BÀI GIẢNG hệ THỐNG tự ĐỘNG

BÀI GIẢNG
HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG

1


Mục lục
BÀI GIẢNG................................................................................................................1
HỆTHỐNG TỰĐỘNG...............................................................................................1
Mục lục....................................................................................................................2
Chương I:Tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ Điêzel tàu thủy ...............5
§1. Khái niệm về hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel
tàu thuỷ.....................................................................................................................5
1.1. Nguyên nhân phải tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel tàu
thuỷ............................................................................................................................5
1.2. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ điêzel tàu thuỷ
...................................................................................................................................5
§2. Phương trình động của động cơ điêzel tàu thuỷ.............................................7
2.1. Xây dựng phương trình động của động cơ điêzel..........................................7
2.2. Khảo sát đặc tính động học của động cơ điêzel............................................9
§3. Khái niệm và phân loại các bộ điều tốc của động cơ điêzel tàu thuỷ..........13
3.1. Khái niệm về bộ điều tốc động cơ điêzel tàu thuỷ........................................13
3.2. Phân loại các bộ điều tốc................................................................................14
3.3. Đặc tính điều chỉnh........................................................................................14
3.4. Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc.........................................................15
§4. Bộ điều tốc một, hai, nhiều chế độ và bộ điều tốc giới hạn..........................19
4.1. Bộ điều tốc một chế độ...................................................................................19
4.2. Bộ điều tốc hai chế độ....................................................................................21
4.3. Bộ điều tốc nhiều chế độ................................................................................22
4.4. Bộ điều tốc giới hạn:.......................................................................................24
§5. Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng..........................................................25

5.1. Khái niệm và sơ đồ chức năng của bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ.........25
5.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
.................................................................................................................................26
§6. Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ mềm..........................................................30
6.1. Sơ đồ chức năng của các bộ điều tốc có sử dụng liên hệ ngược mềm.........30
6.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm.31
§7. Bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp...........................................................34
7.1. Cấu tạo của bộ điều tốc có liên hệ ngược tổng hợp.......................................34
7.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................34
§8. Bộ điều tốc hai xung.......................................................................................37
8.1. Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc hai xung.....................................................37
8.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc hai xung...........................37
§9. Bộ điều tốc điện-điện tử.................................................................................40
9.1. Sơ đồ chức năng của bộ điều tốc kiểu điện-điện tử.......................................40
9.2. Nguyên lý hoạt động......................................................................................40
9.3. Đặc điểm..........................................................................................................41
§10. Bộ điều tốc thuỷ lực của hãng Woodward...................................................42
10.1. Giới thiệu chung về hãng Woodward (Woodward Governor Company)...42
10.2. Bộ điều tốc thuỷ lực SG................................................................................42
10.3. Bộ điều tốc thuỷ lực UG-D...........................................................................44
10.4. Bộ điều tốc thuỷ lực PG................................................................................48
10.5. Bộ điều tốc thuỷ lực PGA.............................................................................51
§11. Chế độ làm việc song song của các động cơ điêzel....................................54
11.1. Khái niệm......................................................................................................54
11.2. Yêu cầu đối với chế độ làm việc song song................................................54
11.3. Điều kiện đối với BĐT để chế độ làm việc song song đạt yêu cầu.............54
11.4. Hiệu chỉnh bộ điều tốc của các động cơ điêzel làm việc song song..........55
11.5. Các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc song song của các động cơ điêzel
giống nhau..............................................................................................................56
2

Câu hỏi ôn tập chương 1........................................................................................67
Chương II: Hệ thống điều khiển từ xa và tự động điều khiển từ xa động cơ điêzel
tàu thuỷ...................................................................................................................68
§1. Khái niệm chung.............................................................................................68
1.1.Khái niệm điều khiển từ xa và tự động điều khiển từ xa...............................68
1.2.Cấu trúc cơ bản của các hệ thống TĐĐKTX...................................................69
1.3.Những quy định chung đối với hệ thống TĐĐKTX........................................69
1.4.Công chất chính dùng trong hệ thống điều khiển..........................................70
§2. Cơ sở xây dựng hệ thống điều khiển động cơ điêzel tàu thuỷ......................72
2.1. Các trạng thái làm việc của động cơ điêzel..................................................72
2.2. Những tính chất quan trọng của hệ động lực................................................73
§3. Thuật toán điều khiển động cơ điêzel tàu thuỷ..............................................75
3.1. Thuật toán điều khiển khởi động động cơ.....................................................75
3.2. Thuật toán điều khiển dừng động cơ..............................................................78
3.3. Thuật toán điều khiển đảo chiều động cơ......................................................79
3.4. Thuật toán thay đổi tốc độ quay của động cơ điêzel.....................................81
§4. Hệ thống tự động điều khiển hệ động lực chân vịt biến bước.......................83
4.1. Khái niệm chung.............................................................................................83
4.2. Hệ thống điều khiển tự động của hãng SIEMEN (Đức)................................84
§5. Hệ thống tự động giám sát thông số và bảo vệ hệ động lực.........................85
5.1. Khái niệm và các chức năng của hệ thống....................................................85
5.2.Hệ thống tự động giám sát thông số...............................................................86
5.3.Hệ thống báo hiệu và báo động......................................................................88
5.4.Hệ thống bảo vệ...............................................................................................88
5.5.Hệ thống tự động dự báo hư hỏng kỹ thuật....................................................88
§6. Hệ thống tự động quản lý điện tàu thủy........................................................91
6.1. Một số khái niệm chung.................................................................................91
6.2. Một số thuật toán và mạch điều khiển hệ thống tự động quản lý điện ........93

