[科普中国]-调速器

调速器（governor）是一种自动调节装置，它根据柴油机负荷的变化，自动增减喷油泵的供油量，使柴油机能够以稳定的转速运行。

调速器已经在工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。

主要分类按其工作原理

按其工作原理的不同，可分为机械式，气动式，液压式，机械气动复合式，机械液压复合式和电子式等多种形式。但目前应用最广的当属机械式调速器，其结构简单，工作可靠，性能良好。

液压调速器在感应元件和油量调节机构之间加入一个液压放大元件（液压伺服器），使感应元件的输出信号通过放大元件再传到油量调节机构上去，因此也叫间接作用式调速器。

液压放大元件有放大兼执行作用，主要由控制和执行两个部分组成。

1、无反馈的液压调速器

其工作原理如下：

当负荷减小时，由曲轴带动的驱动轴转速升高，飞球的离心力增加，推动速度杆右移。于是，摇杆以A点为中心逆时针转动，滑阀右移，压力油进入伺服器油缸的右部空间。与此同时，油缸的左部空间通过油孔与低压油路相通，其中的油被泄放。在压差的作用下，伺服活塞带动喷油泵齿条左移，以减少供油量。当转速恢复到原来数值时，滑阀也回到中央位置，调节过程结束。

当负荷增加，转速降低时，调速过程按相反方向进行。

从上述分析可知，调速器飞球所产生的离心力仅用来推动滑阀，因而飞球的重量尺寸就可以做得较小。而作为放大器的液压伺服器的作用力，则可根据需要，选择不同尺寸的伺服活塞和不同滑油压力予以放大。

但是，在这种调速器中，因为感应元件直接驱动滑阀，无论它朝哪个方向往动，均难准确地回到原来位置而关闭油孔。这样就使柴油机转速不稳定，而产生严重的波动。

为了使调速器能稳定调节，在调速器中还要加入一个装置，其作用是在伺服活塞移动的同时对滑阀产生一个反作用，使其向平衡的位置方向移动，减少柴油机转速波动的可能性。这种装置称为反馈机构。

2、具有刚性反馈机构的液压调速器

它的构造与上述无反馈液压调速器基本相同，只有杠杆义AC的上端A不是装在固定的铰链上，而是与伺服活塞的活塞杆相连。这一改变使感应元件、液压放大元件和油量调节机构之间的关系发生如下的变化。

当负荷减小时，发动机转速升高，飞球向外张开带动速度杆向右移动。此时伺服活塞尚未动作，因此反馈杠杆AC的上端点A暂时作为固定点，杠杆 AC绕A反时针转动，带动滑阀向右移动，把控制孔打开，高压油便进入动力缸的右腔，左腔与低压油路相通。这样高压油便推动伺服活塞带动喷油调节杆向左移动，并按照新的负荷而减少燃油供给量。

在伺服活塞左移的同时，杠杆AC绕C点向左摆动与B点相连接的滑阀也向左移动，从而使滑阀向相反的方向运动。这样在伺服活塞移动时能对滑阀运动产生了相反作用的杠杆装置称为刚性反馈系统。当调节过程终了时，滑阀回到了起始位置，把控制油孔关闭，切断通往伺服油缸的油路。这时伺服活塞就停止运动，喷油泵调节杆随之移动到一个新的平衡位置，发动机就在相应的新负荷下工作。因此，相应于发动机不同的负荷，调速器就具有不同的稳定转速。因为发动机负荷变化时需要改变供油量，所以A点位置随负荷而变。与滑阀相连接的B点在任何稳定工况下均应处于原来的位置，与负荷无关。这样C点的位置必须配合A点作相应的变动，因而导致了转速的变化。假如当负荷减小时，调速过程结束后，滑阀回到中间原来位置时，伺服活塞处于减少了供油量位置，使A点偏左，C点偏右，因C点偏右，弹簧进一步受压，只有在稍高的转速下运转才能使飞球的离心力与弹簧压力平衡。这说明负荷减小时稳定运转后，柴油机的转速比原来稍有升高。同理，当负荷增加时，稳定运转后，柴油机的转速比原来稍有降低。具有 刚性反馈的液压调速器，可以保证调速过程具有稳定的工作特性，但负荷改变后，柴油机转速发生变化，稳定调速率d不能为零。

