调速器是限制柴油机转速在一定范围内稳定工作的自动调节供油量的装置，它通常与柱塞式喷油泵安装一体。

1.安装调速器的必要性

柱塞式喷油泵每循环供油量，主要取决于柱塞的供油有效行程。但是，在实际工作中的供油量，还与柴油机转速有关。当柴油机油量调节拉杆位置一定（即柱塞供油有效行程一定）时，喷油泵的循环供油量随柴油机转速变化的关系，称为喷油泵的速度特性，如图5-20所示。

从喷油泵速度特性曲线可知，喷油泵的循环供油量随柴油机转速上升而增加。这是因为由柱塞套油孔的回油节流阻力而产生的出油阀早开、迟闭的程度，是随柴油机转速升高而增大。柴油机转速升高，柱塞运动速度加快，柱塞上行尚未完全关闭柱塞套油孔时，由于节流阻力，燃油不能及时挤回低压油腔，致使泵腔的燃油压力升高，出油阀提早开启；而在柱塞压油终了时，节流阻力又使燃油不能及时流回低压油腔，致使泵腔内的燃油压力不能迅速下降，出油阀延迟关闭。出油阀的早开迟闭，使柱塞的实际供油行程大于它的几何供油行程。随着柴油机转速的升高，节流阻力增大，出油阀早开、迟闭的程度相应增大，从而使柱塞实际供油行程也越来越大。反之，喷油泵的循环供油量随转速下降而减少。总之，柱塞式喷油泵的速度特性会产生不良后果，即柴油机由大负荷工作转为突然卸去负荷时，喷油泵油量调节拉杆一时来不及向减油方向移动，柴油机的转速便升高；而此时在喷油泵速度特性作用下，又自动加大循环供油量，促使柴油机转速进一步升高。这样相互作用下去，柴油机会出现超速，甚至发生“飞车”事故。因此，柴油机必须自动限制超速。

图5-20 柱塞式喷油泵的速度特性n₁、h₂、h₃、h₄—喷油泵油量调节拉杆位置

柴油机在怠速运转时，油量调节拉杆保持在最小供油量位置，此时，柴油机内部阻力如有增大，柴油机转速便会降低；并在喷油泵速度特性作用下，喷油泵自动减少循环供油量，促使柴油机转速进一步降低而熄火。反之，柴油机内部阻力如稍有减少时，柴油机怠速又将不断升高。因此，柴油机必须自动稳定怠速。

2.调速器的性能指标

（1）调速率 调速器的工作好坏，通常用调速率来评定，调速率可通过柴油机突变负荷试验测定。试验时，先使柴油机在标定工况下运转，然后突卸或突增全部负荷，测定突变负荷前后的转速即可得。根据测定条件不同，调速率可分稳定调速率和瞬时调速率两种。

1）稳定调速率σ₂：

式中，n₁为柴油机突变负荷前的转速（r/min）；n₃为柴油机突卸或突增负荷后的最高稳定空载转速或最低稳定转速（r/min）；n_b为柴油机的标定转速（r/min）。

稳定调速率表明，柴油机实际运转时的转速波动相对于全负荷转速的变化范围。如果稳定调速率太高，不仅对工作机械的稳定工作不利，而且对于空转时柴油机零件的磨损也是有害的。一般规定，工程机械用柴油机，σ₂＝8%～12%；对于汽车用柴油机，要求σ₂≤10%；对于拖拉机用柴油机，要求σ₂≤8%；对于发电用柴油机要求高一些，希望σ₂≤5%。

不同用途的柴油机对其调速率的σ₂要求不同。σ₂在康明斯产品说明书上称为速度降（speed droop）。对单台柴油机运转允许σ₂＝0，表示该柴油机将不随外界负荷变化而保持恒速运转。但在几台柴油发电机并联工作时，为对并联运行柴油机间所承担的负荷进行自动调节，使各机负荷分配合理，各机的σ₂必须设置合理且不得为零。

为了便于理解，将稳定调速率在调速特性曲线上示出，如图5-21所示。实测的调速特性曲线并非直线，此处近似地以直线示出。由图可见，若空载时转速为n_空，则随着负荷的增加，柴油机转速相应降低，在标定转矩时转速下降为n_b（标定转速），此转速差（n_空-n_b）的大小反映了σ₂的大小，如图5-21b所示。若（n_空-n_b）＝0则表示此时σ₂＝0，相当于具有积分特性调速器的调速特性，如图5-21a所示。

图5-21 柴油机的调速特性

以电网由两台标定功率相等的发电机组组成为例，且假设两机组具有相等的σ₂。并车合闸后，两台机组实际转速总是一样。下面分几种情况分析σ₂对负荷分配的影响。

①（σ₂）A＝（σ₂）B﹥0。

a.两机组转速设定值不等。一机组B单独工作，转速设定在B线，工作点在B线上移动。如负荷达100%，转速为n₁，如图5-22所示。起动另一机组A，合闸，负荷转移。如转速设定在A线上，此时负荷分配为：A机-25%，B机-75%，它们的转速为n₂。这样，它们可承担的负荷为50%～150%，工作于n₃～n₁。工作于n₃时，承担的负荷最小，一台为0，一台为50%。工作于n₁时，承担的负荷最大，一台为50%，一台为100%。

可见，这样调节不能充分发挥两机组的能力（承担200%的负荷）。负荷超过150%，会使B机组超负荷。

图5-22 σ₂相等且不为零的调速曲线

b.两机组转速设定值相等。继续调整A机组转速设定值（弹簧预紧力）至线B，这时每台机组承受负荷50%，转速为n₃。

可见，电网中任一台机组转速设定值变化，均对电网（系统共同）转速有影响。即一台设定值增大，两台转速同步增加。例如100%负荷时A机组由合闸处（0%负荷）调至A线位置，电网转速由n₁变至n₂。由A线位置调至B线位置，电网转速由n₂变至n₃。如要电网频率不变，可在A机组起动合闸后，增大转速设定值至A线的同时，减小B机组的转速设定值至A线。这时每台机组承受负荷50%，转速仍保持在n₁。