Câu hỏi ôn tập chương 2......................................................................................101
Chương III: Tự động điều chỉnh và điều khiển nồi hơi tàu thủy........................102
§1. Các khái niệm chung....................................................................................102
§2. Phương trình động của nồi hơi tàu thuỷ......................................................105
2.1. Phương trình động của nồi hơi theo áp suất hơi.........................................105
2.2. Phương trình động của nồi hơi theo mức nước............................................110
2.3. Đặc tính thay đổi mức nước trong nồi hơi khi phụ tải thay đổi..................114
§3. Tự động điều khiển quá trình cấp nước nồi hơi..........................................116
3.1. Tự động điều khiển bơm cấp nước...............................................................116
3.2. Tự động điều chỉnh áp suất nước cấp...........................................................117
3.3. Tự động điều chỉnh lưu lượng nước cấp.......................................................118
§4. Tự động điều khiển quá trình cháy.............................................................128
4.1. Tự động điều chỉnh cường độ cháy..............................................................129
4.2.Tự động điều chỉnh chất lượng quá trình cháy............................................130
§5. Tự động điều chỉnh nhiệt độ hơi quá nhiệt..................................................134
5.1. Phương pháp tận dụng nhiệt của khí thải...................................................134
5.2. Phương pháp trích một phần hơi quá nhiệt cho qua bầu làm mát.............135
5.3. Phương pháp phun nước dưới dạng sương vào hơi đã quá nhiệt..............137
§6. Tự động điều chỉnh các quá trình phụ trợ của nồi hơi................................138
6.1. Tự động điều chỉnh nhiệt độ của nhiên liệu................................................138
6.2.Tự động điều chỉnh quá trình thổi muội.......................................................139
§7. Tự động điều khiển quá trình đốt và dừng nồi hơi......................................141
Câu hỏi ôn tập chương 3......................................................................................144
Chương 4. Tự động điều chỉnh tua bin hơi tàu thủy...........................................145
§1.Tính chất động học của tua bin tàu thuỷ......................................................145
1.1 Phương trình động của không gian chứa hơi...............................................146
1.2 Phương trình động của roto tua bin..............................................................147
1.3 ảnh hưởng của các thông số cấu tạo đến quá trình chuyển tiếp trong tua bin
...............................................................................................................................149
3

§2.Hệ thống tự động điều khiển và điều chỉnh tua bin hơi tàu thủy.................150
§3. Hệ thống tự động điều chỉnh áp suất ở bộ làm kớn.....................................152
§4. Hệ thống tự động điều chỉnh bầu ngưng hơi................................................153
Câu hỏi ôn tập chương 4......................................................................................154
Chương 5. Tự động Điều chỉnh và điều khiển các thiết bị phụ..........................155
§1. Tự động điều khiển máy nén khí.................................................................155
§2. Tự động điều khiển bơm la canh..................................................................158
§3. Bộ điều chỉnh khí nén..................................................................................161
3.1. Bộ điều chỉnh khí nén..................................................................................161
3.2.Tự động điều chỉnh nhiệt độ..........................................................................164
3.3.Tự động điều chỉnh áp suất...........................................................................166
3.4.Tự động điều chỉnh độ nhớt nhiên liệu.........................................................167
Câu hỏi ôn tập chương 5......................................................................................170

4


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 như bơm, 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, các thiết bị chiếu sáng, thiết bị hàng hải...) thường xuyên thay đổi
· Động cơ dẫn động chân vịt: Điều kiện khai thác (manơ, điều động, trạng thái vỏ tàu, chân
vịt,...), điều kiện hành hải (sóng, gió, thời tiết,...) thường xuyên thay đổi.
Do đó, năng lượng tiêu thụ (phụ tải của động cơ) thường xuyên thay đổi, dẫn đến vòng quay
của động cơ bị dao động nếu giữ nguyên đặc tính cấp năng lượng (giữ nguyên tay ga của
động cơ)
Hậu quả có thể xảy ra là
-Tần số của lưới bị thay đổi làm ảnh hưởng tới chế độ làm việc và tuổi thọ của các thiết bị
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 liệu cấp) cho phù hợp với năng lượng tiêu thụ (phụ tải của động cơ). Để thực hiện yêu
cầu này có hai biện pháp:
* Điều chỉnh bằng tay: Do người khai thác thực hiện bằng cách điều chỉnh trực tiếp tay ga
(điều chỉnh nhiên liệu). Nhược điểm của biện pháp này là độ chính xác và tin cậy không cao
mặc dù đòi hỏi nhiều công sức và trong nhiều trường hợp không thể thực hiện được
* Điều chỉnh tự động: Sử dụng bộ điều chỉnh tốc độ quay (bộ điều tốc) để giữ vòng quay của
động cơ luôn ổn định ở một giá trị đặt trước. Ưu điểm của biện pháp này là độ chính xác và
tin cậy cao, đòi hỏi ít công sức của người khai thác
Như vậy, việc trang bị một thiết bị tự động nhằm duy trì ổn định vòng quay của động cơ là 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, bộ điều chỉnh vòng quay hay ngắn gọn là bộ điều tốc.
1.2. Sơ đồ khối hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ điêzel tàu thuỷ
Hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay của động cơ điêzel có thể là hệ thống hoạt động 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 dụng động cơ trợ động - sơ đồ khối như hình 1.2).

