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Belastungsausgleich für elektrisch betriebene Schiffshebewerke.
Die Erfindung löst die Aufgabe, für Schiffshebewerke ohne oder mit nur unvollkommenem mechanischen Belastungsausgleich, die elektrisch angetrieben werden, einen Belastungsausgleich für die elektrische Zentrale dadurch zu schaffen, dass die beim Senken des Schiffshebewerkes frei werdende Energie aufgespeichert und beim Heben zur Unterstützung der unmittelbar aus dem elektrischen Netz entnommenen Energie verwendet wird. Der Zweck der Einrichtung ist. die Spitzenbelastung, die das Schiffshebewerk verursacht, durch die Einrichtungen zum Belastungausgleich aufzubringen, während die elektrische Zentrale lediglich geringere Schwankungen aufzunehmen und herzugeben hat und bei völligem Ausgleich konstant mit der mittleren Belastung belastet ist.
Die Erfindung besteht darin, dass in an sich bekannter Weise als Energiespeicher ein Hochbehälter verwendet wird, in dem bei Energierückgabe des Schiffshebewerkes durch die überschüssige, frei werdende Energie Wasser oder eine andere Flüssigkeit aufgespeichert und au" dem bei grossem Energieverbrauch des Schiffshebewerkes der nicht durch die Zentrale geleistete Anteil entnommen wird. Die Pumpen zum Aufspeichern des Wassers werden elektrisch betrieben, das Wasser treibt seinerseits bei Entnahme aus dem Hochbehälter durch Wasserkraftmaschinen irgendwelcher Art elektrische Generatoren. Pumpen und Generatoren sind elektrisch mit dem Netz, durch welches Zentrale und die Antriebsmaschine des Schiffshebewerkes verbunden sind, gekuppelt und werden gemäss der Erfindung in Abhängigkeit von der Belastung der einzelnen Stromkreise geregelt.
Das allgemeine Schema der elektrischen Energieverteilung ist in Fig. i dargestellt. 1 ist der Elektromotor oder die Gruppe von Elektromotoren zum Antrieb des Hebewerkes, angeschlossen durch die Leitung 2 an ein elektrisches Netz 3. Die Zentrale 4 speist dieses Netz über die Leitung 6. An das Netz sind ferner angeschlossen über die Leitungen. 6, 7 und 8 der elektrische Generator 9 und zwei Elektromotoren 10 und 11 zum Antrieb von Pumpen. Der Generator 9 wird beispielsweise von einer Turbine angetrieben. Die Pumpen dienen zum Auffüllen des Behälters, während die Turbine aus ihm gespeist wird.
Es besteht nun die Aufgabe, die Pumpen rechtzeitig dann einzuschalten, wenn das Schiffshebewerk über die nunmehr als Generator arbeitende elektrische Maschine 1 durch die Leitung 2 elektrische Energie an das Netz 3 zurückliefert, und ferner den Generator 9 zur Energielieferung und damit zur Unterstützung der Zentrale 4 dann heranzuziehen, wenn die Zentralenleistung allein zur Lieferung der vom Hebemotor 1 erforderten Energie nicht ausreicht. Wann beim Betrieb diese Schaltungen vorzunehmen sind, zeigt in Fig. 2 das Fahrdiagramm des Schiffshebewerkes. Dies besteht in dem gewählten Beispiel aus einer schiefen Ebene mit trockenem Scheitel, auf welcher der Trogwagen zu Berg oder zu Tal fährt. Als Abszissen sind die Zeit in Minuten, als Ordinaten die elektrischen Leistungen in Kilowatt aufgetragen.
Vom Zeitpunkt a nach rechts gerechnet, ist zunächst eine Bergfahrt von 40 Minuten dargestellt, dann folgt eine Pause von 15 Minuten und darauf eine Talfahrt wiederum von 40 Minuten, an die wiederum
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dargestellt, die Periode der Energieverringerung, die beim Hinüberfahren des Hebezeuges über den trockenen Scheitel einsetzt. Die darauf folgende negative Belastungsspitze ergibt sich beim Herunterfahren vom trockenen Scheitel in die obere Haltung. In der Pause ist die Energieaufnahme des Schiffshebewerkes Null. Beim Punkt c beginnt das Wiederherauffahren der kurzen Strecke von der oberen Haltung bis zum trockenen Scheitel. Hierbei wird wieder Energie vom Schiffshebewerk verbraucht.
Die Energieaufnahme nimmt dann aber sofort ab, und es ergibt sich kurz darauf eine negative Belastung, d. h. starke Energierückgabe von 7200 Kilowatt beim Herunterfahren vom trockenen Scheitel bis zur unteren Haltung. Am Punkte d wird auch diese Energieabgabe Null, um in der darauf folgenden Pause auf diesem Wert zu bleiben. Bei e beginnt das Spiel von neuem. In der strichpunktierten Linie f ist die mittlere Leistung über die Zeit gerechnet dargestellt, sie beträgt 4340 Kilowatt. Bei genauem Belastungsausgleich wird die Zentrale konstant diese Leistung in das Netz zu liefern haben.
