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

MỤC LỤC
Mục

Nội dung

Trang

Mục lục

1

Chƣơng 1 Mở đầu

5

1.1

Lý do chọn đề tài

5

1.2

Mục đích của đề tài

5

1.3

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

5

1.4

Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

6

1.4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài

6

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

6

Chƣơng 2 Giới thiệu tổng quan

7

2.1

Tính thời sự và nhu cầu cấp thiết của đề tài

7

2.2

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

8

2.3

Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài

8

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

9

3.1

Điều khiển là gì ?

9

3.2

Vì sao phải điều tốc động cơ ?

9

3.3

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

10

3.4

Lịch sử phát triển của điều tốc

11

3.5

Phân loại điều tốc động cơ

12

Chƣơng 3

3.5.1 Bộ điều tốc cơ khí

12

3.5.2 Bộ điều tốc thủy lực

14

3.5.3 Bộ điều tốc điện tử

16

3.6

Giới thiệu về bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E

19

3.6.1 Giới thiệu chung

19

3.6.2 Các thông số chính

23


Mục

Nội dung

3.6.3 Sơ đồ đấu nối và hiệu chỉnh

Trang
24

3.6.3.1 Sơ đồ đấu nối

24

3.6.3.2 Điều chỉnh

25

Chƣơng 4 Cơ sở lý thuyết quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy
4.1

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

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

30
30
30

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

31

Tính chất động học của động cơ Diesel tàu thủy

36

4.2.1

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

36

4.2.2

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

38

4.2.3

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

38

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

40

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

40

4.1.2
4.2

4.3
4.3.1

4.3.2 Phƣơng trình động của động cơ Diesel
4.3.3

Quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi lƣợng cấp nhiên
liệu

41
44

4.3.4 Quá trình quá độ của động cơ diesel khi thay đổi phụ tải

47

4.3.5 Nhận xét

51

Chƣơng 5 Kỹ thuật đo lƣờng và điều khiển bằng máy tính

53

5.1

Khái niệm về đo lƣờng và điều khiển bằng máy tính

53

5.2

Giao diện của máy tính trong đo lƣờng và điều khiển

53

5.2.1 Giao tiếp qua rãnh cắm

54

5.2.1.1 Rãnh cắm theo chuẩn ISA

54


Mục

Nội dung

5.2.1.2 Giao tiếp qua rãnh cắm theo chuẩn PCI

Trang
55

5.2.2 Giao tiếp qua cổng song song

55

5.2.3 Giao tiếp qua cổng nối tiếp

56

5.2.4 Giao tiếp qua cổng USB

57

5.2.5 Giao tiếp qua cổng hồng ngoại

58

Ghép nối máy tính với các thiết bị đo lƣờng

58

Ứng dụng Simulink/Matlab trong mô phòng quá trình quá độ
của động cơ Diesel khi thay đổi phụ tải

59

6.1

Khái niệm về mô phỏng

59

6.2

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

60

5.3
Chƣơng 6

6.2.1 Mô phỏng bằng lý thuyết quá trình quá độ

60

6.2.2.1 Khi tăng phụ tải cho động cơ

60

6.2.2.2 Khi giảm phụ tải cho động cơ

61

6.2.2 Mô phỏng bằng các ngôn ngữ lập trình

62

6.2.3 Mô phỏng bằng thƣ viện Simulink/Matlab

63

6.3

Ứng dụng thƣ viện Simulink mô phỏng quá trình quá độ của
động cơ Diesel có trang bị bộ đều tốc điện tử

65

6.3.1 Khối điều khiển PID

65

6.3.2 Khối cảm biến điện từ

68

6.3.3 Khối chuyển đổi tín hiệu tần số thành điện áp

68

6.3.4 Khối động cơ

69

Lắp đặt bộ điều tốc điện tử ESD5500E cho động cơ Diesel
Chƣơng 7 tàu thủy VM MOTORI. Khảo sát quá trình quá độ của động
cơ khi thay đổi phụ tải bằng thực nghiệm
7.1

Giới thiệu sơ lƣợc hệ thống

75
75


Mục

Nội dung

Trang

7.1.1 Phần động cơ Diesel

75

7.1.2 Thiết bị tạo tải cho động cơ

76

7.1.3 Điều tốc động cơ

79

7.1.4 Bộ thực hiện

80

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

80

7.1.6 Giao diện máy tính

82

7.1.7

Máy tính PC

82

Khảo sát quá trình quá độ của động cơ Diesel khi thay đổi
phụ tải bằng thực nghiệm

82

Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng quay động cơ có trang bị
điều tốc điện tử

82

7.2
7.2.1

7.2.2 Khảo sát quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải
Chƣơng 8 Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

84
89
90


CHƢƠNG 1 - MỞ ĐẦU
1.1 Lý do chọn đề tài
Nhằm đi sâu tìm hiểu lý thuyết quá trình quá độ của động cơ Diesel tàu thủy,
cũng nhƣ khảo sát thực tế một cách trực quan các quá trình quá độ của động cơ
Diesel tàu thủy sẵn có tại xƣởng thực hành động cơ của trƣờng Đại học Giao thông
vận tải Tp.HCM. Kết quả rút ra từ quá trình thực nghiệm này sẽ là cơ sở để củng cố
lại lý thuyết giảng dạy môn học trên lớp, cũng nhƣ nâng cao công tác thực hành
trong nhà trƣờng, giúp Thầy và trò ứng dụng kiến thức môn học và công nghệ tiên

