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Elektrischer Geschwindigkeitsregler
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Geschwindigkeitsregler, der auf elektrische Regelsignale anspricht und der dazu bestimmt ist, ein einzuregelndes System Über ein mechanisches Kraftübertragungs- organ, beispielsweise über einen hydraulischen Servomotor, zu steuern.
Der erfindungsgemässe Regler kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch aus, dass die Regelge- schwindigkeit unmittelbar durch einen, mit dem Ausgang des Kraftübertragungsorganes verbundenen Ge- nerator kontrolliert wird, welcher somit Verschiebungen ausfuhrt, die zu den Verschiebungen des Kraft- ubertragungsorganes verhältnisgleich sind und welcher eine Spannung erzeugt, deren Grösse in jedem
Augenblick der Verschiebegeschwindigkeit des Kraftübertragungsorganes verhältnisgleich ist, während ihr
Vorzeichen der Richtung dieser Verschiebung entspricht, wobei die so erzeugte Spannung an den Eingang des Reglers derart angelegt wird, dass sie während der Einschwingvorgänge den durch die elektrischen Regelsignale verursachten Verschiebungen des Kraftübertragungsorganes entgegenwirkt.
Die elektrischen Signale, auf die der Regler anspricht, sind vorbestimmten Regelgrössen, wie Frequenz, Beschleunigung, Leistung, Phase, Durchflussmenge u. a. m. verhältnisgleich.
In der nachfolgenden Beschreibung wird insbesondere auf einen elektrischen Geschwindigkeitsregler mit Beschleunigungsmessung, wie er z. B. für Wasserturbinen Verwendung findet, Bezug genommen, ohne dass jedoch das Anwendungsgebiet des erfindungsgemässen Reglers auf diesen Spezialfall beschränkt werden soll.
Es ist an sich bekannt, als Ruckfuhrgrösse den Differentialquotienten einer Stellgrösse nach der Zeit zu verwenden und es ist auch bekannt, dass die Beschleunigungsmesswirkung bis zu gewissen Grenzen getrieben werden kann, über die hinaus die Gefahr der Unstabilität bestehen kann.
Um die Leistungsfähigkeit eines auf Beschleunigungs-Geschwindigkeitsmessung beruhenden elektrischen Reglers zu steigern, versuchte man bekanntlich eine elektrische Einrichtung zur Erzeugung einer vorübergehenden Ungleichförmigkeit zu verwenden, deren Wirkungsweise unter den hier in Betracht kommenden Gesichtspunkten elektrischen oder hydraulischen Vorrichtungen entspricht, die bereits in Geschwindigkeitsreglern Verwendung fanden und als"Dämpfungsorgane"oder"nachgebende Rückführung" od. dgl. bekannt sind.
Alle diese Vorrichtungen haben, selbst wenn sie verschieden aufgebaut sind, das Merkmal gemeinsam, dass sie aus passiven Elementen bestehen, die während der Zeitspanne, in der das sensible Organ versucht, den Fehler zu korrigieren, Energie aufspeichern, welche sie sodann mit einer ihnen eigenen Zeitkonstante, auf die die Vorrichtung geeicht ist, wieder abgeben.
Obwohl diese Vorrichtungen eine dämpfende Wirkung auf die Verschiebungen des Servomotors ausuben, kann man dabei nicht von einer tatsächlichen und unmittelbaren Kontrolle der Regelgeschwindigkeit sprechen, vor allem, weil die Wirkung dieser Vorrichtungen nicht in jedem Augenblick mit der Verschiebegeschwindigkeit des Servomotors im Einklang steht.
Der Sachverhalt wird unter Hinweis auf einen der bekannten Regler besser verständlich, bei denen eine ähnliche Vorrichtung an den Ausgang des Servomotors angeschlossen ist. Hiebei wird zunächst ein der Stellung des Servomotors proportionales Signal erzeugt, beispielsweise mit Hilfe eines Potentiometerwiderstandes, dessen Abgriffbürste mit der Stange des Servomotors verbunden ist, welches Signal einem
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Phaseneinstellkreis mit R-C-Gliedern zugeführt wird, in dem es in seiner Phase derart eingestellt wird, dass am Ausgang eine Spannung auftritt, die innerhalb gewisser Grenzen, als der Verschiebegeschwindigkeit des Servomotors verhältnisgleich angesehen werden kann. Diese Spannung wird schliesslich mit einem solchen Vorzeichen wieder an den Eingang des Reglers gelegt, dass die Bewegung des Servomotors verzögert wird.
