Một người đàn ông điều khiển xe gắn máy và anh ta muốn điều khiển xe ở tốc

độ là 50 km/giờ Như vậy, 50 km/giờ là giá trị vòng quay cho trước mà người điều khiển mong muốn duy trì không đổi trong quá trình điều khiển xe máy

Khi này, anh ta sẽ nhìn vào đồng hồ chỉ báo vòng quay trên xe máy Đồng hồ

sẽ chỉ báo tốc độ thực mà xe đang chạy và người đàn ông này sẽ so sánh giữa tốc độ thực của xe và tốc độ mong muốn đạt được Nếu hai giá trị tốc độ này bằng nhau thì anh ta vẫn giữa nguyên tay ga Nếu tốc độ thực lớn hơn tốc độ mong muốn thì anh

ta sẽ giảm tay ga để tốc độ thực giảm xuống bằng với tốc độ mong muốn Ngược lại, anh ta phải tăng tay ga để tăng tốc độ động cơ lên đến giá trị mong muốn cho trước Khi tốc độ thực bằng với tốc độ mong muốn, ta nói người điều khiển ở trạng thái cân bằng, nghĩa là anh ta không thay đổi vị trí tay ga

Như vậy, quá trình lái xe ở trên chính là một quá trình điều khiển Trong quá trình điều khiển, người lái xe cần thu thập thông tin về đối tượng cần điều khiển (quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe) Tùy theo thông tin thu thập được và mục đích điều khiển mà người điều khiển sẽ có cách xử lý thích hợp (quyết định tăng hoặc giảm tay ga nhiên liệu) nhằm tác động vào đối tượng điều khiển để hoạt động của đối tượng được điều khiển theo yêu cầu mong muốn

3.2 Vì sao phải điều tốc động cơ ?

Một chú ngựa bất kham đang phi nước đại trên đường là một cảnh tượng vô cùng hùng vĩ Tuy nhiên, để được việc thì chú ngựa này phải được thuần dưỡng và

có thể điều khiển theo ý muốn

R(s)

C(s)

Y(s) U(s)

E(s)

Cũng giống như thế, tất cả các nguồn năng lượng đều phải được điều khiển để chuyển đổi thành dạng năng lượng có ích và để điều khiển tốc độ hay công suất ra của động cơ, người ta sử dụng một thiết bị hoàn chỉnh có tên gọi là bộ điều tốc

3.3 Sơ đồ chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ

Hình 3.1: Sơ đồ chức năng của hệ thống điều chỉnh tốc độ quay động cơ

R(s) : Tín hiệu đầu vào

C(s) : Tín hiệu phản hồi

E(s) : Độ lệch giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi

U(s) : Tín hiệu điều khiển

Y(s) : Tín hiệu đầu ra

Để thực hiện quá trình điều khiển, một hệ thống điều khiển cần phải có ba thành phần cơ bản là thiết bị đo lường (cảm biến), bộ điều khiển và đối tượng điều khiển Thiết bị đo lường có chức năng thu thập thông tin, bộ điều khiển thực hiện chức năng xử lý thông tin, ra quyết định điều khiển và đối tượng điều khiển chịu sự tác động của tín hiệu điều khiển

Trở lại ví dụ đã trình bày ở trên, ta thấy đối tượng điều khiển chính là chiếc xe máy (hay động cơ gắn trên xe), thiết bị đo lường (cảm biến) chính là đồng hồ đo tốc

độ và đôi mắt của người điều khiển xe, bộ điều khiển chính là bộ não của người điều khiển xe, cơ cấu chấp hành chính là cánh tay của người điều khiển xe Tín hiệu đầu vào R(s) là 50 km/h, tín hiệu ra Y(s) chính là tốc độ thực của xe máy Tín hiệu phản hồi C(s) là vị trí kim chỉ báo trên đồng hồ đo tốc độ Độ lệch E(s) chính là hiệu số giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực của xe máy Tính hiệu điểu khiển U(s) chính

là góc quay của tay ga xe máy

Cảm biến

Đối tượng điều khiển

Bộ điều khiển

3.4 Lịch sử phát triển của điều tốc

Bộ điều tốc hay bộ giới hạn tốc độ được sử dụng để đo đạc và điều chỉnh tốc

độ của các thiết bị máy móc như là động cơ Loại cổ điển nhất là bộ điều tốc ly tâm Watt hay còn gọi là bộ điều tốc kiểu quả văng, hoạt động theo nguyên lý sử dụng các quả văng lắp trên các tay đòn chịu tải của lò xo để xác định mức độ nhanh chậm của trục quay, từ đó điều chỉnh tốc độ trục quay theo nguyên tắc điều khiển tỷ lệ

Kể từ thế kỷ 17, các bộ điều tốc ly tâm đã được sử dụng để điều chỉnh khoảng cách và áp suất ở cối xay gió Các động cơ hơi nước đầu tiên đơn thuần chỉ có chuyển động tịnh tiến và được ứng dụng làm bơm nước, mà ở đó có thể bỏ qua sự sai khác về tốc độ, cho đến khi kỹ sư người Xcốt-len – James Watt cho ra đời một động cơ hơi nước chuyển động quay dùng để truyền động các thiết bị trong nhà máy, nơi đòi hỏi sự không đổi về tốc độ quay Từ năm 1775 – 1800, James Watt cùng với nhà tư bản công nghiệp Matthew Boulton đã sản xuất ra khoảng 500 động

cơ con lắc chuyển động quay Ở trung tâm của các động cơ này là bộ điều tốc con lắc hình nón do Watt tự thiết kế gồm một bộ các quả văng bằng thép, chuyển động quay được gắn trên một trục đứng thông qua cần nối

Hình 3.2: Bộ điều tốc kiểu quả văng James Watt gắn trên mô hình động cơ hơi

nước

Bộ điều tốc quả văng hoạt động theo nguyên tắc lực ly tâm và trọng lượng của quả văng Khi vòng quay của trục dẫn động thay đổi sẽ làm lực ly tâm của quả văng thay đổi, dưới tác dụng của lực trọng trường tác dụng vào quả văng không đổi sẽ làm cho quả văng bay ra xa hoặc khép lại theo đường tâm thẳng đứng Sự dịch chuyển của quả văng sẽ làm cho ổ đỡ xoay đầu quả văng dịch chuyển lên xuống tùy thuộc vào tốc động quay dẫn động cụm quả văng Nguời ta sử dụng độ dịch chuyển này nối với cơ cấu điều khiển van cấp hơi của động cơ để điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Thiết bị này có khả năng duy trì vòng quay của động cơ ở một giá trị cho trước theo yêu cầu Nhờ vào cấu tạo đơn giản và tiện ích của thiết bị này, nên nó

đã được lắp đặt phổ biến trên các động cơ hơi nước sản xuất ở thế kỷ 18 trang bị trên các phương tiện giao thông vận tải, đặc biệt là sử dụng trên các đầu kéo xe lửa

và máy chính tàu thủy

3.5 Phân loại điều tốc động cơ

3.5.1 Bộ điều tốc cơ khí

Bộ điều tốc cơ khí có cấu tạo đơn giản bao gồm cơ cấu lò xo đặt tốc độ, cụm quả văng ly tâm và hệ thống cần nối điều chỉnh van cấp nhiên liệu vào động cơ Hình (3.3) bên dưới mô tả cấu tạo của một bộ điều tốc cơ khí