tiến vào thực tiễn công việc trên tàu. Đó chính là lý do của việc chọn đề tài nghiên
cứu này.
1.2 Mục đích của đề tài
Mục đích duy nhất của đề tài là nghiên cứu để ứng dụng và lắp đặt các thiết bị
điều khiển điện tử tiên tiến nhất hiện nay vào một động cơ Diesel tàu thủy sẵn có tại
xƣởng thực hành của nhà trƣờng để nâng cao khả năng điều khiển tối ƣu quá trình
làm việc của động cơ. Đồng thời kết hợp với kỹ thuật lập trình và đo lƣờng bằng
máy tính để khảo sát các quá trình quá độ xảy ra bên trong động cơ khi làm việc và
xuất dữ liệu trực quan ra màn hình. Kết quả của đề tài này sẽ đƣợc ứng dụng trực
tiếp vào công tác giảng dạy lý thuyết trên lớp và thực hành tại xƣởng động cơ cho
sinh viên chuyên ngành máy tàu thủy.
1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là động cơ Diesel thủy hiệu VM MOTORI
HR-M do Ý sản xuất, có trang bị thiết bị thử tải kiểu thủy lực đang đƣợc lắp đặt tại
xƣởng thực hành máy tàu thủy, cơ sở Quận 12, thuộc trƣờng Đại học Giao thông
vận tải Tp.HCM. Sau khi tiến hành bảo dƣỡng để đƣa động cơ về trạng thái làm việc
bình thƣờng, sẽ tiến hành nghiên cứu lắp đặt mới bộ điều tốc điện tử GAC
ESD5500E SERIES do Mỹ sản xuất làm thiết bị chính điều khiển tốc độ động cơ
trong quá trình làm việc. Ứng dụng Simulink/Matlab để mô phỏng quá trình quá độ


của động cơ. Kết hợp với lập trình và đo lƣờng bằng máy tính để khảo sát và kiểm
tra lại kết quả bằng thực nghiệm các quá trình quá độ diễn ra bên trong động cơ.
1.4 Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
1.4.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài
Sự phát triển của ngành công nghiệp đóng tàu, vận tải đƣờng biển là liên tục và
ngày một cải tiến. Do đó, đòi hỏi sự phát triển của công nghệ điều khiển và trang
thiết bị máy móc ở buồng máy tàu thủy. Điều này, yêu cầu ngƣời vận hành phải
luôn cập nhật kiến thức, trau dồi và nâng cao chuyên môn, kỹ năng nghề nghiệp.
Đề tài nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết chuyên sâu về chế độ quá độ của động

cơ Diesel tàu thủy, điều tốc điện tử hiện đại, kỹ thuật điều khiển lập trình và đo
lƣờng ứng dụng, kết hợp với máy tính. Kết quả của đề tài góp một phần quan trọng
trong tiến trình cải tiến công nghệ, nâng cao tính làm việc tin cậy của hệ động lực
lắp đặt trên tàu và hoàn thiện kỹ năng của ngƣời vận hành.
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Trong khai thác hệ động lực, nhu cầu chăm sóc, bảo dƣỡng động cơ, hiệu
chỉnh, xử lý các hỏng hóc, đặc biệt là trong các giai đoạn quá độ khi phụ tải động cơ
thay đổi liên tục là yếu tố quan trọng và cần thiết. Vì vậy, đề tài này giúp cho các sỹ
quan máy đang làm việc trên các tàu biển có thể hiểu rõ chế độ làm việc của động
cơ ứng với các điều kiện khai thác khác nhau, tác động điều khiển của bộ điều tốc
điện tử lên động cơ ở các quá trình quá độ. Từ đó, làm cho ngƣời vận hành không
còn bối rối và có đủ tự tin để xử lý các tình huống trong khai thác, giúp duy trì hệ
động lực ở trạng thái làm việc tốt nhất.
Đề tài cũng giúp ích cho các bạn sinh viên khi còn ngồi trên ghế giảng đƣờng
có thể hiểu rõ hơn nội dung của môn học lý thuyết trên lớp và có những trải nghiệm
ban đầu trƣớc khi bƣớc chân xuống làm việc thực tế trên các đội tàu biển.


CHƢƠNG 2 - GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
2.1 Tính thời sự và nhu cầu cấp thiết của đề tài
Hiện nay, ngành công nghệ đóng tàu ở nƣớc ta ngày càng phát triển với số
lƣợng tàu có tải trọng lớn ngày một gia tăng. Sự trẻ hóa độ tuổi của đội tàu và năng
lực vận tải nhằm để đáp ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trong lĩnh vực vận chuyển
bằng đƣờng biển. Do đó, các trang thiết bị trên tàu cũng đƣợc hiện đại hóa với mức
độ tự động điều khiển ngày càng cao. Trong xu thế đó, hệ động lực chính và phụ ở
buồng máy cũng đƣợc trang bị hiện đại hóa, trong đó có bộ điều tốc điện tử dùng để
duy trì ổn định tốc độ của động cơ.
Bộ điều tốc điện từ đang dần thay thế cho các bộ điều tốc cơ - thủy lực bởi tính
chính xác của nó trong hoạt động điều khiển và duy trì tính ổn định của động cơ,
góp phần vào việc đảm bảo an toàn trong khai thác tàu. Tuy nhiên, điều này cũng

