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Hydraulischer Rückführmechanismus für zur Drehzahlregelung dienende PI-Regler, insbesondere von Wasserturbinen
Die Erfindung bezieht sich auf einen hydraulischen Rückführmechanismus für zur
Drehzahlregelung dienende PI-Regler, insbesondere von Wasserturbinen.
Für eine kontinuierliche Zeit-Integrierung der Abweichungen der zu regelnden Grösse, z. B. der Drehgeschwindigkeit, verwendet man im Rückführkreis von proportional-integrierenden Reglern, die kurz als PI-Regler bezeichnet werden, bisher ölkatarakte, die aus einem mit einer drosselbaren Umführung versehenen Zylinder und aus einem in diesem verschiebbaren Kolben bestehen, der mit einer Rückdruckfeder ausgestattet ist.
Katarakte dieser Ausführung sind jedoch keine vollkommenen Zeit-Integratoren, insbesondere bei kleinen und langsam verlaufenden Anfangsänderungen der zu regelnden Grösse, hauptsächlich infolge der passiven Widerstände, welche die Bewegung des im Kataraktzylinder verschiebbaren Kolben ungünstig beeinflussen. Um die erwähnten passiven Widerstände zu beseitigen und damit die Empfindlichkeit der Regler zu erhöhen, ist es gebräuchlich, den Kolben in Schwingungen zu versetzen oder ihm eine Drehbewegung zu erteilen. Diese Massnahmen widersprechen jedoch den Bedingungen einer stetigen Zeitintegration und können daher nicht als geeignet bezeichnet werden.
Ziel der Erfindung ist daher ein hydraulischer Rückführmechanismus, der die erwähnten Unzulänglichkeiten und Mängel beseitigt, was erfindungsgemäss dadurch erreicht wird, dass er ein geschlossenes Windkesselgefäss mit einem ölraum und einem über den Olspiegel desselben befindlichen Luftraum aufweist, wobei der ölraum mit einem Zylinder in Verbindung steht und auf einen darin angeordneten, z. B. Membrankolben rückführend zur Einwirkung bringbar ist, und dass durch Verschieben eines Rückführkolbens das Volumen und der Druck der Luft im Raume änderbar ist.
Nach einem Merkmal der Erfindung kann der die Luft enthaltende Raum des Windkesselgefässes durch eine Drosselblende mit der Aussenluft verbunden sein.
Gemäss einem andern Merkmal der Erfindung kann der ölraum des Windkesselgefässes durch eine Drosselblende mit einem ölbehälter verbunden sein.
Da der erfmdungsgemässe Mechanismus keine bewegten Bestandteile aufweist, treten darin auch keine passiven Widerstände auf, daher ist der Verlauf der Zeitintegration der Abweichungen der zu regelnden Grösse absolut kontinuierlich. Im Vergleich zu den bekannten Katarakten ist der erfindungsgemässe Mechanismus nicht nur wesentlich einfacher, sondern auch besonders in bezug auf kleine oder langsam verlaufende Änderungen der zu regelnden Grösse bedeutend empfindlicher.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand von zwei Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind, näher erläutert. In diesen zeigt Fig. l eine Ausführung mit einer im oberen Teil des Windkessels angeordneten Drosselblende, sowie mit einem Rückführkolben, der direkt in den im unteren Teil des Windkessels angeordneten ölraum hineinragt und Fig. 2 eine Ausführung mit einer im unteren Teil des Windkessels angeordneten Drosselblende, wobei der Windkessel in einem Ölbehälter untergebracht ist, dessen Olspiegel dem atmosphärischen Druck ausgesetzt und der Ölraum durch ein Rohr mit einem Zylinder verbunden ist, in dem sich ein Rückführkolben befindet.
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In Fig. l wird in einen Zylinder-l-mit einem Membrankolben --2-- der mittels eines hydraulischen Pendels --HR-- abgestimmte Druck --pl-- zugeführt. Der Membrankolben--2-ist mit einer Zugfeder--3--verbunden, die entgegen dem abgestimmten Druck --pl-- wirkt. An den Membrankolben ist ein kleiner Steuerstiftschieber--5--angeschlossen, der in einem Körper --6-- öl höheren Druckes steuert, durch das ein Differentialkolben --7-- betätigt wird. Eine Kolbenstange -8-- verbindet den Differentialkolben--7--mit dem Waagebalken des Hauptsteuerschiebers und der Rückführung des Hauptservomotors.