5

Phụ tải
Đối t ợng điều chỉnh

g

Động cơ
Diesel

np

n
n

bơm
cao áp

nđ

Bộ điều
chỉnh

z

h

Hỡnh 1.1: H thng t ng iu chnh vũng quay hot ng trc tip
n l tớn hiu lch v vũng quay ca ng c,
n l tớn hiu cm bin vũng quay a ti b iu chnh, i vi b iu chnh cú phn t

cm bin vũng quay kiu c hc tớn hiu ny l tớn hiu c hc t l vi vũng quay ca ng
c - do ng c dn ng b iu chnh qua c cu bỏnh rng truyn ng; i vi b iu
chnh vũng quay cú phn t cm bin vũng quay kiu in, in t tớn hiu ny l tớn hiu
in cú ln t l vi vũng quay ca ng c,
z l tớn hiu ra ca b iu chnh - tớn hiu iu chnh, chớnh l dch chuyn ca trc ra ca
b iu chnh,
h l dch chuyn ca thanh rng bm cao ỏp (thanh rng nhiờn liu) t tỏc ng ca b iu chnh
lm thay i lng nhiờn liu cp vo ng c nhm duy trỡ n nh vũng quay,
g l s thay i lng nhiờn liu cp vo ng c do s thay i v trớ thanh rng,
np l s thay i vũng quay ca trc cam bm cao ỏp. Khi vũng quay ca ng c thay i
thỡ vũng quay ca bm cao ỏp cng thay i,
Phụ tải
Đối t ợng điều chỉnh

n

Động cơ
Diesel

g

thiết bị
điều chỉnh

h

np

n
nđ

bơm
cao áp

z x

y
động cơ
trợ động
Bộ điều chỉnh

Hỡnh 1.2: H thng t ng iu chnh vũng quay hot ng giỏn tip
H thng t ng iu chnh vũng quay hot ng giỏn tip cú thờm ng c tr ng
khuch i, lm tng cụng sut ca tớn hiu iu chnh.
x l tớn hiu vo ng c tr ng,
y l tớn hiu ra ca ng c tr ng, c khuch i t x,

6


§2. Phương trình động của động cơ điêzel tàu thuỷ
Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Thành lập được phương trình động của động cơ điêzel
- Phân tích được mối quan hệ giữa các thông số trong phương trình động
- Giải thích được đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ trong các trường hợp:
• Có sự thay đổi đột ngột nhiên liệu, phụ tải không thay đổi (đặc tính thay đổi tốc độ)
• Nhiễu phụ tải xuất hiện rồi biến mất, lượng nhiên liệu cấp không thay đổi (đặc tính tự ổn định)
2.1. Xây dựng phương trình động của động cơ điêzel
Động cơ điêzel là thiết bị năng lượng có năng lượng cấp vào do nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra,

năng lượng này được truyền xuống trục khuỷu làm quay trục tạo ra mô men động M d. Năng
lượng tiêu thụ là mô men cản Mpt do phụ tải tạo ra (có thể là chân vịt, máy phát điện, bơm,
tời...). Có thể mô hình hoá động cơ điêzel một cách đơn giản như sơ đồ hình 2.1.
Npt
h

ω (n)
động cơ diesel

Hình 2.1: Mô hình đơn giản của động cơ diesel
h: vị trí thanh răng bơm cao áp, biểu thị năng lượng cấp vào.
Npt: công suất cản của phụ tải biểu thị năng lượng tiêu thụ.
ω (n): vận tốc góc của trục động cơ (vòng quay).
Phương trình cân bằng mô men cho động cơ:

J

dω
= M d + M kd − M pt − M t
dt

2.1

Trong đó:
J: mô men quán tính của các chi tiết chuyển động quay so với đường tâm trục khuỷu (kG.m2),
ω: vận tốc góc của trục khuỷu của động cơ (rad/s),
Md: mô men động do khí cháy sinh ra (kG.m),
Mkd: mô men quay tạo ra bởi không khí nén khởi động (kG.m),
Mms: mô men cản ma sát (kG.m),
Mpt: mô men cản của phụ tải (kG.m),

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

J

dω
= Md − M t
dt

2.2

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

dω
2.3
= M d − M pt − M t ≈ M d − M pt do Mms << Mpt
dt
dω
ở trạng thái cân bằng tĩnh tốc độ góc của trục khuỷu không thay đổi (
=0) thì Mdo = Mpto
dt
J

Giả sử ở trạng thái động vận tốc góc thay đổi một lượng ∆ω tương ứng với thay đổi vị trí
thanh răng bơm cao áp ∆h và công suất cản của phụ tải ∆Npt.
Mô men động Md phụ thuộc vào hai thông số chính là vận tốc góc của trục khuỷu và vị trí thanh
7


răng bơm cao áp, nó có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Md = Md(ω,h).
Mô men cản Mpt phụ thuộc vào hai thông số chính là công suất của phụ tải và vận tốc góc của trục

khuỷu, nó có thể được biểu thị là hàm của hai thông số này: Mpt = Mpt(ω,Npt).
Tuyến tính hoá các hàm này bằng khai triển Taylor:

∂M d
M d = M do +
∂ω

∆ω ∂2M d
+
∂ω 2
o 1!

∆ω 2
∂M d
+ ... +
∂h
o 2!

2
∆ω ∂ M pt
M pt = M pto +
+
∂ω o 1!
∂ω 2

∂M pt

∆h ∂2M d
+
∂h 2

o 1!

∂M pt
∆ω 2
+ ... +
∂N pt
o 2!

∆N pt
1!

o

+

∆h 2
+ ...
o 2!

∂ 2M pt
∂N 2pt

∆N 2pt
o

2!

+ ...

Bỏ qua các đạo hàm bậc cao (các vô cùng bé) và thay vào phương trình cân bằng mô men 2.3:

J

d∆ω ∂M d
=
∂ω
dt

∆ω ∂ M d
+
∂h
o 1!

∆h ∂M pt
∂ω
o 1!