đòi hỏi ngƣời vận hành máy phải có đầy đủ kiến thức chuyên môn và kỹ năng để
vận hành, điều khiển, điều chỉnh, bảo dƣỡng và khắc phục các sự cố hoặc hỏng hóc
liên quan đến điều tốc trong suốt thời gian động cơ hoạt động, cũng nhƣ nắm rõ các
chế độ quá độ của động cơ khi hoạt động trong điều kiện phụ tải luôn thay đổi.
Xét tình hình thực tế của xƣởng thực hành động cơ sẵn có tại Khoa máy thuộc
trƣờng Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, căn cứ trên nhu cầu cần thiết của công
việc trên các đội tàu biển, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu lắp đặt bộ
điều tốc điện tử cho động cơ Diesel tàu thủy. Mô phỏng và khảo sát bằng thực
nghiệm quá trình quá độ của động cơ khi thay đổi phụ tải”.
Đề tài nghiên cứu ra đời nhằm phục vụ trực tiếp cho công tác giảng dạy của
giáo viên và nhu cầu tiếp cận thực tế của sinh viên đối với các thiết bị điều khiển
công nghệ cao đang đƣợc lắp đặt dƣới buồng máy tàu thủy hiện nay. Đồng thời, nó
cũng giúp cho các sỹ quan máy đang làm việc trên các tàu biển có thể hiểu rõ các
chế độ làm việc của động cơ ứng với các điều kiện khai thác khác nhau, cũng nhƣ
tác động điều khiển của bộ điều tốc điện tử lên động cơ trong suốt các quá trình quá


độ này, làm cho ngƣời vận hành không còn bối rối và có đủ tự tin để xử lý các tình
huống trong khai thác, giúp duy trì hệ động lực ở trạng thái làm việc tốt nhất.
2.2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Với mục tiêu giải quyết các vấn đề thực tế nêu trên, đề tài đi vào nghiên cứu
lắp đặt mới bộ điều tốc điện tử cho động cơ có sẵn tại xƣởng thực hành, đi sâu
nghiên cứu lý thuyết của các quá trình quá độ trong động cơ Diesel, ứng dụng mô
phỏng Simulink/Matlab và kỹ thuật lập trình máy tính để khảo sát quá trình quá độ
của động cơ khi thay đổi phụ tải.
2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu đề tài
Dùng phƣơng pháp phân tích, tổng hợp để nghiên cứu lý thuyết quá trình quá
độ của động cơ Diesel tàu thủy, lý thuyết tự động điều khiển và điều chỉnh, nguyên
lý làm việc của bộ điều tốc điện tử.
Dùng phƣơng pháp nghiên cứu thử nghiệm tiến hành lắp đặt hoàn chỉnh bộ

điều tốc điện tử trên động cơ Diesel tại xƣởng thực hành ở cơ sở Quận 12, thuộc
Trƣờng Đại học Giao thông vận tải Tp.HCM, kiểm tra sự làm việc của điều tốc điện
tử khi thay đổi phụ tải của động cơ Diesel.
Dùng phƣơng pháp mô hình hóa bằng ứng dụng mô phỏng Simulink trong
Matlab để xây dựng mô hình lý thuyết, khảo sát quá trình làm việc ở chế độ quá độ
của động cơ Diesel tàu thủy có trang bị bộ điều tốc điện tử khi thay đổi phụ tải.
Sử dụng ngôn ngữ lập trình ứng dụng Visual basic và kỹ thuật đo lƣờng điều
khiển để kết nối các thông số, dữ liệu từ động cơ đến máy tính, tiến tới khảo sát thực
nghiệm quá trình quá độ trong động cơ Diesel có trang bị bộ điều tốc điện tử khi
phụ tải thay đổi.


CHƢƠNG 3 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TỰ ĐỘNG ĐIỀU CHỈNH
VÀ ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ QUAY ĐỘNG CƠ
3.1 Điều khiển là gì ?
Điều khiển là quá trình thu thập thông tin, xử lý thông tin và tác động lên hệ
thống để đáp ứng của hệ thống gần với mục đích định trƣớc. Để có thể hiểu rõ hơn
khái niệm về điều khiển, chúng ta tìm hiểu ví dụ dƣới đây:
Một ngƣời đàn ông điều khiển xe gắn máy và anh ta muốn điều khiển xe ở tốc
độ là 50 km/giờ. Nhƣ vậy, 50 km/giờ là giá trị vòng quay cho trƣớc mà ngƣời điều
khiển mong muốn duy trì không đổi trong quá trình điều khiển xe máy.
Khi này, anh ta sẽ nhìn vào đồng hồ chỉ báo vòng quay trên xe máy. Đồng hồ
sẽ chỉ báo tốc độ thực mà xe đang chạy và ngƣời đàn ông này sẽ so sánh giữa tốc độ
thực của xe và tốc độ mong muốn đạt đƣợc. Nếu hai giá trị tốc độ này bằng nhau thì
anh ta vẫn giữa nguyên tay ga. Nếu tốc độ thực lớn hơn tốc độ mong muốn thì anh
ta sẽ giảm tay ga để tốc độ thực giảm xuống bằng với tốc độ mong muốn. Ngƣợc lại,
anh ta phải tăng tay ga để tăng tốc độ động cơ lên đến giá trị mong muốn cho trƣớc.
Khi tốc độ thực bằng với tốc độ mong muốn, ta nói ngƣời điều khiển ở trạng thái
cân bằng, nghĩa là anh ta không thay đổi vị trí tay ga.
Nhƣ vậy, quá trình lái xe ở trên chính là một quá trình điều khiển. Trong quá

trình điều khiển, ngƣời lái xe cần thu thập thông tin về đối tƣợng cần điều khiển
(quan sát đồng hồ đo tốc độ để thu thập thông tin về tốc độ xe). Tùy theo thông tin
thu thập đƣợc và mục đích điều khiển mà ngƣời điều khiển sẽ có cách xử lý thích
hợp (quyết định tăng hoặc giảm tay ga nhiên liệu) nhằm tác động vào đối tƣợng điều
khiển để hoạt động của đối tƣợng đƣợc điều khiển theo yêu cầu mong muốn.
3.2 Vì sao phải điều tốc động cơ ?
Một chú ngựa bất kham đang phi nƣớc đại trên đƣờng là một cảnh tƣợng vô
cùng hùng vĩ. Tuy nhiên, để đƣợc việc thì chú ngựa này phải đƣợc thuần dƣỡng và
có thể điều khiển theo ý muốn.