Die Vorrichtung besteht, wie erwähnt, aus passiven Elementen, so dass Blindenergie gespeichert wird, die zu Einschwing- bzw. Ausgleichvorgängen führt, welche mit der gemessenen Grösse, im angeführten Beispielsfall mit der Verschiebegeschwindigkeit des Servomotors, nichts zu tun haben.
In der Praxis'führt die Verwendung einer derartigen Vorrichtung unter den hier in Betracht zu ziehenden Gesichtspunkten zur Einführung eines Blindelementes in den Regelkreis, welches noch dazu eine eigene Zeitkonstante aufweist.
Die erzielte Wirkung ist derjenigen ähnlich, welche in zahlreichen andern elektrischen Einrichtungen auftritt, bei denen im Gegenkopplungskreis ein Stabilisierungsblindelement eingeschaltet ist, wie
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kopplungskreis mit passiven Blindelementen, z. B. Kondensatoren oder Drosselspulen, enthalten, deren
Werte durch die Gesamtcharakteristik der Schaltung bestimmt werden. Dabei besteht ein Optimalwert für diese Elemente und wenn von diesem abgewichen wird, erreicht man entweder nicht oder nur unzu- reichend den vorgenommenen Zweck, oder es stellen sich Schwingungen ein, die durch die Elemente selbst hervorgerufen werden. Für den Fall allerdings, dass einige Bestandteile der Verstärkerschaltung ihrer
Eigenschaften mit der Zeit z.
B. durch Alterungserscheinungen stark verändern, werden auch die Stabil- sierungselemente nicht mehr ihren Optimalwert besitzen, wodurch sich die angeführten Mängel und
Nachteile ergeben.
Im Hinblick auf die dargelegten Betrachtungen besteht nun eine Analogie mit einer Anlage zur Er- zeugung von elektrischer Energie, beispielsweise einer Wasserturbine, welche stets durch ein elektrisches
Ersatzschema, das Verstärkerschaltungen enthält, dargestellt werden kann, wobei jedoch die Eigenart besteht, dass die Charakteristik der Schaltung sich für jeden Betriebszustand wesentlich verändert. Demzufolge ist es erforderlich, eine Stabilisierungsvorrichtung mit Blindelementen, wie sie im Geschwindigkeitsregler der Turbine Anwendung finden kann, getrennt für jeden Betriebszustand der Anlagezueichen, wobei ferner der Wirkungsbereich der Vorrichtung auf einen engen Bereich beschränkt weiden muss, um Instabilitäten beim Übergang von einem zu einem andern Betriebszustand zu vermeiden.
Die günstigste oder optimale Einstellung eines Reglers für Wasserturbinen, welche mit herkömmlichen Reglern versehen sind, die nur Stabilisierungselemente mit Energiespeicherung und eigener Zeitkonstante aufweisen, wie beispielsweise Beschleunigungsmesser, nachgebende Rückführung usw., stellt sowohl in mechanischer als auch in elektrischer Hinsicht ein schwieriges Problem dar. In der Praxis wählt man daher eine Kompromisslösung, u. zw. wird entweder eine Eichung der Elemente auf einem niedrigeren Wert als der günstigste Betriebswert vorgenommen oder es wird. für jeden Betriebszustand auf den günstigsten Wert geeicht und beim Verändern der Betriebsverhältnisse jeweils auf einen andern Wert umgeschaltet, was die Vorrichtung jedoch erheblich kompliziert und im Betrieb unsicherer gestaltet.
Zieht man in Betracht, dass auch der Beschleunigungsmesser eine Phaseneinstellvorrichtung ist, wenn er mit einer derart aufgebauten Vorrichtung zur Erzeugung einer vorübergehenden Ungleichförmigkeit verbunden ist, dann können sich dadurch Probleme ergeben, was die Unstabilität des Reglers anbelangt, sowie was die begrenzte Möglichkeit der getrennten Einstellung dieser beiden Elemente anbelangt. Es ist jedoch ein derart aufgebauter Regler bisher nicht bekannt geworden. Anderseits'ist es bekannt, dass es zur besseren Ausnützung der Vorteile der Regelung mit Beschleunigungsmessung günstig ist, über eine wirksame, unmittelbare Kontrolle der Verschiebegeschwindigkeit des Servomotors zu verfügen.