∆ω ∂M pt
∂N pt
o 1!

∆N pt
o

1!

∂M pt
∂M pt
∂M d
d∆ω ∂M d

∆N pt
∆
ω
∆
ω
∆
h
+
=
∂N pt o
∂ω o
∂ω o
∂h o
dt
∂M pt
∂M d 
∂M d
d∆ω  ∂M pt
∆N pt
−
∆h →J
+
÷∆ω =
∂N pt o
∂h o
 ∂ω o ∂ω o 
dt
→J

Giả sử giá trị các thông số của động cơ ở chế độ định mức là ωn, 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

N ptn
ωn
, số hạng thứ hai ở vế phải với
được:
N ptn
ωn

ω n d∆ω ω n  ∂M pt
∂M d  ∆ω ∂M d ∆h N ptn ∂M pt ∆N pt
−
=
+
2.4

÷
h n ω n dt h n  ∂ω o ∂ω o  ω n
h n ∂N pt o N ptn
∂h o h n
∆ω
Đặt ω =
: đại lượng không thứ nguyên, đặc trưng cho giá trị độ lệch tương đối của vận tốc góc,
ωn
∆h
λ=
: đại lượng không thứ nguyên, biểu thị độ dịch chuyển (sự thay đổi vị trí) tương đối
hn
J

của thanh răng bơm cao áp,
f=

∆N pt
N ptn

: đại lượng không thứ nguyên, biểu thị sự thay đổi tương đối của công suất cản của

phụ tải,

ωn
∂M d : hằng số thời gian, biểu thị thời gian tăng tốc của động cơ
Tđ =
hn
∂h o
Fod
ωn
 ∂M pt
∂M d 
∂M d : hệ số tự chỉnh, Fôđ = 
−
Kđ =
÷ : hệ số tự ổn định, đặc trưng
hn
 ∂ω o ∂ω o 
∂h o
J

cho khả năng tự ổn định vòng quay của động cơ,

8


∂M pt
Kpt =

N ptn ∂N pt

o

h n ∂M d
∂h

o

: hệ số biểu thị sự ảnh hưởng của phụ tải.

Thay vào 2.4 ta có phương trình:

T.

dϕ
+ K đ .ϕ = λ − K pt .f
dt

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 răng định mức

ωn
tức là với động cơ thấp tốc, chi tiết chuyển động quay có
hn

quán tính lớn thì Tđ lớn.
Hệ số tự chỉnh Kđ phụ thuộc vào Fôđ và

ωn
, nếu Kđ > 0 thì động cơ có khả năng tự ổn định
hn

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.
Kpt phụ thuộc vào

N ptn
hn

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

thanh răng nhiên liệu định mức, nghĩa là phụ thuộc vào đặc điểm của phụ tải và của hệ thống
nhiên liệu.
2.2. Khảo sát đặc tính động học của động cơ điêzel
2.2.1. Đặc tính thay đổi tốc độ quay của động cơ khi thay đổi đột ngột lượng cấp nhiên
liệu, công suất của phụ tải không thay đổi
Lúc này phương trình 2.5 có thể viết thành Tđ.

dϕ
+ Kđ.φ= ở
dt

Khi thay đổi đột ngột lượng cấp nhiên liệu (thay đổi tay ga/thanh răng), có thể coi tín hiệu vào ở là
một hàm đột biến đơn vị 1(t). Vì vậy khảo sát phương trình vi phân:
Tđ.

dϕ
+ Kđ. φ 1(t)
dt

2.6

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:

Td dϕ
dϕ
+ Kđ. φ = 0 ↔
.
+φ=0
K d dt
dt
Td
dϕ
Đặt T =
→ phương trình trở thành T.
+φ=0

Kd
dt
1
Phương trình đặc tính Tp+1 = 0 có nghiệm p = → phương trình vi phân thuần nhất có
T
Tđ.

t

nghiệm tổng quát φ tn = C. − T .

e

9


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

1
Kd

1
t
+ C. − T
e
Kd
1
1
Với điều kiện ban đầu φ (o)= 0 có C = , đặt K =
ta có:

Kd
Kd
→ Nghiệm tổng quát của 2.5 là φ =

t

φ = K(1 - − T )
e
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 hiệu vào (lượng nhiên liệu cấp) là hàm bước nhảy đơn vị. Đường cong này có dạng
như hình 2.2.
Tđ

φ,λ

1(t)

0

τ

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

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

Trên thực tế tồn tại thời gian trễ τ (thời gian tính từ khi có sự thay đổi đột ngột tay ga ở cho
tới khi động cơ bắt đầu có phản ứng (vòng quay của động cơ bắt đầu thay đổi).
Đặc tính thay đổi tốc độ và thời gian trễ của động cơ thay đổi theo tình trạng kỹ thuật của 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:
Tđ.

dϕ
+ Kđ.φ = - Kpt.f
dt
10


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

dϕ
+ Kđ.φ = 0
dt

Phương trình có nghiệm: φ = C.ept = C.

− Fd
t
e J

Với điều kiện ban đầu khi t = 0 thì φ = φ o → C = φ o, nghiệm của phương trình trở thành:
φ = φ o.

− Fd
t
e J

→ 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

− Fd
. Sau đây sẽ lần lượt xét các trường hợp.
J
− Fd
a.
< 0 → Fđ > 0: Đường đặc tính của động cơ có dạng như hình vẽ 2.3.
J

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

φ
φ==

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

b.

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

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

φ

t
Hình 2.4: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ = 0

c.