两机组转速设定值一样，均为A（或均为B），两机组的能力就能充分发挥，而且负荷均匀分配（总是承受相等的负荷）。负荷200%时，转速为n；负荷为0时，转速为n₃。

如两台标定功率相等的柴油机并联运行，其（σ₂）1＝（σ₂）2﹥0，则两机有重合的调速特性曲线。如图5-23所示。M合为两机合成的调速特性线。由图可知，当转速为n₁时，每机运行点为点2，合成工作点为点1，两机负荷分配均匀；当外负荷增加后，两机转速同步下降至n₂，每机运行点为点2′，合成工作点为点1′，负荷仍均匀分配；当转速下降至n_b时两机同时到达标定工况。

②（σ₂）A＝（σ₂）B＝0。如两机组稳定调速率σ₂均等于零，则其调速特性曲线重合为一条垂直横座标的垂直线，如图5-24所示。虽然总功率由用电负荷确定了，转速也一定（图中为n_b），但两机组间负荷分配比例处于不稳定的混乱状态，无控制的随时间而任意变动。可能所有负荷都加在一台机组上，甚至另一台发电机出现倒流（即机组被带动旋转）的情况。也可能两机组间负荷不断来回转移-振荡。因此这种装置是不能使用的。

图5-23 σ₂相等时负荷分配

图5-24 σ₂为0时的负荷分配

可知，对于并联运行的多台柴油机发电机组，稳定调速率σ₂可用以来调节承担负荷的分配比例。无论并联运行的柴油机的标定功率是否相等，欲使其承担负荷合理分配，则要求各机的σ₂尽可能相等且大于零。

2）瞬时调速率σ₁。瞬时调速率是评定调速器过渡过程的指标。柴油机在负荷突然变化时，转速经过数次波动后才能在新的转速下稳定工作，这个过程称为过渡过程。如图5-25所示为柴油机突卸负荷时，转速随时间的变化情况，t_n为过渡时间。瞬时调速率σ₁表示过渡过程中转速波动的瞬时增长百分比。

图5-25 突卸负荷时调速过程的转速变化

式中，n₁为柴油机突变负荷前的转速（r/min）；n₂为柴油机突变负荷时的最大或最小瞬时转速（r/min）；n_b为柴油机的标定转速（r/min）。

一般σ₁≤12%，t_n＝5～10s；对发电用的柴油机，要求σ₁＝5%～10%，t_n＝3～5s。

过渡过程不好时，转速不能稳定在某一转速下，会有较大的波动。严重时还会发出转速忽高忽低的响声，这种现象通常称为“游车”。调速器一旦发生“游车”，工作就会失灵，必须设法消除。

（2）不灵敏度 调速器工作时，调速系统中有摩擦存在，需要有一定的力来克服摩擦，才能移动油量调节机构。不论柴油机转速增加或减少，调速器都不会立即得到反应以改变循环供油量，因为机构中的摩擦力阻止着调速器滑套的运动。例如，柴油机转速为2000r/min时，调速器可能对转速n₁′＝1990 r/min到n₂′＝2008 r/min范围内的变动都不起反应，这样两个起作用的极限转速之差对柴油机平均转速之比就称为调速器的不灵敏度，即

式中，n₂′为当柴油机负荷减小时，调速器开始起作用时的曲轴转速（r/min）；n₁′为当柴油机负荷增大时，调速器开始起作用时的曲轴转速（r/min）；n_m为柴油机的平均转速（r/min）。

不灵敏度过大时，会引起柴油机转速不稳，在极端的情况下甚至会导致调速器失去作用，使柴油机产生“飞车”的危险。在低速时调速器的推动力小，喷油泵供油齿杆（或拉杆）移动时的摩擦力增大，结果调速器不灵敏度ε显著地增加。一般规定ε在标定转速时不超过1.0%，最低转速时不超过5.0%。

（3）转速波动率 转速波动率是柴油机在稳定运转时转速变化的程度，即在负荷不变的运转条件下，在一定时间内测定最大转速n_max（或最小转速n_min）与该时间内的平均转速n_m之差除以平均转速n_m，并取绝对值的百分数计算，即

一般测定标定功率时的转速波动率，其值应≤1%。

3.机械离心式调速器

调速器和柴油机共同组成一个自动调节控制系统。外界负荷的变化，引起柴油机转速变化，经过一定的传动比，使调速器有一转速变化，调速器的转速变化产生一个输出信号，经过传动比直接作用在油泵齿杆上，使齿杆产生位移，位移又引起供油量的变化，最终影响到柴油机的转速，起到自动调节转速的作用。

（1）全程式机械离心调速器工作原理 调速器按其感应元件形式及作用原理可分为机械离心式、液压式和气动式三种。机械离心式调速器在中、小型柴油机上应用最广泛。机械离心式（全程式）调速器的工作原理如图5-26所示。其中，调速弹簧的弹力不是固定的，通过改变操纵杆的位置可使其任意改变，因而，这种类型的调速器称之为全程式调速器。柴油机工作时，利用操纵杆2将调速弹簧的弹力固定在某一大小上，使柴油机获得所需之转速。此时，飞球4在支承盘带动下旋转，飞球离心力通过滑动盘5对调速杠杆的作用，恰好与调速弹簧弹力相平衡。当柴油机负荷减小时，转速升高，飞球离心力作用大于调速弹簧弹力的作用，便推动调速杠杆将调节齿杆向左拉动，供油量减少，转速下降，直到飞球离心力与弹簧弹力得到新的平衡为止。当柴油机负荷增加时，转速下降，飞球离心力作用减小，在调速弹簧弹力作用下，拉动调速杠杆将调节齿杆向右推动，供油量增大，柴油机转速上升，直到飞球离心力与调速弹簧弹力再次平衡为止。

