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

Chng I
T ng iu chnh tc quay ca ng c iờzel tu thy
Đ1. Khỏi nim v h thng t ng iu chnh tc quay
ca ng c iờzel tu thu
Mc tiờu ca bi hc
Sau khi hon thnh tt bi hc ny sinh viờn s cú kh nng:
- Gii thớch c lý do ti sao phi t ng iu chnh tc quay ca ng c iờzel tu thy
- V c s th hin mi quan h gia ng c, b iu tc trong hai trng hp b iu tc hot ng
trc tip v giỏn tip
1.1. Nguyờn nhõn phi t ng iu chnh tc quay ca ng c iờzel tu thu
Trờn tu thu ng c iờzel c trang b lai chõn vt, lai mỏy phỏt in, lai cỏc thit b phc v nh
bm, mỏy nộn khớ... ng c iờzel khi hot ng vi cỏc ph ti loi ny cú cỏc c im nh sau:
ã ng c dn ng mỏy phỏt in: Ph ti in (mụ t in lai cỏc bm, mỏy lỏi, mỏy nộn, ti cu, cỏc
thit b chiu sỏng, thit b hng hi...) thng xuyờn thay i
ã ng c dn ng chõn vt: iu kin khai thỏc (man, iu ng, trng thỏi v tu, chõn vt,...), iu
kin hnh hi (súng, giú, thi tit,...) thng xuyờn thay i.
Do ú, nng lng tiờu th (ph ti ca ng c) thng xuyờn thay i, dn n vũng quay ca ng c
b dao ng nu gi nguyờn c tớnh cp nng lng (gi nguyờn tay ga ca ng c)
Hu qu cú th xy ra l
-Tn s ca li b thay i lm nh hng ti ch lm vic v tui th ca cỏc thit b in
-D dn ti tỡnh trng ng c b quỏ ti, quỏ tc hoc ng c b dng t ngt => khụng an ton
Vỡ vy, yờu cu t ra l phi iu chnh nng lng cp (iu chnh tay ga thay i lng nhiờn liu
cp) cho phự hp vi nng lng tiờu th (ph ti ca ng c). thc hin yờu cu ny cú hai bin
phỏp:
* iu chnh bng tay: Do ngi khai thỏc thc hin bng cỏch iu chnh trc tip tay ga (iu chnh
nhiờn liu). Nhc im ca bin phỏp ny l chớnh xỏc v tin cy khụng cao mc dự ũi hi nhiu
cụng sc v trong nhiu trng hp khụng th thc hin c
* iu chnh t ng: S dng b iu chnh tc quay (b iu tc) gi vũng quay ca ng c
luụn n nh mt giỏ tr t trc. u im ca bin phỏp ny l chớnh xỏc v tin cy cao, ũi
hi ớt cụng sc ca ngi khai thỏc
Nh vy, vic trang b mt thit b t ng nhm duy trỡ n nh vũng quay ca ng c l cn thit. Thit b

t ng lm nhim v duy trỡ n nh vũng quay ca ng c cú th c gi l b iu chnh tc quay, b
iu chnh vũng quay hay ngn gn l b iu tc.
1.2. S khi h thng t ng iu chnh tc quay ng c iờzel tu thu
H thng t ng iu chnh tc quay ca ng c iờzel cú th l h thng hot ng trc tip (khụng
s dng ng c tr ng - s khi nh hỡnh 1.1) hoc l h thng hot ng giỏn tip (cú s dng
ng c tr ng - s khi nh hỡnh 1.2). Phụ tải
Đối t ợng điều chỉnh

Động cơ
Diesel

g

np

n
n

nđ

bơm
cao áp

Bộ điều
chỉnh

z

h

Hỡnh 1.1: H thng t ng iu chnh vũng quay hot ng trc tip
1


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,

2


§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 − Mt
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 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).
3


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:

d∆ω ∂M d
J
=
∂ω
dt

∆ω ∂ M d
+
1
!
∂h
o

∆h ∂M pt
1
!
∂ω
o

∆ω ∂M pt
∂N pt
1
!

o

∆N pt
o

1!