− Fd
> 0 → Fđ < 0: Đường đặc tính của động cơ có dạng như hình vẽ 2.5.
J
11


φ
φo

t

Hình 2.5: Đặc tính thay đổi vòng quay của động cơ khi Fđ < 0
Trong trường hợp này động cơ làm việc không ổn định. Nếu xuất hiện tác động nhiễu trạng
thái cân bằng ban đầu sẽ bị phá vỡ, vòng quay của động cơ ngày càng lệch xa khỏi giá trị ban
đầu (dễ dẫn tới trạng thái dừng máy (lịm máy) đột ngột hoặc quá tốc).
2.2.3. Xác định hệ số tự chỉnh Fđ của động cơ điêzel
Với năng lượng thoát là E1 = Mpt, năng lượng cấp là E2 = Mđ, đại lượng được điều chỉnh là y =
n, áp dụng công thức xác định hệ số tự chỉnh của đối tượng điều chỉnh bất kỳ (xem lại giáo
trình Cơ sở lý thuyết - phần tử tự động):

∂E1 ∂E 2 ∂M pt ∂M d
−
=
−
∂ω ∂ω
∂ω
∂ω
N
C .n.p e
2π.n π.n
Có Mpt = C.n2, Mđ = 716,2 e = 716,2 1
= K.pe, ự =
=
n
n
60
30
Fđ =

→ Fđ = (2C.n – K.pe) = A.n – B

Fd

Vòng quay tối
thiểu ổn định

Fdmax

Fd >0
Fd =0
-B

nmin
Fd < 0

nmax
x

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 hoạt động càng gần chế độ vòng quay định mức thì hệ số tự chỉnh của nó
càng cao, nghĩa là động cơ hoạt động càng ổn định và tin cậy hơn.

12


§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 loạt các nhóm chi tiết có chức năng khác nhau.
Nhóm điều chỉnh: cảm biến tốc độ quay, phần tử cảm biến có thể là
Kiểu cơ học như quả văng ly tâm (flyweight, flyball), hoặc
Kiểu điện như tachogenerator, pulse generator (pick-up sensor), hoặc
Kiểu thuỷ lực...
Nhóm chi tiết này tạo nên phần chính của bộ điều tốc.
Động cơ trợ động: khuyếch đại tín hiệu ra của bộ điều tốc, gồm hai cơ cấu chính là
Thiết bị điều khiển (pilot valve) và,
Piston lực (power piston, servo piston).
Các cơ cấu phản hồi: tăng tính ổn định
Phản hồi cứng, hoặc
Phản hồi mềm, hoặc
Phản hồi tổng hợp
Hình 3.1 là một ví dụ về bộ điều tốc. Đây là một bộ điều tốc một chế độ.
1. Động cơ

2. Quả văng 3. Vòng bi chặn
4. Lò xo tốc độ
5. Thanh truyền
6. Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)
Nguyên lý hoạt động của bộ điều tốc này sẽ được giải thích trong các bài tiếp theo

5
A

C

B

.

4

2
3

6

1

Hình 3.1: Bộ điều tốc một chế độ
13


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: bộ

điều 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
hai chế độ, bộ điều tốc nhiều chế độ, bộ điều tốc giới hạn.
 Phân loại theo tín hiệu ra của nhóm điều chỉnh: bộ điều tốc cơ học, bộ điều tốc thuỷ lực, bộ
điều tốc điện - điện tử...
 Phân loại theo nguyên lý xây dựng: bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý độ lệch, bộ điều tốc
hoạt động theo nguyên lý bù nhiễu và bộ điều tốc hoạt động theo nguyên lý kết hợp.
 Phân loại theo tính chất của phản hồi (liên hệ ngược): bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược cứng,
bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược mềm, bộ điều tốc sử dụng liên hệ ngược tổng hợp.
3.3. Đặc tính điều chỉnh
Đặc tính điều chỉnh là tập hợp các điểm biểu thị các trạng thái làm việc cân bằng của động cơ
trên đồ thị công suất - vòng quay khi có sự hoạt động của bộ điều tốc.
N (PS)
Nmax
M1
A1
A2

A4

A5

M3

A3

n4

n1

no n5

n (rpm)

Hình 3.2: Đặc tính điều chỉnh hữu sai
Hình 3.2 biểu thị đặc tính điều chỉnh hữu sai. Tương ứng với các chế độ tải khác nhau vòng
quay của động cơ bị sai lệch so với giá trị đặt.
A4, A2, A5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không được trang bị
bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),
A1, A2, A3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ được trang bị bộ
điều tốc hữu sai (vòng quay được duy trì ổn định ở n o và lân cận khi tải thay đổi trong khả
năng của động cơ).

14


N (PS)
Nmax

M1
A1
A5

A4

A2

M3

A3

n4

no

n5

n (rpm)

Hình 3.3: Đặc tính điều chỉnh vô sai
Hình 3.3 biểu thị đặc tính điều chỉnh vô sai, với mọi chế độ tải nằm trong khả năng công tác
của động cơ thì bộ điều tốc sẽ duy trì vòng quay ổn định chính xác bằng giá trị đặt.
A4, A2, A5 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ không được trang bị
bộ điều tốc (vòng quay thay đổi từ n4 đến n5),
A1, A2, A3 : điểm phối hợp công tác giữa động cơ và chân vịt khi động cơ được trang bị bộ
điều tốc vô sai (vòng quay được duy trì ổn định ở n o 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 vòng quay 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 n o, vòng quay của động cơ ở chế độ
tĩnh khi mang 100% tải là n1 thì:

δ=

n o − n1

1
( n + n1 )

2 o

× 100

(%)

