Gubernator (urządzenie) - Governor (device)

Gubernator
Rodzaj Przełącznik
Symbol elektroniczny
Symbole styków, przełączników, styczników i przekaźników IEEE 315 (153).svg

Gubernator lub ogranicznik prędkości lub kontroler , to urządzenie do pomiaru i regulacji prędkości o urządzeniu , takim jak silnik .

Klasycznym przykładem jest regulator odśrodkowy , znany również jako regulator Watt lub fly-ball w silniku parowym tłokowym, który wykorzystuje wpływ siły bezwładności na obracające się ciężary napędzane przez wał wyjściowy maszyny, aby regulować jego prędkość poprzez zmianę przepływu wejściowego parowy.

Historia

Rysunek przekrojowy regulatora prędkości silnika parowego. Zawór zaczyna się całkowicie otwierać przy zerowej prędkości i zamyka się, gdy kulki obracają się i wznoszą. Wał napędowy z czujnikiem prędkości znajduje się w prawym górnym rogu
Gubernator Portera na silniku parowym Corliss

Od XVII wieku do regulacji odległości i ciśnienia między kamieniami młyńskimi w wiatrakach stosowano regulatory odśrodkowe . Wczesne silniki parowe wykorzystywały ruch czysto posuwisto-zwrotny i były wykorzystywane do pompowania wody – aplikacja, która mogła tolerować zmiany prędkości roboczej.

Dopiero gdy szkocki inżynier James Watt wprowadził rotacyjny silnik parowy do napędzania maszyn fabrycznych, stała prędkość robocza stała się konieczna. W latach 1775 – 1800 firma Watt, we współpracy z przemysłowcem Matthew Boultonem , wyprodukowała około 500 silników z belką obrotową . Sercem tych silników był zaprojektowany przez Watta „wahadło stożkowe”: zestaw obracających się stalowych kulek przymocowanych do pionowego wrzeciona za pomocą ramion, gdzie siła kontrolna składa się z ciężaru kulek.

Teoretyczne podstawy działania gubernatorów zostały opisane przez Jamesa Clerka Maxwella w 1868 r. w jego przełomowym artykule „O gubernatorach”.

Opierając się na projekcie Watta, był amerykański inżynier Willard Gibbs, który w 1872 roku przeanalizował teoretycznie stożkowy gubernator wahadła Watta z matematycznego punktu widzenia bilansu energii. Gibbs podczas swoich studiów podyplomowych na Uniwersytecie Yale zauważył, że działanie urządzenia w praktyce jest obciążone wadami w postaci powolności i tendencji do nadmiernej korekty zmian prędkości, które miało kontrolować.

Gibbs wysnuł teorię, że analogicznie do równowagi prostego regulatora Watta (która zależy od zrównoważenia dwóch momentów: jednego ze względu na ciężar „kul” i drugiego ze względu na ich rotację), równowaga termodynamiczna dla każdej pracy tworzącej układ termodynamiczny zależy od bilansu dwóch podmiotów. Pierwsza to energia cieplna dostarczana do substancji pośredniej, a druga to energia pracy wykonywanej przez substancję pośrednią. W tym przypadku substancją pośrednią jest para wodna.

Kulminacją tego rodzaju badań teoretycznych była publikacja w 1876 roku słynnej pracy Gibbsa On the Equilibrium of Heterogenous Substances oraz konstrukcja gubernatora Gibbsa. Sformułowania te są dziś wszechobecne w naukach przyrodniczych w postaci równania energii swobodnej Gibbsa , które służy do wyznaczania równowagi reakcji chemicznych; znany również jako równowaga Gibbsa .

Gubernatorów można było również znaleźć we wczesnych pojazdach silnikowych (takich jak 1900 Wilson-Pilcher ), gdzie były alternatywą dla ręcznego gazu. Były one używane do ustawiania wymaganej prędkości obrotowej silnika, a przepustnica i rozrząd pojazdu były regulowane przez gubernatora, aby utrzymać stałą prędkość, podobnie jak w nowoczesnym tempomacie . Regulatory były również opcjonalne w pojazdach użytkowych z akcesoriami napędzanymi silnikiem, takimi jak wciągarki lub pompy hydrauliczne (takie jak Land Rovery ), ponownie w celu utrzymania wymaganej prędkości silnika niezależnie od zmian napędzanego obciążenia.