∂M pt
∂M pt
∂M d
d∆ω ∂M d
∆N pt
∆
ω
∆
ω
∆
h
→J
+
=
∂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
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 h n, nhân các số hạng ở vế trái với
vế phải với

N ptn
N ptn
J

Đặt ω =
λ=

ωn
, số hạng thứ hai ở
ωn

được:

ω n d∆ω ω n  ∂M pt
+

h n ω n dt h n  ∂ω

−
o

∂M d  ∆ω ∂M d
=
÷
∂ω o  ω n
∂h

∆h N ptn ∂M pt
h n ∂N pt
o hn

∆N pt
o

N ptn

2.4

∆ω
: đại lượng không thứ nguyên, đặc trưng cho giá trị độ lệch tương đối của vận tốc góc,
ωn

∆h
: đại lượng không thứ nguyên, biểu thị độ dịch chuyển (sự thay đổi vị trí) tương đối của thanh
hn

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
Tđ =
hn
∂h
Fod
ωn
∂M d
Kđ =
hn
∂h
J

: hằng số thời gian, biểu thị thời gian tăng tốc của động cơ
o

 ∂M pt
 ∂ω

: hệ số tự chỉnh, Fôđ = 
o

−

o

∂M d 
÷ : hệ số tự ổn định, đặc trưng cho khả năng
∂ω o 

tự ổn định vòng quay của động cơ,

∂M pt

Kpt =

N ptn ∂N pt

o

h n ∂M d
∂h

o

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

4


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

ωn
tức là với động cơ thấp tốc, chi tiết chuyển động quay có quán tính lớn thì Tđ lớn.
hn
ωn
Hệ số tự chỉnh Kđ phụ thuộc vào Fôđ và
, nếu Kđ > 0 thì động cơ có khả năng tự ổn định còn nếu K đ <
hn
răng định mức

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.

5

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 nghiệm tổng
T
Tđ.

t

quát φ tn = C. − T .
e
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

6


hằng số thời gian Tđ, Tđ nhỏ thì thời gian phản ứng của động cơ ngắn (vòng quay của động cơ nhanh đạt tới
vòng quay tương ứng với lượng cấp nhiên liệu mới) 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

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: T đ.

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
đây sẽ lần lượt xét các trường hợp.
a.

− Fd
. Sau
J

− Fd
< 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.

7


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
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

nma
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.

8


§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
9


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
A5

A2

A4

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 no và lân cận khi tải thay đổi trong khả năng của động cơ).
N (PS)
Nmax
M
1

A1
A4

A5
A2

M3

A3

n4

no

n5

Hình 3.3: Đặc tính điều chỉnh vô sai

n (rpm)

10


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 no với mọi chế độ tải nằm trong khả năng của động cơ).
3.4. Các thông số đặc trưng của bộ điều tốc
3.4.1. Hệ số không đều về tốc độ δ (speed droop)
Hệ số không đều về tốc độ đặc trưng cho khả năng duy trì ổn định vòng quay của động cơ so với 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 no, 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.
N(PS)
N(PS)
N(PS)
100%

100%

100%
ọ>0

ọ=0

no

n

n1

no n

ọ<0

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
11


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(PS)
100%

n ' − n' '

1
( n'+n' ')
2

× 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 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:

δ=

(n o + ∆n ) − (n1 − ∆n )
× 100
1
[ ( n o + ∆n ) + (n1 − ∆n ) ]
2

12


δ=

n o − n1

1
( n o + n1 )
2

× 100 +

2∆n
1
( n o + n1 )
2

× 100 = δo + δε

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
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.

13


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.

14


§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)

A

B

5

C

.

4

2
3
6
1

Hình 4.2: Bộ điều tốc một chế độ
15


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 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.

16


A

B

5

C

4-1
4-2
2
3
6
1

Hình 4.4: Bộ điều tốc hai chế độ
2. Quả văng

3. Vòng bi chặn
4-1. Lò xo tốc độ thứ
5. Thanh truyền 6. Thanh răng bơm cao áp (thanh răng nhiên

Chú thích hình vẽ: 1. Động cơ
nhất 4-2. Lò xo tốc độ thứ hai
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.
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

Mmin

n1
no
nmin
n (rpm)
Hình 4.3: Đặc tính tĩnh của bộ điều tốc hai chế độ
17


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.