值得注意的是，经过调整后的转速并不能完全回到原来的转速上，有了一定的差距。增加负荷时，其稳定后的转速要比原来的转速稍低；减小负荷时，其稳定后的转速较原来的转速稍高。这种直接作用的离心式调速器难以实现恒速工作，即该类型调速器为有差调节，如图5-26所示机械离心式调速器的稳态调速率不会为零。

图5-26 机械离心式（全程式）调速器的工作原理

1—齿杆限位螺钉 2—操纵杆 3—支承盘 4—飞球 5—滑动盘 6—调速弹簧 7—调速杠杆 8—调节齿杆

全程式调速器所控制的转速是随着操纵杆的位置而定的。操纵杆向右移，调速弹簧弹力变大，此时调速器起作用时的转速变高，即柴油机稳定工作转速增高。反之，操纵杆向左移，调速弹簧弹力减小，柴油机稳定工作转速降低。在柴油机稳定工作转速上，则是由飞球离心力与调速器弹簧的相互作用来保持其稳定工作。

（2）RSV型调速器（仅节选部分装配图，以配合说明其结构及工作原理，故图5-27～图5-32中的零件号可综合参考）RSV调速器（见图5-27）是一种典型的机械离心式全程调速器，可用于P型泵、M型泵，A型泵、AD泵的配套，用途十分广泛。

1）RSV调速器的构造如图5-27所示。这种调速器的结构特点是双杠杆，一根调速弹簧，转速感应元件为飞锤。调速器装在喷油泵后端，由喷油泵凸轮轴后端的调速齿轮驱动。调速器主要由飞锤1、飞锤座架21、调速套筒2、支持杆10、调速杠杆11、浮动杆3、调速弹簧9、起动弹簧15、怠速弹簧8、校正弹簧5、调速手柄14及齿杆行程限位螺栓4等组成。

飞锤1通过飞锤销装在飞锤座21上，并可绕飞锤销转动。飞锤座通过半圆键与喷油泵凸轮轴相连。飞锤的尾部通过滑块与调速套筒2相接触，因此飞锤向外张开时，可推动调速套筒向减油方向移动。调速套筒另一端装有丁字架6。丁字架与支持杆10相连。

支持杆的上端挂在后盖的轴销上，并可绕轴销转动。支持杆的下端小轴上装有浮动杆3。浮动杆的下端有一销钉插入停车机构拨叉的槽中（见图5-32）。停车机构不工作时，浮动杆以此处为支点摆动，其上部通过连接杆18与供油齿杆17相连，其顶端则与较软的起动弹簧15相连。由于起动弹簧另一端勾在调速器前壳上，因此弹簧总是力图使浮动杆向左摆动，并使供油齿杆向油量增大方向移动。

图5-27 RSV型机械离心式全程调速器

1—飞锤 2—调速套筒 3—浮动杆 4—齿杆行程限位螺栓 5—校正弹簧 6—丁字架 7—小轴 8—怠速弹簧 9—调速弹簧 10—支持杆 11—调速杠杆 12—停车/怠速限位螺钉 13—调速器盖 14—调速手柄 15—起动弹簧 16—调速器体 17—供油齿杆 18—连接杆 19—弹簧挂耳 20—弹簧摇臂 21—飞锤座架

当飞锤1受离心力作用向外张开时，滑块推动调速套筒和丁字架6，并使支持杆10以上端为支点作逆时针摆动，而支持杆则借小轴7带动浮动杆3以最下端为支点作顺时针方向摆动，同时将供油齿杆17拉向油量减小方向（见图5-28）。

在后盖中部还装有弹簧摇臂20，弹簧摇臂的轴支承在后盖的孔中，轴的尾端伸出后端盖并与调速手柄14相连。弹簧摇臂上装有弹簧挂耳19，弹簧挂耳一端拧有调整螺钉，可改变调速器的稳态调速率（转速降）。调速弹簧一端挂在弹簧挂耳上，另一端挂在调速杠杆11中部凸耳的孔中。当调速杠杆绕轴摆动时，调速弹簧将发生变形，以改变弹簧预紧力，设置柴油机转速。

调速杠杆的下部装有校正装置，它由校正弹簧5，顶杆和调整垫片等组成。调整垫片用于调整校正弹簧的预紧力。

在后盖中还装有怠速弹簧8，在怠速工况下，怠速弹簧与调速杠杆相接触以保持怠速稳定。后盖下部有油量限位螺钉用以限制调速杠杆向左摆动的极限位置。后盖上部有停车挡钉/怠速限位螺钉12；前壳上装有高速限位螺钉，以调整和限制柴油机的最高工作转速。

2）调速器工作原理。

①柴油机RSV调速器起动工作过程如图5-28所示。起动前将调速手柄14向左扳到与高速限位螺钉相碰的位置。这时调速杠杆在调速弹簧9的作用下其下端与齿杆行程限位螺栓4接触。同时在起动弹簧15的作用下，齿杆被拉到起动加油位置，并通过浮动杆3、支持杆10、丁字架6、调速套筒等零部件把飞锤压到收拢位置，这时丁字块与调速杠杆11上的校正顶杆22大端脱开，使齿杆行程达到最大的起动加油位置。当柴油机起动后转速上升，飞锤离心力增大到能克服起动弹簧拉力的作用，使齿杆向减油方向移动。当丁字块与顶杆大端接触时，在校正弹簧5的作用下，齿杆停止运动。起动弹簧在柴油机运转中一直对油泵起控制作用。但因其拉力很小，故除起动工况必须考虑外，其他工况时特别在全速位置分析时可略去不计。