Hình 3.3: Cấu tạo của một bộ điều tốc cơ khí

Cơ cấu quả văng được truyền chuyển động quay từ động cơ qua hệ truyền động bánh răng, có tác dụng cảm biến giá trị thực của vòng quay động cơ Lực ly tâm sinh ra từ chuyển động quay của cụm quả văng sẽ tác dụng theo phương thẳng đứng, lên trên khớp trượt

Lò xo tốc độ dùng để đặt tốc độ cho trước ở động cơ thông qua sức căng ban đầu Lực của lò xo tốc độ tác động theo phương thẳng đứng, xuống dưới khớp trượt Khớp trượt là nơi so sánh giữa lực ly tâm của quả văng và lực của lò xo tốc độ

Độ chênh lực sinh ra sẽ tạo ra dịch chuyển của khớp trượt theo phương thẳng đứng Thông qua hệ cơ cấu thanh truyền nối giữa khớp trượt và thanh răng nhiên liệu sẽ làm cho lượng nhiên liệu cấp vào động cơ thay đổi theo chiều tương ứng với sự thay đổi của vòng quay động cơ Các hình bên dưới mô tả chi tiết hơn hoạt động của bộ điều tốc cơ khí

Hình 3.4(a) thể hiện động cơ đang làm việc ở trạng thái cân bằng Khi này, lực

ly tâm của quả văng cân bằng với lực của lò xo tốc độ và công suất động cơ phát ra bằng với công suất phụ tải tiêu thụ.Van nhiên liệu được giữ nguyên ở vị trí không đổi

Hình 3.4(a) Hình 3.4(b)

Hình 3.4(c)

Hình 3.4(b) thể hiện trạng thái mất cân bằng ở động cơ khi phụ tải động cơ tăng lên và vòng quay tức thời giảm xuống Lực ly tâm của quả văng sinh ra lúc này

bé hơn lực của lò xo tốc độ, làm cho khớp trượt dịch chuyển xuống dưới Thông qua

hệ thanh truyền, làm dịch chuyển van nhiên liệu lên trên, về phía mở to lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Do đó, vòng quay động cơ tăng dần trở lại giá trị ban đầu Hình 3.4(c) thể hiện trạng thái tác động theo chiều ngược lại khi phụ tải động

cơ giảm xuống và vòng quay động cơ tức thời tăng lên Lực ly tâm của quả văng sinh ra lúc này sẽ lớn hơn lực của lò xo tốc độ, làm cho khớp trượt dịch chuyển lên trên Thông qua hệ thanh truyền, làm dịch chuyển van nhiên liệu xuống dưới, về phía đóng bớt lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Do đó, vòng quay động cơ giảm dần về giá trị ban đầu

Bộ điều tốc thủy lực thông thường gồm có ba nhóm chi tiết chính:

 Lò xo tốc độ dùng để đặt tốc độ cho trước ở động cơ và cụm quả văng ly tâm dùng để cảm biến tốc độ thực của động cơ

 Hệ van trượt điều khiển và piston lực sử dụng dầu thủy lực để thực hiện quá trình điều khiển, trong đó dịch chuyển ở đầu ra của piston lực sẽ dịch chuyển thanh răng nhiên liệu theo chiều tăng hoặc giảm lượng nhiên liệu cấp vào động

cơ tương ứng với tác động ở đầu vào

 Hệ thống piston bù mềm dùng để bù trừ các đáp ứng khác nhau giữa động cơ

và bộ điều tốc

Trục chủ động của bộ điều tốc lai ống bao quay thông qua một khớp nối dạng

âm dương Đồng thời trục chủ động của bộ điều tốc còn lai một bánh răng ăn khớp ngoài, cấp dầu có áp cho bộ điều tốc hoạt động

Trên đỉnh của ống bao quay có gắn một đĩa cùng với cụm quả văng ly tâm Sự biến thiên của vòng quay động cơ được quả văng ly tâm cảm nhận và biến đổi thành lực đẩy tác dụng từ dưới lên vào khớp trượt Ở phía trên đỉnh con trượt điều khiển

có một lò xo đặt tốc độ và một cơ cấu làm thay đổi sức căng ban đầu của lò xo Chúng làm nhiệm vụ của phần tử đặt tốc độ cho trước ở động cơ Sự so sánh giữa lực của lò xo tác động từ phía trên xuống với lực đẩy của quả văng từ dưới lên sẽ cho ra vị trí của con trượt điều khiển (theo phương thẳng đứng)

Giả sử, phụ tải của động cơ giảm xuống, do vậy vòng quay của động cơ tức thời tăng lên (hoặc tương tự như khi giảm tốc độ đặt trước cho bộ điều tốc, nghĩa là

ta làm giảm sức căng của lò xo đặt tốc độ) Khi đó, lực của quả văng đẩy lên sẽ thắng được lực của lò xo, làm cho van trượt điều khiển dịch chuyển lên trên Do đó, dầu từ khoang bên trái của piston đệm sẽ thoát về két chứa và piston đệm dịch chuyển sang trái, nén lò xo bên trái lại và dầu từ khoang dưới của piston lực thoát về khoang phải của piston đệm một lượng tương ứng Do vậy, piston lực sẽ trượt xuống dưới nhờ lò xo ở trên, điều khiển lượng dầu cấp vào động cơ theo chiều giảm

để giảm vòng quay của động cơ Đồng thời, do khoang bên trái của piston đệm có

một lò xo đang chịu lực nén, nên áp suất ở khoang bên trái của piston đệm thấp hơn

áp suất ở khoang bên phải Độ chênh lệch áp suất này được gửi đến tương ứng ở phía dưới (áp suất thấp) và phía trên (áp suất cao) của vành bù, tạo ra một lực bổ sung tác động lên vành bù, đẩy vành bù dịch chuyển đi xuống để phục hồi van trượt điều khiển về vị trí cân bằng, dần đóng kín cửa dầu điều khiển Lực này giảm dần khi lò xo ở khoang trái của piston đệm giãn dài ra, và lực này bằng 0 khi piston đệm

ở vị trí cân bằng chính giữa, cửa dầu điều khiển đóng kín lại và hoạt động điều khiển chấm dứt

Trong quá trình phục hồi của piston đệm về vị trí giữa thì một lượng dầu từ khoang dưới của piston lực thoát qua van kim điều khiển về khoang trái của piston đệm Độ mở của van kim điều khiển quyết định thời gian phục hồi về vị trí cân bằng của piston đệm, do vậy nó quyết định thời gian tác dụng lực bổ sung lên vành bù (vốn được tạo nên do độ chênh áp phía trên và phía dưới của vành bù)

3.5.3 Bộ điều tốc điện tử

Chức năng của bộ điều tốc điện tử tương tự như ở bộ điều tốc kiểu cơ khí hay thủy lực Tốc độ thực của động cơ được đo đạc thông qua một hệ bánh răng (được truyền động từ động cơ) và đầu cảm biến kiểu điện từ Khi bánh răng quay, các răng