(Tham khảo: Công thức của Woodward Governor δ =

n o − n1
× 100 )
n1

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 n o với mọi chế độ tải nằm trong phạm vi công tác
của động cơ. Nói cách khác khi phụ tải của động cơ thay đổi trong khả năng làm việc của nó
thì vòng quay ở các chế độ tĩnh luôn được duy trì như giá trị đặt mà không có sai lệch.
Bộ điều tốc có δ ≠ 0 (bộ điều tốc tĩnh học hay bộ điều tốc hữu sai) không có khả năng duy trì
vòng quay của động cơ ở các chế độ tĩnh chính xác bằng giá trị đặt no khi phụ tải nằm 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 n o
khi phụ tải thay đổi. Hình 3.4 biểu thị đặc tính điều chỉnh trong các trường hợp.
Với bộ điều tốc có δ > 0 vòng quay của động cơ ở chế độ cân bằng tĩnh sẽ giảm đi một ít so
với giá trị đặt khi phụ tải tăng. Sai lệch vòng quay của động cơ (sau khi thiết lập lại chế độ
cân bằng tĩnh) có chiều ngược với sự thay đổi tải.
15


N(PS)

N(PS)

N(PS)

100%

100%

100%
δ>0

δ=0

no

n1

n

no

δ<0

n

no

n1

n

Hình 3.4: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc δ =0, δ >0 và δ <0
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 tính nên có hiện tượng có sự thay đổi về vòng quay nhưng bộ điều tốc chưa có
tác động điều chỉnh, vùng này được gọi là vùng không nhạy của bộ điều tốc. Hình 3.5 biểu thị
vùng không nhạy của đặc tính điều chỉnh.
Nếu sự thay đổi của phụ tải làm thay đổi vòng quay của động cơ nhưng vòng quay chưa vượt
ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc chưa làm việc, chỉ khi nào sự thay đổi của phụ tải
làm cho vòng quay vượt ra khỏi vùng không nhạy thì bộ điều tốc mới hoạt động và có tác
động điều chỉnh. Vùng không nhạy được đặc trưng bởi hệ số không nhạy ε.
Công thức xác định hệ số không nhạy:

ε=

n ' − n' '

1
( n'+ n' ')
2

× 100

(%)

N(PS)
100%

n’ n
’ ’

n

Hình 3.5: Vùng không nhạy
Hệ số không nhạy ε lớn (vùng không nhạy rộng) thì không có lợi vì khi đó bộ điều tốc mất đi
độ nhạy và trở nên ì (tác động chậm trễ) trước sự thay đổi của phụ tải.
Hệ số không nhạy ε thay đổi theo thời gian khai thác, tình trạng kỹ thuật (mới, cũ) và công tác
chăm sóc, bảo dưỡng... Giá trị hệ số không nhạy ồ càng nhỏ càng tốt nhưng trên thực tế không
16


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

N(PS)
100%

n12 n11

no2

n1

no1

no

n

Hình 3.6: ảnh hưởng của vùng không nhạy đến δ
Hình vẽ 3.6 được dùng để xét ảnh hưởng của ε tới δ: khi ε = 0 thì

Khi ε ≠ 0 thì

δ=

n o1 − n 12
1
( n o1 + n12 )
2

δo =

n o − n1
1
( n o + n1 )
2

× 100

× 100

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

(n o + ∆n ) − (n1 − ∆n )
× 100
1
[ ( n o + ∆n ) + (n1 − ∆n ) ]
2
n o − n1
2∆n
δ=
× 100 +
× 100 = δo + δε
1
1
( n o + n1 )
( n o + n1 )
2
2
δ=

δε: thành phần gia tăng hệ số không đều do ảnh hưởng của vùng không nhạy.
Từ việc phân tích trên đây có thể thấy công tác bảo dưỡng, vệ sinh định kỳ cũng góp phần
làm giảm δ.
3.4.3. Độ phi tuyến (nonlinearity)
Sở dĩ có độ phi tuyến là do quan hệ giữa công suất và vòng quay không phải là tuyến tính.
Nguyên nhân có thể là do quan hệ phi tuyến giữa tín hiệu ra và vào của phần tử cảm 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.

N(PS)
100%

n’’ n’

n

Hình 3.7: Độ phi tuyến
17


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

ξ=

n '−n ' '
1
(n '+ n ' ' )
2

× 100

(%)

Quá trình động hay quá trình chuyển tiếp là quá trình mà tốc độ quay của động cơ chuyển từ
trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác. Hình 3.8 biểu thị một dạng quá trình
động. Thông số đặc trưng quan trọng nhất của quá trình động là thời gian điều chỉnh và độ
quá điều chỉnh hay còn được gọi là độ lệch động.
3.4.4. Độ lệch động (overdamping/overshooting)
Độ lệch tức thời cực đại của vòng quay của động cơ khi đột ngột cắt hoàn toàn phụ tải đặt vào

động cơ.
σđ =

∆n max
no

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 vòng quay của động cơ tới khi vòng quay của động cơ được điều chỉnh ổn định trở lại.
Vòng quay của động cơ được coi là ổn định trở lại khi sự thay đổi của nó nằm trong 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 chỉnh thường được tính bằng giây. Nó phụ thuộc vào các yếu tố như kiểu loại bộ điều tốc
(cơ học, thuỷ lực, điện-điện tử), sự phù hợp giữa bộ điều tốc và động cơ, việc hiệu chỉnh bộ
điều tốc và công tác bảo dưỡng...

no

ε
ồ

Δnmax

n (rpm)

ε

tđc
t
Hình 3.8: Đặc tính động

Ngoài các thông số kể trên bộ điều tốc còn các thông số đặc trưng khác như độ suy giảm biên
độ, giới hạn vùng vòng quay hoạt động, khả năng chịu tải của trục ra...
Các thông số δ, ε, ξ là các thông số đặc trưng cho chế độ tĩnh của bộ điều tốc còn t đc, σđ... là
các thông số đặc trưng cho chế độ động của bộ điều tốc.

