Регулятор , ограничитель или контроллер скорости — это устройство, используемое для измерения и регулирования скорости машины , например двигателя .
Классическим примером является центробежный регулятор , также известный как регулятор Уатта или шаровой регулятор на поршневом паровом двигателе, который использует эффект инерционной силы на вращающихся грузах, приводимых в движение выходным валом машины, для регулирования ее скорости путем изменения входного потока пара.
.jpg/1280px-Centrifugal_governor_and_balanced_steam_valve_(New_Catechism_of_the_Steam_Engine,_1904).jpg)
Центробежные регуляторы использовались для регулирования расстояния и давления между жерновами в ветряных мельницах с 17 века. Ранние паровые двигатели использовали чисто возвратно-поступательное движение и использовались для перекачивания воды — применение, которое допускало изменения рабочей скорости.
Только когда шотландский инженер Джеймс Уатт представил вращающийся паровой двигатель для приведения в действие заводских машин, постоянная рабочая скорость стала необходимой. В период с 1775 по 1800 год Уатт в партнерстве с промышленником Мэтью Бултоном произвел около 500 вращающихся лучевых двигателей . В основе этих двигателей лежал разработанный Уаттом регулятор «конический маятник»: набор вращающихся стальных шаров, прикрепленных к вертикальному шпинделю с помощью рычагов, где управляющая сила состоит из веса шаров.
Теоретическая основа работы губернаторов была описана Джеймсом Клерком Максвеллом в 1868 году в его основополагающей работе «О губернаторах». [1]
Американский инженер Уиллард Гиббс, основываясь на конструкции Уатта , в 1872 году теоретически проанализировал конический маятниковый регулятор Уатта с точки зрения математического баланса энергии. Во время обучения в аспирантуре Йельского университета Гиббс заметил, что работа устройства на практике была сопряжена с недостатками в виде инертности и тенденции к чрезмерной коррекции изменений скорости, которые оно должно было контролировать. [2]
Гиббс предположил, что, аналогично равновесию простого регулятора Уатта (которое зависит от балансировки двух моментов: одного из-за веса «шариков» и другого из-за их вращения), термодинамическое равновесие для любой термодинамической системы, производящей работу, зависит от баланса двух сущностей. Первая — это тепловая энергия, поставляемая промежуточному веществу, а вторая — энергия работы , выполняемая промежуточным веществом. В этом случае промежуточным веществом является пар.
Эти виды теоретических исследований достигли кульминации в публикации в 1876 году знаменитой работы Гиббса « О равновесии гетерогенных веществ» и в создании регулятора Гиббса. Эти формулировки сегодня повсеместно используются в естественных науках в форме уравнения свободной энергии Гиббса , которое используется для определения равновесия химических реакций; также известно как равновесие Гиббса . [3]
Регуляторы также можно было найти на ранних автомобилях (например, Wilson-Pilcher 1900 года ), где они были альтернативой ручному дроссельу. Они использовались для установки требуемой скорости двигателя, а дроссельная заслонка и синхронизация автомобиля регулировались регулятором для поддержания постоянной скорости, аналогично современному круиз-контролю . Регуляторы также были опциональными на транспортных средствах общего назначения с приводимыми от двигателя принадлежностями, такими как лебедки или гидравлические насосы (например, Land Rover ), опять же, для поддержания двигателя на требуемой скорости независимо от изменений приводимой нагрузки.
Регуляторы могут использоваться для ограничения максимальной скорости транспортных средств, а для некоторых классов транспортных средств такие устройства являются обязательным требованием. В более общем плане они могут использоваться для ограничения скорости вращения двигателя внутреннего сгорания или защиты двигателя от повреждений из-за чрезмерной скорости вращения.
Сегодня BMW , Audi , Volkswagen и Mercedes-Benz ограничивают скорость своих серийных автомобилей до 250 километров в час (155 миль в час). Исключениями являются некоторые автомобили Audi Sport GmbH и AMG , а также Mercedes/McLaren SLR . BMW Rolls-Royce ограничены до 240 километров в час (149 миль в час). Jaguar , хотя и британский, также имеет ограничитель, как и шведские Saab и Volvo на автомобилях, где это необходимо.
Немецкие производители изначально начали « джентльменское соглашение », электронно ограничив максимальную скорость своих автомобилей 250 километрами в час (155 миль в час), [4] [5] поскольку такие высокие скорости более вероятны на автобанах . Это было сделано для того, чтобы уменьшить политическое желание ввести законное ограничение скорости.