đi qua đầu cuộn điện từ và khe hở từ biến thiên theo biên dạng răng, tạo ra sóng điện trong cuộn dây

Hình 3.6: Thiết bị cảm biến kiểu điện từ

Tùy theo biên dạng của răng mà ta sẽ có các dạng sóng điện với hình dạng khác nhau Một bộ đếm tần số hoặc máy biến tần sẽ biến dao động sóng điện thành điện áp tỷ lệ với số vòng quay thực của động cơ và đưa trở lại đầu vào để so sánh với tín hiệu điện áp, đại diện cho vòng quay đặt trước ở bộ điều tốc

Nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc điện tử được thể hiện như ở hình (3.6) bên dưới Điện áp đầu vào được điều chỉnh bằng chiết áp dùng để đại diện cho giá trị vòng quay đặt trước ở động cơ mà ta muốn duy trì không đổi Giá trị điện áp này là (V+) sẽ so sánh với giá trị điện áp (V-) có được từ thiết bị cảm ứng vòng quay kiểu điện từ

Hình 3.7: Cấu tạo của một bộ điều tốc điện tử

Giả sử bộ điều tốc đang ở trạng thái cân bằng, điện áp đặt tốc độ và điện áp đo được bằng nhau (V+) = (V-) = 2V, độ chênh điện áp lúc này là 0V, nghĩa là động cơ đang làm việc ở một tốc độ ổn định và không đổi, tương ứng với giá trị tốc độ cho trước như ở hình 3.7(a)

Máy phát

điện

Giả sử tốc độ thực của động cơ nhỏ hơn tốc độ cho trước, tương ứng điện áp từ phần tử cảm ứng từ sẽ nhỏ hơn điện áp đặt tốc độ cho trước Độ chênh áp lúc này sẽ

là (V+) – (V-) = 2V – 1,5V = + 0,5V được truyền từ bộ khuyếch đại đến bộ thực hiện làm tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ, dẫn đến tăng tốc độ của động cơ, làm cho độ lớn của điện áp âm đo được của tốc độ thực tăng dần lên Khi tốc độ động cơ tăng lên, làm cho điện áp ra của bộ biến đổi tăng lên đủ cân bằng với điện

áp đặt tốc độ cho trước và lúc này điện áp ra của bộ cộng tín hiệu sẽ có giá trị là 0V Khi ấy, động cơ xác lập lại trạng thái cân bằng ổn định mới như ở hình 3.7.(b)

Hình 3.7(a)

Hình 3.7(b)

Nếu kết quả ở bộ cộng tín hiệu là điện áp âm (V+) - (V-) = -0,5V, tương ứng tốc độ thực của động cơ lớn hơn tốc độ cho trước Khi ấy, một tín hiệu sẽ được truyền từ bộ khuyếch đại đến bộ thực hiện và làm giảm lượng nhiên liệu cấp vào động cơ Do đó, tốc độ động cơ sẽ giảm xuống và giá trị điện áp âm đo được sẽ giảm cho đến khi điện áp đo được cân bằng với điện áp đặt tốc độ cho trước, lúc này điện áp ra của bộ cộng tín hiệu có giá trị là 0 vôn Quá trình điều khiển thể hiện như ở hình 3.7.(c)

3.6 Giới thiệu về bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E SERIES

3.6.1 Giới thiệu chung

Bộ điều tốc ESD5500E là loại điều tốc điện tử được thiết kế dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ với đáp ứng nhanh và chính xác tương ứng với các thay đổi tải tức thời Khi kết hợp với bộ tác động điện kiểu tỷ lệ và bộ cảm biến vòng quay kiểu điện từ, hệ thống điều khiển kiểu mạch kín sẽ giúp điều chỉnh hoạt động của động

cơ trong một dãy giới hạn rộng ở chế độ làm việc ổn định hoặc quá độ Đặc điểm nổi bật của bộ điều tốc ESD5500E là thiết kế đơn giản và điều chỉnh dễ dàng Với chức năng không tác động qua lại, hoạt động điều khiển cho phép dễ dàng đạt được các đáp ứng theo mong muốn

Hình 3.7(c)

Hình 3.8: Bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E

Các chức năng chính của bộ điều tốc ESD5500E là điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu khi khởi động động cơ và có sự thay đổi về tốc độ động cơ Điều này giúp làm giảm đến mức tối thiểu lượng khí xả từ động cơ trước khi đạt đến tốc độ khai thác Bên cạnh đó, bộ điều tốc điện tử ESD5500E còn có chức năng điều chỉnh ở các chế độ không tải và quá độ, hoặc tạo tín hiệu cho các phần tử trên động cơ đa năng hay cho các ứng dụng đặc biệt như bảo vệ chống đảo chiều điện áp ắc quy hoặc điện

áp tức thời, các hiện tượng ngắn mạch ở bộ thực hiện hoặc thiếu an toàn khi mất tín hiệu cảm biến vòng quay hay nguồn điện cấp

Bộ điều tốc ESD5500E tương thích với tất cả bộ thực hiện kiểu tỷ lệ GAC của

Mỹ ngoại trừ bộ tác động điện ACB2000 Khi dùng kết hợp với bộ tác động điện ADC100, dãy điều chỉnh hệ số sai tĩnh sẽ giảm đi do bộ tác động này yêu cầu về dòng điện thấp

Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối của bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E

Thông số về tốc độ động cơ đưa vào bộ điều khiển được lấy từ tín hiệu cảm

biến vòng quay kiểu điện từ Có thể dùng các thiết bị cảm biến tần số tỷ lệ với vòng

quay, thỏa mãn điện áp đầu vào và dãy đặc tính tần số Thiết bị cảm biến vòng quay

thường được lắp đặt ở vị trí gần với động cơ, được truyền động qua bánh răng chế

tạo bằng vật liệu thép Khi số răng trên bánh răng đi qua thiết bị cảm biến điện từ, sẽ

xuất hiện tín hiệu cảm biến tỷ lệ với vòng quay động cơ

Độ lớn của tín hiệu phải nằm trong dãy khuếch đại tín hiệu đầu vào Để bộ điều khiển hoạt động theo như thiết kế, biên độ tín hiệu phải nằm trong khoảng từ 0,5 đến 120 vôn Tín hiệu về vòng quay động cơ sẽ được đưa đến cổng C và D của

bộ điều khiển Giữa 2 cổng này có một trở kháng đầu vào 33.000  Cổng D được đấu nối bên trong với cực âm của nguồn ắc quy cấp ở cổng E

Khi tín hiệu cảm biến vòng quay được cấp đến bộ điều khiển, tín hiệu này sẽ được khuếch đại và nắn bởi một mạch bên trong để tạo ra tín hiệu tương tự Nếu không nhận được tín hiệu cảm biến vòng quay, một mạch bên ngoài của bộ điều khiển sẽ ngắt tất cả các dòng cấp vào phần tử thực hiện

Một bộ cộng tín hiệu nhận tín hiệu cảm biến vòng quay và tín hiệu vòng quay đặt trước Tỷ số của dãy tốc độ là 8:1 và được điều chỉnh bằng một chiết áp có 25 vòng Tín hiệu ra khỏi bộ cộng tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển Ở đây sẽ thực hiện việc điều chỉnh độ lợi và tính ổn định cho hầu hết các động cơ và hệ thống nhiên liệu