Ograniczniki prędkości

Regulatory mogą służyć do ograniczania maksymalnej prędkości pojazdów, a dla niektórych klas pojazdów takie urządzenia są wymagane przez prawo. Bardziej ogólnie można je stosować do ograniczania prędkości obrotowej silnika spalinowego wewnętrznego spalania lub ochrony silnika przed uszkodzeniem z powodu nadmiernej prędkości obrotowej.

Samochody

Dziś BMW , Audi , Volkswagen i Mercedes-Benz ograniczają produkcję samochodów do 250 kilometrów na godzinę (155 mph). Wyjątkiem są niektóre samochody Quattro GmbH i AMG oraz Mercedes/McLaren SLR . BMW Rolls-Royce są ograniczone do 240 kilometrów na godzinę (149 mph). Jaguary , choć brytyjskie, również mają ogranicznik, podobnie jak szwedzki Saab i Volvo w samochodach tam, gdzie jest to konieczne.

Niemieccy producenci początkowo rozpoczęli „ dżentelmeńską umowę ”, elektronicznie ograniczając swoje pojazdy do maksymalnej prędkości 250 kilometrów na godzinę (155 mph), ponieważ takie wysokie prędkości są bardziej prawdopodobne na autostradzie . Dokonano tego w celu zmniejszenia politycznej chęci wprowadzenia prawnego ograniczenia prędkości.

Na rynkach europejskich General Motors Europe czasami decyduje się na dyskontowanie umowy, co oznacza, że ​​niektóre samochody Opel lub Vauxhall o dużej mocy mogą przekroczyć granicę 250 km/h (155 mph), podczas gdy ich Cadillaki tego nie robią. Ferrari , Lamborghini , Maserati , Porsche , Aston Martin i Bentley również nie ograniczają swoich samochodów, przynajmniej do 250 kilometrów na godzinę (155 mph). Chrysler 300C SRT8 jest ograniczony do 270 km/h. Większość pojazdów na japońskim rynku krajowym jest ograniczona do zaledwie 180 kilometrów na godzinę (112 mph) lub 190 kilometrów na godzinę (118 mph). Prędkość maksymalna jest silnym argumentem sprzedażowym, chociaż prędkości powyżej około 300 kilometrów na godzinę (190 mph) prawdopodobnie nie będą osiągalne na drogach publicznych.

Wiele samochodów wyczynowych jest ograniczonych do prędkości 250 kilometrów na godzinę (155  mph ), aby ograniczyć koszty ubezpieczenia pojazdu i zmniejszyć ryzyko awarii opon .

Motorowery

Motorowery w Wielkiej Brytanii muszą mieć ogranicznik prędkości 30 mph (48 km/h) od 1977 roku. Większość innych krajów europejskich ma podobne przepisy (patrz główny artykuł).

Pojazdy usług publicznych

Pojazdy usług publicznych często mają prawnie określoną prędkość maksymalną. Rozkładowe połączenia autokarowe w Wielkiej Brytanii (a także autobusowe ) są ograniczone do 65 mil na godzinę.

Miejskie autobusy publiczne często mają regulatory prędkości, które zazwyczaj są ustawione na od 65 kilometrów na godzinę (40 mph) do 100 kilometrów na godzinę (62 mph).

Ciężarówki (ciężarówki)

Wszystkie ciężkie pojazdy w Europie i Nowej Zelandii mają prawo/przepisy prawne, które ograniczają ich prędkość do 90 kilometrów na godzinę (56 mph) lub 100 kilometrów na godzinę (62 mph). Wozy strażackie i inne pojazdy uprzywilejowane są zwolnione z tego wymogu.

Przykładowe zastosowania

Samolot

Innym zastosowaniem są śmigła lotnicze . Regulator wykrywa obroty wału i reguluje lub kontroluje kąt łopatek w celu zmiany obciążenia momentu obrotowego silnika. Tak więc, gdy samolot przyspiesza (jak podczas nurkowania) lub zwalnia (podczas wznoszenia), obroty na minutę są utrzymywane na stałym poziomie.

Małe silniki

Małe silniki, używane do zasilania kosiarek , przenośnych generatorów oraz traktorów trawnikowych i ogrodniczych są wyposażone w regulator ograniczający paliwo do silnika do maksymalnej bezpiecznej prędkości bez obciążenia i utrzymujący względnie stałą prędkość pomimo zmian obciążenia. W przypadku zastosowań generatorowych prędkość silnika musi być ściśle kontrolowana, aby częstotliwość wyjściowa generatora pozostawała w miarę stała.

