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Regeleinrichtung für Regelstrecken mit grosser Trägheit, insbesondere zur Aufrechterhaltung vorgeschriebener Wasserstände in
Schiffahrtswegen, Stauseen, Wasserkraftstufen u. dgl.
Die Erfindung betrifft eine Regeleinrichtung für Regelstrecken mit grosser Trägheit, die insbesondere zur Aufrechterhaltung vorgeschriebener Wasserstände in Schiffahrtswegen, Stauseen, Wasserkraftstufen u. dgl. verwendbar ist. Beim Betrieb von Schiffahrtswegen, aber auch bei der wirtschaftlichen Ausnut- zung von Wasserkraftstufen, ist die Einhaltung bestimmter Pegelstände von grosser Bedeutung, um einerseits die erforderliche Bodenfreiheit der beladenen Schiffe sicherzustellen und anderseits mit möglichst geringem Energieaufwand die notwendigen Pegelstände zu erhalten oder mit möglichst grossem Energiegewinn die zugehörigen Wasserkraftstufen zu betreiben.
Da bei der Handsteuerung von Wehren, Schleusen usw. sehr häufig das genaue Einhalten der aus wirtschaftlichen bzw. aus Sicherheitsgründen festgelegten Wasserstände nur schwer übersehbar ist, insbesondere wegen der verspäteten Auswirkung eingeleiteter Steuerbefehle, und weil die Handsteuerung wegen der dauernd notwendigen Bedienung auch zu kostspielig ist, wird bei wichtigen Wasseranlagen seit längerer Zeit eine automatische Konstanthaltung des Wasserspiegels angestrebt.
Die Erfindung geht von einer solchen Regeleinrichtung der einleitend geschilderten Art aus, bei der in einer zur Auslösung der Regelschritte dienenden elektrischen Regel-Brückenschaltung zumindest ein ver- änderbarer Rückführwiderstand vorgesehen und so geschaltet ist, dass er die Wirkung eingeleiteter, aber verzögert zur Auswirkung kommender Regelschritte vorwegnimmt, und bei der eine Verstellung dieses Rückführwiderstandes wenigstens annähernd entsprechend der Auswirkung des Regelschrittes erfolgt, so dass Pendelerscheinungen des geregelten Pegels vermieden werden.
Um bei einer solchen Einrichtung Verstellbewegungen in einfacher Weise den jeweiligen Erfordernissen anpassen zu können, ist erfindungsgemäss die Verstellung des Rückführwiderstandes durch einen zugehörigen Stellmotor und/oder die Verstellung des Stellgliedes der Regelstrecke während der Durchführung des Regelschrittes durch ein Zeitschaltglied veränderlich gemacht.
Insbesondere kann dabei die Rückstellung des Rückführwiderstandes in Abhängigkeit von dem Zeitschaltglied erfolgen. Als Zeitschaltglied kann ein mit verzögerter Ansprech- und/oder Abfallzeit ausgelegtes Relais dienen. Die Veränderung der Ansprech- und/oder Abfallzeit des Relais kann durch einen vorzugsweise gleichzeitig mit dem Rückführwiderstand verstellten Vorschaltwiderstand erfolgen.
Zweckmässig ist in Verbindung mit dem Rückführwiderstand eine Schalteinrichtung vorgesehen, welche die gewünschte Drehrichtung des Rückstellmotors einstellt.
Die geschilderte Erfindung und weitere Merkmale derselben werden im folgenden an Hand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. l zeigt eine erfindungsgemässe Regeleinrichtung mit einer Regel-Brückenschaltung, bei der nur eine Stromquelle für den Sollwertgeber und für die Rückführspannung benötigt wird ; Fig. 2 zeigt eine Regel-Brückenschaltung, in welcher zur Beseitigung des Proportionalfehlers der Rückführmotor bei der Rückstellung in eine selbstabgleichende Brücke geschaltet ist ; Fig. 3 zeigt eine ähnliche Schaltung, bei der eine exponentielle Rückführcharakteristik durch ein Schaltglied erzielt wird, das im Verhältnis zur relativen Regelabweichung zeitabhängig gemacht ist ; Fig. 4 stellt
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schliesslich ein schematisches Diagramm eines Regelvorganges dar.