Mạch điều khiển chịu ảnh hưởng từ chức năng điều chỉnh độ lợi và tính ổn định Độ nhạy của hệ thống điều tốc sẽ tăng lên bằng cách xoay núm điều chỉnh độ lợi theo cùng chiều kim đồng hồ Tỷ số của dãy điều chỉnh độ lợi là 33:1

Xoay núm điều chỉnh độ ổn định theo chiều kim đồng hồ giúp làm tăng thời gian đáp ứng của hệ thống điều tốc, tương ứng với các hằng số thời gian thay đổi trong dãy hoạt động của động cơ

Bộ điều khiển hoạt động theo nguyên tắc tỷ lệ cộng tích phân cộng vi phân (PID) Thành phần vi phân D có thể thay đổi khi cần thiết

Trong các chu trình làm việc của động cơ, nhiên liệu cấp ở thời điểm khởi động động cơ có thể điều chỉnh từ trạng thái đóng hoàn toàn đến vị trí cấp hoàn toàn Khi động cơ được khởi động, điểm điều chỉnh tốc độ được xác định đầu tiên bằng điểm đặt tốc độ không tải và mạch thay đổi tốc độ Sau khi sự thay đổi tốc độ động cơ kết thúc, động cơ sẽ làm việc ở tốc độ đặt trước Ở tốc độ đặt trước này,

phần tử thực hiện sẽ làm việc để duy trì giá trị vòng quay mong muốn, không phụ thuộc vào phụ tải (làm việc ổn định)

Mạch ra giúp chuyển đổi dòng ở tần số khoảng 500 Hz để truyền động cho phần tử thực hiện Khi tần số chuyển đổi khá xa tần số bình thường của phần tử thực hiện, sẽ không có chuyển động ở trục ra của phần tử này Thay đổi các transitor đầu

ra giúp làm giảm tiêu hao năng lượng bên trong, làm tăng hiệu suất điều khiển Mạch ra có thể cung cấp dòng liên tục đến 10A ở 25oC đối với hệ thống ắc quy một chiều 12 vôn hoặc 24 vôn Phần tử thực hiện sẽ tác động điều chỉnh vị trí thanh răng nhiên liệu tương ứng với giá trị dòng trung bình

Theo thiết kế, bộ điều tốc hoạt động điều khiển không có sai tĩnh Việc điều khiển với sai tĩnh có thể thực hiện bằng cách đấu nối cổng K với L Khi đó, phần trăm sai tĩnh có thể được thay đổi thông qua điều chỉnh núm sai tĩnh Dãy sai tĩnh có thể giảm đi bằng cách đấu nối cổng G và H

Bộ điều khiển còn được trang bị thêm một số tính năng bảo vệ khác giúp nâng cao hiệu quả cho hệ thống điều khiển Một mạch bảo vệ giúp ngăn chặn sự quá tốc khi khởi động động cơ hay khi phụ tải của động cơ tăng quá mức Tốc độ không tải của động cơ có thể được lựa chọn và điều chỉnh từ xa Có thể dùng các bộ điều tốc sêri ESD5500E với nhiều tín hiệu đầu vào, cùng với khả năng điều khiển nhiều động cơ khác nhau bằng cách sử dụng bộ chia tải GAC, bộ đặt tốc độ tự động, các thiết bị hỗ trợ đi kèm…Bộ điều tốc cũng được trang bị mạch bảo vệ chống đảo chiều ắc quy và thay đổi điện áp và được thiết kế đảm bảo an toàn trong trường hợp mất tín hiệu cảm biến tốc độ hoặc nguồn cấp

Điều chỉnh không tải ngƣợc chiều kim đồng hồ : < 1.200 Hz

Điều chỉnh sai tĩnh lớn nhất (nối cổng K-L) : 400 Hz,  75 Hz khi thay đổi 1A Điều chỉnh sai tĩnh nhỏ nhất (nối cổng K-L) : 15 Hz,  6 Hz khi thay đổi 1A

Điện áp nguồn: hệ thống ắc quy 12 hoặc 24 VDC

Suất tiêu hao điện năng: 50 mA, cộng với dòng cho phần tử thực hiện

Dãy dòng của phần tử thực hiện (tải cảm ứng): 2,5A min, 10A max

Tín hiệu cảm biến tốc độ: 0,5  120 V RMS

3.6.3 Sơ đồ đấu nối và hiệu chỉnh

3.6.3.1 Sơ đồ đấu nối

Các đầu nối với nguồn cấp và bộ thực hiện ở cổng A, B, E và F phải sử dụng dây cáp #16AWG (1,3 mm2) hoặc lớn hơn Nếu phải dùng dây cáp dài khi lắp đặt, nên chọn loại dây có kích cỡ lớn để hạn chế việc chênh áp

Các đầu nối cảm biến tốc độ kiểu điện từ ở cổng C và D phải sử dụng loại dây cáp xoắn hoặc có vỏ bọc toàn bộ chiều dài Vỏ bọc cáp phải luôn cách điện để đảm bảo không có phần nào của dây cáp bọc tiếp xúc với thân động cơ Điều chỉnh khe

hở giữa thiết bị cảm biến tốc độ động cơ và bánh răng truyền động trên trục động cơ

khi động cơ ở trạng thái dừng không nhỏ hơn 0,45 mm Thông thường, vặn cho đầu cảm biến chạm vào bánh răng truyền động, sau đó nới lỏng bằng cách quay ngược lại ¾ vòng sẽ đạt được khe hở yêu cầu Điện áp của thiết bị cảm biến kiểu điện từ phải đạt ít nhất là 1VAC RMS khi động cơ làm việc

3.6.3.2 Điều chỉnh:

 Trước khi khởi động động cơ:

Kiểm tra các núm điều chỉnh GAIN (độ lợi), STABILITY (ổn định) và đặt núm SPEED TRIM CONTROL (điều chỉnh thay đổi tốc độ) ở vị trí giữa Đặt

trước các thông số ở bộ điều tốc như sau:

STARTING FUEL : vặn hết theo chiều kim đồng hồ (cấp tối đa nhiên liệu)

SPEED RAMPING : vặn hết theo ngược chiều kim đồng hồ (tăng tốc nhanh nhất)

định sau khi khởi động, vặn núm GAIN và STABILITY theo ngược chiều kim

đồng hồ cho đến khi động cơ làm việc ổn định

Khi động cơ đang ở chế độ làm việc không tải, có thể thực hiện các thao tác điều chỉnh sau đây:

A Vặn núm GAIN theo cùng chiều kim đồng hồ cho đến khi động cơ mất ổn

định, sau đó vặn từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ cho đến khi động cơ làm việc

ổn định trở lại Tiếp tục vặn nguợc chiều kim đồng hồ thêm một vạch chia nữa để đảm bảo tính ổn định khi làm việc của động cơ

B Vặn núm STABILITY theo cùng chiều kim đồng hồ cho đến khi động cơ

mất ổn định, sau đó vặn từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ cho đến khi động cơ làm việc ổn định trở lại Tiếp tục vặn ngược chiều kim đồng hồ thêm một vạch chia nữa để đảm bảo tính ổn định khi làm việc của động cơ

