Hvordan holder en hastighedsregulator motorens omdrejningstal konstant?

Princippet om tilbagemeldingsstyring i dets grundlæggende form

Lukket-loop-drift: hvordan en regulator kan justere output baseret på tilbagemelding i realtid

En regulator er en enhed, der ved hjælp af lukkede styrings- og overvågningsystemer, såsom magnetiske pickups eller andre tachometerenheder, holder motorens omdrejningstal konstant. Regulatorstyringen er en enhed, der overvåger, hvor meget den faktiske hastighed afviger fra en forudindstillet målhastighed, når belastningen stiger kraftigt. På dette tidspunkt beregner styreenheden en korrektiv handling og sender en kommando til gas- eller brændstofaktuatorer. For eksempel sker en fald på 5 % i omdrejningstallet som følge af belastningen, og brændstofforsyningen øges øjeblikkeligt inden for få millisekunder. Denne feedbackcyklus løser kontrolproblemet i lukkede systemer, og feedbacksignalerne kompenserer for yderligere uforudsete variable såsom friktion eller temperaturdrift, som påvirker regulatorens hastighed. Feedbackhastighedsstyring er yderst vigtig for generatoranvendelser, hvor afvigelser i omdrejningstallet på blot ±0,25 % vil medføre variationer i strømfrekvensen.

De tre grundlæggende elementer i en regulator, der er nødvendige for, at den kan fungere på en stabil måde

Komponenterne, der er nødvendige for et stabilt hastighedsstyringssystem, har følgende tre grundlæggende, gensidigt afhængige elementer.

- Indstillingen (Setpoint): kalibreret mål-omdrejningstal (f.eks. 1800 omdr./min. for 60 Hz-generatorer)

- Fejlsignalet: den kvantificerbare, målte forskel, der aktivt og kontinuerligt beregnes (med en frekvens på 50–100 gange pr. sekund)

- Aktivering (Actuation): mekaniske, hydrauliske eller elektroniske systemer, der udfører kommandoen og justerer brændstofstyringen (throttle), herunder op til 70 % reduktion af brændstofstyringen ved en overspeed-betingelse.

Den fuldstændige cyklus for regulatoranordningen foregår samtidigt i tre gensidigt afhængige komponenter. En PID-regulator (proportional-integral-derivativ) minimerer systemets responstid og den samlede ydelse fra regulatoren, mens den sikrer en samlet hastighedsafvigelse på under 2 % ved belastningsvariationer fra 0 til 100 % for at styre regulatoren.

Centrifugalhastighedsregulator-mekanik: Måling af hastighed ved kraftbalance

Flyvægte: Centrifugalkraft versus fjederkraft ved forskellige omdrejninger pr. minut (RPM)

Flyvægtene roterer og genererer en centrifugalkraft, der er proportional med kvadratet på motorens omdrejninger pr. minut (RPM). Ved højere hastigheder overvinder denne kraft den resulterende fjederkraft. Som følge heraf bevæger vægtene sig lodret. Ved ligevægtspositionen, hvor centrifugalkraften er lig den resulterende fjederkraft, svarer den lodrette position af flyvægtene til en indstillet hastighed. For industrielle regulatorer er centrifugalkraften ved 3.000 RPM 15–20 % større end den resulterende fjederkraft. Derfor sikres en proportional respons, hvilket betyder, at ved en pludselig stigning i RPM påbegyndes en korrektiv handling på under 0,2 sekunder som følge af den grundlæggende kraftbalanceprincip i hastighedsreguleringen.

Mekaniske forbindelser og gaspedalstyring: Omformning af bevægelse til brændstofmodulation

Den lodrette bevægelse af flyvægtene presser direkte en gasarm gennem et kragelager. Dette er en ren mekanisk omformning af bevægelse og resulterer i en reduktion af brændstofstrømmen med 8–12 % for hver 1 mm kragelagerbevægelse på dieselmotorer. En momentarmforhold på ca. 4:1 til 6:1 er typisk i dette tilfælde. Den vigtigste faktor ved denne konstruktion er, at den er absolut fejlsikker og ikke kræver nogen ekstern energikilde. Den roterende samlinges kinetiske energi er mere end tilstrækkelig til at styre forbrændingen og opretholde en konstant omdrejningshastighed.

Analyse af hastighedsregulatorers respons på overhastighedsforhold

Hastighedsregulatoren reagerer på overhastighedsforhold, hvor bremsevirkningen fra regulatoren afhænger af hastigheden, hvormed overhastighedsforholdet opstår.

Det primære mål her er at opretholde et decelerationsniveau, da overspeed-forhold kan opstå som følge af en øget belastning på hastighedsregulatoren, når motoren kører med en hastighedsregulator, og der påvirkes applikationen med en belastning, der overstiger den beregnede hastighedsregulatorbelastning.

Nuværende begrænsninger for hastighedsregulatorer

Begrænsningerne ved traditionelle mekaniske hastighedsregulatorer er de iboende begrænsninger i præcisionen for den mekaniske regulator, den tid, det tager for den mekaniske regulator at reagere på en belastningsændring, samt den hastighed, hvormed regulatoren kan reagere på en belastningsændring. Mekaniske regulatorer anvender flyvægtssystemer og fjedersystemer, som indfører en betydelig mængde mekanisk inertie i regulatoren, hvilket igen resulterer i, at regulatorens reaktionstid på den nødvendige korrektion ligger i området ca. (300–500 millisekunder). Dette resultat betyder, at regulatoren vil reagere på enhver belastningsændring, der overstiger designkriterierne med ca. (1–3 %), og hastighedsregulatoren vil have en begrænset maksimal hastighed.

Elektroniske hastighedsregulatorer udvider grænserne for hastighedsregulatorsystemet ved at bruge mikroprocessorstyrede korrektioner i hastighedsregulatorsystemet med en frekvens på ca. 50 millisekunder. Dette giver en hidtil uset præcision i hastighedsstyring på ± 0,25 % af målhastigheden. Det muliggør også hastighedsstyring ved pludselig lastændring. Sådanne hastighedsregulatorsystemer anvender også teknologier som GPS og intelligent hastighedsassistent (ISA) til geografisk afgrænsede områder (f.eks. skolezoner, arbejdszoner), hvor maksimal hastighed automatisk reguleres uden nogen indgriben fra føreren. Telemetri (især diagnostisk) er ligeledes tilgængelig til forudsigende vedligeholdelse, og der er i de fleste offentliggjorte flådeeffektivitetsstudier rapporteret brændstofbesparelser på 4–7 %.

Ofte stillede spørgsmål (FAQ)

Hvad er en hastighedsregulator?

En hastighedsregulator er et system, der holder motorens omdrejningstal (RPM) konstant ud fra motorens belastning ved at regulere gaspedalens position.

Hvordan fungerer en centrifugal hastighedsregulator?

I en centrifugal hastighedsregulator udløser hastighedsstigningen, at flydæmperne svinger ud af balance. Dette udløser en throttlerespons, der er proportional med den udløste fjederspænding.

Hvad er begrænsningerne for mekaniske hastighedsregulatorer?

De fleste mekaniske hastighedsregulatorer har begrænsninger, der skyldes inertien i de mekaniske systemer, lavere nøjagtighed, langsommere respons og alt sammen i forhold til elektroniske hastighedsregulatorer.

Hvordan forbedrer elektroniske hastighedsregulatorer de mekaniske systemer?

Elektroniske hastighedsregulatorer viser også bedre respons tid, højere præcision og tilpasningsevne i forhold til mekaniske systemer. Disse regulatorer tilbyder desuden systemhastighedsstyring under forskellige forhold med større nøjagtighed.