Автоматические регуляторы частоты вращения двигателя

СОДЕРЖАНИЕ:

• Всережимные регуляторы
  • Работа регулятора при пуске дизеля
  • Работа регулятора на минимальной частоте вращения холостого хода
  • Работа регулятора на нагрузочных режимах
  • Корректоры топливоподачи
  • Работа положительного и отрицательного корректоров
  • Работа отрицательного корректора
• Двухрежимные регуляторы

Автоматический регулятор частоты вращения включает в себя собственно механический регулятор с центробежными грузами и систему управляющих рычагов, обеспечивающих связь регулятора и элементов настройки с дозирующей муфтой.

Автоматический регулятор частоты вращения служит для поддержания заданного скоростного режима с заданной точностью. Точность регулирования оценивается, в частности, степенью неравномерности, которая определяется как отношение разности частот вращения режима холостого хода и заданного режима по внешней скоростной характеристике к среднему их значению. Практически степень неравномерности определяется наклоном регуляторной характеристики.

Режим холостого хода означает работу двигателя без нагрузки. Таким образом, работа автоматического регулятора заключается в изменении величины топливоподачи при изменении нагрузки и постоянном положении рычага управления, т.е. педали акселератора. При этом формируется регуляторная характеристика данного скоростного режима. Всережимный автоматический регулятор обеспечивает регулирование дизеля во всем диапазоне рабочих режимов, а водитель задает требуемый скоростной режим, нажимая на педаль акселератора.

Двухрежимный регулятор частоты вращения обеспечивает автоматическое регулирование режима пуска и минимального и номинального режимов, а все промежуточные режимы находятся под управлением водителя, который воздействует непосредственно на дозирующий орган, изменяя величину топливоподачи.

Двухрежимные регуляторы более предпочтительны на автомобильных дизелях, поскольку непосредственное воздействие на дозирующий орган уменьшает расход топлива и выброс частиц при работе на неустановившихся режимах.

Скоростные и регуляторные характеристики топливоподачи насоса VE со всережимным и двухрежимным регуляторами представлены на рисунках а, б. Соответствующие обозначения кривых и характерных точек даны в спецификации к рисунку.

Рис. Скоростные и регуляторные характеристики топливоподачи: а — с двухрежиммым регулятором; б — с всережимным регулятором; 1 — пусковая подача; 2 — подача при полной нагрузке; 3 — участок работы положительного корректора; 4 — регуляторные характеристики; 5 — холостой ход минимального режима

Всережимные регуляторы

Схемы работы всережимного регулятора частоты вращения топливного насоса VE с системой рычагов и рабочими положениями дозирующей муфты на различных нагрузочных и скоростных режимах показаны на рисунках а, б, в, г.

Рис. Работа всережимного регулятора: а — положение при пуске; б — холостой ход минимального режима; в — режим уменьшения нагрузки; г — режим увеличения нагрузки; 1 — грузы регулятора; 2 — муфта регулятора, 3 — силовой рычаг; 4 — нажимной рычаг, 5 — пружина пусковой подачи; 6 — дозирующая муфта; 7 — отсечные отверстия в плунжере; 8 — плунжер; 9 — регулировочный винт холостого хода минимального режима; 10 — рычаг управления; 11 — регулировочный винт максимального режима; 12 — ось рычага управления; 13 — рабочая пружина регулятора; 14 — фиксатор пружины; 15 — пружина минимального режима; 16 — упор силового рычага; М2 — ось вращения рычагов 4 и 5; h, и h3 активный ход плунжера на различных режимах

Грузы регулятора 1 (обычно четыре груза) установлены в держателе, который получает вращение от приводной шестеренки. Радиальное перемещение грузов трансформируется в осевое перемещение муфты регулятора 2, что изменяет положение нажимного 4 и силового 3 рычагов регулятора, которые, поворачиваясь относительно оси М2. перемещают дозирующую муфту 6,определяя тем самым активный ход плунжера 8.

В верхней части силового рычага установлена пружина холостого хода 15, а между силовым и нажимным рычагами — пластинчатая пружина пусковой подачи 5. Рычаг управления 10 воздействует на рабочую пружину регулятора 13. второй конец которой закреплен в силовом рычаге на фиксаторе 14. Таким образом. положение системы рычагов и. следовательно, дозирующей муфты определяется взаимодействием двух сил — силы предварительной затяжки рабочей пружины регулятора, определяемой положением рычага управления, и центробежной силы грузов, приведенной к муфте.

Работа регулятора при пуске дизеля

Перед пуском дизеля, когда коленчатый вал еще не вращается и топливный насос не работает, грузы регулятора находятся в состоянии покоя на минимальном радиусе, а нажимной рычаг 4 (его другое название — рычаг пуска) под действием пружины пусковой подачи 5 смещен влево на рисунке а, имея возможность качания относительно оси М2. Соответственно нижний шарнирный конец рычага обеспечивает крайне правое положение дозатора 6 относительно плунжера 8. что соответствует пусковой подаче за счет увеличенного активного хода плунжера h2. Как только двигатель запустится, грузы регулятора расходятся и муфта 2 перемещается вправо на величину хода «а», преодолевая сопротивление достаточно слабой пусковой пружины 5. Рычаг 4 при этом поворачивается на оси М2 по часовой стрелке, перемещая дозирующую муфту в сторону уменьшения подачи (влево на рис. б).

Работа регулятора на минимальной частоте вращения холостого хода

При отсутствии нагрузки и положении рычага управления на упоре в регулировочный винт 9 дизель должен устойчиво работать на минимальной частоте вращения холостого хода в соответствии со схемой рисунка б. Регулирование этого режима обеспечивается пружиной холостого хода 15. усилие которой находится в равновесии с центробежной силой грузов, и в результате этого равновесия поддерживается подача топлива, соответствующая активному ходу плунжера h3. Работа дизеля на этом режиме соответствует точке 5 на характеристике первого рисунка. Как только скоростной режим двигателя выходит за пределы минимальной частоты вращения холостого хода, реализуется ход «с» силового рычага при сжатии пружины 15 под действием увеличивающейся центробежной силы грузов.

Работа регулятора на нагрузочных режимах

В эксплуатации дизеля со всережимным регулятором скоростной режим устанавливается водителем путем воздействия через педаль акселератора на рычаг управления 10. На рабочих режимах пружина пусковой подачи 5 и пружина 15 холостого хода не работают, и работа регулятора определяется предварительной деформацией рабочей пружины 13. При повороте рычага управления до упора 11 (рисунки в, г) в сторону увеличения скоростного режима и соответствующем растяжении рабочей пружины ее усилие передается на силовой рычаг 3 и затем через рычаг 4 на муфту регулятора 2, заставляя грузы 1 сходиться. Система рычагов при этом поворачивается относительно оси М2 против часовой стрелки на рисунке, перемещая дозирующую муфту 6 в сторону увеличения подачи до режимов внешней скоростной характеристики. Частота вращения коленчатого вала дизеля и соответственно, грузов регулятора при этом увеличивается, центробежная сила грузов и сопротивление последней усилию рабочей пружины также увеличиваются, и в какой-то момент наступает равновесие сил и равновесие положения всех элементов регулятора. При отсутствии изменения нагрузки двигатель работает на установившемся режиме при постоянной частоте вращения (не принимая во внимание естественную для ЛВС нестабильность вращения).

Если на этом режиме имеет место изменение нагрузки, то в работу вступает автоматический регулятор в соответствии со схемами, показанными на рисунках в, г. При уменьшении нагрузки частота вращения увеличивается, грузы регулятора расходятся и, преодолевая сопротивление рабочей пружины, перемещают муфту регулятора вправо (рисунок в). Система рычагов при этом поворачивается относительно оси М2 по часовой стрелке перемещая дозирующую муфту влево, в сторону уменьшения подачи. В результате формируется регуляторная ветвь 4 на первом рисунке. Если рычаг управления устанавливается в некоторое промежуточное положение, то, по сравнению с настройкой регулятора, показанной на рисунках в, г, будет образовываться одна из регуляторных характеристик, показанных пунктиром на первом рисунке б, т.е. регулятор в последнем случае начинает работать раньше — при меньшей частоте вращения.

На рисунке г показана работа регулятора при положении рычага управления на упоре 11 и при увеличении нагрузки. В этом случае частота вращения вала дизеля уменьшается, грузы регулятора сходятся, центробежная сила грузов уменьшается, и под действием усилия рабочей пружины муфта регулятора перемещается влево, а система рычагов 3 и 4 перемещает дозирующую муфту вправо, в сторону увеличения подачи. Если дизель до начала увеличения нагрузки работал на регуляторной ветви, то при увеличении подачи он будет выходить на более мощностной режим и затем на внешнюю скоростную характеристику. Если же дизель работает на внешней характеристике на номинальном или близком к нему режиме, то при увеличении нагрузки реализуется режим перегрузки, для преодоления которой дизель должен иметь достаточно высокий коэффициент приспособляемости. Положительное корректирование топливоподачи осуществляется на участке 3 характеристики с помощью положительного корректора или при соответствующем подборе характеристики топливоподачи ТНВД.

Корректоры топливоподачи

Корректирование топливоподачи в дизелях, положительное или отрицательное, осуществляется с целью формирования внешней скоростной характеристики двигателя при необходимости увеличить максимальный крутящий момент путем увеличения подачи при уменьшении частоты вращения от nном до nm на так называемом режиме перегрузки (положительное корректирование) или уменьшить дымление дизеля при работе на n < nm по внешней скоростной характеристике. Влияние корректирования на протекание внешней скоростной характеристики дизеля показано на рисунке ниже. Положительное корректирование необходимо для обеспечения заданного запаса крутящего момента двигателя.

Рис. Внешняя характеристике дизеля: Мe — крутящий момент, n — частота вращения, nм — частота вращения при максимально Me, nном — частота вращения номинального режима, n мин — минимальная частота вращения по внешней характеристике

Корректирование характеристики может быть осуществимо нагнетательным клапаном ТНВД или механическим корректором в регуляторе. С помощью механического корректора осуществляется также и отрицательное корректирование. Последнее обычно применяется в двигателях с целью уменьшения выбросов сажи при n < nм1, а также в двигателя с турбонаддувом и ТНВД без корректора по давлению наддува, т.е. без ограничения подачи в системе LDA.

Работа положительного и отрицательного корректоров

Устройство и работа положительного и отрицательного механических корректоров топливоподачи топливного насоса VE иллюстрируется рис. а, б.

Рис. Схема регулятора с положительным (а) и отрицательным (б) корректором топливоподачи: 1 — рычаг пусковой; 2 — пружины корректоров; 3 — рабочая пружина регулятора; 4 — силовой рычаг 5 — упор; 6 — рычаги корректоров; 7 — шток корректора; 8 — дозирующая муфта; 9 — пружина пусковой подачи; 10 — муфта регулятора; 11 — точка упора; Мг — ось вращения рычагов 1 и 4; М4 — ось вращения рычагов 1 и 6; ΔS — ход корректирования подачи

Начало действия прямого (положительного) корректора топливоподачи определяется жесткостью и предварительным сжатием его пружины, которые согласованы с соответствующим скоростным режимом дизеля. Работа положительного корректора происходит следующим образом. На номинальном режиме дозирующая муфта 8 занимает положение, обозначенное пунктиром на рис. а. Пружина корректора 2 при этом сжата из-за воздействия центробежной силы грузов через муфту 10 регулятора на рычаг 6, который нажимает на головку штока 7, поворачиваясь на упоре 5 в силовом рычаге 4. Рычаг 1 при этом повернут по часовой стрелке и дозатор обеспечивает цикловую подачу, которая соответствует требованиям номинального режима дизеля (см. Пунктир на рис. а). Если нагрузка на этом режиме увеличивается (режим перегрузки), частота вращения уменьшается, усилие со стороны муфты регулятора также уменьшается, и пружина корректора 2 через рычаг 6 поворачивает рычаг 1 против часовой стрелки, перемещая дозирующую муфту вправо, в сторону увеличения подачи на величину ΔS (рис. а).

Работа отрицательного корректора

При работе с минимальной частотой на внешней характеристике рычаг 6 корректора упирается в силовой рычаг в точке 5 (рис. б). Головка штока 7 корректора также упирается в силовой рычаг 4. При увеличении частоты вращения центробежная сила грузов, приведенная к муфте, преодолевает усилие пружины 2 корректора, сжимая ее. в результате чего рычаг 6 перемещается вправо на рисунке, в сторону головки штока, при этом общая ось рычагов М4 меняет свое положение. Одновременно рычаг 1 поворачивается относительно оси М2, перемещая дозирующую муфту 8 в сторону увеличения подачи. Ход корректирования ΔS определяется ходом сжатия пружины корректора до упора рычага 6 в головку штока 7. При работе дизеля на левой части внешней скоростной характеристики при увеличении нагрузки и уменьшении частоты вращения пружина 2 поворачивает рычаг 6 по часовой стрелке, а последний заставляет поворачиваться рычаг 1 относительно оси М2 по часовой стрелке, перемещая дозирующую муфту 8 в сторону уменьшения подачи, осуществляя, таким образом, отрицательное корректирование (область nмин < n < nм на рисунке).

Двухрежимные регуляторы

Устройство двухрежимного автоматического регулятора частоты вращения топливного насоса VE и его работа на различных режимах показаны на рисунках далее, имеющих общую спецификацию. Вал регулятора получает вращение от вала ТНВД через шестеренчатую повышающую передачу с передаточным отношением 1:1,6 и передает его держателю с четырьмя грузами.

Аналогичную конструкцию этого узла имеют топливные насосы VE с всережимными регуляторами, рассмотренные выше.

Величина топливоподачи изменяется при изменении положения дозирующей муфты 15, которое определяется равновесием центробежной силы грузов, приведенной к муфте, и силы от действия рабочих пружин регулятора, зависящей, в частности, от положения педали акселератора.

Режим пуска дизеля показан на рисунке. При неработающем двигателе грузы регулятора сведены и муфта 19 находится в крайнем левом положении. Рычаг корректора 16 и пусковой рычаг 18 прижимаются под действием пружины пусковой подачи 12 к муфте регулятора 19, поворачиваясь относительно оси М2. Таким образом, дозирующая муфта 15 перемещается нижним шарниром системы рычагов вправо на рисунке ниже, обеспечивая пусковую подачу. Педаль акселератора при пуске дизеля может оставаться в ненажатом положении. Величина пусковой подачи определяется активным ходом ΔS1.

Рис. Схема двухрежимного регулятора. Режим пуска дизеля: 1 — держатель грузов; 2 — грузы регулятора; 3 — серьга; 4 — ось рычага управления; 5 -пружина номинального режима; 6 — пружина частичного режима; 7 — регулировочный винт максимальной подачи; 8 — демпферная пружина; 9 — пружина холостого хода минимального режима; 10 — силовой рычаг; 11 — регулировочный рычаг; 12 — пружина пусковой подачи; 13 — поддерживающая пружина; 14 — плунжер ТНВД; 15 — дозирующая муфта; 16 — рычаг отрицательного корректора; 17 — пружина отрицательного корректора; 18 — пусковой рычаг; 19 — муфта регулятора; 20 — корпус пружин регулятора; 21 — отверстия отсечки подачи; шарниры рычажной системы регулятора: М1 — система рычагов в этой точке поддерживается двумя подвижными пальцами, установленными в рычаге 2; М4 — общая ось рычагов пускового и корректора; ΔS1 — ход дозирующей муфты.

После пуска двигателя грузы регулятора под действием центробежной силы расходятся и толкают муфту регулятора 19 вправо, преодолевая сопротивление пружины пусковой подачи 12. При этом головка штока рычага корректора 16 упирается в точке А в силовой рычаг 10, а ось М4 движется вправо на шарнире А до тех пор, пока усилие муфты регулятора окажется равным усилию пружины холостого хода 9. Соответственно, дозирующая муфта 15 перемещается шарниром М2 влево до установления подачи холостого хода, что соответствует схеме на рисунке.

Рис. Работа регулятора на холостом ходу минимального режима

На рисунке показано взаимодействие элементов регулятора при работе дизеля на частичных скоростных режимах, когда педаль акселератора слегка нажата. Последовательность, с которой вступают в работу пружины регулятора, определяется их жесткостью и предварительной деформацией. Первой работает демпферная пружина 8. за ней следует пружина частичного режима 6 и, наконец, пружина номинального режима 5.

Рычаг управления соединяется с педалью акселератора. При нажатии на нее сжимается демпферная пружина 8 и силовой рычаг притягивается влево, в результате чего дозирующая муфта перемещается вправо, в сторону увеличения подачи с соответствующим увеличением частоты вращения. Муфта регулятора 19 из-за увеличения центробежной силы грузов нажимает на рычаг корректора, который упирается.в силовой рычаг в точке в результате чего пружина холостого хода 9 максимально сжимается, и далее силовой рычаг уже двумя шарнирными точками А и В перемещается вправо, вместе с осью М2. В этих условиях, когда силовой рычаг движется вправо, а корпус пружин под действием водителя влево, пружина частичной нагрузки сжимается до момента достижения баланса сил. При уменьшении нагрузки и увеличении частоты вращения силовой рычаг будет перемещаться под действием муфты регулятора 19 вправо на ход ΔS2 пружины 6, а дозирующая муфта 15 влево, в сторону уменьшения подачи до достижения установившегося скоростного режима дизеля.

Рис. Работа регулятора на частичном скоростном режиме

Рис. Работа регулятора при полной нагрузке

Работа регулятора дизеля при полной нагрузке иллюстрируется рисунке. В этом случае педаль акселератора нажата до упора рычага управления в регулировочный винт максимального режима. Силовой рычаг 10 при этом оказывается на упоре М3, а пружины стартовая, минимального холостого хода 9, демпферная 8 и частичной нагрузки 6 — в полностью сжатом состоянии. Муфта регулятора 19 находится в равновесии под действием противоположно направленных центробежной силы грузов и силы предварительной затяжки рабочей пружины 5. Подача топлива на режиме полной нагрузки определяется активным ходом плунжера, обозначенным двумя стрелками у дозирующей муфты 15. Рассматриваемый здесь двухрежимный регулятор оснащен отрицательным корректором топливоподачи. При работе дизеля на левой ветви внешней скоростной характеристики, при n < nm пружина 17 отрицательного корректора разжимается и через систему рычагов перемещает дозирующую муфту 15 в сторону уменьшения подачи, отодвигая внешнюю характеристику от предела дымления.

Рис. Работа отрицательного корректора

Режим максимальной частоты вращения холостого хода и формирование соответствующей регуляторной характеристики имеют место при уменьшении нагрузки двигателя, работающего на режиме полной (номинальной) мощности. В этом случае частота вращения вала двигателя и грузов регулятора увеличивается, и последние перемещают муфту 19 вправо, которая заставляет пружину регулятора 5 сжиматься и за счет этого вращает систему рычагов по часовой стрелке относительно оси М2, уменьшая топливоподачу до величины подачи холостого хода. Этот процесс показан на рисунке.

Если при полном сбросе нагрузки имеет место неконтролируемое увеличение частоты вращения, опасное для двигателя, регулятор полностью прекращает подачу топлива в цилиндры дизеля. В этом случае работа регулятора происходит в соответствии с рисунке, только при частоте вращения большей, чем на режиме максимальной частоты вращения холостого хода. Дозирующая муфта при этом еще больше перемещается влево, полностью открывая отсечные отверстия 21, в результате чего все топливо из камеры высокого давления ТНВД возвращается во внутреннюю полость корпуса насоса и впрыскивание топлива прекращается.

Рис. Работа регулятора на холостом ходу максимального режима

График скоростных характеристик топливоподачи рассмотренного выше двухрежимного регулятора показан на рисунке, назначение различных кривых на характеристике обозначено подрисуночными подписями. Наличие пружины частичных режимов в регуляторе позволяет получить большую плавность и устойчивость регулирования на режимах малых нагрузок и частот вращения. В остальном характеристики рассмотренного выше двухрежимного регулятора аналогичны общей характеристике.

Рис. Скоростные характеристики топливоподачи ТНВД с двухрежимным регулятором: а — пусковая подача, б — участок уменьшения подачи после пуска дизеля, в — ход при сжатии пружины частичного режима, г — область управления подачей водителем, д — регуляторные характеристики максимального режима

Регулятор частоты вращения теплового двигателя

Использование: автоматические регуляторы частоты вращения двигателей. Сущность изобретения: регулятор частоты вращения теплового двигателя, преимущественно дизеля, содержит электрическую машину одностороннего направления вращения. Последняя имеет ротор, кинематически связанный с валом теплового двигателя и статор, имеющий возможность углового перемещения, который кинематически связан с топливодозирующим органом. К электрической машине подсоединен блок управления частотой вращения теплового двигателя. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к автоматическим регуляторам частоты вращения тепловых двигателей, преимущественно дизелей.

Общеизвестные механические регуляторы частоты вращения с центробежным чувствительным элементом Уатта не в полной мере отвечают возможностям повышения уровня автоматизации управления подачей топлива теплового двигателя. Это связано с тем, что практически каждая функция автоматизированного управления подачей топлива, например, дистанционная или автоматическая остановка двигателя, его перенастройка на новый скоростной режим, ограничение подачи топлива по предельному значению того или другого контролируемого параметра двигателя и др. требует, как правило, собственного приводного исполнительного устройства, что в конечном итоге существенно усложняет конструкцию регулятора частоты вращения и двигателя в целом.

Автоматизированные энергетические машины с тепловыми двигателями должны иметь улучшенные экологические, эргономические и технико-экономические характеристики за счет рационального управления преобразованием энергии топлива в работу машины.

Наилучшим образом управление подачей топлива обеспечивается с помощью электронного регулятора частоты вращения двигателя, который, в отличие от механического регулятора, при большом многообразии функций управления подачей топлива обычно имеет один позиционирующий электропривод, электрическая машина которого связана с топливодозирующим органом теплового двигателя.

Одним из наименее устойчивых объектов регулирования частоты вращения среди тепловых двигателей является дизель, имеющий, как правило, близкое к нулевому или отрицательное самовыравнивание.

Наиболее обширная группа известных электронных регуляторов частоты вращения дизеля содержит в своем составе электрическую машину в виде электродвигателя знакопеременного направления движения якоря, обычно моментного электродвигателя, поворотного или линейного шагового электродвигателя, пропорционального электромагнита и др. Управление электродвигателем обеспечивается с помощью электронного блока управления частотой вращения дизеля, подключенного своими входами к измерителю частоты вращения дизеля и устройству задания. Примером подобного регулятора может служить электронный регулятор частоты вращения, описанный в [1] Несмотря на очевидные преимущества электронных регуляторов по сравнению с механическими, регуляторы описанной группы пока не получают должного распространения, что можно объяснить несколькими причинами.

Устойчивость, статические, динамические и энергетические показатели качества системы регулирования частоты вращения дизеля зависят от чувствительности позиционирующего электропривода к управляющим воздействиям и частоты перекладки направления движения топливодозирующего органа. Так как дизель является неустойчивым объектом регулирования, то для точного поддержания заданной частоты вращения требуется повышенная частота перекладки выходного вала электродвигателя. При этом положение его вала приближается к состоянию покоя. Такой режим подобен режиму работы электродвигателя с заторможенным якорем, что приводит к повышенному току в обмотках статора, магнитному насыщению и перегреву электродвигателя.

Проблема электромагнитных потерь в еще большей мере усугубляется при создании электронных регуляторов с электродвигателями знакопеременного направления движения для тепловозных и судовых дизелей, где требуются электроприводы большой мощности. В этих случаях электродвигатель электронного регулятора, как правило, объединяется в едином конструктивном узле с гидравлическим или пневматическим сервоусилителем. В результате этого электромеханическая часть электронного регулятора существенно усложняется.

Отнесенные к аналогам регуляторы с электроприводом знакопеременного направления движения содержат электронный измеритель частоты вращения двигателя, выполненный, как правило, в виде датчика импульсных сигналов, снимаемых с зубчатого венца маховика двигателя.

Применение электронного измерителя частоты вращения двигателя ставит перед разработчиком свои проблемы. Одна из них заключается в том, что дискретное измерение частоты вращения двигателя требует определенного интервала времени, затрачиваемого блоком управления частотой вращения дизеля на снятие, обработку и преобразование сигналов от накопленных измерителем импульсов. Это, в конечном итоге, приводит к задержке формирования управляющего сигнала в электронном блоке управления и, как следствие, к ухудшению статических и динамических показателей качества регулирования частоты вращения дизеля.

Кроме того, нарушение главной обратной связи системы регулирования из-за обрыва какой-либо электрической цепи в измерителе или в электронном блоке управления частотой вращения дизеля вплоть до первичного элемента сравнения с заданием приводит дизель, являющийся по своей природе неустойчивым объектом регулирования, к «разносу». Поэтому все электрические цепи и устройства, образующие главную обратную связь системы регулирования, требуют исключительно надежного исполнения. Как правило электронный регулятор оснащается двумя-тремя дублирующими или резервирующими друг-друга измерителями частоты вращения дизеля.

Перечисленные трудности практической реализации электронных регуляторов рассмотренного типа в значительной мере могут быть преодолены в случае применения в тепловых двигателях электронных регуляторов частоты вращения с дифференциальным измерительно-исполнительным механизмом. Регулятор подобного типа, выбранный за прототип описан в [2] Электронный регулятор частоты вращения теплового двигателя содержит электрическую машину одностороннего направления вращения, в рассматриваемом случае, в виде электродвигателя, одна из частей которого является ротором, кинематически связанным с валом регулируемого двигателя, а другая статором, и блок управления частотой вращения регулируемого двигателя, подключенный своим выходом к регулируемому по частоте вращения электродвигателю.

Сопоставление позиционирующих приводов топливодозирующего органа теплового двигателя показывает, что применяемая в прототипе электрическая машина с односторонним направлением вращения ротора при прочих равных условиях значительно превосходит по своим энергетическим показателям используемую в аналогах электрическую машину со знакопеременным направлением движения якоря.

В отличие от аналогов электронный регулятор, выполненный по схеме прототипа, может быть применен на двигателе большой мощности, так как за счет использования электродвигателя повышенной мощности не требуется объединение электромеханической части регулятора с каким-либо гидравлическим или пневматическим сервоусилителем.

Кроме того, регулятор прототипа имеет чисто механический измеритель частоты вращения двигателя в виде дифференциального механизма, что обеспечивает из-за жесткой связи дизеля с топливодозирующим органом отсутствие какого-либо запаздывания в измерении, сравнении с заданием и в передаче управляющего силового воздействия электродвигателя на топливодозирующий орган двигателя, при этом главная обратная связь системы автоматического регулирования в виде механической передачи обладает достаточно высокой надежностью.

Однако и такой электронный регулятор, выполненный по схеме прототипа, не в полной мере удовлетворяет разработчиков, поскольку для его реализации требуется применение достаточно трудоемкого в изготовлении и сборке дифференциального механизма с большим количеством зубчатых колес.

Задача изобретения состоит в том, чтобы, обеспечивая положительные свойства прототипа, максимально упростить конструкцию электромеханической части регулятора.

Задача решена тем, что регулятор частоты вращения теплового двигателя содержит электрическую машину одностороннего направления вращения, одна из частей которой является ротором, кинематически связанным с валом теплового двигателя, а другая часть с статором, и блок управления частотой вращения теплового двигателя, подключенный своим выходом к электрической машине, при этом статор, имея возможность углового перемещения, кинематически связан с топливодозирующим органом теплового двигателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Регулятор 1 связан с тепловым двигателем 2, имеющим топливодозирующий орган 3 в виде рейки топливного насоса высокого давления и выходной вал 4 теплового двигателя 2, кинематически связанный через коническую передачу в ротором 5 электрической машины 6. Статор 7 электрической машины 6 кинематически связан с зубчатым колесом 8, образующим реечное зацепление с топливодозирующим органом 3. Статор 7 имеет возможность углового перемещения в пределах, ограниченных крайними положениями топливодозирующего органа 3. Крайне левое положение соответствует максимальной подаче топлива, крайнее правое полному отключению подачи топлива. К статору 7 через гибкий кабель 9 подключен своим выходом 10 блок 11 управления частотой вращения теплового двигателя 2. Устройство 12 задания частоты вращения своим выходом 13 подключено ко входу блока 11. Пружина 14 автоматического отключения подачи топлива связана с топливодозирующим органом 3.

Регулятор работает следующим образом.

Перед пуском двигателя 2 с устройства 12 на выход 13 подается сигнал заданной частоты вращения двигателя 2.

В блоке 11 сигнал задания преобразуется в управляющий сигнал, который подается на статор 7, например, для асинхронного двигателя в виде переменного тока требуемой частоты. Наличие движущей силы, образуемой вращающимся магнитным полем в обмотках электрической машины, разворачивает статор 7 относительно неподвижного ротора 5 и через реечную передачу передвигает топливодозирующий орган 3 в левое положение, соответствующее максимальной подаче топлива. После прокрутки пусковым стартером двигатель 2 запускается и при разгоне набирает частоту вращения вала 4. После того как частота вращения ротора 5 сравняется с заданной частотой, вырабатываемой в обмотках статора 7, двигатель 2 продолжает разгоняться и электродвигатель переходит в генераторный режим работы. При этом реакция статора 7 изменит свое направление и статор 7, разворачиваясь, начинает выдвигать топливодозирующий орган 3 вправо, снижая частоту вращения регулируемого двигателя. Процесс регулирования частоты вращения двигателя 2 будет идти до тех пор, пока не наступит равновесие между заданной частотой тока в обмотках статора 7 и частотой вращения ротора 5, обусловленной частотой вращения двигателя 2.

В случае изменения нагрузки двигателя 2, например, при ее увеличении, частота вращения двигателя 2 уменьшится и, благодаря реакции, статор 7 повернется в направлении, соответствующем увеличению подачи топлива. В результате этого скоростной режим двигателя 2 восстановится до значения, соответствующего заданной частоте вращения.

При перенастройке частоты вращения с помощью устройства 12 соответственно изменяется частота тока, вырабатываемая блоком 11. Реакция статора 7 в этом случае и направление движения топливодозирующего органа 3 будут зависеть от того, в какую сторону произошло изменение сигнала задания устройства 12. Так например при повышении частоты вырабатываемого тока статор 7 начнет разворачиваться в сторону увеличения подачи топлива до тех пор, пока двигатель 2 не выйдет на частоту вращения, соответствующую заданной. При уменьшении сигнала на выходе 13 или потере электропитания двигатель 2 за счет сил трения в механизме разворачивает статор 7 в сторону отключения подачи топлива. Дополнительно для этой же цели служит пружина 14, способствующая за счет силы натяжения перемещению топливодозирующего органа 3 в сторону отключения подачи топлива.

Выход 10 блока 11 может быть подключен к обмоткам статора 7 или ротора 5 различным способом. На чертеже показан гибкий кабель 9, позволяющий статору 7 разворачиваться в требуемых пределах. В том случае, если это целесообразно, возможно подключение выхода 10 к обмоткам статора 7 через щеточный или бесщеточный коллекторный узел. Таким же способом через коллекторный узел возможно подключение выхода 10 к обмоткам ротора 5.

Электрическая машина 6, имея обратимые свойства, может быть выполнена не только в виде электродвигателя, но и в виде электрогенератора.

Во втором случае процессы регулирования частоты вращения двигателя 2 с помощью электрической машины 6, выполненной в виде электрогенератора аналогичны процессам, описанным выше для варианта с электродвигателем. При этом сигнал управления частотой вращения двигателя 2 подается с выхода 10 на обмотки возбуждения генератора или его нагрузочное устройство.

Изобретение имеет преимущества по сравнению с известными регуляторами частоты вращения тепловых двигателей. Регулятор, обладая всеми положительными свойствами прототипа, имеет достаточно простую конструкцию измерительно-исполнительной механической части и не содержит трудоемкого в изготовлении дифференциального механизма.

Таким образом, предлагаемый регулятор позволяет наиболее рациональным образом обеспечить стык между управляющей электроникой и силовой механикой теплового двигателя, обеспечивая высокие статические, динамические и энергетические показатели качества регулирования частоты вращения.

Изобретение может быть использовано в областях техники, в которых применяются дизели различного типа, назначения и мощности, в том числе в тракторах и сельскохозяйственных машинах, в дизельных автомобилях и автобусах, карьерных самосвалах и строительно-дорожных машинах, дизель-электрических генераторах и перекачивающих установках, промышленных тракторах и тепловозах, а также в судовых дизелях и газовых турбинах.

Формула изобретения

1. Регулятор (1) частоты вращения теплового двигателя (2), содержащий электрическую машину (6) одностороннего направления вращения, одна из частей которой является ротором (5), кинематически связанным с валом (4) теплового двигателя (2), а другая часть статором (7), и блок (11) управления частотой вращения теплового двигателя (2), подключенный своим выходом (10) к электрической машине (6), отличающийся тем, что статор (7), имея возможность углового перемещения, кинематически связан с топливодозирующим органом (3) теплового двигателя (2).

2. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что блок (11) подключен своим выходом (10) к обмоткам статора (7).

3. Регулятор по п. 1, отличающийся тем, что блок (11) подключен своим выходом (10) к обмоткам ротора (5).

4. Регулятор по пп. 1 3, отличающийся тем, что электрическая машина (6) выполнена в виде электродвигателя.

5. Регулятор по пп. 1 3, отличающийся тем, что электрическая машина (6) выполнена в виде электрогенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1

Управление скоростью двигателя переменного и постоянного тока

Выбор регулятора скорости является важной частью создания приложения для привода электродвигателя и сильно влияет на производительность, стоимость, эффективность и долговечность проекта. Несмотря на то, что существует множество различных типов двигателей, регуляторы скорости можно в целом разделить на двигатели переменного и постоянного тока, которые работают на разных фундаментальных принципах.

Регулирование скорости двигателя переменного тока

Поскольку скорость двигателя переменного тока фактически определяется частотой источника питания переменного тока, управление скоростью достигается путем изменения этой частоты. Устройство, которое делает это, известно как частотно-регулируемый привод или VFD. Преобразователи частоты сначала преобразуют источник переменного тока в постоянный с помощью выпрямителя, а затем обратно в переменный ток нужной частоты с помощью инвертора.

Существует два основных типа частотно-регулируемых приводов. Наиболее распространенный привод называется «В/Гц» и работает, поддерживая постоянное отношение напряжения к частоте (В/Гц), чтобы обеспечить постоянный крутящий момент в широком диапазоне скоростей. Этот тип контроллера обеспечивает хорошее управление скоростью выше 5 Гц. Ниже этой скорости из-за взаимосвязи между изменениями напряжения, частоты и крутящего момента простого поддержания постоянного соотношения В/Гц недостаточно для управления двигателем, который обычно начинает перегреваться из-за неэффективного преобразования мощности в крутящий момент. Таким образом, этот тип управления отлично подходит для приложений со средней и высокой скоростью, требующих узкого диапазона регулировки скорости, и недостаточен для приложений с очень низкой скоростью или без скорости (удерживающий момент), таких как серводвигатели.

Второй тип частотно-регулируемого привода известен как «векторный привод» и позволяет управлять скоростью и крутящим моментом двигателя переменного тока даже на очень низких скоростях. Это достигается путем раздельного управления двумя различными типами тока в двигателе: током намагничивания и током, создающим крутящий момент. Используя сложный алгоритм, векторные приводы манипулируют этими токами для обеспечения оптимального преобразования мощности в крутящий момент на очень низких скоростях и снижения тепловых потерь на низких скоростях. Это означает, что векторные приводы обычно обеспечивают более высокий пусковой крутящий момент и точное управление во всем диапазоне скоростей и идеально подходят для приложений с низкой скоростью, реверсом и удерживающим крутящим моментом.

Управление скоростью двигателя постоянного тока

Управление скоростью двигателя постоянного тока достигается простым управлением напряжением питания (в пределах безопасного рабочего диапазона двигателя) с помощью потенциометра. Двигатели постоянного тока поддерживают постоянный крутящий момент во всем диапазоне скоростей без необходимости использования дополнительных компонентов. Это значительно упрощает управление их скоростью по сравнению с двигателями переменного тока, и они хорошо подходят для приложений, требующих точного управления на любой скорости.

Однако дальнейшие действия зависят от требований регулятора скорости. Контроллеры постоянного тока, работающие от сети переменного тока, требуют преобразования питания с помощью выпрямителя. В отличие от двигателей переменного тока, для торможения или реверсирования двигателя постоянного тока требуются дополнительные компоненты, обычно силовой резистор для торможения и реле для переключения полярности питания для реверсирования двигателя. Также необходимо убедиться, что двигатель остановился перед изменением полярности питания, что требует средств обнаружения, когда двигатель находится в состоянии покоя. Это может привести к значительным дополнительным затратам, особенно для более крупных приложений.

Сравнение

Традиционно для приложений, требующих высокого уровня управления скоростью, выбор привода постоянного тока был единственным реальным вариантом. Однако сегодня технологические достижения позволили приводам переменного тока догнать их с точки зрения возможностей. Современные векторные приводы переменного тока могут обеспечить диапазон и точность управления скоростью, необходимые даже для самых требовательных приложений, таких как серводвигатели. В некоторых случаях приводы переменного тока даже дают преимущество, особенно когда требуется частое торможение и реверсирование.

Как правило, регуляторы скорости переменного тока дороже регуляторов постоянного тока из-за их большей сложности. Однако, поскольку двигатели переменного тока обычно дешевле, стоимость комбинации контроллер/двигатель может быть меньше, чем эквивалентный привод постоянного тока, особенно для приложений мощностью более 2 л.с. Стоимость регуляторов скорости переменного тока также снижается, поскольку растущий спрос стимулирует совершенствование технологий производства и технологические инновации. Поэтому важно сравнивать стоимость с точки зрения полного объема приложения на протяжении всего его жизненного цикла.

Поскольку регуляторы скорости переменного тока более сложны, они обычно требуют конфигурации и настройки во время установки, в то время как приводы постоянного тока относительно просты в подключении и использовании. Однако это позволяет им предлагать более широкий спектр программируемых отказоустойчивых средств защиты, а современное программное обеспечение упрощает установку приводов переменного тока, например, позволяет передавать данные конфигурации между блоками, чтобы сделать замену быстрее и проще. Для приложений автоматизированных систем управления контроллеры скорости переменного тока могут быть лучшим выбором, поскольку они часто поставляются с аппаратными и программными возможностями, необходимыми для интеграции в сеть мониторинга и управления.

Для высокоточного управления скоростью в приложениях переменного и постоянного тока требуется датчик скорости, такой как тахометр или энкодер, для работы в конфигурации с обратной связью. Это позволяет им достигать чрезвычайно точного управления в приложениях с переменным крутящим моментом.

Резюме

Регуляторы скорости двигателя постоянного и переменного тока работают на разных принципах конструкции, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. При выборе регулятора скорости двигателя важно учитывать все требования вашего приложения, чтобы сделать наилучший выбор. eMotors Direct предлагает широкий спектр электродвигателей и решений для управления скоростью, подходящих для любого проекта, а также онлайн-инструменты, которые помогут вам выбрать именно ту комбинацию двигатель/привод, которая вам нужна.

Есть вопросы? Свяжитесь с нашими экспертами.

Свяжитесь с нашей командой экспертов по электронной почте или телефону.

1-800-890-7593
[email protected]

Контроллеры скорости от FAULHABER | Простота в эксплуатации

Регуляторы скорости

Регуляторы скорости FAULHABER специально разработаны для максимально эффективного использования двигателей FAULHABER DC и BL. Они компактны, просты в эксплуатации и обеспечивают точное и эффективное регулирование скорости. Индивидуальное управление скоростью можно легко настроить с помощью компьютера и бесплатного программного обеспечения «FAULHABER Motion Manager».

Speed ​​Control от FAULHABER — это высокодинамичные регуляторы скорости для управления:

• Двигатели постоянного тока с инкрементным энкодером и без него
• Двигатели BL с аналоговыми или цифровыми датчиками Холла
• Двигатели BL с абсолютным энкодером AES
• Двигатели BL с цифровым датчиком Холла датчики и инкрементальные энкодеры

В зависимости от размера и состояния поставки регулятор скорости может работать с различными комбинациями двигателей и датчиков. Различные размеры, а также гибкие возможности подключения открывают широкий спектр применений в таких областях, как лабораторная техника и производство оборудования, технологии автоматизации, манипуляторы и инструменты, станки или насосы.

Основные характеристики

Напряжение питания:

4 … 50 В пост. тока

Макс. непрерывный выходной ток:

8 А

Компактный дизайн

Возможность гибкой реконфигурации

Минимальные требования к проводке

Настройка параметров с помощью программного обеспечения FAULHABER Motion Manager и адаптера USB-интерфейса

Широкий выбор аксессуаров

Регуляторы скорости от FAULHABER

Регуляторы скорости

от FAULHABER можно адаптировать к данному приложению с помощью программного обеспечения FAULHABER Motion Manager. С помощью регуляторов скорости можно настроить режим работы, параметры регулятора, а также тип и масштаб спецификации уставки. USB-адаптер для программирования используется для настройки контроллеров скорости.

Режимы работы двигателей в сочетании с регуляторами скорости

Скорость двигателя регулируется ПИ-регулятором с переменными параметрами. В зависимости от версии, скорость в регуляторе скорости определяется через подключенную систему датчиков или без датчиков по току двигателя. Задание заданного значения может быть выполнено с использованием аналогового значения или сигнала ШИМ. Направление вращения изменяется с помощью отдельного переключающего входа. Кроме того, можно считывать сигнал скорости регулятора скорости через частотный выход. Двигатели могут дополнительно работать в режиме регулятора напряжения или в режиме фиксированной скорости.

Защитная функция регуляторов скорости

Регуляторы скорости FAULHABER определяют температуру обмотки двигателя по нагрузочной характеристике двигателя. В результате достигается динамический пиковый ток, который обычно в 2 раза превышает постоянный ток. При постоянно более высокой нагрузке ток ограничивается установленным длительным током. В случае частого реверсирования с большими присоединяемыми массами рекомендуется использовать контроллер движения.

Двигатели BL с цифровыми или аналоговыми датчиками Холла

В конфигурации для бесщеточных двигателей с датчиками Холла двигатели работают с регулированием скорости, при этом сигналы от датчиков Холла используются для коммутации и определения фактической скорости для регуляторов скорости.

Двигатели BL без датчиков Холла (работа без датчиков)

В этой комбинации двигателя BL и регулятора скорости датчики Холла не используются. Вместо этого противо-ЭДС двигателя используется для коммутации и управления скоростью.

Двигатели BL с абсолютным энкодером

Эту конфигурацию регуляторов скорости можно выбрать только в сочетании с соответствующим аппаратным обеспечением. В этой конфигурации энкодер выдает абсолютное положение. Это используется для коммутации, а также для управления скоростью. Из-за высокого разрешения энкодера (абсолютные энкодеры) в этом режиме можно достичь низких скоростей.

Двигатели BL с цифровыми датчиками Холла и входом торможения/разрешения

В этой конфигурации двигатели в сочетании с регулятором скорости работают с регулируемой скоростью и предлагают дополнительные входы торможения и разрешения. Через эти входы более простое подключение системы управления, например. Возможны ПЛК или цепи безопасности.

Двигатели постоянного тока с энкодером

В конфигурации, состоящей из двигателей постоянного тока с энкодером и регулятором скорости, двигатели работают с регулированием скорости с помощью инкрементного энкодера.