Cũng giống nhƣ thế, tất cả các nguồn năng lƣợng đều phải đƣợc điều khiển để
chuyển đổi thành dạng năng lƣợng có ích và để điều khiển tốc độ hay công suất ra
của động cơ, ngƣời ta sử dụng một thiết bị hoàn chỉnh có tên gọi là bộ điều tốc.
3.3 Sơ đồ chức năng của hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ quay động cơ
E(s)

R(s)

U(s)
Bộ điều khiển

Đối tƣợng điều khiển

Y(s)

C(s)
Cảm biến

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

R(s)

:

Tín hiệu đầu vào

C(s)

:

Tín hiệu phản hồi

E(s)

:

Độ lệch giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi

U(s) :

Tín hiệu điều khiển

Y(s) :

Tín hiệu đầu ra

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

tác động của tín hiệu điều khiển.
Trở lại ví dụ đã trình bày ở trên, ta thấy đối tƣợng điều khiển chính là chiếc xe
máy (hay động cơ gắn trên xe), thiết bị đo lƣờng (cảm biến) chính là đồng hồ đo tốc
độ và đôi mắt của ngƣời điều khiển xe, bộ điều khiển chính là bộ não của ngƣời điều
khiển xe, cơ cấu chấp hành chính là cánh tay của ngƣời điều khiển xe. Tín hiệu đầu
vào R(s) là 50 km/h, tín hiệu ra Y(s) chính là tốc độ thực của xe máy. Tín hiệu phản
hồi C(s) là vị trí kim chỉ báo trên đồng hồ đo tốc độ. Độ lệch E(s) chính là hiệu số
giữa tốc độ mong muốn và tốc độ thực của xe máy. Tính hiệu điểu khiển U(s) chính
là góc quay của tay ga xe máy.


3.4 Lịch sử phát triển của điều tốc
Bộ điều tốc hay bộ giới hạn tốc độ đƣợc sử dụng để đo đạc và điều chỉnh tốc
độ của các thiết bị máy móc nhƣ là động cơ. Loại cổ điển nhất là bộ điều tốc ly tâm
Watt hay còn gọi là bộ điều tốc kiểu quả văng, hoạt động theo nguyên lý sử dụng
các quả văng lắp trên các tay đòn chịu tải của lò xo để xác định mức độ nhanh chậm
của trục quay, từ đó điều chỉnh tốc độ trục quay theo nguyên tắc điều khiển tỷ lệ.
Kể từ thế kỷ 17, các bộ điều tốc ly tâm đã đƣợc sử dụng để điều chỉnh khoảng
cách và áp suất ở cối xay gió. Các động cơ hơi nƣớc đầu tiên đơn thuần chỉ có
chuyển động tịnh tiến và đƣợc ứng dụng làm bơm nƣớc, mà ở đó có thể bỏ qua sự
sai khác về tốc độ, cho đến khi kỹ sƣ ngƣời Xcốt-len – James Watt cho ra đời một
động cơ hơi nƣớc chuyển động quay dùng để truyền động các thiết bị trong nhà
máy, nơi đòi hỏi sự không đổi về tốc độ quay. Từ năm 1775 – 1800, James Watt
cùng với nhà tƣ bản công nghiệp Matthew Boulton đã sản xuất ra khoảng 500 động
cơ con lắc chuyển động quay. Ở trung tâm của các động cơ này là bộ điều tốc con
lắc hình nón do Watt tự thiết kế gồm một bộ các quả văng bằng thép, chuyển động
quay đƣợc gắn trên một trục đứng thông qua cần nối.

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

Bộ điều tốc quả văng hoạt động theo nguyên tắc lực ly tâm và trọng lƣợng của
quả văng. Khi vòng quay của trục dẫn động thay đổi sẽ làm lực ly tâm của quả văng
thay đổi, dƣới tác dụng của lực trọng trƣờng tác dụng vào quả văng không đổi sẽ
làm cho quả văng bay ra xa hoặc khép lại theo đƣờng tâm thẳng đứng. Sự dịch
chuyển của quả văng sẽ làm cho ổ đỡ xoay đầu quả văng dịch chuyển lên xuống tùy
thuộc vào tốc động quay dẫn động cụm quả văng. Nguời ta sử dụng độ dịch chuyển
này nối với cơ cấu điều khiển van cấp hơi của động cơ để điều chỉnh tốc độ quay
của động cơ. Thiết bị này có khả năng duy trì vòng quay của động cơ ở một giá trị
cho trƣớc theo yêu cầu. Nhờ vào cấu tạo đơn giản và tiện ích của thiết bị này, nên nó
đã đƣợc lắp đặt phổ biến trên các động cơ hơi nƣớc sản xuất ở thế kỷ 18 trang bị
trên các phƣơng tiện giao thông vận tải, đặc biệt là sử dụng trên các đầu kéo xe lửa
và máy chính tàu thủy.
3.5 Phân loại điều tốc động cơ
3.5.1 Bộ điều tốc cơ khí
Bộ điều tốc cơ khí có cấu tạo đơn giản bao gồm cơ cấu lò xo đặt tốc độ, cụm
quả văng ly tâm và hệ thống cần nối điều chỉnh van cấp nhiên liệu vào động cơ.
Hình (3.3) bên dƣới mô tả cấu tạo của một bộ điều tốc cơ khí.

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


Cơ cấu quả văng đƣợc truyền chuyển động quay từ động cơ qua hệ truyền
động bánh răng, có tác dụng cảm biến giá trị thực của vòng quay động cơ. Lực ly
tâm sinh ra từ chuyển động quay của cụm quả văng sẽ tác dụng theo phƣơng thẳng
đứng, lên trên khớp trƣợt.
Lò xo tốc độ dùng để đặt tốc độ cho trƣớc ở động cơ thông qua sức căng ban
đầu. Lực của lò xo tốc độ tác động theo phƣơng thẳng đứng, xuống dƣới khớp trƣợt.
Khớp trƣợt là nơi so sánh giữa lực ly tâm của quả văng và lực của lò xo tốc độ.