②RSV型调速器怠速工况。柴油机起动后，将调速手柄向右扳到怠速位置（见图5-29），调速弹簧接近于垂直位置，这时调速弹簧9几乎完全放松。当飞锤在离心力作用下向外张开时，支持杆10即被推向右移动，并以小轴7带动浮动杆3以下端为支点作顺时针摆动，使供油量减小。与此同时，丁字架向右推与校正顶杆22大端接触后将继续右移，并通过校正装置（压缩校正弹簧5）使调速杠杆11也向右摆动，压到怠速弹簧8上，直至飞锤离心力的轴向推力与怠速弹簧的弹力相平衡为止。此时供油量减小，柴油机在怠速下工作。如果转速升高，则怠速弹簧受到更大压缩，浮动杆在飞锤离心力作用下向减小供油量方向移动，以限制转速的上升。反之，如果转速降低，则怠速弹簧推动调速杠杆向左摆，使供油量稍许增加。如果转速降低较多，则起动弹簧的作用增大，将供油拉杆进一步拉向油量较大的位置，以保持怠速稳定。

图5-28 柴油机RSV型调速器起动工作过程

1—飞锤 3—浮动杆 4—齿杆行程限位螺栓 5—校正弹簧 6—丁字架 7—小轴 8—怠速弹簧 9—调速弹簧 10—支持杆 11—调速杠杆 14—调速手柄 15—起动弹簧 17—供油齿杆 20—弹簧摇臂 22—校正顶杆

图5-29 RSV型调速器怠速工况

1—飞锤 3—浮动杆 4—齿杆行程限位螺栓 5—校正弹簧 6—丁字架 7—小轴 8—怠速弹簧 9—调速弹簧 10—支持杆 11—调速杠杆 17—供油齿杆 18—连接杆 22—校正顶杆

③中速工况。当调速手柄由怠速向高速位置扳动时，随着调速手柄的转动弹簧摇臂作逆时针摆动，调速弹簧被拉紧，预紧力也逐渐增大，调速器控制的转速也越来越高。对应于每一个手柄位置就有一个调速器控制的转速范围，柴油机就在此转速范围内稳定运转。

柴油机在某一负荷、某一转速下运转时，飞锤1由于离心力而向外张开，通过丁字架6向右推动调速杠杆11于某一位置（调速杠杆11下端离开齿杆行程限位螺栓4，与限位螺栓间形成一定的距离），这时飞锤的离心力与调速弹簧的弹力达到平衡，并通过支持杆10和浮动杆3，使油量调节齿杆也保持在某一位置，柴油机即在此工况下稳定运转。

此时，如柴油机的负荷减小，它的转速就上升，飞锤的离心力会大于调速弹簧的弹力，破坏了原来的平衡，通过丁字架向右将调速杠杆下端更向右推（调速杠杆下端与限位螺栓间的距离变大）。由于丁字架6的右移，浮动杆3、连接杆18和供油齿杆17也跟着向右移动，于是喷油泵的供油量减小，以适应负荷减小的需要。这就限制了转速的继续升高，柴油机在新的平衡情况下稳定运转。反之，如柴油机的负荷增大，柴油机转速就下降，飞锤的离心力变小，飞锤座向内收拢，调速杠杆下端随之向左摆（它与限位螺栓间的距离变小），供油齿杆向左移动，供油量增大，与增大了的负荷相适应。于是限制了柴油机转速的继续下降，而达到一个新的平衡。

④标定转速与高速控制。当调速手柄扳到与高速限位螺钉23相碰的位置，调速弹簧9被拉紧（见图5-30），在此状况下柴油机的转速可在标定转速与最高空转转速之间变化（负荷在全负荷和空载间变化）。当柴油机为全负荷时，柴油机工作于标定转速，调速杠杆11因调速弹簧张力很强而使其下端压在齿杆行程限位螺栓4上。而此时由于飞锤离心力较大，丁字架将校正顶杆22向右推移，并压紧校正弹簧5。如果在高速工况下卸去全部负荷，柴油机转速将继续升高，飞锤离心力也随之增大。由于校正弹簧已被压紧而不能继续变形，丁字架便通过顶杆22进一步推动调速杠杆11右移，并带动支持杆10在向右摆动，使浮动杆3作顺时针转动，将供油量减小，使柴油机在最高空转转速下工作，并防止柴油机超速。

图5-30 RSV型调速器高速工况

3—浮动杆 4—齿杆行程限位螺栓 5—校正弹簧 6—丁字架 7—小轴 9—调速弹簧 10—支持杆 11—调速杠杆 17—供油齿杆 22—校正顶杆 23—高速限位螺钉

⑤校正工况。为使柴油机适应短时间超负荷的要求，在供油齿杆前端的喷油泵壳体上装有校正弹簧5，校正器的工作情况如下：

当柴油机在全负荷（标定功率）工况下工作时，调速杠杆11的下端与齿杆行程限位螺栓4相碰，顶杆22压紧校正弹簧5（见图5-30）。如柴油机的负荷超过全负荷时，柴油机的转速就下降，飞锤离心力减小。这时校正弹簧5开始张开，使校正顶杆22和丁字架6左移，通过支持杆10和小轴7带动浮动杆3作逆时针转动，使供油量增加，柴油机短时间超负荷工作。

