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Drehzahlregeleinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehzahlregeleinrichtung, die aus einer Kette von Regelvor- richtungen besteht, und die Ist-Drehzahl ne der zu regelnden Maschine wenigstens annähernd auf eine gegebenenfalls einstellbare Soll-Drehzahl einregelt.
Alle Drehzahlregler zeigen grundsätzlich folgenden Aufbau (für die Darstellung des Schemas der
Fig. 1 ist das Blockschaltbild-System verwendet worden) bzw. umfassen folgende Elemente : eine Eingangsgrösse l, hier die Drehzahl Hg ; ein Element 2, das auf diese Grösse 1 anspricht und sie in einen elektrischem Strom oder in eine elektrische Spannung, eventuell auch in eine mechanische Verschiebung verwandelt, beispielsweise ein Tachometer ; ein Element 3. welches die willkürliche Änderung des vorgeschriebenen Soll-Wertes der zu regelnden Grösse gestattet, also eine Vorrichtung zur Änderung der Drehzahl, die durch einen Regelknopf 11 gesteuert wird ;
ein Element 4, das, je nach Lage des Falles, die Summe oder die Differenz der Wirkungen des Tachometers und der Drehzahländerung bildet, und dabei gegebenenfalls irgendeine zusätzliche Abhängigkeit berücksichtigt ; ein oder mehrere Verstärkerelemente 5, beispielsweise Relais oder hydraulische Schiebersteuerungen oder auch elektronische Verstärker, die dazu dienen, das Regelsignal zu verstärken, damit genügend Energie zur Verfügung steht, um die Regelarbeit ausführen zu können ; einen Servo-Motor 6, der die eigentliche Arbeit ausführt, indem er das Organ für die Regelung der Leistungsabgabe betätigt, beispielsweise den Schieber einer hydraulischen Turbine ; eine Ausgangsgrösse 7, beispielsweise die Öffnungswerte A des Schiebers einer Turbine ;
eine Rückführungs-Vorrichtung 8 mit veränderlicher Wirkung, die bei gleichbleibenden Bedingungen die Relation zwischen der Öffnung A und der zu regelnden Geschwindigkeit oder Drehzahl ne herstellt.
Weiters bedeuten : nt das vom Tachometer abgegebene Signal ; n, das von der Vorrichtung zur Drehzahländerung abgegebene Signal und E den Unterschied zwischen dem Soll-Wert und dem Ist-Wert der Drehzahl, nämlich : E = (nt - nc - Ò A) : IX die Geschwindigkeit der Verstellung des Servo-Motors ; 6 stellt den permanenten statischen Zustand dar und A bezeichnet die Öffnung des Schiebers, nämlich A =/ < x dt.
Diese Regelkette stellt, wenn sie in der üblichen Weise aufgebaut ist, jederzeit eine eindeutige und reziproke Beziehung zwischen der Ausgangsgrösse, beispielsweise der Öffnung A des Schiebers und der Eingangsgrösse, nämlich der Drehzahl ne, her. Die Beziehung gilt auch bei sehr kleinen Werten.
Wenn alle Maschinengruppen, die parallel arbeiten und ihre Energie in das gleiche Netz liefern, mit
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zelnen Regelorgane für die Energieabgabe würden ständig in Bewegung sein, um die gelieferte Leistung der verbrauchten Leistung, die sich ständig ändert, anzupassen.
Bestimmte Gruppen, die in die Netze einspeisen, weisen andere Soll-Werte auf als diejenigen, welche an der Drehzahlregelung teilnehmen. Tatsächlich arbeiten bestimmte Maschinen nach einem vorher genau bestimmten Programm oder in Abhängigkeit eines Wasserstandes. Also arbeiten diese Maschinen nicht mehr nach einer Frequenzregelung, sondern nach einem Leitapparatöffnungsbegrenzer, welcher z. B. vom Wasserstand betätigt wird. Übrigens lassen erfahrungsgemäss allzuviele hydroelektrische Energie-Er-
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zeuger ihre Maschinen mit den Öffnungsbegrenzern arbeiten. Sie können so konstante Energie liefern, was den Vorteil hat, dass die Leitapparate der hydraulischen Turbinen nicht immer in Bewegung sind. Durch die Bewegungen würden sich sonst die Leitapparate eher abnützen.