18


§4. Bộ điều tốc một, hai, nhiều chế độ và bộ điều tốc giới hạn
(Chế độ hoạt động của bộ điều tốc ở đây được hiểu là chế độ vòng quay)






Mục tiêu của bài học
Sau khi hoàn thành tốt bài học này sinh viên sẽ có khả năng:
- Nêu được khái niệm về
bộ điều tốc một chế độ
bộ điều tốc hai chế độ
bộ điều tốc nhiều chế độ và
bộ điều tốc giới hạn
- Nêu được đặc điểm cấu tạo và giải thích được nguyên lý hoạt động của một số bộ điều tốc theo
cách phân loại trên
- Vẽ được dạng đường đặc tính điều chỉnh của các loại bộ điều tốc kể trên
4.1. Bộ điều tốc một chế độ
Bộ điều tốc một chế độ chỉ có tác động điều chỉnh để duy trì vòng quay ổn định ở một giá trị đặt
trước nhất định, khi khai thác động cơ ở các chế độ vòng quay khác giá trị này thì bộ điều tốc
không có tác dụng điều chỉnh, lúc đó động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không có bộ điều

tốc. Vòng quay làm việc của bộ điều tốc một chế độ thường là vòng quay định mức, vòng
quay tối thiểu ổn định hoặc vòng quay cực đại.
Hình vẽ 4.2 minh họa một bộ điều tốc một chế độ hoạt động trực tiếp.
Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn. Khi
động cơ hoạt động với vòng quay ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc, lực ly tâm do
cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo 4 tại vòng bi chặn 3.
Giả sử phụ tải của động cơ tăng, vòng quay của động cơ tức thời sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp
quả văng tạo ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng 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 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 bằng được 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 nhiên liệu thường là
liên kết mềm (qua lò xo hoặc xy lanh giảm chấn)

19


A

5

B

C

4

2

3
6
1

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 tốc nhiều 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 thác không 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 như động cơ lai máy nén, lai bơm, các động cơ điêzel thấp tốc lai chân vịt...
N (PS)
Mđm

Nmax

A1
A2

A4

A5

Mmin

A3

n4 n1

no n5

n (rpm)

Hình 4.1: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc một chế độ
Hình 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 cực đại...) và lân cận. ở các chế độ vòng quay khác bộ điều tốc không có
20


tác dụng, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài.
4.2. Bộ điều tốc hai chế độ
Từ yêu cầu thực tế với động cơ điêzel lai chân vịt là cần phải làm việc ổn định không chỉ ở
chế độ vòng quay khai thác (hoặc vòng quay định mức) mà còn phải làm việc ổn định cả ở
chế độ vòng quay nhỏ (như vòng quay tối thiểu ổn định) bộ điều tốc hai chế độ được sử dụng
để đáp ứng yêu cầu này.
Bộ điều tốc hai chế độ có hai loại kết cấu: loại có hai cặp quả văng và loại có hai lò xo. ở chế
độ vòng quay nhỏ chỉ có một cặp quả văng hoặc một lò xo làm việc, còn ở chế độ vòng quay
lớn hơn cả hai cặp quả văng hoặc hai lò xo đều làm việc.
Hình 4.3 minh họa một bộ điều tốc hai chế độ kiểu có hai lò xo.
Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.
Khi vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc thì
lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo 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 vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làm
việc thứ hai của bộ điều tốc thì lực ly tâm do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của
lò xo thứ nhất 4-1 và lò xo thứ hai 4-2 tại vòng bi chặn 3. Cả hai lò xo đều có tác dụng lên
vòng bi chặn.

A

B

5

C

4-1
4-2
2
3
6
1

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 thứ nhất
4-2. Lò xo tốc độ thứ hai
5. Thanh truyền 6. Thanh răng
bơm cao áp (thanh răng nhiên liệu)
Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ nhất của bộ điều tốc. Giả sử

phụ tải của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả
văng tạo ra giảm đi, lò xo thứ nhất sẽ đẩy vòng 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 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 bằng được 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.
21


Trường hợp động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc thứ hai của bộ điều tốc và
có sự thay đổi phụ tải, bộ điều tốc sẽ hoạt động tương tự chỉ khác là lực ly tâm của cặp quả
văng tạo ra phải cân bằng với lực đàn hồi của hai lò xo.
Khi phụ tải giảm thì bộ điều tốc hoạt động ngược lại.
N (PS)
Nmax

Mđm

A1
A2
A3

nmin

n1

no

Mmin

n (rpm)