C Khi động cơ làm việc có tải, đôi khi cần phải điều chỉnh thêm đối với độ lợi

và tính ổn định Thông thường, chỉ cần cân chỉnh khi động cơ làm việc ở chế độ không tải

 Núm điều chỉnh STARTING FUEL:

Khói xả từ động cơ ở thời điểm khởi động có thể giảm xuống mức thấp nhất bằng các thao tác điều chỉnh sau:

1 Để động cơ làm việc ở chế độ không tải bằng cách nối cổng M & G

2 Điều chỉnh núm IDLE để điều chỉnh tốc độ động cơ không tải ở chế độ đặt

trước thấp nhất như có thể

3 Vặn núm STARTING FUEL theo ngược chiều kim đồng hồ cho đến khi

tốc độ động cơ bắt đầu tắt dần, vặn nhẹ nhàng theo chiều ngược lại cho đến khi tốc

độ không tải đạt đến giá trị mong muốn

4 Dừng máy

 Vận hành bộ điều tốc ESD5500E:

Phương pháp 1: Khởi động động cơ và tăng tốc trực tiếp đến vòng quay khai

thác (dùng cho động cơ lai máy phát)

Ngắt đấu nối giữa cổng M & G Khởi động động cơ và điều chỉnh núm

SPEED RAMPING để tăng tốc động cơ từ chế độ không tải đến vòng quay khai

thác với lượng khói xả là thấp nhất Nếu lượng khói xả quá mức, có thể phải điều

chỉnh núm STARTING FUEL từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ Nếu thời gian khởi động quá lâu, cần phải điều chỉnh núm STARTING FUEL từ từ theo cùng

chiều kim đồng hồ

Phương pháp 2: Khởi động động cơ và điều khiển làm việc ở chế độ không

tải một thời gian trước khi tăng tốc đến vòng quay khai thác Phương pháp này giúp ngăn tách quá trình khởi động, giúp làm giảm khói xả ở mức thấp nhất

Dùng một công tắc chuyển mạch điều khiển bằng áp lực dầu để đấu nối với cổng M & G Khởi động động cơ Nếu lượng khói xả quá mức, có thể phải điều

chỉnh núm STARTING FUEL từ từ theo ngược chiều kim đồng hồ Nếu thời gian khởi động quá lâu, cần phải điều chỉnh núm STARTING FUEL từ từ theo cùng

chiều kim đồng hồ

Khi công tắc chuyển mạch mở, điều chỉnh núm SPEED RAMPING để tăng

tốc động cơ từ chế độ không tải đến vòng quay khai thác với lượng khói xả là thấp nhất

 Đặt tốc độ không tải

Nếu như việc đặt tốc độ không tải chưa được thực hiện như hướng dẫn ở trên,

hãy đặt công tắc lựa chọn bên ngoài ở vị trí IDLE Giá trị tốc độ không tải sẽ tăng lên khi vặn núm IDLE theo cùng chiều kim đồng hồ Khi động cơ làm việc ở chế độ

không tải, bộ điều tốc sẽ tạo ra sai tĩnh trong hệ thống để đảm bảo tính ổn định

 Làm việc với sai tĩnh

Sai tĩnh thường được áp dụng cho các động cơ lai máy phát làm việc song song

Đặt công tắc lựa chọn bên ngoài ở vị trí DROOP Vặn núm DROOP theo

chiều kim đồng hồ có tác dụng làm tăng sai tĩnh Khi làm việc có sai tĩnh, tốc độ

động cơ sẽ giảm xuống khi phụ tải tăng lên Phần trăm sai tĩnh phụ thuộc vào sự thay đổi dòng điện của bộ thực hiện tác động lên động cơ từ chế độ không tải đến toàn tải Mạch bên trong tạo ra một dãy sai tĩnh rộng Hoạt động được xem là bất thường nếu sai tĩnh vượt quá 10%

 Tín hiệu vào phụ:

Cổng N sẽ nhận tín hiệu vào từ các thiết bị phân chia tải, tự động điều chỉnh tốc độ, các thành phần hỗ trợ khác của hệ thống điều tốc và các thiết bị đi kèm của GAC Do tín hiệu vào ở đây rất nhạy, do đó cần sử dụng dây cáp có vỏ bọc khi đấu nối

Nếu chỉ đấu nối với thiết bị tự động điều chỉnh tốc độ, không có thiết bị phân chia tải, dùng một điện trở 3 M để nối giữa cực N và P Điều này đòi hỏi tính toán điện áp giữa bộ điều tốc và thiết bị đặt tốc độ tự động

Khi một thiết bị phụ được kết nối với cực N, tốc độ sẽ giảm xuống và việc điều chỉnh tốc độ phải được đặt lại

Khi làm việc ở ngưỡng trên của dãy tần số điều khiển, cần sử dụng dây nối tắt hoặc thiết bị điều chỉnh tần số giữa cổng G và J Điều này giúp làm tăng dãy tần số của bộ điều tốc cao hơn 7.000 Hz

Nguồn cấp phụ: điện áp +10V ở cổng P có thể được sử dụng làm nguồn cấp cho các thiết bị phụ của hệ thống điều tốc GAC và tạo ra dòng lên đến 20mA Cổng

G dùng để nối đất Lưu ý, hiện tượng ngắn mạch ở cổng này có thể gây hư hỏng thiết bị điều tốc

 Thay đổi tốc độ từ xa:

Việc điều khiển từ xa tốc độ ở bộ điều tốc ESD5500E có thể được thực hiện dễ dàng thông qua một biến trở Lựa chọn biến trở phù hợp tương ứng với dãy tốc độ điều chỉnh theo như bảng bên dưới Nếu không thể xác định chính xác, có thể lựa chọn biến trở ở ngưỡng cao hơn kế trên Có thể sử dụng thêm một điện trở phụ để đạt được ngưỡng mong muốn chính xác

Để duy trì tính ổn định ở tốc độ đặt trước nhỏ nhất, có thể điều chỉnh để điều tốc làm việc với một lượng sai tĩnh bé Ở giá trị tốc độ đặt trước lớn nhất, bộ điều tốc làm việc gần như không có sai tĩnh

Dãy tốc độ Giá trị biến trở

CHƯƠNG 4 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH QUÁ ĐỘ

CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY

4.1 Các chế độ làm việc và quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy

Chế độ làm việc của động cơ Diesel được đặc trưng bằng một tổ hợp các thông

số công tác chủ yếu như: tốc độ quay n, phụ tải động cơ f, hệ số dư lượng không khí

, áp suất không khí tăng áp pk … Chế độ làm việc của động cơ Diesel và phụ tải có thể được biểu diễn bằng phương trình sau:

pt

M dt

- Md (N.m): mô men quay của động cơ

- Mpt (N.m): mô men cản của phụ tải tác động lên động cơ

-  (rad/s): vận tốc góc của động cơ

Dựa trên cơ sở phương trình (4.1), người ta chia chế độ làm việc của động cơ Diesel thành hai chế độ là chế độ làm việc tĩnh và chế độ làm việc động