Diese Betriebsweise ist zwar im Normalfall durchaus zu gebrauchen, aber sie versagt völlig, wenn eine erhebliche Störung in einem der Verteilungsnetze auftritt. Es sei z. B. angenommen, dass eine Lei- tung ausfällt, die die Energie des Netzes X in das Netz Y liefert. Sofort würde das Netz X eine viel zu grosse elektrische Energie produzieren und die Frequenz würde zunehmen, während die im Netz Y produ- zierte Energie kleiner ist als die verbrauchte Energie, also würde hier die Frequenz sinken. Diese beiden
Frequenzänderungen hängen von mehreren Faktoren ab und stören ganz ausserordentlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden. Es geschieht dies dadurch, dass man in die Kette der Regelgeräte eine Vorrichtung einbaut, welche die Tätigkeit dieser Kette inner- halb eines einstellbaren Drehzahlbereiches, der die Solldrehzahl einschliesst, ausschaltet. Ausserhalb die- ses Bereiches wird die Tätigkeit der Kette automatisch eingeschaltet, so dass sie einwandfrei arbeiten kann. Die erfindungsgemässe Vorrichtung hat den Vorteil, dass wenn die Frequenzdrehzahl in einer ge- wissen Toleranz um den Soll-Wert bleibt, kleine Frequenzabweichungen nicht durch die Regulatorkette gelangen. Der Leitapparat der Turbinen würde in diesem Fall in Ruhe bleiben. Die Bereichsgrenzen bil- den zwei Schwellwerte, einen für die schnellen und einen für die zu langsamen Geschwindigkeitswerte.
Diese Schwellwerte sind einstellbar.
Kurz zusammengefasst lässt sich sagen, dass, wenn die Frequenz zwischen den gewählten Schwellwerten bleibt, der Leitapparat der Turbine ohne Mitwirkung der Öffnungsbegrenzungsvorrichtung in Ruhe bleibt und wenn eine grössere Änderung der Frequenz vorkommt, die Turbine einwandfrei regulieren kann, obwohl sie mehr oder weniger Energie produzieren muss.
In der Zeichnung ist eine Ausführungsform der Regeleinrichtung nach der Erfindung beispielsweise dargestellt. Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das der Erläuterung dient. Fig. 3 stellt ein allgemeines Schaltbild der Regeleinrichtung und Fig. 4 ein Schaltbild einer besonderen Ausführungsform mit dem Element für die Schwellwerte dar.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung weist zwei zusätzliche Elemente gegenüber der Kette nach Fig. 1 auf : Das-eine Element 9 misst die Grösse der Störung und vergleicht sie mit den vorher gewählten Schwellwerten, das andere Element 8,12 dient dazu, die abgegebene Leistung zu regeln, ohne dass eine Einwirkung auf die Vorrichtung zur Drehzahlregelung erfolgt.
Die Wirkungsweise des ersten Elementes 9 ist in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt. Wenn die unterschiedliche Eingangsgrösse E (also die Differenz zwischen dem Ist- und dem Soll-Wert der Drehzahl zwischen den beiden regelbaren Schwellwerten E unde bleibt, überträgt dieses Element keine Befehle auf den Verteilungsschieber 5, der unbeweglich stehen bleibt. Die von der Turbine abgegebene Leistung bleibt in dem Fall, in welchem die Regeleinrichtung auf eine hydro-elektrische Maschinengruppe angewendet wird konstant, auch in dem Fall, wenn kleine Schwankungen der Frequenz auftreten. Auf diese Weise ist die gleichnamige und reziproke Abhängigkeit zwischen der Ausgangsgrösse (das ist die Öffnung des Turbinenschiebers) und der Eingangsgrösse (das ist die Drehzahl der Turbine) bei kleinen Abweichungen unterdrückt.
Erzeugt dagegen der Umfang der aufgetretenen Störung ein Signal, welches grösser istals der gewählte obere Schwellwert oder sehr viel kleiner als der gewählte untere Schwellwert, dann überträgt dieses Element einen Befehl für die Bewegung, der eine Funktion der Differenz zwischen der Störung und dem zulässigen Grenzwert ist. In diesem Fall würden bei dem oben beschriebenen Beispiel der Verteilungsnetze X und Y sämtliche mit dieser Vorrichtung ausgerüsteten Maschinen an der Regelung teilnehmen, was zur Folge hätte, dass die Auswirkungen einer solchen Störung erheblich herabgesetzt würden.
Die Anordnung kann so getroffen werden, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Die Elemente 1 - 7 sind identisch den Elementen der Anordnung nach Fig. 1, mit Ausnahme des Summenbildner 4, wobei die Wirkung der Rüekführungsvorrichtung 8 unterdrückt worden ist, 10 stellt ein Summenbildner-Element dar.