Độ chênh lực sinh ra sẽ tạo ra dịch chuyển của khớp trƣợt theo phƣơng thẳng đứng.
Thông qua hệ cơ cấu thanh truyền nối giữa khớp trƣợt và thanh răng nhiên liệu sẽ
làm cho lƣợng nhiên liệu cấp vào động cơ thay đổi theo chiều tƣơng ứng với sự thay
đổi của vòng quay động cơ. Các hình bên dƣới mô tả chi tiết hơn hoạt động của bộ
điều tốc cơ khí.
Hình 3.4(a) thể hiện động cơ đang làm việc ở trạng thái cân bằng. Khi này, lực
ly tâm của quả văng cân bằng với lực của lò xo tốc độ và công suất động cơ phát ra
bằng với công suất phụ tải tiêu thụ.Van nhiên liệu đƣợc giữ nguyên ở vị trí không
đổi.

Hình 3.4(a)

Hình 3.4(b)

Hình 3.4(c)


Hình 3.4(b) thể hiện trạng thái mất cân bằng ở động cơ khi phụ tải động cơ
tăng lên và vòng quay tức thời giảm xuống. Lực ly tâm của quả văng sinh ra lúc này
bé hơn lực của lò xo tốc độ, làm cho khớp trƣợt dịch chuyển xuống dƣới. Thông qua
hệ thanh truyền, làm dịch chuyển van nhiên liệu lên trên, về phía mở to lƣợng nhiên
liệu cấp vào động cơ. Do đó, vòng quay động cơ tăng dần trở lại giá trị ban đầu.
Hình 3.4(c) thể hiện trạng thái tác động theo chiều ngƣợc lại khi phụ tải động
cơ giảm xuống và vòng quay động cơ tức thời tăng lên. Lực ly tâm của quả văng
sinh ra lúc này sẽ lớn hơn lực của lò xo tốc độ, làm cho khớp trƣợt dịch chuyển lên
trên. Thông qua hệ thanh truyền, làm dịch chuyển van nhiên liệu xuống dƣới, về
phía đóng bớt lƣợng nhiên liệu cấp vào động cơ. Do đó, vòng quay động cơ giảm
dần về giá trị ban đầu.
3.5.2 Bộ điều tốc thủy lực
Hình (3.5) bên dƣới mô tả cấu tạo của một bộ điều tốc thủy lực hiện với hệ

thống liên hệ ngƣợc mềm.

Hình 3.5: Cấu tạo của một bộ điều tốc thủy lực


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

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



Hệ van trƣợt điều khiển và piston lực sử dụng dầu thủy lực để thực hiện quá
trình điều khiển, trong đó dịch chuyển ở đầu ra của piston lực sẽ dịch chuyển
thanh răng nhiên liệu theo chiều tăng hoặc giảm lƣợng nhiên liệu cấp vào động
cơ tƣơng ứng với tác động ở đầu vào.



Hệ thống piston bù mềm dùng để bù trừ các đáp ứng khác nhau giữa động cơ
và bộ điều tốc.
Trục chủ động của bộ điều tốc lai ống bao quay thông qua một khớp nối dạng

âm dƣơng. Đồng thời trục chủ động của bộ điều tốc còn lai một bánh răng ăn khớp
ngoài, cấp dầu có áp cho bộ điều tốc hoạt động.
Trên đỉnh của ống bao quay có gắn một đĩa cùng với cụm quả văng ly tâm. Sự
biến thiên của vòng quay động cơ đƣợc quả văng ly tâm cảm nhận và biến đổi thành
lực đẩy tác dụng từ dƣới lên vào khớp trƣợt. Ở phía trên đỉnh con trƣợt điều khiển
có một lò xo đặt tốc độ và một cơ cấu làm thay đổi sức căng ban đầu của lò xo.

Chúng làm nhiệm vụ của phần tử đặt tốc độ cho trƣớc ở động cơ. Sự so sánh giữa
lực của lò xo tác động từ phía trên xuống với lực đẩy của quả văng từ dƣới lên sẽ
cho ra vị trí của con trƣợt điều khiển (theo phƣơng thẳng đứng).
Giả sử, phụ tải của động cơ giảm xuống, do vậy vòng quay của động cơ tức
thời tăng lên (hoặc tƣơng tự nhƣ khi giảm tốc độ đặt trƣớc cho bộ điều tốc, nghĩa là
ta làm giảm sức căng của lò xo đặt tốc độ). Khi đó, lực của quả văng đẩy lên sẽ
thắng đƣợc lực của lò xo, làm cho van trƣợt điều khiển dịch chuyển lên trên. Do đó,
dầu từ khoang bên trái của piston đệm sẽ thoát về két chứa và piston đệm dịch
chuyển sang trái, nén lò xo bên trái lại và dầu từ khoang dƣới của piston lực thoát về
khoang phải của piston đệm một lƣợng tƣơng ứng. Do vậy, piston lực sẽ trƣợt
xuống dƣới nhờ lò xo ở trên, điều khiển lƣợng dầu cấp vào động cơ theo chiều giảm
để giảm vòng quay của động cơ. Đồng thời, do khoang bên trái của piston đệm có