⑥停车工况（见图5-31）。停车时，扳动调速手柄14至最右端，使弹簧摇臂20上的弹簧挂耳19与停车/怠速限位螺钉12相碰。弹簧摇臂的三角形凸起部将推压支持杆10向右摆，浮动杆3则随之作顺时针转动，将供油齿杆17拉至停油位置。

如果调速器设有停车机构，如图5-32所示，浮动杆3的下端有一个销钉24插入停车机构拨叉的槽中，停车时只需转动停车手柄25，即可通过销钉24使浮动杆3以小轴7为支点作顺时针转动，将供油齿杆拉至停车位置。

4.电子调速器

20世纪90年代至今，世界各国已将柴油机电控技术作为衡量柴油机先进性的重要指标，同时微电子技术和控制理论的发展及对自动化水平要求的提高，推动了柴油机电控技术特别是以计算机为核心的数字式电子控制技术的发展。电子调速技术作为柴油机电控技术的重要组成部分，在提高柴油机性能方面起到了重要作用。因为无论是机械式还是机械液压式调速器，由于转速偏差信号的测量与放大都是通过机械元件实现的，这就不可避免地存在着惯性滞后及摩擦阻力大等固有缺陷，因此，用这两种调速器就难以实现较为复杂的调节规律和控制功能，且无法满足进一步降低油耗、减少有害排放和提高调节精度和自动化程度的要求。所以研究人员便以电子器件取代机械元件，用电信号取代机械信号来设计调速器，研制和开发电子调速器，并推出了多种型号的同类产品。其共同点是均由磁电式转速传感器、以模拟或数字PID或PI调节器为核心的转速控制器、执行器及其他一些功能附件组成。起初是模拟式电子调速器，其后出现以微处理器为核心的数字式电子调速器，后者由专用控制用微处理机和一系列输入输出接口电路组成。除输入输出信号转换之外，系统的各项功能均由软件编程实现，对硬件的依赖性降低，具有极强的适应性和功能扩展能力。

图5-31 RSV型调速器停车工况

3—浮动杆 7—小轴 10—支持杆 11—调速杠杆 12—停车/怠速限位螺钉 14—调速手柄 17—供油齿杆 19—弹簧挂耳 20—弹簧摇臂

图5-32 RSV型全程调速器停机手柄

1—飞锤 3—浮动杆 7—小轴 9—调速弹簧 10—支持杆 11—调速杠杆 14—调速手柄 17—供油齿杆 24—销钉 25—停车手柄

下面以康明斯C系列柴油机所采用的电子调速系统说明其组成和工作原理（该调速系统采用ESD5500E型模拟式电子调速模块）。(www.daowen.com)

（1）工作原理 任何调速器都要求有预先给定的理想转速。电子调速器是将要调节柴油机的实际转速与理想转速进行比较，当实际转速偏离理想转速时，调速器就通过调节执行元件给柴油机一个指令，使实际转速与理想转速趋于相同。

图5-33 电子调速器工作原理

模拟式电子调速系统一般由控制器、转速传感器、执行器和外围控制开关及调节电位器等组成。在该调速系统中，柴油机的设定转速由转速电子控制器上的转速设定电位器设定；柴油机的实际转速由装于飞轮齿圈部位的磁电式转速传感器测取，其输出信号为频率与柴油机转速成比例的交流电压；该信号经频率/电压（F/V）变换电路转换为直流电压，与设定值比较后得到柴油机转速的偏差量Δn；该偏差经PID运算后，输出控制信号至电磁执行器，电磁执行器使柴油机喷油泵供油齿杆（或拉杆）向减小转速偏差的油量调节方向运动，从而控制柴油机在所设定的转速下稳定运转，如图5-33所示。当外负荷变化使柴油机转速增大时，磁性测速头感应产生的交流电压频率立即增大，经速度传感器转换后的直流电压也随之增大，在控制器内它与转速设定信号之和变为“负值”。此时控制器即向执行器输出“减油”的信号，通过执行器使柴油机的燃油量减少，转速随之下降。同理，当柴油机转速减小时，控制器会立即向执行器输出“加油”的信号，通过执行器使柴油机加油，提高其转速。

如果电子调速器模块失去供电电压或检测不到转速传感器的信号，电子调速器模块输出回路会关闭送往电磁执行器的电流，在复位弹簧作用下，柴油机会停止运转。

（2）组成单元

1）转速传感器。柴油机转速传感器有电磁感应式、霍尔式、光电式等多种形式，其中电磁感应式应用广泛。电磁感应式传感器主要由外壳、永久磁铁和线圈等组成，其工作原理如图5-34所示，磁力线穿过的路径为：永久磁铁N极→定子与转子间的气隙→转子凸齿→转子凸齿与定子磁头间的气隙→磁头→导磁板→永久磁铁S极。当信号转子旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性的变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势。

图5-34 电磁感应式传感器工作原理

当信号转子按顺时针方向旋转时，转子凸齿与磁头间的气隙减小，磁路磁阻减小，磁通量增多，磁通量变化率增大，感应电动势为正。当转子凸齿接近磁头边缘时，磁通量急剧增多，磁通变化率最大，感应电动势最高。当转子继续旋转至凸齿的中心线与磁头的中心线对齐时，此过程虽然磁通量仍在增多，但磁通变化率减小，因此感应电动势降低直至为零；当转子沿顺时针方向继续旋转，凸齿离开磁头时，凸齿与磁头间的气隙增大，磁路磁阻增大，磁通量减少，所以感应电动势为负值。当凸齿转到将要离开磁头边缘时，磁通量急剧减少，磁通量变化率达到负向最大值，感应电动势也达到负向最大值。