4.1.1 Chế độ làm việc tĩnh của động cơ Disesel

Chế độ làm việc tĩnh của động cơ Diesel là chế độ mà ở đó các thông số đặc trưng cơ bản của động cơ như mô men quay Md và tốc độ quay của động cơ 

không thay đổi theo thời gian Chế độ làm việc tĩnh của động cơ được xác lập khi có

sự cân bằng giữa mô men quay của động cơ Md và mô men cản của phụ tải Mpt (Md

= Mpt) hay nói cách khác khi phụ tải tác động lên động cơ Diesel là ổn định, không thay đổi theo thời gian và có giá trị bằng với giá trị mô men phát ra của động cơ Ở trạng thái cân bằng này, phương trình (4.1) được viết lại như sau:





M d M pt dt

Đối với động cơ Diesel lai máy phát điện làm việc theo đặc tính phụ tải, do nhu cầu sử dụng điện trên tàu luôn luôn thay đổi, đặc biệt là trong thời gian cẩu hàng,

ma nơ điều động tàu ra vào cảng…, nên trong thời gian này động cơ luôn làm việc ở chế độ động Trong thời gian tàu hành trình biển, khi nhu cầu sử dụng điện của máy phát ổn định, ít thay đổi, khi đó động cơ mới làm việc ở chế độ tĩnh

Như vậy, khi phụ tải tác động vào động cơ không thay đổi thì bộ điều tốc sẽ làm việc “nhẹ nhàng” hơn Tuy nhiên, trong quá trình khai thác hệ động lực, thời gian làm việc ở chế độ tĩnh đối với động cơ Diesel tàu thủy là rất ít, hầu hết thời gian còn lại đều phải làm việc ở chế độ động do phụ tải thường xuyên thay đổi Vì thế, nghiên cứu chế độ làm việc động và các quá trình quá độ (từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác) của động cơ là tìm ra các nguyên nhân gây mất cân bằng giữa mô men quay và mô men cản, từ đó làm cơ sở để tìm ra giải pháp khắc phục Đây là điều thiết thực góp phần nâng cao tính kinh tế, độ tin cậy và tuổi thọ khai thác của động cơ

4.1.2 Chế độ làm việc động và các quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy

Chế độ làm việc động là chế độ mà ở đó sự cân bằng giữa mô men quay và mô men phụ tải của động cơ bị phá vỡ, các thông số đặc trưng của động cơ thay đổi theo thời gian Khi đó phương trình động đặc trưng cho chế độ làm việc của động cơ được biểu diễn như ở biểu thức (4.1)

Quá trình động xảy ra từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác gọi là quá trình đáp ứng hay quá trình quá độ Ở động cơ Diesel tàu thủy có các chế độ quá độ sau: chế độ quá độ khi tăng tốc độ động cơ gọi là chế độ tăng tốc, chế độ quá độ khi thay đổi tải tác động lên động cơ gọi là chế độ thay đổi tải Các chế độ khởi động, dừng, sấy nóng cũng là các chế độ quá độ của động cơ

Đối với động cơ Diesel tàu thủy, vì một số đặc trưng chung của môi trường hoạt động nên động cơ chính lai chân vịt gần như là phần lớn thời gian làm việc ở chế độ quá độ

Khi làm việc ở chế độ quá độ, hệ số dư lượng không khí  thay đổi do lượng nhiên liệu và không khí cấp vào động cơ thay đổi Chất lượng phun nhiên liệu và hòa trộn hỗn hợp cháy sẽ xấu đi, ứng suất nhiệt và ứng suất cơ trên các chi tiết động của động cơ tăng lên, hiệu suất cơ giới giảm xuống Sự thay đổi trên làm giảm tính kinh tế của động cơ, tăng độ mài mòn chi tiết, làm giảm tuổi thọ động cơ

Khi chuyển chế độ làm việc của động cơ từ trạng thái tĩnh này sang trạng thái tĩnh khác phải vượt qua các chế độ trung gian Ở chế độ trung gian, các thông số của động cơ thay đổi theo thời gian Thời gian quá trình này dài hay ngắn, mức độ và nhịp độ thay đổi các thông số của động cơ trong quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố như trạng thái kỹ thuật động cơ, hệ thống tăng áp tua bin khí xả, mức độ phù hợp của đặc tính tiêu thụ không khí giữa động cơ với máy nén, đặc tính điều tốc - động cơ và đặc tính tĩnh của nó, tính chất của phụ tải và môi trường hoạt động của

hệ động cơ - thiết bị tiêu thụ năng lượng Bộ điều tốc cũng đóng vai trò quan trọng tới quá trình quá độ của động cơ

Để nghiên cứu, phân tích và thu được kết quả chính xác của quá trình quá độ cần phải kết hợp chương trình tính trên máy vi tính và kết quả nghiên cứu thực nghiệm Trong quá trình khai thác động cơ, thường xảy ra các quá trình quá độ như: đóng và ngắt tải, tăng tốc, quá độ liên hợp, thay đổi tải tuần hoàn Đây là các chế độ

mà bộ điều tốc phát huy tác dụng để động cơ phát ra công suất đáp ứng cho nhu cầu phụ tải

Khi diễn ra các quá trình quá độ, sự cân bằng giữa mô men quay và mô men cản bị phá vỡ, hiệu số mô men quay và mô men cản làm thay đổi vòng quay hệ động

cơ - phụ tải Khi vòng quay thay đổi sẽ thông qua bộ điều tốc tác động vào thanh răng bơm cao áp để điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu phù hợp với chế độ tải mới Trong quá trình thay đổi đó, do quán tính của roto tua bin - máy nén cũng như hệ thống nạp không khí làm cho tỷ lệ giữa lượng nhiên liệu và lượng không khí cấp vào cho động cơ trong một chu trình bị phá vỡ Điều đó dẫn đến chất lượng quá trình cháy thay đổi

 Quá trình đóng và ngắt tải

Quá trình đóng và ngắt tải là quá trình mà trong đó mô men cản của động cơ tăng hoặc giảm, làm thay đổi vòng quay hệ trục Mức độ thay đổi vòng quay do việc điều chỉnh của bộ điều tốc hay điều khiển lượng cấp nhiên liệu quyết định Đóng hay ngắt tải có thể tiến hành khi vòng quay gần với vòng quay định mức hoặc khi vòng quay nhỏ

Điều kiện làm việc nặng nhọc nhất đối với động cơ có tăng áp bằng tua bin khí

xả là khi đóng tải lớn, đột ngột từ trạng thái không tải Để đánh giá trạng thái kỹ thuật và độ tin cậy của các động cơ khác nhau khi đóng, ngắt tải cần phải sử dụng hợp lý các đặc tính đóng và ngắt giống nhau đối với tất cả các động cơ và thường chọn đóng, ngắt phải tức thời ứng với tải định mức Đối với động cơ tăng áp, việc tăng tải tức thời còn phụ thuộc vào mức độ tăng áp, còn việc giảm tải dựa vào mối quan hệ của giá trị định mức với mức tăng tỉ số tăng áp Thay đổi tải tức thời dùng