một lò xo đang chịu lực nén, nên áp suất ở khoang bên trái của piston đệm thấp hơn
áp suất ở khoang bên phải. Độ chênh lệch áp suất này đƣợc gửi đến tƣơng ứng ở
phía dƣới (áp suất thấp) và phía trên (áp suất cao) của vành bù, tạo ra một lực bổ
sung tác động lên vành bù, đẩy vành bù dịch chuyển đi xuống để phục hồi van trƣợt
điều khiển về vị trí cân bằng, dần đóng kín cửa dầu điều khiển. Lực này giảm dần
khi lò xo ở khoang trái của piston đệm giãn dài ra, và lực này bằng 0 khi piston đệm
ở vị trí cân bằng chính giữa, cửa dầu điều khiển đóng kín lại và hoạt động điều
khiển chấm dứt.
Trong quá trình phục hồi của piston đệm về vị trí giữa thì một lƣợng dầu từ
khoang dƣới của piston lực thoát qua van kim điều khiển về khoang trái của piston
đệm. Độ mở của van kim điều khiển quyết định thời gian phục hồi về vị trí cân bằng
của piston đệm, do vậy nó quyết định thời gian tác dụng lực bổ sung lên vành bù
(vốn đƣợc tạo nên do độ chênh áp phía trên và phía dƣới của vành bù).
3.5.3 Bộ điều tốc điện tử
Chức năng của bộ điều tốc điện tử tƣơng tự nhƣ ở bộ điều tốc kiểu cơ khí hay
thủy lực. Tốc độ thực của động cơ đƣợc đo đạc thông qua một hệ bánh răng (đƣợc

truyền động từ động cơ) và đầu cảm biến kiểu điện từ. Khi bánh răng quay, các răng
đi qua đầu cuộn điện từ và khe hở từ biến thiên theo biên dạng răng, tạo ra sóng điện
trong cuộn dây.

Hình 3.6: Thiết bị cảm biến kiểu điện từ


Tùy theo biên dạng của răng mà ta sẽ có các dạng sóng điện với hình dạng
khác nhau. Một bộ đếm tần số hoặc máy biến tần sẽ biến dao động sóng điện thành
điện áp tỷ lệ với số vòng quay thực của động cơ và đƣa trở lại đầu vào để so sánh
với tín hiệu điện áp, đại diện cho vòng quay đặt trƣớc ở bộ điều tốc.
Nguyên lý hoạt động của một bộ điều tốc điện tử đƣợc thể hiện nhƣ ở hình
(3.6) bên dƣới. Điện áp đầu vào đƣợc điều chỉnh bằng chiết áp dùng để đại diện cho
giá trị vòng quay đặt trƣớc ở động cơ mà ta muốn duy trì không đổi. Giá trị điện áp
này là (V+) sẽ so sánh với giá trị điện áp (V-) có đƣợc từ thiết bị cảm ứng vòng
quay kiểu điện từ.

Máy phát
điện

A

B

C

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

Giả sử bộ điều tốc đang ở trạng thái cân bằng, điện áp đặt tốc độ và điện áp đo
đƣợc bằng nhau (V+) = (V-) = 2V, độ chênh điện áp lúc này là 0V, nghĩa là động cơ

đang làm việc ở một tốc độ ổn định và không đổi, tƣơng ứng với giá trị tốc độ cho
trƣớc nhƣ ở hình 3.7(a).


Hình 3.7(a)
Giả sử tốc độ thực của động cơ nhỏ hơn tốc độ cho trƣớc, tƣơng ứng điện áp từ
phần tử cảm ứng từ sẽ nhỏ hơn điện áp đặt tốc độ cho trƣớc. Độ chênh áp lúc này sẽ
là (V+) – (V-) = 2V – 1,5V = + 0,5V đƣợc truyền từ bộ khuyếch đại đến bộ thực
hiện làm tăng lƣợng nhiên liệu cấp vào động cơ, dẫn đến tăng tốc độ của động cơ,
làm cho độ lớn của điện áp âm đo đƣợc của tốc độ thực tăng dần lên. Khi tốc độ
động cơ tăng lên, làm cho điện áp ra của bộ biến đổi tăng lên đủ cân bằng với điện
áp đặt tốc độ cho trƣớc và lúc này điện áp ra của bộ cộng tín hiệu sẽ có giá trị là 0V.
Khi ấy, động cơ xác lập lại trạng thái cân bằng ổn định mới nhƣ ở hình 3.7.(b).

Hình 3.7(b)


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

Hình 3.7(c)

3.6 Giới thiệu về bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E SERIES
3.6.1 Giới thiệu chung
Bộ điều tốc ESD5500E là loại điều tốc điện tử đƣợc thiết kế dùng để điều

chỉnh tốc độ động cơ với đáp ứng nhanh và chính xác tƣơng ứng với các thay đổi tải
tức thời. Khi kết hợp với bộ tác động điện kiểu tỷ lệ và bộ cảm biến vòng quay kiểu
điện từ, hệ thống điều khiển kiểu mạch kín sẽ giúp điều chỉnh hoạt động của động
cơ trong một dãy giới hạn rộng ở chế độ làm việc ổn định hoặc quá độ. Đặc điểm
nổi bật của bộ điều tốc ESD5500E là thiết kế đơn giản và điều chỉnh dễ dàng. Với
chức năng không tác động qua lại, hoạt động điều khiển cho phép dễ dàng đạt đƣợc
các đáp ứng theo mong muốn.


Hình 3.8: Bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E
Các chức năng chính của bộ điều tốc ESD5500E là điều chỉnh lƣợng cấp nhiên
liệu khi khởi động động cơ và có sự thay đổi về tốc độ động cơ. Điều này giúp làm
giảm đến mức tối thiểu lƣợng khí xả từ động cơ trƣớc khi đạt đến tốc độ khai thác.
Bên cạnh đó, bộ điều tốc điện tử ESD5500E còn có chức năng điều chỉnh ở các
chế độ không tải và quá độ, hoặc tạo tín hiệu cho các phần tử trên động cơ đa năng
hay cho các ứng dụng đặc biệt nhƣ bảo vệ chống đảo chiều điện áp ắc quy hoặc điện
áp tức thời, các hiện tƣợng ngắn mạch ở bộ thực hiện hoặc thiếu an toàn khi mất tín
hiệu cảm biến vòng quay hay nguồn điện cấp.
Bộ điều tốc ESD5500E tƣơng thích với tất cả bộ thực hiện kiểu tỷ lệ GAC của
Mỹ ngoại trừ bộ tác động điện ACB2000. Khi dùng kết hợp với bộ tác động điện
ADC100, dãy điều chỉnh hệ số sai tĩnh sẽ giảm đi do bộ tác động này yêu cầu về
dòng điện thấp.