如果要求负荷变化时即要调速过程稳定，又能保持发动机转速恒定不变（即入就必须采用另一种带有弹性反馈系统的液压调运器。

3、具有弹性反馈的液压调速器

它实际上是在"刚性反馈"装置中加入一个弹性环节－－缓冲器和弹簧。弹簧的一端同固定的支点相连，而另一端则与缓冲器的活塞相连。缓冲器的油缸同伺服器的活塞成刚体联接。

当发动机负荷减小时，转速增大，飞球的离心力增加。同样，滑阀右移，而伺服活塞则左移，减少喷油泵的供油量。当活塞的运动速度很高时，缓冲器和缓冲活塞就象一个刚体一样地运动。随着伺服活塞5的左移，缓冲器和AC杠杆上的A点也向左移动。这一过程和上述刚性反馈系统的调速器完全相同。但当调速过程接近终了时，滑阀已回到原来的位置，遮住了通往伺服油缸的油路，此时缓冲器和伺服活塞已停留在新负荷相应的位置上。被压缩的弹簧由于有弹性复原的作用，因此使A点带动缓冲器活塞相对于缓冲器油缸移向右方，回到原来位置。缓冲活塞右方油缸中的油经节流阀流到左方。于是，AC杠杆上的各点都恢复到原来的位置，此时调速器的套筒亦因转速复原而回到原来的位置。这样，发动机的转速就保持不变，当负荷增加时，动作过程相反。这种调速器的稳定调速率d为零。1

运转方式调速器用于减小某些机器非周期性速度波动的自动调节装置。可使机器转速保持定值或接近设定值。水轮机、汽轮机、燃气轮机和内燃机等与电动机不同，其输出的力矩不能自动适应本身的载荷变化，因而当载荷变动时，由它们驱动的机组就会失去稳定性。这类机组必须设置调速器，使其能随着载荷等条件变化，随时建立载荷与能源供给量之间的适应关系，以保证机组作正常运转。调速器的理论和设计问题，是机械动力学的研究内容。调速器的种类很多。其中应用最广泛的是机械式离心调速器。而以测速发电机或其他电子器件作为传感器的调速器，已在各个工业部门中广为应用。

调速器必须满足稳定性条件：

①当机组转速与设定值出现偏差时，调速器能做出相应的反应动作，同时又必须有一经常作用的恢复力使调速器回复初始状态。离心调速器中的弹簧就是产生恢复力的零件。这样的调速器称静态稳定的调速器。但是静态稳定的调速器也可能在调节过程中出现动态不稳定性，当调节动作过度而出现反向调节时，实际调节动作会形成一个振荡过程。使振荡能很快衰减的调速器，称为动态稳定的调速器，否则是动态不稳定的调速器，后者不能保证机器正常工作。

②在调节系统中增加阻尼是提高动态稳定性的一种方法。调节系统中的阻尼，例如运动副中的摩擦，使调速器具有一定的不灵敏性，即当被控制轴的转速稍微偏离设定值时，调速器不产生相应的动作。机械式调速器的不灵敏性一般约为其设定值的1%。灵敏性过高的调速器，也会由于机组正常运转中周期性的速度波动而产生不应有的调节动作。

调速器是用来保持柴油机的转速稳定的。在柴油机的负载变化的过程中，它的转速是会相应发生变化的。当转速降低时，如果调速器不调节，柴油机最终将停掉；当转速升高时，如果调速器不作用，柴油机最终将无法承受过大的离心力而损坏。调速器的作用就是保持柴油机的转速稳定。另外，调速器还可以保持柴油机的最低转速和最高转速，防止，低转速运转时熄火和高转速运转时“飞车”，造成机械损坏。2

西门子6RA70直流调速装置参数设置图为该装置在机械压力机应用中的外部接线图，另外需在电枢电源前端加装快速熔断器、电抗器及滤波器，以起到保护直流调速装置、稳定电网、减少电磁干扰等作用，在直流电源输出和电机之间也要加装快速熔断器，电机一侧短路时可以快速熔断以保护直流调速装置。

图上直流调速装置上的1U、1V、l W端子为电枢可控整流电路三相交流电源引入端，KMl为主接触器，5U1、5W1端子是装置电子板供电电源输入端，4U1、4V1、4W1端子为装置散热风扇，3Ul、3Wl为电机励磁可控整流电路交流电源引入端，为了限制电源系统中的换相电压降，加装三相进线电抗器L2及励磁进线单相电抗器L1，直流电机电枢短路保护采用快速熔断器FU4、FU5，v1为电枢电压表，装置3C、3D端子为输出至电机励磁绕组，1C1、lD1端子为输出至电机电枢绕组，装置4、5端子为模拟量输入端子，用作给定输入，103、104端子是直流测速机反馈电压输入端，109、110端子是进线接触器合闸信号，装置的46和47，48和54端子都是可设置的输出开关量，46和47控制继电器K1，检测装置正常；48和54控制继电器K2，检测主电机零速，装置的14和15，16和17都是可选择的模拟量输出端子，14和15实际编程为电枢电流，16和17实际编程为磁场电流，都引至主操作面板电流表，作现场监视用。