图5-35 传感线圈电动势波形

可见，信号转子每转过一个凸齿，传感线圈中就会产生一个周期的交变电动势，即电动势出现一次最大值和最小值，传感线圈也就相应地输出一个交变电压信号，如图5-35所示。

电磁感应式转速传感器可安装在飞轮壳上，利用柴油机铁磁材料的飞轮齿圈配合，即以飞轮齿圈为信号转子，如图5-36所示。其主要原因在于该处转速波动最小，而且转速传感器安装方便，并且不需外加电源。永久磁铁起着将机械能转换为电能的作用，其磁能不会损失。飞轮旋转时，线圈上就会产生一个频率与飞轮转速成正比的正弦信号。其频率f（单位为Hz）与发动机转速n和测速齿轮齿数Z成正比：

f＝nZ/60（5-5）

其幅度与转速成比例，与齿顶和铁心端面的间隙大小成反比，转速越高输出电压越高，最高时峰值可达6V。电子调速系统就是根据该信号来调整柴油机的转速。

电磁速度传感器和齿轮环齿的间隙要在柴油机停止后调节。此间隙不能小于0.45mm。通常当速度传感器接触到齿轮齿时向后再反转1/2～3/4圈，再用锁紧螺母锁紧几圈就可达到这个精确的空气间隙。在起动时，电磁速度传感器电压变化至少AC1V。

2）电磁执行器包括两位式电磁执行机构、直流比例电磁执行机构和转动式比例电磁执行机构等。

电磁执行器的电磁线圈也称螺线管，线性螺线管的结构和工作原理与电磁阀基本相同，当线性螺线管中的电枢与阀连在一起时，就成了电磁阀。

一种比例型线性螺线管用作执行器的直列泵油量调节齿杆行程或位置控制装置的结构如图5-37所示。线性螺线管由线圈、电枢（衔铁）、复位弹簧及屏蔽外壳等构成。线圈通电时，电枢在电磁力作用下克服复位弹簧力而产生位移。齿杆位移执行器为一个二阶弹簧—阻尼系统，控制电流通过螺线管时，电枢磁化，在磁饱和前，电磁力随电流的平方而变。磁饱和时，电枢产生一个与螺线管中电流成正比的力，此力的大小随电枢与螺线管磁心之间的距离而变。通过电磁力与复位弹簧力平衡，使齿杆定位。线性螺线管产生的电磁力和复位弹簧力间差值的正、负值对应于齿杆的加、减速，改变输入螺线管的电流就能精确控制齿杆的行程或位置。如图5-38所示为比例型线性电磁执行机构在直列式喷油泵上的应用，图示线性螺线管在最大电流时的控制力为60～70N，齿杆平均响应速度为300mm/s。

图5-36 电磁感应式转速传感器的安装

图5-37 一种比例型线性螺线管用作齿杆行程或位置控制装置

1—屏蔽外壳 2—线圈 3—复位弹簧 4—电枢 5—调油齿杆

图5-38 比例型线性电磁执行机构在直列式喷油泵上的应用

1—复位弹簧 2—线性电磁铁 3—调油齿杆

转动式螺线管的基本结构和工作原理如图5-39所示。它由线圈、定子、电枢（衔铁转子）、轴和复位弹簧构成。线圈通电时，在磁场作用下，电枢在转动力矩作用下转动，直到转动力矩与电枢复位弹簧产生的力矩平衡在某一位置为止，电枢转动的角度与线圈中通过的电流呈线性关系。

ADB225G型电磁执行器（直流比例电磁执行）实物如图5-40所示。电子调速器输出相应驱动电流至直流比例电磁铁的线圈，衔铁在电磁力的作用下动作，通过转轴转换成杠杆机构的拉力，最终将喷油泵中的油量控制齿杆稳定在与设定转速对应的位置（此时驱动电流产生的电磁力与直流比例电磁铁内部复位弹簧的张力保持平衡）。负载增大，转速降低时，直流比例电磁铁中的衔铁通过杠杆机构将油量控制齿杆向增加油量的方向拉动，转速就会恢复至设定值（电磁力与复位弹簧的张力达到新的平衡）；负载减轻，转速升高时，电子调速器输出的驱动电流减小，此时油量控制齿杆在复位弹簧的作用下向减油方向运动，最终使转速稳定在设定值。如果电子调速器没有检测到转速传感器的反馈信号，驱动电流为零，油量控制齿杆在复位弹簧的作用下被拉至停机位置。

图5-39 转动式螺线管的基本结构和工作原理

1—定子 2—线圈 3—复位弹簧 4—转子

图5-40 ADB225G型电磁执行器实物

1—衔铁 2—复位弹簧 3—输出转轴 4—垫子 5—盖板

3）ESD5500E型电子调速控制模块。ESD5500E型电子调速控制模块是一个全电子装置，它对于瞬间的负载变化用快速和精确的响应去控制柴油机的转速。

控制模块主要由F/V转换环节、转速调节环节等组成。F/V转换环节包括整形、低通滤波等电路，整形电路将转速传感器输出的正弦电压转换成规整的方波电压，然后利用低通滤波电路获得平均电压。

在电子调速系统中，为提高调速的稳态和动态特性，一般均采用比例积分微分（PID）控制，或取其中部分控制策略。其中，积分控制作用可以消除调速静差，提高稳态调速精度；微分控制作用则可以根据柴油机转速的变化方向和速率，在转速误差增大之前及时产生有效的修正，从而改善调速系统的动态特性。PID控制电路一方面接收由转速传感器输入的转速信号，同时又接收由“转速设定器”（可用电位器进行调节设定）输入的转速设定信号，并对各输入信号的代数和运算后作为控制信号向执行器输出。“设定转速电位器”在这里起着类似机械调速器中“调速弹簧”的作用。