Hình 3.9: Sơ đồ đấu nối của bộ điều tốc điện tử GAC ESD5500E
Thông số về tốc độ động cơ đƣa vào bộ điều khiển đƣợc lấy từ tín hiệu cảm
biến vòng quay kiểu điện từ. Có thể dùng các thiết bị cảm biến tần số tỷ lệ với vòng
quay, thỏa mãn điện áp đầu vào và dãy đặc tính tần số. Thiết bị cảm biến vòng quay
thƣờng đƣợc lắp đặt ở vị trí gần với động cơ, đƣợc truyền động qua bánh răng chế
tạo bằng vật liệu thép. Khi số răng trên bánh răng đi qua thiết bị cảm biến điện từ, sẽ

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


Độ lớn của tín hiệu phải nằm trong dãy khuếch đại tín hiệu đầu vào. Để bộ
điều khiển hoạt động theo nhƣ thiết kế, biên độ tín hiệu phải nằm trong khoảng từ
0,5 đến 120 vôn. Tín hiệu về vòng quay động cơ sẽ đƣợc đƣa đến cổng C và D của
bộ điều khiển. Giữa 2 cổng này có một trở kháng đầu vào 33.000 . Cổng D đƣợc
đấu nối bên trong với cực âm của nguồn ắc quy cấp ở cổng E.
Khi tín hiệu cảm biến vòng quay đƣợc cấp đến bộ điều khiển, tín hiệu này sẽ
đƣợc khuếch đại và nắn bởi một mạch bên trong để tạo ra tín hiệu tƣơng tự. Nếu
không nhận đƣợc tín hiệu cảm biến vòng quay, một mạch bên ngoài của bộ điều
khiển sẽ ngắt tất cả các dòng cấp vào phần tử thực hiện.
Một bộ cộng tín hiệu nhận tín hiệu cảm biến vòng quay và tín hiệu vòng quay
đặt trƣớc. Tỷ số của dãy tốc độ là 8:1 và đƣợc điều chỉnh bằng một chiết áp có 25
vòng. Tín hiệu ra khỏi bộ cộng tín hiệu đƣợc đƣa vào bộ điều khiển. Ở đây sẽ thực
hiện việc điều chỉnh độ lợi và tính ổn định cho hầu hết các động cơ và hệ thống
nhiên liệu.
Mạch điều khiển chịu ảnh hƣởng từ chức năng điều chỉnh độ lợi và tính ổn
định. Độ nhạy của hệ thống điều tốc sẽ tăng lên bằng cách xoay núm điều chỉnh độ
lợi theo cùng chiều kim đồng hồ. Tỷ số của dãy điều chỉnh độ lợi là 33:1.
Xoay núm điều chỉnh độ ổn định theo chiều kim đồng hồ giúp làm tăng thời
gian đáp ứng của hệ thống điều tốc, tƣơng ứng với các hằng số thời gian thay đổi
trong dãy hoạt động của động cơ.
Bộ điều khiển hoạt động theo nguyên tắc tỷ lệ cộng tích phân cộng vi phân
(PID). Thành phần vi phân D có thể thay đổi khi cần thiết .
Trong các chu trình làm việc của động cơ, nhiên liệu cấp ở thời điểm khởi
động động cơ có thể điều chỉnh từ trạng thái đóng hoàn toàn đến vị trí cấp hoàn
toàn. Khi động cơ đƣợc khởi động, điểm điều chỉnh tốc độ đƣợc xác định đầu tiên
bằng điểm đặt tốc độ không tải và mạch thay đổi tốc độ. Sau khi sự thay đổi tốc độ
động cơ kết thúc, động cơ sẽ làm việc ở tốc độ đặt trƣớc. Ở tốc độ đặt trƣớc này,

phần tử thực hiện sẽ làm việc để duy trì giá trị vòng quay mong muốn, không phụ
thuộc vào phụ tải (làm việc ổn định).
Mạch ra giúp chuyển đổi dòng ở tần số khoảng 500 Hz để truyền động cho
phần tử thực hiện. Khi tần số chuyển đổi khá xa tần số bình thƣờng của phần tử thực
hiện, sẽ không có chuyển động ở trục ra của phần tử này. Thay đổi các transitor đầu
ra giúp làm giảm tiêu hao năng lƣợng bên trong, làm tăng hiệu suất điều khiển.
Mạch ra có thể cung cấp dòng liên tục đến 10A ở 25oC đối với hệ thống ắc quy một
chiều 12 vôn hoặc 24 vôn. Phần tử thực hiện sẽ tác động điều chỉnh vị trí thanh răng
nhiên liệu tƣơng ứng với giá trị dòng trung bình.
Theo thiết kế, bộ điều tốc hoạt động điều khiển không có sai tĩnh. Việc điều
khiển với sai tĩnh có thể thực hiện bằng cách đấu nối cổng K với L. Khi đó, phần
trăm sai tĩnh có thể đƣợc thay đổi thông qua điều chỉnh núm sai tĩnh. Dãy sai tĩnh có
thể giảm đi bằng cách đấu nối cổng G và H.
Bộ điều khiển còn đƣợc trang bị thêm một số tính năng bảo vệ khác giúp nâng
cao hiệu quả cho hệ thống điều khiển. Một mạch bảo vệ giúp ngăn chặn sự quá tốc
khi khởi động động cơ hay khi phụ tải của động cơ tăng quá mức. Tốc độ không tải
của động cơ có thể đƣợc lựa chọn và điều chỉnh từ xa. Có thể dùng các bộ điều tốc
sêri ESD5500E với nhiều tín hiệu đầu vào, cùng với khả năng điều khiển nhiều
động cơ khác nhau bằng cách sử dụng bộ chia tải GAC, bộ đặt tốc độ tự động, các
thiết bị hỗ trợ đi kèm…Bộ điều tốc cũng đƣợc trang bị mạch bảo vệ chống đảo
chiều ắc quy và thay đổi điện áp và đƣợc thiết kế đảm bảo an toàn trong trƣờng hợp
mất tín hiệu cảm biến tốc độ hoặc nguồn cấp.
3.6.2 Các thông số chính
Sai tĩnh / Ổn định