Der erfindungsgemässe Regler stellt derartige Regelcharakteristiken sicher, die dank der unmittelbaren Kontrolle der Geschwindigkeit des Servomotors die grösste Wirksamkeit des Beschleunigungsmessers ermöglichen, wobei gleichzeitig die oben erwähnten, sich bei Verwendung einer vorübergehenden Ungleichförmigkeit ergebenden Nachteile vermieden werden.
Dies wurde erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass beim elektrischen Regler, dessen Beschleunigungsmessteil und Geschwindigkeitsmessteil an sich bekannt sein kann, der an den Ausgang des Servomotors angeschlossene Generator keine passiven Blindkornponenten enthält und demnach in die Regelkreise keine Elemente einführt, die von sich aus zu einer Unstabilität führen könnten. Auf diese Weise kann ein Signal ausgenützt werden, welches tatsächlich und nur der Verschiebungsgeschwindigkeit des Servomotors proportional ist, wodurch es wieder möglich ist, die Beschleunigungsmessung viel weiter zu treiben, als dies normalerweise zulässig ist. Man erreicht somit eine Stabilität, die ansonsten in keiner Weise erzielbar ist.
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Eine Generatoreinrichtung dieser Art, welche vorteilhafterweise im erfindungsgemlssen Regler Verwendung finden kann, ist beispielsweise in einer andern Erfindung gleichen Datums der Patentinhaberin beschrieben. Die Erfindung wird an Hand einer praktischen Ausführungsform und eines allgemeinen Funktionsschemas nachfolgend näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die praktische AusfUhrungsform in einem vereinfachten Blockschema und Fig. 2 veran- schaulicht das Wirkungsprinzip der Erfindung ebenfalls in einem Blockschema.
Wie aus Fig. l hervorgeht, erzeugt ein an der Welle der Wasserturbine B angeordneter EinphasenWechselstromgenerator A eine Spannung, deren Frequenz der Drehgeschwindigkeit der Gruppe verhältnisgleich ist. Das vom Generator A kommende Signal mit der Frequenz f gelangt zu einer elektrischen Einrichtung C, an deren Ausgangsklemmen ein Signal auftritt, dessen Amplitude dem Frequenzunterschied A f bezüglich der festgelegten Frequenz verhältnisgleich ist.
Das Signal A f gelangt unmittelbar in eine Mischstufe D und ferner in eine Beschleunigungsmesseinrichtung E, welche der Mischstufe ein Signal liefert, das der Ableitung
EMI3.1
EMI3.2
EMI3.3
EMI3.4
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Der erfindungsgemässe Regler kann somit in allgemeiner Form durch ein Blockschema gemäss Fig. 2 dargestellt werden.
Dieses allgemeine Schema hat lediglich den Zweck, das Verständnis des Erfindungsgegenstandes zu erleichtern, wogegen die Anzahl und die Art der dargestellten Einzelelemente nicht bindend ist.
Die zu regelnde Einrichtung K wird nach dem gezeigten Schema mittels eines mechanischen Kraft- übertragungsorganes L, beispielsweise einen hydraulischen Servomotor, durch einen elektrischen Regler in Abhängigkeit von gewissen Regelgrössen, wie Frequenz, Beschleunigung, Leistung, Phase usw. gesteuert, wobei die auf diese Regelgrössen ansprechenden und sie in elektrische Signale übertragenden Organe für sich bekannt sein können und im Schema mit M bezeichnet sind.
Die weiteren Teile der Einrichtung entsprechen denjenigen der Ausführungsform nach Fig. l und sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Geschwindigkeitsregler, der auf elektrische Signale anspricht, die vorbestimmte Regelgrössen ausdrücken und der dazu bestimmt ist, ein zu regelndes System vermittels eines mechanischen Kraftübertragungsorganes, beispielsweise eines Servomotors, zu steuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgeschwindigkeit unmittelbar durch einen, mit dem Ausgang des Kraftübertragungsorganes verbundenen Generator kontrolliert wird, welcher somit Verschiebungen ausführt, die jenen des Kraftübertragungsorganes verhäItnisgleich sind und welcher eine Spannung erzeugt, deren Grösse in jedem Augenblick der Verschiebegeschwindigkeit des Kraftübertragungsorganes verhältnisgleich ist, während ihr Vorzeichen der Richtung dieser Verschiebung entspricht, wobei die so erzeugte Spannung an den Eingang des Reglers derart angelegt wird,
dass sie während der Einschwingvorgänge den durch die elektrischen Regelsignale verursachten Verschiebungen des Kraftübertragungsorganes entgegenwirkt.