这种电子调速器还可根据柴油机使用场合的需要选择不均匀度（转速降）的大小。当进行无差调节时，电子控制系统会将负荷变化而引起的设定转速与实际转速之间的差值消除，使柴油机保持原设定的转速。根据机组需要，也可调节不均匀度电位器，以使调速系统获得设定的稳态调速率。

ESD5500E系列速度控制板需要牢固安装于控制箱、机箱或其他专用设备内。为防止水、尘土或异物进入控制器，应垂直安装，以便液体从控制板上流走。应避免控制板过热。

为避免柴油机失控损害设备危及人身安全，应设置独立于控制系统之外的速断保护装置。不要只依靠控制系统的电子调节器避免超速。

电磁执行器和电池连接导线截面积不应小于1.3mm²，长连接线应加粗，以减少电压降。电池正极（+）接线应放置15A熔断器。电磁速度传感器连接线应采用双绞或全屏蔽线，电缆屏蔽层单端良好接地以防止干扰信号传入。为防电子辐射可使用金属罩，并且金属罩应当有效接地。

①各端子的名称及作用。ESD5500E型电子调速器模块面板如图5-41所示。面板上有14个端子，按面板上的编号分别介绍如下：

A、B：电磁执行器输出端子（AC-TUATOR），向电磁执行器YA输出控制电流。

C、D：速度传感器输入端子（PICK-UP），转速传感器速度信号从该端子接入。

E、F：电源输入端子（BATTERY），E（-）、F（+24V）。

G、（H）、J：转速微调电位器接入端子（转速微调电位器用于微调转速设定值），端子G接控制器内部0电平点。

K、L：转速降选择端子（DROOP），用短路线短接时转速控制器工作在有转速降状态，开路时工作在零转速降（无差调节，同步）状态。单机工作时，可工作于零转速降同步状态。在并机时，需要通过调节机组油门来分配两台机组之间的有功功率，应设置在有转速降工作状态。

图5-41 ESD5500E型电子调速器模块面板

M：怠速输入端子（IDLE），该端子输入低电平时（连接端子G），转速控制器控制柴油机怠速运行。

N：辅助报警输入端子（AUX），可接入报警控制信号控制柴油机停机，一般不用。

P：10V电压输出端子（10VOUTPUT），一般不用。

②调整元件的作用。ESD5500E型电子调速器模块的面板上有三个橡胶塞子，取下塞子，可见如下调整元件（见图5-41）：a.起始油量调节电位器（STARTING FUEL）可调整起动时的供油量，按环保油量（尽可能小）起动，做到无烟起动；b.速度变化率调节电位器（SPEED RAMPING）可调整怠速/全速时间曲线的斜率；c.稳定度整定电位器（STABILITY）可调整柴油机转速的稳定度；d.增益调节电位器（GAIN）可调整转速控制器对柴油机转速控制的反应速度和准确度；e.怠速整定电位器（IDLE）可设定柴油机的怠速；f.转速降整定电位器（DROOP）可调整柴油机的转速降（稳态调速率）；g.标定转速整定电位器（SPEED）整定柴油机的空载转速；h.软耦合开关（SOFT COUPLING）在柴油机拖动双轴承发电机时，柴油机和发电机之间采用柔性联轴器相连（即软耦合），该开关应接通（ON）；i.超前电路开关（LEAD CIRCUIT）可用来接通或关闭控制器内的超前补偿电路（起稳定作用），一般设在接通状态（ON）。

（3）ESD5500E电子调速器模块的性能调整 电子调速器模块出厂时已调整好，通常无需再做调整。如更换了该系统的部件后，出现转速不稳或调速器反应速度迟钝时需进行一般调整；如更换了电子调速器模块需进行全面调整。

1）将ESD5500E转速控制器上的软耦合开关（SOFT COUPLING）接通（ON），超前电路开关（LEAD CIRCUIT）接通。

2）调整转速控制器上的标定转速整定电位器（SPEED），使柴油机空载时运行在大于1500r/min，而小于1545r/min，对应配电箱上频率表显示为大于50Hz，而小于51.5Hz（转速降取为3%的）。

3）动态调整，所谓动态调整是指调速器对柴油机转速变化的反应。这种反应越快越好，但反应太快会导致调节循环的不稳定，所以必须调整到最优状态。动态调整包括增益和稳定度的调整。

①稳定度的调整。当柴油机的转速出现不稳定时，可通过调整电子调速器模块上的稳定度整定电位器（STABILITY），调整柴油机转速的稳定度。方法是：先顺时针旋转稳定度整定电位器（STABILITY），直到转速产生不稳定，然后逆时针旋转该电位器，直到转速稳定，再将该电位器逆时针旋转1/2格，以保证有一定裕度。

②增益的调整。当柴油机出现加负载后转速下降或回升至额定转速时间过长时，就要对ESD5500E电子调速器模块的增益进行调整。调整方法如下：a.机组接上大约1/4的额定负载，这时柴油机转速应该是稳定的，否则应首先调整柴油机的稳定度；b.顺时针方向慢慢旋转转速控制器上的增益调节电位器（GAIN），直到柴油机转速出现不稳定为止；c.反时针方向转动增益调节电位器（GAIN），直到柴油机转速恢复稳定，再将该电位器反时针旋转1/2格，以保证有一定裕度。

