Ako regulátor rýchlosti udržiava stálu otáčkovú rýchlosť motora?

Princíp spätnej väzby v jeho základnej forme

Uzavretá regulačná slučka: ako môže regulátor upraviť výstup na základe spätnej väzby v reálnom čase

Regulátor je zariadenie, ktoré udržiava konštantnú otáčkovú rýchlosť motora pomocou uzavretého regulačného okruhu a monitorovacích systémov, ako sú magnetické snímače alebo iné tachometrické zariadenia na meranie skutočnej rotačnej rýchlosti. Regulátorový riadiaci systém je zariadenie, ktoré pri zaťaženiach spôsobujúcich nekontrolovateľné zrýchlenie sleduje, ako sa skutočná rýchlosť odchyľuje od prednastavenej cieľovej hodnoty. V tomto bode riadiaci systém vypočíta korekčnú akciu a pošle príkaz zariadeniam na ovládanie škrtiacej klapky alebo palivového servomotoru. Napríklad pri poklese otáčok o 5 % spôsobenom zaťažením sa množstvo paliva okamžite zvýši v priebehu niekoľkých milisekúnd. Tento spätnoväzobný cyklus rieši regulačný problém v uzavretých regulačných okruhoch a spätnoväzobné signály kompenzujú ďalšie nepredvídateľné premenné, ako je napríklad trenie alebo teplotný posun, ktoré ovplyvňujú rýchlosť regulátora. Rýchlostná regulácia so spätnou väzbou je mimoriadne dôležitá pre aplikácie generátorov, keď už odchýlky otáčok len o ±0,25 % spôsobia zmeny frekvencie vyrábanej elektrickej energie.

Tri základné prvky regulátora, ktoré sú potrebné na jeho stabilnú funkciu

Komponenty potrebné pre stabilný systém regulácie otáčok majú nasledujúce tri základné, navzájom závislé prvky.

- Nastavená hodnota (setpoint): kalibrovaná cieľová otáčková rýchlosť (napr. 1800 ot./min pre generátory s frekvenciou 60 Hz)

- Chybový signál: kvantifikovateľný nameraný rozdiel, ktorý sa aktívne a nepretržite (v intervale 50–100-krát za sekundu) vypočíta

- Aktuácia: mechanické, hydraulické alebo elektronické systémy, ktoré vykonávajú príkazy a úpravy ovládania paliva (škrtiacej klapky) (až do zníženia ovládania paliva o 70 %) v dôsledku stavu nadmernej rýchlosti.

Celý cyklus činnosti regulátora prebieha súčasne cez tri navzájom závislé komponenty. Regulátor typu PID (proporcionálny-integrálny-derivačný) minimalizuje dobu odezvy systému a celkový výkon regulátora pri dosiahnutí celkovej odchýlky otáčok menšej ako 2 % pri záťažových zmenách od 0 do 100 % na riadenie regulátora.

Mechanika odstredivej rýchlostnej regulácie: Meranie rýchlosti prostredníctvom rovnováhy síl

Odstredivé závažia: Odstredivá sila vs. sila pružiny pri rôznych otáčkach za minútu (RPM)

Odstredivé závažia sa otáčajú a vytvárajú odstredivú silu úmernú štvorcu otáčok motora za minútu (RPM). Pri vyšších rýchlostiach táto sila prekonáva výslednú silu pružiny. V dôsledku toho sa závažia posúvajú vertikálne. V bode rovnováhy, kde je odstredivá sila rovná výslednej sile pružiny, zodpovedá vertikálna poloha odstredivých závaží nastavenej rýchlosti. Pre priemyselné regulátory je pri 3 000 RPM odstredivá sila o 15–20 % väčšia ako výsledná sila pružiny. Z tohto dôvodu je zaručená proporcionálna reakcia, čo znamená, že pri náhlom náraste otáčok za minútu sa korekčná akcia spustí do 0,2 sekundy v dôsledku základného princípu rovnováhy síl pri regulácii rýchlosti.