để kiểm nghiệm độ hoàn hảo của hệ thống tự động điều khiển tốc độ Khi đó đặc tính của động cơ là đặc tính động được xác định theo thời gian

Hai thông số chính để đánh giá quá trình này là mức độ thay đổi tốc độ quay tương đối  và thời gian quá độ tct

0 0

Thời gian của quá trình quá độ tct được xác định bắt đầu từ thời điểm thay đổi phụ tải và cho đến khi trạng thái cân bằng mới được xác lập, nghĩa là vòng quay của động cơ phải ổn định không đổi tại ví trí cân bằng mới

 Quá trình tăng tốc

Đây là quá trình tăng tốc độ động cơ kèm theo việc tăng mô men quay Quá trình tăng tốc có thể diễn ra theo 2 quy luật sau:

- Tăng tốc từ chế độ không tải đến toàn tải ứng với vòng quay nhỏ nhất

- Tăng tốc từ chế độ không tải đến toàn tải ứng với vòng quay định mức

Sau khi tăng tốc, vòng quay và tải giảm xuống Trong thời gian tăng tốc, mô men quay động cơ dùng để thắng lực cản chuyển động và gia tốc quay của hệ trục

Mô men quay động cơ có thể lớn hơn mô men tương ứng với đặc tính hạn chế, điều

đó làm xấu chỉ tiêu kinh tế, độ tin cậy và làm tăng độc tố khí xả

 Quá trình quá độ liên hợp

Quá trình quá độ liên hợp là tổ hợp của hai quá trình đóng tải và hãm động cơ Quá trình này thường gặp trong thực tế khai thác các động cơ Diesel có nhiều công dụng khác nhau, đặc biệt là đối với các động cơ sử dụng trên phương tiện giao thông khi tăng nhanh mô men cản phụ tải Mpt từ giá trị nhỏ hơn đến giá trị lớn hơn giá trị định mức Nói chung dạng của đặc tính tốc độ và đặc tính điều khiển của quá trình quá độ liên hợp được quyết định bởi bộ điều tốc Trong trường hợp sử dụng bộ điều tốc nhiều chế độ thì một phần của quá trình quá độ diễn ra theo một trong các đường đặc tính điều chỉnh và tiếp tục theo đường đặc tính ngoài Đối với bộ điều tốc hai chế độ, phần đầu của quá trình quá độ diễn biến theo nhánh điều chỉnh với vòng quay ban đầu từ nmin đến nmax, sau đó tiếp tục theo một trong các đường đặc tính bộ phận (phụ thuộc vào việc điều chỉnh)

 Quá trình thay đổi tải tuần hoàn

Trong quá trình này có sự thay đổi mô men cản cũng như vòng quay hệ trục, lượng nhiên liệu cấp cho chu trình và các thông số khác của động cơ có tính chu kỳ

Sự thay đổi các thông số trên không chỉ phụ thuộc vào phụ tải mà còn phụ thuộc vào các thông số của động cơ

Chế độ tải của đa số động cơ trên các phương tiện giao thông là chế độ tải có chu kỳ Nó có dạng điều hòa với biên độ và pha lặp lại từ chu kỳ này đến chu kỳ khác Tuy nhiên, mức độ khác nhau phụ thuộc vào môi trường hoạt động của thiết bị tiêu thụ năng lượng, ví dụ như sự làm việc của động cơ – chân vịt khi biển có sóng Khi động cơ làm việc ở các quá trình trên, tỉ số giữa lượng nhiên liệu và không khí cấp cho chu trình, nhiệt độ thành vách buồng đốt, chất lượng quá trình cháy bị xấu đi Bởi vậy, khi làm việc ở các chế độ đó sẽ làm giảm tính kinh tế, độ tin cậy và làm tăng nồng độ độc tố khí xả

Từ phân tích trên, ta rút ra một số nhận xét sau:

- Trong quá trình khai thác, chế độ làm việc và đặc tính của động cơ luôn thay đổi phụ thuộc vào tính chất của phụ tải

- Nếu phụ tải tác động lên động cơ ổn định thì không cần thiết phải có bộ điều tốc

để điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu cho động cơ

- Khi động cơ làm việc ở chế độ quá độ, cơ cấu cấp nhiên liệu phải luôn luôn được thay đổi để cấp lượng nhiên liệu vào động cơ phù hợp tương ứng với phụ tải, tránh các trường hợp quá tải vòng quay và tắt động cơ khi mô men phụ tải và mô men động cơ không cân bằng nhau

- Khi động cơ làm việc ở các chế độ quá độ, nếu không được trang bị bộ điều tốc thì động cơ sẽ không thể làm việc được

- Trạng thái kỹ thuật của bộ điều tốc có ảnh hưởng rõ rệt đến trạng thái kỹ thuật,

độ tin cậy, tính kinh tế và tuổi thọ của động cơ

- Để đánh giá chất lượng làm việc của hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ, ta cần phải kiểm tra bộ điều tốc khi cho động cơ làm việc ở các chế độ thay đổi tải đột ngột và thay đổi tải có tính chu kỳ, biên độ dao động vòng quay lớn

4.2 Tính chất động học của động cơ Diesel tàu thủy

Trong hệ động lực tàu thủy, động cơ Diesel được sử dụng vào rất nhiều mục đích khác nhau: dùng làm thiết bị động lực đẩy tàu, dùng cho các tổ hợp máy phát điện, dùng cho các thiết bị phụ như trạm bơm, hệ thống neo tời Tuy nhiên, dù sử dụng vào bất cứ mục đích gì, tất cả các động cơ đều cần phải làm việc ổn định lâu dài, đảm bảo tuổi thọ, tăng tính kinh tế và độ tin cậy

Sau đây, chúng ta sẽ tiến hành xem xét nhu cầu cần thiết phải lắp bộ điều tốc đối với động cơ là máy chính tàu thủy, động cơ lai máy phát và động cơ khi làm việc ở chế độ không tải

4.2.1 Tính chất động học của động cơ Diesel khi làm việc với chân vịt

Xét trường hợp động cơ lai chân vịt, hình (4.4) biểu diễn đặc tính làm việc đồng thời của động cơ (các đường 1, 2, 3 và 4) với thiết bị tiêu thụ năng lượng là chân vịt tàu thủy (các đường I, II, III và IV) Điểm phối hợp công tác giữa chúng là các điểm A, B, C , đặc trưng cho các chế độ làm việc tĩnh, vì tại đó mô men quay cân bằng với mô men cản

Ta xét tại điểm B là điểm làm việc tĩnh của hệ thống, tương ứng với vòng quay của hệ thống là nB

Khi điều kiện bên ngoài hay chất lượng làm việc của động cơ thay đổi thì chế

độ làm việc cân bằng tĩnh bị phá vỡ Giả sử khi tàu làm việc với điều kiện sóng gió, chân vịt nhô lên khỏi mặt nước, ngay lúc đó sức cản sẽ giảm tương ứng với đường đặc tính IV Do phụ tải giảm, công suất động cơ lớn hơn công suất tiêu thụ Phần dư công suất sẽ làm cho vòng quay động cơ tăng lên Điểm phối hợp làm việc tĩnh mới trong trường hợp này là điểm E Muốn giữ cho vòng quay của động cơ không thay đổi (n = const) thì phải giảm lượng nhiên liệu cấp cho động cơ để đường đặc tính tốc độ động cơ đi qua điểm K