In Fig. l ist schematisch das Prinzip einer Wasserstandsregelung mit Hilfe einer an sich bekannten
Brückenschaltung dargestellt. Der dem Wasserspiegel 1 folgende Schwimmer 2 hängt an einem Seil 3, das über eine Trommel 4 geführt und mit einem Gegengewicht 5 belastet ist. Durch die Drehung der Trom- mel 4 wird der Abgriff 6 eines Potentiometers 7 verstellt. Dadurch wird eine Brücke, die von einer Bat- terie 14 gespeist wird, verstimmt und in der Brückendiagonale, in welcher beispielsweise ein Dreipunkt- regler 8 liegt, fliesst ein Strom. Durch diesen Strom werden vom Regler 8 Folgerelais betätigt, durch die einerseits ein als Wendemotor ausgebildeter Stellmotor 9 für ein Wehrschütz 10 und anderseits ein Rück- führmotor 18 gesteuert werden, der Abgriffe zweier Potentiometer 13a, 13b verstellt, welche den Rück- führwiderstand 13 bilden.
Die Potentiometer 13a, 13b liegen zusammen mit dem Sollwertgeberpotentio- meter 12 in zwei Brückenzweigen, so dass die gemeinsame Batterie auch den Rückführwiderstand speist.
Durch die Verwendung getrennter Antriebsmotoren 9 und 18 für den Antrieb des Stellgliedes 10 und des Rückführwiderstandes 13 wird der sogenannte Proportionalitätsfehler und somit der erhebliche Nach- teil der bekannten Proportionalregelungen vermieden. Bei jeder Verstellung des Wehrschützes 10 durch den Stellmotor 9 wird eine wenigstens annähernd gleich grosse Auslenkung des Rückführwiderstandes 13 durch den zugehörigen Rückführmotor 18 bewirkt, die eine der später eintretenden Wirkung des Regel- schrittes annähernd entsprechende Rückführspannung erzeugt, welche die durch Verstellung des Abgriffes
6 verstimmte Regelbrücke abgleicht, den Steuerbefehl aufhebt und somit den Regelschritt auf die zum
Ausgleich der Regelabweichung erforderliche Grösse beschränkt.
Nach Abschluss des Regelschrittes wird der Motor 18 dazu verwendet, den Rückführwiderstand wenigstens annähernd in dem Masse, wie die Wirkung des Regelschrittes eintritt, wieder in seine neutrale Stellung zurückzustellen.
Da bei einer Abweichung der geregelten Grösse vom Sollwert die Auslenkung des Rückführwiderstan- des 13 in den meisten Fällen sehr viel rascher erfolgen muss als seine Rückstellung, ist nun erfindungsge- mäss ein Zeitschaltglied 19 mit einem Umschalter 20 vorgesehen, der es ermöglicht, die Rückstellung absatzweise vorzunehmen. Die Auslenkung des Rückführwiderstandes 13 erfolgt in der gezeichneten Ruhestellung des Umschalters 20. Die Rückstellung durch den Rückführmotor 18 erfolgt in Ruhelage des Reglers 8 durch zeitweilige direkte Anschaltung der Batterie 14 an den Rückführmotor 18. Die dafür nötigen Schaltglieder zur Drehrichtungsänderung sind in den Fig. 2 und 3 enthalten.
Eine weitgehende Anpassung der Rückstellung an die Betriebsbedingungen wird durch die Einstellbarkeit der relativen Einschaltdauer des Zeitschaltgliedes 19 ermöglicht, das in weiten Grenzen, etwa im Verhältnis 1 : 100, justiert werden kann.
Ausserdem kann die am Rückführmotor während des Rücklaufes anliegende Spannung in geeigneter Weise einstellbar gemacht werden. Die dadurch erzielte lineare Rückstellung entspricht zwar im allgemeinen nicht der Charakteristik normaler Regelstrecken, bei denen die Auswirkung eines Regelschrittes nach Ablauf der Totzeit zuerst stark und dann abnehmend in Form einer Exponentialkurve erfolgt. Trotzdem kann die lineare Rückstellung zweckmässig sein, weil durch sie in einfacher Weise die Totzeit und die dann beginnende, zuerst verstärkte, dann abnehmende Auswirkung Berücksichtigung finden kann. Da der Rückführwiderstand gewünschtenfalls vollständig in seine Ausgangslage zurückgestellt werden kann, ist eine praktisch vollständige Beseitigung des Proportionalfehlers möglich.
