Hur håller en varvtalsregulator motorns varvtal konstant?

Principen för återkopplingsstyrning i sin grundläggande form

Reglering i sluten krets: hur en regulator kan justera utgången baserat på återkoppling i realtid

En reglerautomat är en anordning som håller motorns varvtal konstant med hjälp av stängda reglersystem och övervakningssystem, till exempel magnetiska pick-up-enheter eller andra tachometerenheter för att mäta den faktiska rotationshastigheten. Reglerautomatens styrenhet är en anordning som, vid laster som går ur kontroll, övervakar hur den faktiska hastigheten avviker från ett förinställt målvärde. Vid detta tillfälle beräknar styrenheten en korrektiv åtgärd och skickar ett kommando till gas- eller bränsleaktuatorer. Till exempel inträffar en 5 % minskning av varvtalet på grund av lasten, och bränsletillförseln ökas omedelbart inom millisekunder. Denna återkopplingscykel löser reglerproblemet i stängda reglersystem, och återkopplingssignalerna kompenserar för ytterligare icke-kontrollerade variabler, såsom friktion eller temperaturdrift, som påverkar reglerautomatens hastighet. Återkopplingsstyrning av hastigheten är extremt viktig för generatorapplikationer, där avvikelser i varvtalet på endast ±0,25 % orsakar variationer i elnätets frekvens.

De tre grundläggande elementen i en reglerautomat som är nödvändiga för att den ska fungera på ett stabilt sätt

Komponenterna som krävs för ett stabilt hastighetsreglersystem har följande tre grundläggande, ömsesidigt beroende element.

-Sollvärde: kalibrerad målhastighet i varv per minut (t.ex. 1800 rpm för 60 Hz-generatorer)

-Felsignal: den kvantifierbara, uppmätta skillnaden, som aktivt och kontinuerligt beräknas (med en frekvens av 50–100 gånger per sekund)

-Verkan: mekaniska, hydrauliska eller elektroniska system som utför kommandot och justeringar av bränslekontrollen (genom upp till 70 % minskning av bränslekontrollsystemet) vid en överhastighetsförhållande.

Den fullständiga cykeln för reglerautomaten drivs samtidigt av tre ömsesidigt beroende komponenter. En PID-regulator (proportionell-integrerande-deriverande reglerare) minimerar systemets svarstid och den totala prestandan för reglerautomaten, samtidigt som den uppnår en total hastighetsavvikelse på mindre än 2 % vid lastvariationer från 0 till 100 % för att styra reglerautomaten.

Centrifugalt hastighetsregulator-mekanik: Mätning av hastighet genom kraftbalans

Flykvikter: Centrifugalkraft kontra fjäderkraft vid olika varvtal

Flykvikterna roterar och genererar en centrifugalkraft som är proportionell mot kvadraten på motorns varvtal. Vid högre varvtal övervinner denna kraft den resulterande fjäderkraften. Som ett resultat rör sig vikterna vertikalt. Vid jämviktspunkten, där centrifugalkraften är lika med den resulterande fjäderkraften, motsvarar den vertikala positionen för flykvikterna en inställd hastighet. För industriella regulatorer är centrifugalkraften vid 3 000 rpm 15–20 % större än den resulterande fjäderkraften. På grund av detta garanteras en proportionell respons, vilket innebär att vid en ökning av varvtalet initieras en korrektiv åtgärd inom mindre än 0,2 sekunder, tack vare principen om kraftbalans i hastighetsreglering.

Mekaniska kopplingar och gasreglering: Översättning av rörelse till bränslemodulering

Den vertikala rörelsen hos flytvikterna trycker direkt på en gasarm genom en sleeve. Detta är en ren mekanisk översättning av rörelse och leder i sin tur till en minskning av bränsleflödet med 8–12 % för varje 1 mm sleeveförflyttning i dieselmotorer. En hävarmsförhållande på cirka 4:1 till 6:1 är typiskt i detta fall. Den viktigaste faktorn med denna konstruktion är att den är absolut felsäker och inte kräver någon extern kraftkälla. Den roterande anordningens kinetiska energi är mer än tillräcklig för att styra förbränningen och bibehålla en konstant varvtal.

Analys av varvtalsregulatorns respons vid övervarvtalsförhållanden

Varvtalsregulatorn reagerar på övervarvtalsförhållanden, där bromsverkan från regulatorn är kopplad till hastigheten för övervarvtalsförhållandet.

Det primära målet här är att bibehålla en viss decelerationsnivå, eftersom förhöjd hastighet kan uppstå som ett resultat av ökad belastning på reglatorn när motorn drivs med en reglator samt belastar tillämpningen med en kraft som överstiger den utformade reglatorbelastningen.

Nuvarande begränsningar för hastighetsregulatorer

Begränsningarna hos traditionella mekaniska varvtalsregulatorer är de inneboende begränsningarna av noggrannheten i den mekaniska regulatorn, tiden det tar för den mekaniska regulatorn att reagera på lastförändringen samt den hastighet med vilken regulatorn kan reagera på lastförändringen. Mekaniska regulatorer använder flytviktsystem och fjädersystem, vilka introducerar en betydande mängd mekanisk tröghet i regulatorn, vilket i sin tur leder till att regulatorns svarstid för den nödvändiga korrigeringen ligger i intervallet cirka (300–500 millisekunder). Detta resultat innebär att regulatorn kommer att reagera på alla lastförändringar som överskrider designkriterierna med cirka (1–3 %) och att varvtalsregulatorn kommer att ha en begränsad maximal hastighet.

Elektroniska hastighetsregulatorer utvidgar gränserna för hastighetsregulatorsystemet genom att använda mikroprocessorstyrda regulatorkorrigeringar i ordningen 50 millisekunder. Detta ger en oöverträffad hastighetskontrollnoggrannhet på ± 0,25 % av målhastigheten. Detta möjliggör även hastighetskontroll vid lastbortfall. Sådana reglersystem använder också tekniker som GPS och intelligent hastighetsassistans (ISA) för geografiskt avgränsade områden (t.ex. skolzoner, arbetsområden), där maximal hastighetskontroll utförs automatiskt utan någon åtgärd från föraren. Telemetri (särskilt diagnostik) tillhandahålls också för förutsägande underhåll, och bränslesparande effekter på 4–7 % har rapporterats i de flesta publicerade studier om flottans effektivitet.

Frågor som ofta ställs (FAQ)

Vad är en hastighetsregulator?

En hastighetsregulator är ett system som håller motorns varvtal konstant baserat på motorns belastning genom att reglera gasreglagets läge.

Hur fungerar en centrifugal hastighetsregulator?

I en centrifugal hastighetsregulator utlöser en ökning av hastigheten att flytvikterna svänger ut i balans. Detta utlöser en gasregleringsrespons som är proportionell mot den utlösta fjäderspänningen.

Vad är begränsningarna för mekaniska hastighetsregulatorer?

De flesta mekaniska hastighetsregulatorer har begränsningar som orsakas av mekaniska systemens tröghet, lägre noggrannhet och långsammare respons, allt i jämförelse med elektroniska hastighetsregulatorer.

Hur förbättrar elektroniska hastighetsregulatorer mekaniska system?

Elektroniska hastighetsregulatorer visar också bättre svarstid, högre precision och anpassningsförmåga jämfört med mekaniska system. Dessa regulatorer erbjuder även systemhastighetskontroll i olika förhållanden med större noggrannhet.