Nếu điểm L trên đường đặc tính (1) là chế độ làm việc định mức, n là độ chênh vòng quay cho phép khi cắt tải thì khi giảm phụ tải từ đường (III) đến đường (IV), phần công suất dư sẽ làm tăng tốc độ động cơ đến điểm làm việc mới L1, khi đó sẽ làm quá tải vòng quay Để tránh quá tải cho động cơ, cần phải chuyển đến đường đặc tính (2) của động cơ, ứng với chế độ làm việc mới là điểm E Để chuyển đến làm việc ở đặc tính bộ phận với mức độ thay đổi vòng quay không đáng kể cần tác động vào cơ cấu điều khiển, đẩy thanh răng về hướng giảm nhiên liệu Ngược lại khi sức cản tăng lên cần phải tăng lượng cấp nhiên liệu

Như vậy, để vòng quay động cơ không thay đổi hay thay đổi trong giới hạn cho phép thì phải đảm bảo mô men của động cơ và mô men của phụ tải cân bằng nhau Điều đó được thực hiện bằng cách luôn thay đổi lượng cấp nhiên liệu cho động cơ

Hình 4.1: Đặc tính phối hợp làm việc của động cơ và chân vịt

600 200

0

M, Mc

Trong quá trình khai thác, phụ tải luôn luôn thay đổi theo điều kiện bên ngoài, không theo quy luật nhất định nào Vì vậy, việc điều khiển bằng tay không thể thực hiện được Ngoài ra động cơ Diesel rất nhạy cảm với các chế độ thay đổi tốc độ Nếu vòng quay khai thác vượt quá vòng quay cho phép, chất lượng công tác của chu trình sẽ xấu đi, làm giảm độ tin cậy, tăng suất tiêu hao nhiên liệu, giảm tuổi thọ động cơ Vì thế, cần phải đảm bảo vòng quay làm việc trong phạm vi cho phép bằng

bộ điều tốc Việc bố trí bộ điều tốc để tự động điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu cho động cơ luôn cân bằng với phụ tải là điều rất cần thiết

4.2.2 Tính chất động học của động cơ Diesel khi làm việc với máy phát điện

Đối với động cơ Diesel lai máy phát điện thì điện áp U, tần số f và dòng điện i phụ thuộc vào tốc độ quay của động cơ: U, f, i = f (n) Khi vòng quay của động cơ thay đổi sẽ làm cho tần số, điện áp và dòng điện của máy phát thay đổi Nếu sự thay đổi của điện áp và dòng điện vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm cho trạm phát tự động ngắt tải, điều này sẽ gây nguy hiểm cho các thiết bị sử dụng nguồn điện từ trạm phát này Đối với trạm phát trên tàu thủy thì việc thay đổi tần số và điện áp dẫn đến ngắt tải là cực kỳ nguy hiểm trong trường hợp tàu đang hành trình cũng như điều động ra vào cầu cảng Vì vậy, cần phải giữ cho động cơ Diesel lai máy phát điện làm việc ổn định với vòng quay không đổi, hay thay đổi trong một giới hạn cho phép bằng cách trang bộ điều tốc cho động cơ

4.2.3 Tính chất động học của động cơ Diesel khi làm việc ở chế độ không tải

Khi động cơ Diesel làm việc ở chế độ không tải (hình 4.2), áp suất chỉ thị bình quân pi bằng áp suất tổn thất cơ giới pm để tránh tổn hao nhiên liệu và duy trì cho động cơ làm việc ở tốc độ quay ổn định nhỏ nhất Vì vậy, thanh răng nhiên liệu cần nằm ở vị trí cấp nhiên liệu ít nhất

n’kt

pi

pm

Hình 4.2: Chế độ làm việc không tải của động cơ Diesel

Khi ở chế độ không tải, áp suất pi của động cơ thường có tốc độ tăng nhanh hơn so với pm, vì khi tốc độ động cơ n tăng, đặc điểm biến thiên của pi phụ thuộc vào đặc tính tốc độ của bơm cao áp tại vị trí thanh răng nhỏ nhất Với chế độ cân bằng tại điểm 1 (đường ab), chỉ cần một tác động nhiễu loạn nhỏ của pm (từ đường

ab chuyển qua a’b’ hoặc a’’b’’) sẽ làm cho tốc độ động cơ mất ổn định Để khắc phục hiện tượng trên cần phải lắp bộ điều tốc để động cơ Diesel có thể làm việc ổn định khi không có tải Sau khi lắp bộ điều tốc, đặc tính không tải của pi là đường cd

sẽ chuyển thành đường c’d’ Lúc đó nếu tăng tốc độ quay động cơ n, bộ điều tốc sẽ cắt bớt lượng nhiên liệu, còn nếu giảm vòng quay n thì bộ điều tốc sẽ tác động tăng thêm nhiên liệu Nhờ đó đường pi sẽ giảm nhanh khi tăng vòng quay n, làm cho động cơ làm việc ổn định

Qua các phân tích trên, chúng ta thấy rằng:

- Do phụ tải của động cơ Diesel luôn thay đổi nên để đạt được trạng thái làm việc

cân bằng ổn định giữa động cơ và phụ tải thì nhất thiết phải lắp đặt bộ điều tốc

để điều chỉnh lượng cấp nhiên liệu cho động cơ phù hợp với sự thay đổi phụ tải

- Ngoài chức năng cân bằng với phụ tải và ổn định vòng quay động cơ, bộ điều tốc còn có khả năng phản ứng với mọi sự thay đổi của phụ tải từ bên ngoài để duy trì

ổn định vòng quay động cơ

- Bộ điều tốc còn có khả năng bảo vệ cho động cơ tránh các trường hợp quá tải vòng quay, quá tải công suất, tắt động cơ trong khi đang làm việc và duy trì vòng quay trong phạm vi cho phép làm cho chu trình công tác của động tốt hơn, tăng tính kinh tế, độ tin cậy, tuổi thọ cho động cơ

4.3 Phản ứng động cơ Diesel khi thay đổi lượng cấp nhiên liệu và phụ tải

Tiếp theo việc tìm hiểu các vấn đề liên quan đến các chế độ làm việc và các quá trình quá độ cũng như nhu cầu cần phải trang bị bộ điều tốc cho động cơ Diesel tàu thủy, trong phần này chúng ta sẽ xem xét ảnh hưởng của các thông số đặc trưng của bộ điều tốc đến quá trình quá độ của động cơ

4.3.1 Mối quan hệ giữa vòng quay, phụ tải và thanh răng nhiên liệu của động

cơ Diesel

Để nghiên cứu các quá trình quá độ của động cơ và bộ điều tốc, cần phải hiểu

rõ mối quan hệ giữa vòng quay, phụ tải và thanh răng của động cơ Hình (4.3) biểu diễn mối quan hệ của các thông số tác động vào động cơ

Động cơ h

f

n

Hình 4.3: Sơ đồ biểu diễn mối quan hệ tốc độ quay, thanh răng và phụ tải động

cơ Diesel