4）稳态调速率（转速降）的调整。柴油机安装电子调速器后有两种运行方法：同步，即稳态调速率等于零；有稳态转速变化，即稳态调速率大于零。稳态调速率的调整步骤如下：

将柴油机加上额定功率负载。检查频率表，保证额定功率输出时，电子调速系统应维持频率表指示为50Hz（对应柴油机转速在1500r/min）。

如果频率表指示小于50Hz，那么柴油机的转速降值比希望的多。这时应慢慢转动调整ESD5500E转速控制器上的转速降整定电位器（DROOP），反时针慢转（逆时针速降减小），直到频率达到50Hz为止；如果这时频率表指示高于50Hz，那么柴油机的转速降值比希望的少，这时应顺时针旋转转速降整定电位器（DROOP），直到频率达到50Hz为止。

断开柴油机的负载，调整柴油机的最高空载转速，调到正确为止。柴油机的转速降可设定为3%，即最高空载转速应为1545r/min（对应频率表指示为51.5Hz），在满足加额定负载柴油机转速为1500r/min的前提下，最高空载转速应在该值附近。

再将柴油机接上额定功率负载，频率表应指示为50Hz，如不正确，重复上述方法调整。为了得到准确的转速，通常要经过2次到3次连续调整。

在调整时如得不到额定负载，只有部分负载时，可利用以下公式计算出在局部负载下的转速和转速降。

Sal＝Snl-[（部分负载kW/额定功率kW）×（Snl-Sfl）]

式中Sal——在可得到的负载kW下的转速；

Sfl——在额定负载下的转速；

Snl——空载转速。

例如：可得到的部分负载＝60kW

额定功率＝120kW

在额定负载下的转速＝1500r/min

空载转速＝1545r/min

Sal＝1545-[（60/120）×（1545-1500）]＝1522.5r/min（对应频率为50.75Hz）

即加60kW负载调整转速降时，频率表指示应为50.75Hz。从而保证转速降为3%。

5）怠速调整。将ESD5500E转速控制器的端子G、M短接，使柴油机在怠速运行，调整转速控制器上的怠速整定电位器（IDLE），使柴油机的怠速在500～750r/min之间；

6）起始油量调整。调整ESD5500E转速控制器上的起始油量调节电位器（STARTING FU-EL）调整起动时的供油量，调整时按照容易起动又无烟（无烟是相对的）的原则进行。该电位器顺时针旋转起动时供油量增大，反之减少。

7）速度变化率调整。柴油机转速从怠速到全速的过渡时间，过长或过短可调节ESD5500E电子调速器模块上的速度变化率调节电位器（SPEED RAMPING），通常ESD5500E电子调速器模块出厂时已调到较为适中的位置，故除非必须则不必再进行调整。

5.电调与机械调速器的联用

康明斯柴油机运用电控系统完成柴油机的起动、停机和监测保护，绝大部分机型特别是用于发电机组的柴油机都采用了电子调速系统，但其形式各有不同。如电站用康明斯4BTA3.9—G2采用孚创（FORTRUST）C1000B转速控制器，A1000C电磁执行器，该执行器安装在高压油泵的后端，直接驱动油量调节机构，这是一种全电子式电子调速结构。但有的机型如6CTA8.3—G2（采用ESD5500E转速控制器，ADB225G电磁执行器）、EQ6BT5.9（采用CFKMB—Z电控板，SK—1040—36电磁执行器），其电子调速系统对柴油机速度的控制是通过对高压油泵上的机械调速器的操控来实现的，即在用电子调速器改装柴油机组时，充分利用了现成的机械调速器。

电子调速系统的电磁执行器与机械调速器的连接有两种方式，其一是与机械调速器的停机手柄相连，其二是与机械调速器的调速手柄相连。

图5-42 电磁执行器与RSV机械调速器的停机手柄连接

1—停机手柄 2—旋转式比例电磁执行器 3—电磁执行器输出轴 4—传动杆系 5—喷油泵 6—调速手柄

（1）电调与机械调速器停机手柄连接 如图5-42所示是将ADB225G旋转式比例电磁执行器与RSV机械调速器的停机手柄连接，其方式是使执行器的输出臂通过有2个关节轴承的杆系与机械调速器的停车手柄连接在一起（见图5-32）。停机手柄转动时，将通过销钉24使浮动杆3以小轴7为支点转动，带动供油齿杆移动改变供油量。执行器设有回位弹簧，将提供停机手柄反向转动的驱动力。

注意：①执行器摆角的变化必须与负荷控制杆增与减负荷（油量）的方向一致；②执行器输出臂的相位角要保证与停车和满负荷相对应。约10%和80%～90%；③运动杆系的运动必须灵活，不得有任何干涉。

改装时不必拆掉机械调速器，而是利用它作为超速保护装置（见图5-30）。实际应用时应将机械调速器的调速手柄重新固定在1650r/min的超速保护位置（可在喷油泵试验台上完成）。因为电子调速器控制的最高转速是调定在额定转速以上4%的位置，当额定转速为1500r/min时，其最高转速是1560r/min，这时机械调速器还未起作用，不会对电子调速器产生干涉。而当电子调速器因失控造成飞车（对发电机组而言）时，机械调速器将把转速限制在1650r/min范围内。

如果想要减小执行器的负荷，可将机械调速器里的起动弹簧卸掉。

（2）电调与机械调速器调速手柄连接 若仅对机械调速器进行电控改装以完成自动起动和停机过程，而不使用电子调速模块，则电磁执行器可与调速手柄相连。电磁执行器拉动调速手柄时，改变的是调速弹簧的张力，实际是改变了转速的设定值，其连接如图5-43所示。更一般的方式是采用二位式电磁执行结构，起动后直接将调速手柄拉动到额定空转转速位置，其后的转速稳定及调节由机械调速器完成，其工作过程参见RSV型调速器的中速工况。

图5-43 电子调速器与机械调速器调速手柄连接

1—调速手柄 2—旋转式比例电磁执行器 3—电磁执行器输出轴 4—传动杆系 5—RQ喷油泵