:

 0,25%

Dãy tốc độ/Điều tốc

:

1  7,5 KHz

Độ trôi tốc độ

:

1% max

Điều chỉnh không tải cùng chiều kim đồng hồ

:

60% tốc độ đặt trƣớc


Điều chỉnh không tải ngƣợc chiều kim đồng hồ :

< 1.200 Hz

Dãy sai tĩnh

:

1  5 % theo quy định

Điều chỉnh sai tĩnh lớn nhất (nối cổng K-L)

:

400 Hz,  75 Hz khi thay đổi 1A

Điều chỉnh sai tĩnh nhỏ nhất (nối cổng K-L)

:

15 Hz,  6 Hz khi thay đổi 1A

Dãy chênh lệch tốc độ

:

 200 Hz

Dãy tốc độ thay đổi từ xa

:

500  7,5 Hz

Các cổng cảm biến:
Cổng J: 100Hz, 15 Hz/Vôn ở trở kháng 5K.
Cổng L: 735 Hz,  60 Hz/Vôn ở trở kháng 65K.
Cổng N: 148 Hz,  10 Hz/Vôn ở trở kháng 1Meg.
Cổng P: 10 VDC ở 20 mA max.
Điện áp nguồn: hệ thống ắc quy 12 hoặc 24 VDC.

Suất tiêu hao điện năng: 50 mA, cộng với dòng cho phần tử thực hiện.
Dãy dòng của phần tử thực hiện (tải cảm ứng): 2,5A min, 10A max.
Tín hiệu cảm biến tốc độ: 0,5  120 V RMS.
3.6.3 Sơ đồ đấu nối và hiệu chỉnh
3.6.3.1 Sơ đồ đấu nối
Các đầu nối với nguồn cấp và bộ thực hiện ở cổng A, B, E và F phải sử dụng
dây cáp #16AWG (1,3 mm2) hoặc lớn hơn. Nếu phải dùng dây cáp dài khi lắp đặt,
nên chọn loại dây có kích cỡ lớn để hạn chế việc chênh áp.
Các đầu nối cảm biến tốc độ kiểu điện từ ở cổng C và D phải sử dụng loại dây
cáp xoắn hoặc có vỏ bọc toàn bộ chiều dài. Vỏ bọc cáp phải luôn cách điện để đảm
bảo không có phần nào của dây cáp bọc tiếp xúc với thân động cơ. Điều chỉnh khe
hở giữa thiết bị cảm biến tốc độ động cơ và bánh răng truyền động trên trục động cơ


khi động cơ ở trạng thái dừng không nhỏ hơn 0,45 mm. Thông thƣờng, vặn cho đầu
cảm biến chạm vào bánh răng truyền động, sau đó nới lỏng bằng cách quay ngƣợc
lại ¾ vòng sẽ đạt đƣợc khe hở yêu cầu. Điện áp của thiết bị cảm biến kiểu điện từ
phải đạt ít nhất là 1VAC RMS khi động cơ làm việc.
3.6.3.2 Điều chỉnh:
 Trƣớc khi khởi động động cơ:
Kiểm tra các núm điều chỉnh GAIN (độ lợi), STABILITY (ổn định) và đặt
núm SPEED TRIM CONTROL (điều chỉnh thay đổi tốc độ) ở vị trí giữa. Đặt
trƣớc các thông số ở bộ điều tốc nhƣ sau:
STARTING FUEL : vặn hết theo chiều kim đồng hồ (cấp tối đa nhiên liệu).
SPEED RAMPING : vặn hết theo ngƣợc chiều kim đồng hồ (tăng tốc nhanh nhất).
 Khởi động động cơ:
Tốc độ cho trƣớc đƣợc đặt ở nhà máy khi xuất xƣởng gần bằng với tốc độ
không tải của động cơ (1.000 Hz, tín hiệu cảm biến tốc độ động cơ).
Khởi động động cơ cùng với nguồn điện một chiều cấp vào hệ thống điều tốc.
Phần tử thực hiện sẽ đƣợc kích hoạt và dịch chuyển thanh răng nhiên liệu đến vị trí

cấp lớn nhất cho đến khi động cơ có thể khởi động. Hệ thống điều tốc sẽ điều khiển
động cơ làm việc ở chế độ vòng quay không tải. Nếu động cơ làm việc không ổn
định sau khi khởi động, vặn núm GAIN và STABILITY theo ngƣợc chiều kim
đồng hồ cho đến khi động cơ làm việc ổn định.
 Đặt tốc độ cho trƣớc:
Vặn núm SPEED theo chiều kim đồng hồ có tác dụng làm tăng tốc độ đặt
trƣớc. Có thể đặt tốc độ cho trƣớc từ xa bằng cách sử dụng núm biến trở (5K)
SPEED TRIM CONTROL.
 Chức năng điều tốc: