Bộ điều tốc là gì và nó điều chỉnh vòng quay động cơ (RPM) như thế nào?

Bộ điều tốc là gì và nó điều chỉnh vòng quay động cơ (RPM) như thế nào?

Athống đốc tốc độ là bộ phận của hệ thống điều khiển động cơ nhằm giữ vòng quay động cơ (RPM) gần với giá trị mục tiêu đã chọn khi tải thay đổi. Trong một tổ máy phát điện, nhiệm vụ này quan trọng hơn việc chỉ đơn thuần ngăn chặn hiện tượng quá tốc. Tốc độ động cơ ảnh hưởng đến tần số của máy phát điện, do đó bộ điều tốc giúp tổ máy cung cấp nguồn điện ổn định khi thiết bị khởi động, dừng hoặc thay đổi nhu cầu công suất.

Thuật ngữ này đôi khi được dùng để chỉ bộ giới hạn tốc độ xe trên đường. Ở đây, nó mang nghĩa là bộ điều chỉnh RPM động cơ được sử dụng trên các động cơ máy phát điện, động cơ công nghiệp và các ứng dụng tương tự. Việc hiểu rõ vòng phản hồi sẽ giúp dễ dàng hơn rất nhiều trong việc lựa chọn, thiết lập và xử lý sự cố các thành phần điều khiển phù hợp.

Chức năng của bộ điều tốc tốc độ

Một bộ điều tốc so sánh tốc độ động cơ thực tế với tốc độ mong muốn, sau đó điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp hoặc vị trí bướm ga nhằm giảm sự chênh lệch. Nếu một máy phát đột ngột nhận thêm tải, động cơ có xu hướng quay chậm lại. Bộ điều tốc sẽ phản ứng bằng cách yêu cầu tăng lượng nhiên liệu hoặc mở rộng bướm ga. Ngược lại, nếu tải bị loại bỏ, động cơ có xu hướng tăng tốc; bộ điều tốc sẽ giảm lệnh điều khiển để đưa vòng quay mỗi phút (RPM) trở lại gần giá trị đặt.

Việc hiệu chỉnh liên tục này là lý do vì sao bộ điều tốc không chỉ đơn thuần là một thiết bị bảo vệ kiểu bật/tắt. Đây là một vòng điều khiển thực hiện ba nhiệm vụ thực tiễn:

• duy trì tốc độ quay khi không tải và khi đang vận hành theo giá trị đã chọn;
• hạn chế tốc độ vượt mức trong trường hợp tải bị cắt nhanh hoặc vận hành bất thường; và
• điều phối cân bằng giữa độ ổn định tốc độ và khả năng đáp ứng nhanh khi tải thay đổi.

Tại sao RPM lại quan trọng đối với tổ máy phát điện

Đối với máy phát điện xoay chiều có cực cố định, tần số điện được liên hệ trực tiếp với tốc độ quay: tần số = RPM × số cực ÷ 120 . Do đó, một cấu hình phổ biến với bốn cực hoạt động ở tốc độ 1.500 vòng/phút đối với tần số 50 Hz hoặc 1.800 vòng/phút đối với tần số 60 Hz. Cần xác minh chính xác cấu hình động cơ và máy phát điện xoay chiều, nhưng mối quan hệ này giải thích vì sao việc điều chỉnh bộ điều tốc ảnh hưởng đến tần số đầu ra mà tải nhận được.

Khi tốc độ được điều khiển giảm xuống dưới tải, tần số cũng có thể giảm theo. Khi động cơ quay quá nhanh, tần số có thể tăng lên. Một bộ điều tốc được thiết lập tốt thống đốc tốc độ giúp giảm thiểu những dao động này, trong khi bộ điều chỉnh điện áp máy phát điện xoay chiều (AVR) đảm nhiệm việc điều khiển điện áp. Đây là hai chức năng liên quan đến nhau, nhưng AVR không thay thế được bộ điều tốc.

Cách vòng phản hồi điều chỉnh vòng/phút (RPM)

1. Một giá trị tham chiếu tốc độ thiết lập mục tiêu

Giá trị tham chiếu này có thể là cài đặt lò xo cơ học, điều chỉnh tốc độ bằng tay hoặc cài đặt được lập trình trong một bộ điều khiển tốc độ động cơ . Giá trị tham chiếu này biểu thị vòng/phút mong muốn tương ứng với tần số và ứng dụng dự kiến.

2. Hệ thống cảm nhận tốc độ thực tế

Các thiết kế cơ khí cảm nhận tốc độ thông qua các khối lượng quay. Các hệ thống điện tử thường sử dụng bộ cảm biến từ hoặc tín hiệu RPM khác. Bộ điều khiển so sánh tín hiệu thực tế này với giá trị mục tiêu. Nếu hai giá trị khớp gần nhau, lệnh gửi tới bộ chấp hành sẽ gần như ổn định.

3. Bộ điều khiển tính toán một hiệu chỉnh

Với một bộ điều tốc điện tử , bộ điều khiển chuyển sai số tốc độ thành lệnh đầu ra. Các thông số phản ứng của nó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng, mức độ quá dao động được cho phép và khả năng ổn định mượt mà sau khi tải thay đổi đột ngột. Các thông số quá mạnh có thể gây hiện tượng dao động liên tục; các thông số quá chậm có thể dẫn đến giảm tần số rõ rệt trước khi phục hồi.

4. Bộ chấp hành di chuyển cơ cấu điều khiển nhiên liệu

Abộ điều khiển tốc độ máy phát là thiết bị đầu ra thực hiện việc di chuyển vật lý thanh trượt nhiên liệu, cần bơm hoặc thanh nối bướm ga. Việc di chuyển nhiều hơn của bộ chấp hành thường hỗ trợ mô-men xoắn động cơ lớn hơn; việc di chuyển ít hơn sẽ làm giảm mô-men xoắn. Khi đó, tốc độ động cơ thay đổi, cảm biến đọc kết quả và vòng lặp lặp lại nhiều lần mỗi giây.

Các hệ thống điều tốc cơ khí và điện tử

Abộ điều tốc cơ học cho máy phát điện nhiệm vụ được xây dựng dựa trên lực ly tâm. Khi tốc độ động cơ tăng lên, các quả văng quay ra ngoài dưới tác dụng của lực lò xo và dịch chuyển đòn bẩy điều khiển nhiên liệu. Các hệ thống này được đánh giá cao nhờ thiết kế trực tiếp, tự chứa và có thể phù hợp khi chỉ cần điều khiển đơn giản.

Một cấu hình điện tử tách biệt chức năng cảm biến, ra quyết định và thực thi. Bộ điều khiển điện tử nhận tín hiệu RPM, áp dụng logic điều khiển và điều khiển bộ chấp hành. Kiến trúc này có thể cung cấp độ khuếch đại điều chỉnh được, độ ổn định, độ sụt áp, chuyển đổi giữa tốc độ không tải/tốc độ định mức và giao diện với các bộ điều khiển máy phát khác. Điều này cũng đồng nghĩa với việc tính tương thích rất quan trọng: tín hiệu cảm biến, điện áp cung cấp, hành trình bộ chấp hành, liên kết động cơ và thông số thiết lập bộ điều khiển phải phối hợp ăn khớp với nhau.

Điều khiển đẳng tần và điều khiển giảm tốc: hai hành vi phổ biến

Trong chế độ điều khiển đẳng tần, bộ điều tốc nhằm khôi phục tốc độ động cơ về giá trị đã chọn sau khi tải thay đổi. Chế độ này hữu ích khi một tổ máy được kỳ vọng duy trì tần số một cách chính xác. Điều khiển giảm tốc chủ ý cho phép tốc độ giảm nhẹ khi tải tăng lên. Trong các ứng dụng máy phát điện nối song song, sự thay đổi được kiểm soát này giúp các máy chia sẻ tải một cách dự đoán tốt hơn.

Không có chế độ nào vượt trội tuyệt đối. Lựa chọn đúng phụ thuộc vào bố trí máy phát, phương pháp chia sẻ tải và thiết kế điều khiển. Thay đổi cài đặt tốc độ mà không hiểu rõ chế độ dự định có thể gây ra vận hành không ổn định hoặc chia sẻ tải kém.

Các dấu hiệu thường gặp của sự cố liên quan đến bộ điều tốc

• Tần số dao động: kiểm tra cảm biến RPM, tình trạng thanh truyền, phản ứng bộ chấp hành và hiệu chỉnh bộ điều khiển.
• Động cơ rung giật: kiểm tra xem độ khuếch đại có quá mạnh, thanh truyền có lỏng, nguồn cấp có yếu hay tín hiệu cảm biến có bất ổn không.
• Phục hồi chậm sau khi nhận tải: xác nhận hành trình bộ chấp hành và phản ứng của hệ thống nhiên liệu trước khi thay đổi cài đặt điều khiển.
• Vượt tốc độ hoặc hành vi tắt máy kém: xử lý như một vấn đề an toàn và tuân theo quy trình bảo trì do nhà sản xuất động cơ quy định, thay vì bỏ qua chức năng bảo vệ.

Khi tìm nguồn thay thế, trước tiên cần khớp phương pháp điều khiển, sau đó xác nhận mô hình động cơ, loại bộ chấp hành, yêu cầu cấp điện, định dạng tín hiệu tốc độ, cách lắp đặt, hành trình liên kết và điều kiện vận hành định mức. Một bộ điều tốc và bộ chấp hành có vẻ giống nhau có thể không tương thích về đặc tính điện hoặc cơ học.

Danh sách kiểm tra lựa chọn và thiết lập thực tế

1. Xác định xem động cơ sử dụng điều khiển cơ khí, điện tử hay tích hợp.
2. Xác nhận vòng quay định mức yêu cầu và tần số mục tiêu phù hợp với số cực của máy phát điện.
3. Ghi lại chi tiết bộ điều khiển hiện tại, cảm biến tốc độ, bộ chấp hành và liên kết động cơ.
4. Quyết định hệ thống yêu cầu chế độ đồng bộ (isochronous) hay chế độ giảm tải (droop) dựa trên thiết kế hệ thống.
5. Kiểm tra dây nối, tiếp đất, điện áp cấp và hành trình bộ chấp hành trước khi đưa vào vận hành.
6. Thực hiện điều chỉnh trong điều kiện kiểm soát và ghi lại các thiết lập cuối cùng.

Bài học rút ra

Athống đốc tốc độ điều chỉnh vòng quay động cơ (RPM) bằng cách đo tốc độ, so sánh với giá trị mục tiêu và điều chỉnh lượng nhiên liệu hoặc bướm ga thông qua liên kết cơ khí hoặc bộ chấp hành điện tử. Trên một tổ máy phát điện, việc điều khiển RPM này hỗ trợ duy trì ổn định tần số khi tải thay đổi. Kết quả đáng tin cậy nhất đạt được khi coi bộ điều khiển, cảm biến, bộ chấp hành, động cơ và máy phát điện như một hệ thống đồng bộ—không phải là các bộ phận thay thế độc lập.