Der Dreipunktregler 8 ist vorzugsweise mit Transistoren bestückt, so dass auf Grund des geringen Verbrauchs keine Notwendigkeit für den Anschluss ans Netz besteht. Der Regler 8 kann im Notstrombetrieb vielmehr an die gleiche Batterie 14 angeschlossen sein wie die Brückenschaltung selbst. Wenn der Regler 8 entsprechend hochohmig ausgelegt ist, ist es ferner möglich, in eine weitere Diagonale der Brücke (nicht gezeichnet) noch andere Messinstrumente zur Überwachung des Regelkreises einzuschalten. Die Überwachung der einwandfreien Funktion der Regelbrücke kann aber auch in anderer Weise erfolgen, etwa durch Einführung eines überlagerten Wechselstromes in den Galvanometerzweig, welcher nur bei ordnungsgemässem Befund der Brücke fliesst und der an einer zweiten Stelle wieder abgenommen wird.
Bei Unterbrechung eines Aussenzweiges der Brücke kann ausserdem in jedem Falle durch die eintretende grosse Verstimmung ein Warnkontakt des Reglers betätigt oder ein gegebenenfalls vorgesehener zweiter Regler mit entsprechend grösserem Kontaktbereich zum Ansprechen gebracht werden, wodurch eine Warnung ausgelöst wird.
Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, bei welcher der Sollwert (an dem im Potentiometer lla, 12a und llb, 12b unterteilten Widerstand 12) und die Empfindlichkeit der Rückführung (an dem im Potentiometer 21a, 21b unterteilten Widerstand 21) getrennt eingestellt werden können.
Diese Schaltung ist speziell für Regelaufgaben in hydraulischen Anlagen mit grossen Zeitkonstanten geeignet und ergibt bei einfachem Aufbau eine grosse Regelstabilität durch Einführung eines grossen Pro-
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portionalitätsanteils sowie eine sehr hohe Regelgenauigkeit durch Aufhebung des Proportionalitätsfehlers infolge Rückstellung des Rückführwiderstandes 13 in seine Ausgangslage in dem Masse, wie die Wirkung des eingeleiteten Regelschrittes eintritt. Während der Dauer eines Regelschrittes wird der Rückführwiderstand
13 durch einen gleichzeitig mit dem Stellmotor 9 eingeschalteten Rückführmotor 18 so lange verstellt, bis die Brücke abgeglichen ist, wodurch der Regelschritt beendet wird.
Im allgemeinen wird die Rück- führung derart bemessen, dass nur 80 - 900/0 der notwendigen Verstellung durchgeführt und der Restfehler erst später beseitigt wird. Dadurch wird eine Überregelung in jedem Falle vermieden und eine asympto- tische Annäherung an den neuen Ruhezustand, den Sollwert, erreicht.
Um die weitgehende Anpassung der Rückführung an die gewünschte Exponentialfunktion zu erhalten, erfolgt die Auslenkung des Rückführwiderstandes mit hoher Spannung und die Rückstellung mit kleinerer
Spannung. Dies wird dadurch erreicht, dass der Rückführmotor 18 für sich in eine selbstabgleichende Brük- kenschaltung geschaltet ist, die von Widerständen 24,25, einem Potentiometer 26 und einer Diagonale
27 gebildet wird. In der Diagonale 27 liegen der sich mittels eines Abgriffes 28 am Potentiometer 26 selbstabgleichende Rückführmotor 18, das erfindungsgemässe Zeitschaltglied 19 mit dem Schalter 20, ein verstellbarer Widerstand 29 und ein vom Regler 8 gesteuerter Drehrichtungsumschalter 30. Unter Umstän- den wirkt sich der ausgeführte Regelschritt erst im Verlauf einer längeren Zeitspanne aus.
Durch das Ein- schalten des Rückführmotors 18 in die selbstabgleicheude Brücke wird der von ihm gesteuerte Abgriff des
Rückführwiderstandes 13 allmählich wieder in die Sollstellung oder zumindest in seine Nähe gebracht.
Es würde nämlich ein neuer, aber gegenläufiger Regelschritt eingeleitet werden, wenn der Rückführ- widerstand nicht in Anpassung an die langsam erfolgende Regelauswirkung zurückgenommen würde. Er- zielt wird dies durch die in weiten Grenzen in ihrem Zeitverhalten einstellbare Rückstelleinrichtung für den Rückführwiderstand. Damit ist aber einerseits eine selbsttätige Begrenzung des Regelschrittes und an- derseits die Unterdrückung von Pendelerscheinungen des geregelten Pegels gewährleistet. Die beschriebe- ne selbstabgleichende Brückenschaltung kann aber auch in vorteilhafter Weise in sehr weiten Grenzen durch den Einbau eines Getriebes mit veränderlichem Übersetzungsverhältnis zwischen Motor und Potentiometerwiderstand der jeweiligen Regelaufgabe angepasst werden.
Selbstverständlich kann neben der Rückführung mittels Proportionalwiderstand mit Rückstellung auf
Null auch eine Differential- und echte Integralaufschaltung erfolgen.
In Fig. 3 ist eine andere Möglichkeit aufgezeigt, um die Rückstellung des Rückführwiderstandes möglichst weitgehend der gewünschten Exponentialkurve anzupassen. Hiefür ist zunächst ein Getriebe 31 mit Totgang vorgesehen, beispielsweise ein vom Rückführmotor 18 gesteuerter Mitnehmer mit einer Gabelkupplung, deren Spreizwinkel einstellbar ist.
Mit Hilfe dieser Einrichtung erfolgt während des Durchlaufens des Totwinkels der Gabel 31 noch keine Rückstellung des Rückführwiderstandes 13, wodurch eine Totzeit der Regelstrecke in der noch keine Wirkung des Regelschrittes eintritt, berücksichtigt werden kann. Um aber den Totgang bei der Einleitung der Rückführung während des Regelschrittes auszuschalten, ist die Gabel 31 als Kontakteinrichtung ausgebildet, so dass der Stellmotor 9 erst dann eingeschaltet wird, wenn der Totwinkel der Gabelübertragung durchlaufen ist. Bis zu diesem Zeitpunkt läuft lediglich der Rückführmotor 18 für den Rückführwiderstand 13, wobei also weder das Stellglied noch der Abgriff des Rückfürwiderstandes bewegt werden.
Weiterhin ist bei dieser Anordnung ein Steuerrelais 32 mit veränderlicher Abfallzeit vorgesehen, dem parallel ein Dämpfungskondensator 33 geschaltet ist. Der Kondensator 33 wird mit einem veränderlichen Strom bis zur Erreichung der Ansprechspannung des Relais 32 aufgeladen, wobei der Strom an einem Widerstand 34 mit Mittelanzapfung eingestellt wird. Der Abgriff 35 dieses Widerstandes wird gleichlaufend mit dem Abgriff des Rückführwiderstandes 13 vom Rückführmotor 18 gesteuert.
Übereinstimmend mit den Bezeichnungen der früher beschriebenen Schaltungen ist mit 7 das Potentiometer des Gebers 2,4 bezeichnet. 6 ist der zugehörige Abgriff, 8 der Regler mit Minimal-MaximalSteuerkontakten, 9 der Stellmotor, 12a und 12b sind die Teilwiderstände des Sollwertgebers, 13 ist der Rückführwiderstand, 14 die Gleichstromquelle, 18 der Rückführmotor, 31 der Gabelmitnehmer mit dem Steuerkontakt für den Stellmotor 9,32 das Unterbrecherrelais für die Rückstellung des Rückführwiderstandes 13 mit einem Ruhestromkontakt als Selbstunterbrecher, 33 der Kondensator zur Veränderung der Ansprechzeit und sehr starker Dehnung der vorzugsweise unveränderlichen Abfallzeit, 34 ein mit der Rückführwiderstandsauslenkung verstellbarer,
symmetrischer Vorwiderstand zur Verlängerung der Ansprechzeit durch Herabsetzung der Ladestromstärke des Kondensators 33 bei zunehmender Auslenkung, 36 ein Festwiderstand zur Gewährleistung einer minimalen Ansprechzeit, 3 i sind Kontaktbahnen für den Rückstellvorgang des Rückführwiderstandes 13 (Drehrichtungsumschaltung bzw. Abschaltung in der Ruhelage), 38 sind Relaiskontakte für den Stellmotor 9, 39 ist der Relaiskontakt für Auslauf und Rückstellung des Rück-
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führmotors 18 und 40 ist das Wechselstromnetz.
Selbstverständlich kann die Schaltung auch so getroffen sein, dass für alle Aggregate nur eine Gleichstromquelle notwendig wird. Insbesondere hat dies den Vorteil, dass bei den modernen Sektorwehren, die selbsthydraulisch arbeiten und deshalb nur äusserst geringe Verstellkräfte benötigen, auch bei Netzausfall die elektrischenstellglieder mit so kleinen Antriebsleistungen ausgelegt werden können, dass die Verwendung von Gleichstrommotoren mit einer sehr geringen Leistungsaufnahme aus dem Notstromaggregat bzw. einer relativ kleinen Notstrombatterie möglich ist.