查看西门子直流调速使用说明书，通过装置简易操作控制面板，将P051设置为40，先将负载电机的基本参数（额定电压、额定电流、励磁电压、励磁电流等）输入直流调速装置内，然后根据速度反馈的信号类型选择P083的数值，根据励磁控制类型选择P082的数值，根据基本工艺功能的选择设置电流限幅、转矩限幅、斜坡函数发生器等数据。

对于直流调速装置首次使用或者电机首次使用或电机维保之后应该对装置和电机匹配进行优化，在装置运行状态为07．0时，进行最优化运行：P051=25电枢和励磁的预控制和电流调节器的优化（电机轴上无负载时进行，或将电机机械锁死），持续大约40S；P051=26速度调节器的优化（在电机轴上必须接上最终有效的机械负载），持续大约6S；P051=27励磁减弱的优化（此优化必须在无机械负载下执行），持续大约1min；P051=28摩擦和转动惯量补偿的优化（根据需要），持续大约40S；P051=29具有摆动机构的传动系统的速度调节器优化，持续大约10分钟。优化过程完成后，每个优化过程所对应的参数将被自动设置。

首次手动设置装置参数并优化成功后，可以通过Drive Monitor软件连接PC和直流调速装置，打开软件所有参数将件中显示，然后即可在线进行参数查看、设置、调整。也可将参数下载保存到PC中备份，以后换了新的直流调速装置可直接上传参数，不必再手动一一设置。3

直流调速装置运行中常见故障生产过程中，直流调速装置通常会因为直流调速系统硬件故障、电机故障、操作使用不规范或参数设置不准确等原因，造成装置报警无法正常运行，出现故障时，维修人员首先需要观察装置操作面板上显示的故障代码，用FXXX表示，参考西门子6RA70系列直流调速装置使用说明书中的故障信息进行故障排查，也可通过查看故障诊断存贮器r047中的内容对故障代码做进一步判断。在故障原因消除后，必须按下PMU上的P键消除故障报警。

常见故障代码如下：

F001 电子板电源故障。

F004 电枢电源中的相电压故障。

F005 励磁回路故障。

F030 换向故障或产生过电流。

F040 在激活了的故障状态下，电子板电源被切断。

F042 测速机故障。

F050 优化运行不可能。3

直流调速装置使用中的注意事项及后期维护1、注意事项

在雷雨季节，如果整个车间电网防雷效果不好，强烈雷击会造成电网不稳定，容易发生晶闸管模块击穿、熔断器烧坏现象，这在大功率直流调速器上表现的尤为严重。因此保证供电电网的稳定是直流调速稳定运行的基础条件，若遇到强烈雷雨天气或电网不稳定时，最好暂时停止使用设备，待电网稳定后再重新投入使用。

由于压力机的启动为重载启动，因此，电机不能频繁启动，次数限制在每小时不超过4次为宜，机床断电时，必须首先停主电机，等主电机停稳后，再切断电源。

只有经过审定合格的人员（具备有关整流器的知识，并理解所提供的资料的内容）才能从事整流器的安装、启动、操作、故障排除或修理工作。在电源断开后，吸收电容器上继续携带危险电压，出于这个原因，在整流器切断至少2分钟内一定不要打开整流器。为了避免飞弧和由此引起的不可挽回的损失，整流器必须对尘埃入口做彻底的保护，根据污染等级，尘埃和外来物体，特别是通过冷却气流带入的污染物必须定期清理，至少每年一次，整流器必须以干燥压缩空气来清扫，最大压力1bar。

2、后期维护

1）风扇的更换

风扇轴承的设计工作寿命为30000小时，为了维护晶闸管设备的有效性，在使用期满时应及时更换。

2）印刷电路板的更换

印刷电路板包含静电敏感元件，在触摸一块印刷电路板之前，执行工作人员必须自己进行静电放电，做到这一点最简单的方法是触摸一下一个导电接地导体，例如插座的接地线。

3）晶闸管模块的更换

晶闸管模块是通过自攻螺丝安装的，当一个模块更换时，散热器支撑表面必须清扫并且在晶闸管模块上涂上一层新的导热膏。使用和原来长度相同的公制螺钉和固定件去固定模块。3

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学