Mechanické spojenia a ovládanie škrtiacej klapky: Prepojenie pohybu so zmenou množstva paliva

Zvislé pohyby odstredivých závaží priamo tlačia akcelerátorové pákou cez objímku. Ide o čisto mechanický prenos pohybu, ktorý v dôsledku toho spôsobuje zníženie prívodu paliva o 8 % – 12 % pre každý 1 mm posunu objímky u dieselových motorov. Pre tento prípad je typický pákový pomer približne 4:1 až 6:1. Najdôležitejšou vlastnosťou tohto konštrukčného riešenia je jeho absolútna bezpečnosť pri poruche a nevyžaduje žiadny vonkajší zdroj energie. Kinetická energia rotujúceho zariadenia je viac než dostatočná na riadenie spaľovacieho procesu a udržanie konštantnej otáčkovej rýchlosti.

Analýza reakcie regulátora otáčok na podmienky nadmernej rýchlosti

Regulátor otáčok reaguje na podmienky nadmernej rýchlosti, pričom brzdiaca funkcia regulátora súvisí s rýchlosťou vzniku stavu nadmernej rýchlosti.

Primárnym cieľom je tu udržať určitú úroveň spomalenia, pretože nadmerná rýchlosť môže vzniknúť v dôsledku zvýšenej záťaže regulátora, keď motor pracuje s regulátorom a záťaž aplikácie presahuje navrhovanú záťaž regulátora.

Súčasné obmedzenia regulátorov rýchlosti

Obmedzenia tradičných mechanických regulátorov otáčok sú vlastné obmedzenia presnosti mechanického regulátora, doba, ktorú mechanický regulátor potrebuje na reakciu na zmenu zaťaženia, a rýchlosť, akou regulátor dokáže reagovať na zmenu zaťaženia. Mechanické regulátory využívajú systémy odstredivých závaží a pružinové systémy, ktoré regulátoru pridávajú významnú mieru mechanickej zotrvačnosti, čo má za následok oneskorenie reakcie regulátora na potrebnú korekciu v rozsahu približne (300 – 500 milisekúnd). Tento výsledok znamená, že regulátor bude reagovať na akúkoľvek zmenu zaťaženia, ktorá presahuje návrhové kritériá približne (1 – 3 %), a regulátor otáčok bude mať obmedzenú maximálnu rýchlosť.

Elektronické regulátory rozširujú hranice systému regulátorov použitím korekcií systému regulátorov riadených mikroprocesorom v poradí 50 milisekúnd. Toto ponúka bezprecedentnú presnosť regulácie rýchlosti ± 0,25 % cieľovej rýchlosti. Poskytuje takisto reguláciu rýchlosti aj pri zmenách zaťaženia motora (strata zaťaženia). Takéto systémy regulátorov využívajú tiež technológie ako GPS a inteligentná pomoc pri regulácii rýchlosti (ISA) pre geograficky ohraničené lokality (školské zóny, stavebné zóny), kde sa maximálna rýchlosť automaticky obmedzuje bez akéhokoľvek zásahu vodiča. Poskytovaná je tiež telemetria (najmä diagnostická) pre prediktívnu údržbu; vo väčšine publikovaných štúdií efektívnosti flotíl sa tiež uvádza úspora paliva v rozsahu 4 – 7 %.

Často kladené otázky (FAQ)

Čo je regulátor rýchlosti?

Regulátor rýchlosti je systém, ktorý udržiava otáčky motora konštantné na základe zaťaženia motora reguláciou polohy škrtiacej klapky.

Ako funguje odstredivý regulátor rýchlosti?

V odstredivej regulátorovej skrini spôsobuje zvýšenie otáčok vychýlenie odstredných závaží z rovnovážnej polohy. To spustí reakciu škrtiacej klapky úmernú napätiu spúštajúcej pružiny.

Aké sú obmedzenia mechanických regulátorov otáčok?

Väčšina mechanických regulátorov otáčok má obmedzenia spôsobené zotrvačnosťou mechanických systémov, nižšou presnosťou a pomalšou reakciou, a to všetko v porovnaní s elektronickými regulátormi otáčok.

Ako sa elektronické regulátory otáčok zlepšujú oproti mechanickým systémom?

Elektronické regulátory otáčok ponúkajú oproti mechanickým systémom lepší čas reakcie, vyššiu presnosť a prispôsobivosť. Tieto regulátory tiež umožňujú riadenie rýchlosti systému za rôznych podmienok s väčšou presnosťou.