Die am Beispiel nach Fig. 3 erläuterte Berücksichtigung der Totzeit der Regelstrecke durch Verwendung eines Getriebes oder Mitnehmers mit einstellbarem Totgang kann auch auf andere Weise eingeleitet werden, z. B. durch ein Zeitschaltglied, welches die Rückstellung des Rückführwiderstandes nicht sofort nach Beendigung des Regelschrittes, sondern mit der gewünschten Zeitverzögerung (vorteilhaft gleichzeitig mit dem Beginn der Auswirkung des Regelschrittes) bewirkt.
In ähnlicher Weise, wie die Rückstellung des Rückführwiderstandes 13 mit zeitlichen Unterbrechungen, also mit einer einstellbaren relativen Einschaltdauer des zugehörigen Rückführmotors 18, vorgenommen werden kann, besteht die Möglichkeit, die relative Einschaltdauer des Stellmotors 9 (für das Stell-
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verändern. Es kann dadurch eine gegebenenfalls notwendige Anpassung des Gradienten der Rückführspan- nung an einem mit der Verstellung des Stellgliedes veränderlichen Durchgriff auf die Regelstrecke erreicht werden, z. B. eine Berücksichtigung der Sinusfunktion der Wasserspiegeländerung bei der Bewegung eines Drehschützes für die Steuerung des Stauspiegels.
In Fig. 4 ist an Hand eines Diagramms die Funktion der beschriebenen Einrichtungen erläutert. Die Kurve 50 stellt die Messspannung in der Brückendiagonale dar, die am Potentiometer 7 abgegriffen wird.
Die Totzeit ist bei 52 beendet. Die Kurve 51 stellt die Rückführspannung bei absatzweiser Rückstellung des Rückführwiderstandes 13 unter Berücksichtigung der Totzeit und Annäherung an die gewünschte Exponentialkurve dar. Mit 53 ist der Schwellwert des Reglers gekennzeichnet. Die bei Verwendung einer selbstabgleichenden Brückenschaltung für die Rückstellung des Rückführmotors 18 wenigstens annähernd erreichbare Exponentialkennlinie ist mit 54 bezeichnet und gestrichelt dargestellt.
Dar Ablauf eines Regelschrittes geht dabei wie folgt vor sich : Bei einer Auslenkung des Abgriffes des Geberpotentiometers 6 wird nach dem Erreichen des Schwellwertes 53 ein Steuerbefehl gegeben, der so lange andauert, bis die Brücke'7, 8, 13, 14 durch Verstellung des Rückführwiderstandes 13 wieder abgeglichen ist. Bei der Rückstellung des Rückführwiderstandes 13 muss die Summe der Restfehlerspannung und der Rückführspannung kleiner als der Schwellwert 53 des Reglers 8 sein, damit keine neuen, fehlerhaften Steuerbefehle entstehen.
Die Anwendbarkeit der erfindungsgemässen Einrichtung beschränkt sich nicht auf die Regelung des Wasserstandes in Schiffahrtskanälen, die durch einen natürlichen oder künstlichen Zufluss (z. B. durch Rückspeisung mittels Speisepumpe zur Rückförderung der im Schleusenbetrieb verbrauchten Wassermengen) bedient werden, sondern ist auch bei selbsttätigen Abflussregelungen für Stauseen und Staustufen an Flusskraftwerken durch Regelung der zugehörigen Wehrkörper und Turbinen gegeben. Für alle diese Aufgaben ist die neue Einrichtung wegen der grösseren Stabilität der Regelung mit herabgesetzter Schalthäufigkeit und grosser Betriebssicherheit der benutzten Organe besonders vorteilhaft anwendbar.
Schliesslich ergibt sich der weitere Vorteil, dass für den Aufbau der erfindungsgemässen Einrichtung ausschliesslich einfache und betriebssichere Bauelemente verwendet werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeleinrichtung für Regelstrecken mit grosser Trägheit, insbesondere zur Aufrechterhaltung vorgeschriebener Wasserstände in Schiffahrtswegen, Stauseen, Wasserkraftstufen u. dgl., bei der in einer zur Auslösung der Regelschritte dienenden elektrischen Regel-Brückenschaltung zumindest ein veränderbarer Rückführwiderstand vorgesehen und so geschaltet ist, dass er die Wirkung eingeleiteter, aber verzögert zur Auswirkung kommender Regelschritte vorwegnimmt, und bei der eine Verstellung dieses Rückführwi- derstandes wenigstens annähernd entsprechend der Auswirkung des Regelschrittes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Rückführwiderstandes (13) durch einen zugehörigen Stellmotor (18) und/oder die Verstellung des Stellgliedes (10)
der Regelstrecke während der Durchführung des Regelschrittes durch ein Zeitschaltglied (19, 20 ; 32,33) veränderlich gemacht ist.