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).
18

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 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

Rãnh
Chốt
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.

19


§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

20


BIẾN TRỞ

BỘ SO
SÁNH

ĐẶT TỐC ĐỘ

BỘ SO
KHUẾCH

SÁNH

XỬ Lí PID

ĐẠI

MÔ TƠ

ĐỘNG CƠ

THỰC HIỆN

ĐIÊZEL

PHẢN HỒI PHỤ

CẢM BIẾN VỊ
TRÍ
CẢM BIẾN VềNG
QUAY

Hình 5.2: Sơ đồ khối của bộ điều tốc điện - điện tử với phần tử phản hồi phụ
Hình 5.2 là sơ đồ khối của một bộ điều tốc điện - điện tử với các phản hồi.
Các tín hiệu giới hạn để nâng cao an toàn và tăng chất lượng hoạt động của động cơ như giới hạn nhiên
liệu theo áp suất khí tăng áp, giới hạn nhiên liệu theo tốc độ đặt... sẽ tác động vào bộ xử lý PID để khống
chế tín hiệu ra.
5.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
Hình vẽ 5.3 thể hiện sơ đồ nguyên lý của một bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng.
5.2.1. Chú thích hình vẽ
Flyweights: cặp quả văng ly tâm
Speeder spring: lò xo tốc độ

Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ
Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt)
Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ
Feedback lever: thanh truyền liên hệ ngược cứng
B
A
Feedback lever
C
Speeder
Spring
Spring
holder
Pilot control
Flyweights
valve plunger

Ballhead

Thrust
bearing

Driving
gear

Power
piston
Pilot control
valve bush

From To

pump sump

Output shaft

Hình 5.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
To sump: về két sump
Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm
Pilot control valve: van trượt điều khiển
Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển
Power piston: piston lực
Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)
21


5.1.2. Nguyên lý hoạt động:
ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng với lực ly
tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu bên trái (A) của thanh truyền liên hệ ngược cứng đứng yên
ở một vị trí nhất định. Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi
xi lanh lực. Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu
tương ứng với phụ tải hiện tại của động cơ.
Trong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ tức thời bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo
ra nhỏ hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A) của thanh truyền
liên hệ ngược cứng đi xuống vị trí (A’). Thanh ABC quay tức thời quanh đầu bên phải C, điểm (B) đi
xuống vị trí (B’) kéo van trượt điều khiển đi xuống. Do đó khoang phía bên dưới của xi lanh lực được
thông với đường dầu cấp từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump. Dầu được cấp
vào khoang bên dưới và xả ra từ khoang trên của xilanh lực đẩy piston lực đi lên kéo trục điều khiển
thanh răng nhiên liệu quay theo chiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ. Lúc đó đầu C của thanh
ABC đi lên vị trí C” (thanh ABC quay tức thời quanh A) vì vậy B’ được kéo lên, tác động này có xu
hướng kéo cho van trượt điều khiển trở về vị trí che kín các cửa dầu (ngược với tác động trong giai đoạn
trước).

C"
A=A'"

B=B"=B'"
C=C'=C'"

A"

B'