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 quay khai thác và vòng quay tối thiểu ổn định. Trong khoảng giữa hai chế độ vòng quay
này bộ điều tốc bị ngắt khỏi quá trình công tác, động cơ làm việc theo đặc tính ngoài không
có bộ điều tốc và người khai thác điều chỉnh trực tiếp tay ga để ổn định vòng quay (không qua
bộ điều tốc).
Bộ điều tốc loại này có thể được trang bị trên các động cơ điêzel lai chân vịt hoặc lai bơm...
4.3. Bộ điều tốc nhiều chế độ
Bộ điều tốc nhiều chế độ cho phép thay đổi vòng quay đặt trước và nó sẽ tác động để duy trì
ổn định vòng quay của động cơ theo giá trị đặt khi phụ tải nằm trong khả năng phát ra công
suất của động cơ.
Việc đặt vòng quay cho bộ điều tốc được thực hiện bằng cách thay đổi độ lớn giá trị tín hiệu
cho trước (với bộ điều tốc kiểu cơ khí, thủy lực là sức căng lò xo tốc độ và với bộ điều tốc
kiểu điện - điện tử là điện áp đặt).
Hình 4.6 minh họa một bộ điều tốc nhiều chế độ kiểu cơ khí đơn giản.
Mâm quay và cặp quả văng được dẫn động từ trục khuỷu thông qua cơ cấu bánh răng côn.
Khi vòng quay của động cơ tương ứng với vòng quay làm việc của bộ điều tốc thì lực ly tâm
do cặp quả văng 2 tạo ra cân bằng với sức căng của lò xo tại vòng bi chặn 3.
Giả sử động cơ đang hoạt động ổn định ở vòng quay làm việc của bộ điều tốc. Giả sử phụ tải
của động cơ tăng, vòng quay tức thời của động cơ sẽ bị giảm, lực ly tâm do cặp quả văng tạo
ra giảm đi, lò xo sẽ đẩy vòng bi chặn đi xuống, thanh truyền ABC do đó bị kéo quay cùng
chiều kim đồng hồ quanh điểm tựa A, thanh răng bơm cao áp được đẩy theo chiều (+) tăng
lượng nhiên liệu cấp vào động cơ. Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên 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 bằng được 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.

22


7
A

B

5

C

4

2
3
6
1

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 nhiên liệu theo chiều (+), cấp thêm nhiên liệu vào động cơ để tăng vòng quay
của động cơ. Trạng thái cân bằng được lập lại khi vòng quay của động cơ đạt tới giá trị đặt

mới (tạo ra lực ly tâm của cặp quả văng cân bằng với sức căng mới của lò xo).
Mmax

N (PS)
Nmax

Mđm

Mmin

nmin

no

n (rpm)

Hình 4.5: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc nhiều chế độ
Hình 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
23


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 máy phát điện.
4.4. Bộ điều tốc giới hạn:
Trong một số điều kiện khai thác phụ tải của động cơ thay đổi liên tục nhưng không lớn làm
cho bộ điều tốc hoạt động liên tục, do đó lượng nhiên liệu cấp vào động cơ bị thay đổi liên tục

dẫn tới trạng thái nhiệt của các chi tiết thay đổi nhiều. Các chi tiết trong hệ thống nhiên liệu
(bơm cao áp, vòi phun) cũng thay đổi trạng thái làm việc với tần số lớn. Trước đây có những
động cơ điêzel không được trang bị bộ điều tốc nhiều chế độ mà được trang bị bộ điều tốc
giới hạn. Các bộ điều tốc này chỉ hoạt động khi phụ tải thay đổi 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 làm vòng quay của động cơ lớn hơn vòng quay cực đại thì bộ điều tốc mới làm việc.
Cũng có thể gặp bộ điều tốc giới hạn vòng quay cực đại và cực tiểu. Các bộ điều tốc giới hạn
có thể là bộ điều tốc một chế độ, hai chế độ, hoặc nhiều chế độ với cơ cấu truyền động đặc
biệt từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu để đảm bảo bộ điều tốc chỉ có tác dụng
giới hạn vòng quay của động cơ.
Thanh răng
nhiên liệu
Thanh truyền từ trục ra của
bộ điều chỉnh tới thanh
răng nhiên liệu

Chốt

Rãnh

Hình 4.7: Cơ cấu giới hạn của bộ điều tốc giới hạn
Hình 4.7 minh họa một cơ cấu liên kết từ trục ra của bộ điều tốc tới thanh răng nhiên liệu. Giả
sử vòng quay của động cơ vượt quá vòng quay cực đại, trục ra của bộ điều tốc kéo thanh 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 của động cơ. Khi vòng quay của động cơ đã giảm xuống dưới
vòng quay cực đại thì chốt được nhả ra không tì vào đầu rãnh nữa, động cơ lại hoạt động bình
thường không có sự can thiệp của bộ điều tốc.

24

§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 đến đầu vào của chính phần tử này hoặc đầu vào của một phần tử khác nằm trước nó
với mục đích tăng chất lượng hoạt động của hệ thống.
Trong bộ điều tốc phản hồi phụ được dùng để tăng chất lượng điều chỉnh và thường được gọi là liên
hệ ngược. Có hai dạng liên hệ ngược là liên hệ ngược cứng và liên hệ ngược mềm.
Liên hệ ngược cứng (còn có các tên gọi khác là phản hồi cứng, hồi tiếp cứng): là phần tử phản
hồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tín hiệu vào xvht:
xrht = Kht.xvht
Tác động của liên hệ ngược cứng không mất đi theo thời gian (không phụ thuộc vào thời gian mà
chỉ phụ thuộc vào độ lớn tín hiệu vào xvht) và xuất hiện cả ở chế độ động và chế độ tĩnh.
Liên hệ ngược mềm (còn có các tên gọi khác là phản hồi mềm, hồi tiếp mềm): là phần tử phản
hồi có tín hiệu ra xrht tỷ lệ với tốc độ thay đổi của tín hiệu vào xvht:
xrht = Kht.(dxvht/dt)
Tác động của liên hệ ngược mềm chỉ xuất hiện ở chế độ động khi tín hiệu vào thay đổi.
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 có liên 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 nhiên liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt... sẽ tác động vào
thiết bị điều khiển là van trượt.

LHN
CỨNG

Lề XO
TỐC ĐỘ

KHỚP
TRƯỢT

VAN
TRƯỢT

XYLANH
TRỢ
ĐỘNG

BCA ĐIÊZEL

LHN
MỀM

QUẢ
VĂNG

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

25