Der verlängerte Oberteil des Differentialkolbens--7--bildet einen Rückführkolben --10--, welcher in einen kaum--0-- eines Windkesselgefässes --11-- hineinragt, in dessen oberer Partie sich ein Luftraum--V-befindet. Eine Luftblende --Cv-- verbindet den Luftraum-V-mit der Atmosphäre. Um den erforderlichen Durchflusswiderstand zu erzielen, kann man eine Drosselblende --Cv-- in Form von in Reihe geschaltete Teilblenden mit Einlagen aus porösen Stoff ausführen.
Beim Einschieben des Rückführkolbens --10-- in den ökaum --0-- steigt der Ölspiegel im Windkesselgefäss --1-- und bewirkt eine Erhöhung des Luftdruckes im Luftraum-V--. Der entstandene Überdruck wirkt mittels des öls auf den Fühler des Messorgans, d. h. auf den
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--2-- im Zylinder --1--,steht. Diese Wirkung dauert so lange an, bis der Luftüberdruck im Luftraum-V-auf dem Weg über die Drosselbende --Cv-- sich mit dem Druck der Aussenluft ausgeglichen hat.
Beim Ausschieben des Rückführkolbens--10-aus dem ölraum --0-- entsteht im Luftraum --V-- infolge des Absinkens des Ölspiegels ein Unterdruck gegenüber dem atmosphärischen Druck der Aussenluft. Auch dieser Unterdruck beeinflusst mittels des öls den Fühler des Messorgans, aber in diesem Falle in der entgegengesetzten Richtung. Dieser Unterdruck wirkt so lange, bis infolge des Rückfliessens von Luft, auf dem Wege über die Drosselblende --Cv-- in den Luftraum-V-ein Ausgleich mit dem Druck der Aussenluft zustande kommt.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die im Windkessel verdichtete Luft nicht entweichen und wirkt mit ihrem Überdruck auf das öl ein, welches durch eine Blende --Co-- in einen Behälter --N-- mit einem freien Ölspiegel abfliesst. Der mittels eines hydraulischen Pendels --HR-- abgestimmte Öldruck--pl--wird in den Zylinder--l--unter eine an einem Gegenkolben --4-- befestigte Membran --2-- geleitet. Eine Druckfeder --3-- belastet die Membran--2--, die mit einem Steuerschieber--5--verbunden ist. Dieser wird im Körper des Gegenkolbens-4-geführt und steuert öl höheren Druckes für den Verstärker, der den Bewegungen der Membran --2-- und des Gegenkolbens--4--folgt. Der Verstärker dient zum Verstellen eines Waagebalkens-X-mit der Vorsteuerung des Hauptschiebers.
Der Raum --0-- im Zylinder --1--, d.h. der Raum mit der Druckfeder--3--, ist durch das Windkesselgefäss --1-abgeschlossen, das in seinem unteren Teil --0-- das öl und in seinem oberen Teil in einem Raum
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Durch die Verbindung des Ölraumes --O-- des Winkesselgefässes --1-- mit dem ölraum des Behälters --N-- durch die Drosselblende--Co--wird es möglich, dass im kontinuierlichen Zustande, wo der Rückführkolben --10-- keinen Hub vollführt, die Ölspiegel sowohl im Behälter --N-- wie im Windkesselgefäss --1-- ausgeglichen sind und der Druck der im abgeschlossenen
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ÖlZylinder durch das Rohr--16--in den Ölraum --O-- des Windkesselgefässes --1--, in dem es infolgedessen zu einem Ansteigen des Ölspiegels und dadurch zu einer Druckerhöhung der im Raum - eingeschlossenen Luft kommt. Der entstandene Überdruck wirkt mittels des öles auf den Fühler des Messorgans rückführend, nämlich auf den Membrankolben --2-- im Zylinder --1--, der mit dem Ölraum --O-- ständig verbunden ist.
Die Wirkung dauert so lange, bis sich durch die Drosselblende--Co--, die im Behälter --N-- und im Windkesselgefäss --1-- herrschenden Drücke ausgeglichen haben, wobei der Überdruck im Raum --V-- auf den Druck der Aussenluft abfällt.
Beim Herausschieben des Rückführkolbens--10--aus dem Zylinder --15-- entsteht hingegen infolge Absinkens des Ölspiegels im Windkesselgefäss --1-- im Luftraum --V-- ein Unterdruck gegenüber dem Druck der Aussenluft und übt eine analoge Wirkung aus wie beim Rückführmechanismus gemäss Fig. 1. Dieser Unterdruck wirkt so lange, bis das Rückströmen von öl durch die Drosselblende--Co--aus dem Behälter--N--in den Ölraum --O-- aufhört, also bis zum Ausgleich des im Raum --V-- herrschenden Unterdruckes auf den Druck der Aussenluft.