Die Rückführungsvorrichtung 8 fügt ein Signal hinzu, das eine Funktion der Öffuungswerte des Regelorgans für die Leistungsabgabe und eines einstellbaren, vorgeschriebenen Öffhungswertes ist. Das Element 9 für die Schwellwerte ist dem in Fig. 2 dargestellten Element identisch, es ist hier hinter den Summenbildner 4 geschaltet.
Nunmehr gilt : nA = 6 (A-Ac), worin Ac dem vorgeschriebenen Öffnungswert entspricht. Anderseits gilt die Beziehung : eg = es-n.
Die Anordnung arbeitet folgendermassen :
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Sind die Störungen im Netz geringer Art, dann ist das Signal es = Null. Das Signal eg =-HA = S (A - Ac) wird von dem Summenbildner 10 übertragen und dieser betätigt den Verteilungsschieber 5 ; das Signal ist eine Funktion der Differenz zwischen dem tatsächlichen Öffnungswert A und dem willkürlich gewählten vorgeschriebenen Öffnungswert Ac, der durch den Regelknopf 12 symbolisch dargestellt ist.
Dieses Signal eg verursacht durch die Zwischenschaltung des Verteilschiebers 5 und des Servomotors 6 eine Änderung der Öffnung, so dass die Differenz A - Ac gleich Null ist. Stimmt der tatsächliche Öffnungswert A mit dem vorgeschriebenen ÖffnungswertAc (Soll-Wert) überein, dann ist die Grösse des Signals nA Null und der Servomotor 6 steht still.
Um die von der Maschine abgegebene Leistung zu ändern, genügt es, die Grösse Ae, also z. B. die vorgeschriebene Öffnung, die durch den Knopf 12 eingestellt wird, zu ändern.
Angenommen, in dem Verteilungsnetz trete eine erhebliche Störung auf und die Frequenz würde über den gewählten oberen Schwellwert (2 ansteigen, dann gilt die Beziehung
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Die Ausgangsgrösse des Elementes 9 für die Schwellwerte ist nun positiv. Sie wirkt unter Zwischenschaltung des Summenbildners 10 auf den Verteilungsschieber 5, der seinerseits eine Schliessbewegung des Servomotors 6 veranlasst, die aufhört, sobald das Signal eg Null sein wird.
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die Unterschiede zwischen der zu regelnden Drehzahl ne und der Solldrehzahl nc bestimmte Schwellwerte überschreiten.
Dabei ist zu beachten, dass der Betrag dieser Schwellwerte dadurch geregelt werden
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zahl von Ausführungsmöglichkeiten dieses Elementes 9 denkbar, deren Betrieb sich in ähnlicher Weise vollziehen kann.
Im übrigen könnte die Kette von Regelgeräten zusätzlich zu dem Tachometer einen Beschleuni- gungsmesser oder gegebenenfalls einen Dämpfungszylinder aufweisen.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung ist an Hand ihrer wichtigsten und interessantesten Anwendungsmöglichkeit, nämlich an derjenigen einer Gruppe von hydroelektrischen Maschinen beschrieben.
Die Regeleinrichtung nach der Erfindung kann aber selbstverständlich auch auf andem Gebieten der Technik als denjenigen der hydraulischen Turbinen Anwendung finden, beispielsweise bei Wärmekraftanlagen mit Verbrennungsmotoren, bei Gasturbinen oder Dampfturbinen oder auch bei Anlagen zur Ausnutzung von Kernenergie. So kann die Regeleinrichtung nach der Erfindung beispielsweise zur Steuerung eines Atommeilers angewendet werden, wobei die oben bezeichneten Bezugsgrössen für die Beeinflussung des Steuerschiebers einer hydraulischen Turbine ohne weiteres auf die Dämpfungselemente des Kernreaktors anwendbar sind, die in dem Meiler benutzt werden. In diesem Falle könnte das Aggregat rotierender Maschinen aus einer Dampfturbine bestehen, dessen zugehöriger Atommeiler der Teil wäre, der den Kessel heizt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehzahlregeleinrichtung, die aus einer Kette von Regelvorrichtungen besteht und die Ist-Drehzahl der zu regelnden Maschine wenigstens annähernd auf eine gegebenenfalls einstellbare Soll-Drehzahl einregelt, gekennzeichnet durch eine in die Kette der Regelvorrichtungen (2 - 8) eingefügte Vorrichtung (9), welche die Regelwirkung der Kette dann unterbricht, wenn die Ist-Drehzahl (ne) innerhalb eines einstellbaren Drehzahlbereiches liegt, der die Soll-Drehzahl (nc) einschliesst.