A'
Hình 5.4: Phân tích chuyển động của thanh truyền liên hệ ngược cứng ABC
Khi nhiên liệu cấp vào động cơ đã tăng lên, vòng quay của động cơ sẽ tăng dần lên, lực li tâm do cặp quả
văng tạo ra do đó tăng dần lên cân bằng với sức căng lò xo, khớp trượt do đó lại được đẩy dần lên, đầu A
của thanh truyền ABC thay đổi vị trí từ A’ tới A”. Quá trình điều chỉnh kết thúc khi van trượt điều khiển
được kéo về vị trí đóng kín các cửa dầu và cố định vị trí của piston lực tức là vị trí của điểm B lại thay đổi
từ B’ tới B”=B. Trạng thái cân bằng được thiết lập với vị trí thanh ABC bây giờ là A”BC”. Sức căng của lò
xo tốc độ bị thay đổi một ít tương đương với việc giá trị đặt của bộ điều tốc bị thay đổi đi một ít.
Trường hợp thay đổi tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động tương tự nhưng kết quả là vòng quay của động cơ
tăng lên và ổn định ở giá trị đặt mới. Trường hợp phụ tải giảm và giảm tốc độ đặt bộ điều tốc hoạt động
ngược lại.
Những mô tả trên đây chỉ thể hiện một cách tuần tự các quá trình, trên thực tế các quá trình xảy ra
gần như đồng thời và rất phức tạp.
5.1.3. Đặc điểm của bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng
Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng có hệ số không đều δ ≠ 0 (đặc tính điều chỉnh có dạng như hình vẽ
5.5). ở các trạng thái cân bằng tương ứng với các phụ tải có công suất khác nhau thì vị trí của điểm C (vị
trí thanh răng nhiên liệu) sẽ thay đổi (C => C”) do đó vị trí của A cũng thay đổi (A => A”). Hậu quả là
sức căng lò xo cũng bị thay đổi đi một lượng nhỏ tức là vòng quay của động cơ sau khi trạng thái cân
bằng được thiết lập sẽ bị sai lệch so với giá trị đặt một lượng nhỏ. Có thể thay đổi ọ bằng cách thay đổi vị

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

22


N(PS)

Δh

100%
ọ>0

no

n
t
5.5: Đặc tính điều chỉnh và đặc tính cấp nhiên liệu của bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng
Bộ điều tốc có liên hệ ngược phụ cứng có tác động điều chỉnh nhanh và mang tính xung do tính chất hoạt
động của liên hệ ngược là theo qui luật tỷ lệ. Hình 5.3 biểu thị quy luật thay đổi lượng nhiên liệu cấp.
Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc không thay đổi được, do đó mỗi loại động cơ lại phải có bộ điều tốc
phù hợp. Thời gian điều chỉnh của bộ điều tốc thay đổi theo tình trạng kỹ thuật vì vậy khi bộ điều tốc và
động cơ đã cũ sẽ dẫn tới trường hợp thời gian điều chỉnh và thời gian thay đổi tốc độ của động cơ không
còn phù hợp. Khi đó động cơ sẽ có khói đen khi tăng tải hoặc vòng quay của động cơ lâu trở về trạng thái
cân bằng.
Bộ điều tốc có liên hệ ngược cứng có thể được trang bị cho các động cơ điêzel lai máy phát điện, các động cơ
điêzel lai chân vịt, lai bơm, máy nén, tua bin hơi nước, tua bin khí...

23

Đ6. B iu tc cú liờn h ngc ph mm
Mc tiờu ca bi hc
Sau khi hon thnh tt bi hc ny sinh viờn s cú kh nng:
- Nờu c khỏi nim v b iu tc cú liờn h ngc ph mm
- Nờu c c im cu to v gii thớch c nguyờn lý hot ng ca mt s b iu tc cú liờn h
ngcph mm
- V c dng ng c tớnh iu chnh ca b iu tc cú liờn h ngc ph mm
6.1. S chc nng ca cỏc b iu tc cú s dng liờn h ngc mm
Liờn h ngc ph mm (cũn cú cỏc tờn gi khỏc l phn hi mm, hi tip mm): l phn t phn hi cú
tớn hiu ra xrht t l vi tc thay i ca tớn hiu vo xvht:

x ht
r

dx ht
= K ht . v
dt

Tỏc ng ca liờn h ngc mm ch xut hin ch ng khi tớn hiu vo thay i. Liờn h ngc
mm cú tỏc dng tng tớnh n nh ca quỏ trỡnh chuyn tip v trit tiờu sai s tnh.
Mt s kiu kt cu ca liờn h ngc mm:
Kiu b gim chn thu lc: bao gm piston-xilanh gim chn, thanh truyn v lũ xo. Lũ xo ny
trng thỏi t do (khụng chu kộo, nộn) khi b iu tc trng thỏi cõn bng. Xem chi tit hỡnh v
5.3.
Kiu cp piston bự trong h thng bỡnh thụng nhau: bao gm piston ch ng, piston b ng, van tit
lu. Hỡnh 6.1 th hin cu to ca mt liờn h ngc mm kiu ny.