Regulatory małych silników są zazwyczaj jednym z trzech typów:

  • Pneumatyczny : mechanizm regulatora wykrywa przepływ powietrza z dmuchawy koła zamachowego używanej do chłodzenia silnika chłodzonego powietrzem. Typowa konstrukcja zawiera łopatka powietrzna zamontowany wewnątrz obudowy silnika dmuchawy i połączony z gaźnika jest przepustnica wału. Sprężyna ściąga otwartej przepustnicy, a ponieważ prędkość zyskuje silnik, zwiększenie przepływu powietrza od sił Dmuchawa łopatkowa z powrotem w kierunku sprężyny, częściowo zamykając przepustnicę. W końcuzostanie osiągniętypunkt równowagi i silnik będzie pracował ze względnie stałą prędkością. Regulatory pneumatyczne są proste w konstrukcji i niedrogie w produkcji. Jednak nie regulują one zbyt dokładnie prędkości obrotowej silnika i mają na nie wpływ gęstość powietrza, a także warunki zewnętrzne, które mogą wpływać na przepływ powietrza.
  • Odśrodkowy : mechanizm obciążnikowy napędzany silnikiem jest połączony z przepustnicą i działa przeciw sprężynie w sposób podobny do regulatora pneumatycznego, co skutkuje zasadniczo identyczną pracą. Regulator odśrodkowy jest bardziej złożony w projektowaniu i produkcji niż regulator pneumatyczny. Jednak konstrukcja odśrodkowa jest bardziej wrażliwa na zmiany prędkości i dlatego lepiej nadaje się do silników, które doświadczają dużych wahań obciążenia.
  • Elektroniczny : serwomotor jest połączony z przepustnicą i sterowany przez moduł elektroniczny , który wykrywa prędkość obrotową silnika poprzez zliczanie impulsów elektrycznych emitowanych przez układ zapłonowy lub przetwornik magnetyczny. Częstotliwość tych impulsów zmienia się bezpośrednio w zależności od prędkości obrotowej silnika, umożliwiając modułowi sterującemu przyłożeniedo serwomechanizmuproporcjonalnego napięcia w celu regulacji prędkości obrotowej silnika. Ze względu na ich czułość i szybką reakcję na zmiany prędkości, regulatory elektroniczne są często montowane w generatorach napędzanych silnikiem zaprojektowanych do zasilania sprzętu komputerowego , ponieważ częstotliwość wyjściowa generatora musi być utrzymywana w wąskich granicach, aby uniknąć awarii.

Sterowanie turbiną

Działanie regulatora flyball do sterowania prędkością turbiny wodnej water

W turbinach parowych The regulujące turbinę parową jest procedura monitorowanie i kontrolowanie szybkości przepływu pary do turbiny z celem utrzymania jego prędkości obrotowej, jako stałą. Szybkość przepływu pary jest monitorowana i kontrolowana przez zawory umieszczone między kotłem a turbiną.

W turbinach wodnych od połowy XIX wieku używano regulatorów do kontrolowania ich prędkości. Typowy system używałby regulatora Flyball działającego bezpośrednio na zawór wejściowy turbiny lub furtkę, aby kontrolować ilość wody wpływającej do turbiny. W 1930 r. regulatory mechaniczne zaczęły używać regulatorów PID do bardziej precyzyjnego sterowania. W drugiej połowie XX wieku regulatory elektroniczne i systemy cyfrowe zaczęły zastępować regulatory mechaniczne.

Generator elektryczny

W przypadku wytwarzania energii elektrycznej w synchronicznych sieciach elektrycznych , główne napędy napędzają generatory elektryczne, które są elektrycznie połączone z dowolnymi innymi generatorami w sieci. W przypadku kontroli prędkości spadku częstotliwość całej sieci określa paliwo dostarczane do każdego generatora, tak że jeśli sieć działa szybciej, paliwo jest redukowane do każdego generatora przez jego regulator, aby ograniczyć prędkość.

Winda

W windzie używa się gubernatorów . Działa jako mechanizm zatrzymujący w przypadku, gdy winda przekracza prędkość wyzwalania (która zwykle jest czynnikiem maksymalnej prędkości windy i jest ustawiona przez producenta zgodnie z międzynarodowymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa wind). Urządzenie to musi być instalowane w windach trakcyjnych i linowych windach hydraulicznych.

Zobacz też

Bibliografia