На европейских рынках General Motors Europe иногда предпочитает не соблюдать соглашение, что означает, что некоторые мощные автомобили Opel или Vauxhall могут превышать отметку в 250 километров в час (155 миль в час), тогда как их Cadillacs — нет. Ferrari , Lamborghini , Maserati , Porsche , Aston Martin и Bentley также не ограничивают свои автомобили, по крайней мере, до 250 километров в час (155 миль в час). Chrysler 300C SRT8 ограничен до 270 км/ч. Большинство автомобилей для внутреннего рынка Японии ограничены только 180 километрами в час (112 миль в час) или 190 километрами в час (118 миль в час). [6] Максимальная скорость является сильным аргументом в пользу продаж, хотя скорости выше примерно 300 километров в час (190 миль в час) вряд ли будут достигнуты на дорогах общего пользования.
Скорость многих спортивных автомобилей ограничена 250 километрами в час (155 миль в час ) [7] , чтобы ограничить расходы на страхование транспортного средства и снизить риск выхода шин из строя.
С 1977 года мопеды в Великобритании должны иметь ограничитель скорости в 30 миль в час (48 км/ч). [8] В большинстве других европейских стран действуют аналогичные правила (см. основную статью).
Общественный транспорт часто имеет законодательно установленную максимальную скорость. Регулярные автобусные перевозки в Соединенном Королевстве (а также автобусные перевозки ) ограничены скоростью 65 миль в час. [9]
Городские общественные автобусы часто имеют ограничители скорости, которые обычно установлены на значение от 65 километров в час (40 миль в час) до 100 километров в час (62 мили в час). [ необходима цитата ]
Все большегрузные автомобили в Европе и Новой Зеландии имеют законодательные/подзаконные акты, ограничивающие их скорость до 90 километров в час (56 миль в час) или 100 километров в час (62 мили в час). [ необходима цитата ] Пожарные машины и другие аварийно-спасательные транспортные средства освобождены от этого требования.
Воздушные винты — еще одно применение. Регулятор определяет обороты вала и регулирует или управляет углом лопастей, чтобы изменять крутящий момент нагрузки на двигатель. Таким образом, когда самолет ускоряется (как при пикировании) или замедляется (при подъеме), обороты поддерживаются постоянными.
Малые двигатели, используемые для питания газонокосилок , переносных генераторов , а также газонокосилок и садовых тракторов , оснащены регулятором, ограничивающим подачу топлива в двигатель до максимально безопасной скорости без нагрузки и поддерживающим относительно постоянную скорость, несмотря на изменения нагрузки. В случае применения генератора скорость двигателя должна тщательно контролироваться, чтобы выходная частота генератора оставалась достаточно постоянной.
Регуляторы малых двигателей обычно бывают трех типов: [10]
В паровых турбинах управление паровой турбиной представляет собой процедуру контроля и управления расходом пара в турбину с целью поддержания ее скорости вращения постоянной. Расход пара контролируется и регулируется с помощью промежуточных клапанов между котлом и турбиной. [11]
В водяных турбинах регуляторы использовались с середины 19 века для управления их скоростью. Типичная система использовала бы регулятор Flyball, действующий непосредственно на входной клапан турбины или калиточный затвор для управления количеством воды, поступающей в турбину. К 1930 году механические регуляторы начали использовать ПИД- регуляторы для более точного управления. В конце двадцатого века электронные регуляторы и цифровые системы начали заменять механические регуляторы. [12]
Для генерации электроэнергии в синхронных электрических сетях первичные двигатели приводят в действие электрические генераторы , которые электрически соединены с любыми другими генераторами в сети. При управлении скоростью падения частота всей сети определяет топливо, подаваемое на каждый генератор, так что если сеть работает быстрее, топливо уменьшается для каждого генератора его регулятором, чтобы ограничить скорость.
Регуляторы используются в лифтах . Они действуют как механизм остановки в случае, если лифт превышает свою скорость отключения (которая обычно является фактором максимальной скорости лифта и устанавливается производителем в соответствии с международными нормами безопасности лифтов). Это устройство должно быть установлено в тяговых лифтах и канатных гидравлических лифтах.
В некоторых заводных музыкальных шкатулках используются регуляторы, позволяющие поддерживать постоянную скорость воспроизведения музыки при уменьшении натяжения пружины.