Từ phần tử
cảm biến

tốc độ quay

Lò xo
bù
Piston
bù bị
động

Từ piston
lực

Van
kim
tiết luu

Piston
bù chủ
động

Hỡnh 6.1: Liờn h ngc mm kiu bỡnh thụng nhau (bự thu lc - c hc)
Kiu cp piston ngn kộo: bao gm mt cp piston (piston bự v piston m), cp lũ xo m v
van kim tit lu. Hỡnh 6.2 th hin cu to ca mt liờn h ngc mm kiu ny.
Dịch chuyển từ
phần tử cảm biến
tốc độ quay

Piston
lực

Vành bù

Van kim
tiết luu

Từ bơm
dầu

Lò xo đệm
Về két

Piston đệm

Hỡnh 6.2: Liờn h ngc mm kiu cp piston ngn kộo (bự thu lc)
24


6.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm
Hình vẽ 6.3 thể hiện nguyên lý cấu tạo của một bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm.
6.2.1. Chú thích hình vẽ
Flyweights: cặp quả văng ly tâm
Speeder spring: lò xo tốc độ
Adjusting nut: đai ốc điều chỉnh sức căng lò xo tốc độ
Thrust bearing: Vòng bi chặn (khớp trượt)
Ball head: mâm đỡ quả văng Driving gear: bánh răng truyền động từ động cơ
Floating lever: thanh truyền tự do To sump: về két chứa ở đáy
Oil supply from gear pump: dầu cấp từ bơm
Pilot control valve: van trượt điều khiển
Pilot control valve bush: xilanh (ống bao) van trượt điều khiển
Power piston: piston lực
Compensating needle valve: van kim tiết lưu

Compensating spring: lò xo của cơ cấu bù
Output shaft: trục ra của bộ điều tốc (nối với thanh răng nhiên liệu)
6.2.2. Nguyên lý hoạt động:
ở trạng thái cân bằng (vòng quay của động cơ không thay đổi) sức căng lò xo tốc độ cân bằng với lực ly
tâm do cặp quả văng tạo ra, khớp trượt và đầu bên trái (A) của thanh truyền ABC đứng yên ở một vị trí
nhất định. Van trượt điều khiển khi đó được duy trì ở vị trí che kín các cửa dầu vào và ra khỏi xi lanh lực.
Piston lực do đó được giữ ở một vị trí nhất định qui định vị trí của thanh răng nhiên liệu tương ứng với
phụ tải hiện tại của động cơ. ở trạng thái cân bằng lò xo của cơ cấu bù ở trạng thái tự do không chịu kéo
và không chịu nén.

A
Speeder
Spring

Floating lever

Compensating
spring

B

C

Spring
holder
Compensating
needle valve

Flyweights

Ballhead

Thrust
bearing

Pilot control
valve plunger

Driving
gear

Power
piston
Pilot control
valve bush
From To
pump sump

Output shaft

Hình 6.3: Bộ điều tốc có liên hệ ngược mềm
Trong trường hợp phụ tải tăng, vòng quay của động cơ bị giảm đi, lực ly tâm do cặp quả văng tạo ra nhỏ
hơn sức căng lò xo làm cho khớp trượt bị đẩy đi xuống kéo theo đầu bên trái (A) của thanh truyền ABC
đi xuống vị trí (A’). Thanh ABC này quay tức thời quanh đầu bên phải (C), điểm (B) đi xuống vị trí (B’)
kéo theo van trượt điều khiển đi xuống. Do đó khoang bên dưới của xi lanh lực thông với đường dầu cấp
từ bơm còn khoang phía trên xilanh lực lại thông về két sump. Dầu được cấp vào khoang phía bên dưới
và xả ra ở khoang trên của xilanh lực làm cho piston lực bị đẩy đi lên kéo trục điều khiển thanh răng
nhiên liệu quay theo chiều tăng lượng nhiên liệu cấp vào động cơ.
25