Beim Zeitpunkt al wird zum erstenmal die Zentralenleistung durch die vom Schiffshebewerk erforderte Energie überschritten. Von diesem Augenblick ab muss die Zentrale durch die Dynamo 9 unterstützt werden, entsprechend dem überschiessenden Diagramm. In der Fig. 3 ist dieser Teil des Diagramms in anderem Massstab der Deutlichkeit halber gezeichnet. Die
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Leistung des Generators 9 muss entsprechend der Linie al, a. allmählich ansteigen. Zu diesem Zwecke muss die ihn antreibende Turbine geregelt werden, und zwar muss die Wassermenge genau entsprechend der Linie al'a2 ansteigen. Vom Punkte b2 ab muss die Leistung der Turbine wieder abnehmen. Die horizontal schraffierte Fläche des Diagramms nach Fig. 2 muss also von der Turbodynamo geleistet werden.
Sinkt nach dem Zeitpunkte bl die Leistung des Schiffshebewerkes unter die Zentralenleistung und wird sie negativ, so sind die durch schräge Schraffur angegebenen Leistungen verfügbar und müssen durch die Pumpensätze 10 und 11 aufgenommen werden. Zweckmässig werden die Pumpensätze 10 und 11 nacheinander eingeschaltet, so dass der erste Pumpensatz 10 allein im Betriebe ist, solange die Schiffshebewerksleistung noch positiv ist. Wird sie negativ, so ist auch die Pumpe 11 noch anzustellen, die dann, die negative Spitze des Diagramms aufnimmt. Während der Pause bleibt allein der erste Pumpensatz 10 im Betrieb, der dann die alleinige Belastung der Zentrale darstellt.
Bei Beginn der Talfahrt steigt die Energieaufnahme des Schiffshebewerkes zunächst gemäss Linie c, Ci. Fig. 4 zeigt, wie die Leistung des Pumpensatzes 10 gemäss der gestrichelten Linie abnehmen muss, damit die Zentralenleistung konstant bleibt. Vom Punkte fi ab setzt dann der Turbinensatz 9 gemäss der Linie cl, c, ein, so dass die in Fig. 2 horizontal schraffierte Spitze wieder durch die Dynamo 9 hergegeben wird. Die schräg schraffierten Diagrammflächen dagegen, die nach Überschreiten des trockenen Scheitels auftreten, müssen durch die Pumpen 10 und 11 geleistet werden. Bei der Talfahrt wird also die Pumpe 10 fast während der ganzen Zeit der Talfahrt einschliesslich der Pause im Betrieb sein müssen, die Pumpe 11 dagegen nur soweit ein negativer Diagrammteil vorhanden ist.
Bei dem angenommenen Diagramm wird deshalb die Pumpe 10 für insgesamt 4340 Kilowatt, die Pumpe 11 für 7200 Kilowatt zu bemessen sein und dementsprechend ihre Antriebsmotoren. Die Dynamo 9 und ihre Turbine wird für gooo, 4340 bis 5660 Kilowatt zu bemessen sein.
Die Regelung der Pumpen und Turbinen geschieht durch Verstellung ihrer Schieber.
Diese Verstellung erfolgt durch Hilfsmotoren beliebiger Art, die durch elektrische Relais 12, 13, 14 gesteuert werden. Jedes dieser Relais ist mit zwei Spulen versehen, von denen die eine Spule an eine durchgehende Spannungsleitung 15 angeschlossen ist, die zweite Spule aber an einen in der Zentralenleitung liegenden Stromtransformator 16. Die Stromspule 17 und 18 des Turbinensatzes 9 und des ersten Pumpensatzes 10 sind stets abwechselnd einzuschalten, da, wie das Diagramm Fig. 2 zeigt, entweder nur der Generator 9 oder nur die Pumpe 10 in Betrieb sind. Und zwar ist die Turbine einzuschalten, falls die Stromaufnahme des Hebewerksmotors 1 die Zentralenleistung übersteigt, die Pumpe dagegen, falls umgekehrt, die Zentralenleistung die Hebewerksleistung übersteigt.
Die Umschaltung erfolgt durch ein Hilfsrelais 19, dessen eine Spule 20 an den Stromtransformator 16 der Zentrale, dessen zweite Spule z an einen entsprechenden Stromtransformator 22 in der Leitung 2 zum Hebewerksmotor eingeschaltet ist.
Beide wirken auf den Eisenkern des Relais 19 mit entgegengesetzt gerichteten Zugkräften. Es werden deshalb je nach Überwiegen des einen oder anderen die oberen Kontaktpaare 23 oder die unteren Kontaktpaare 24 geschlossen und dementsprechend entweder die Spule 18 der Pumpe oder die Spule 17 des Turbinensatzes eingeschaltet. Jede dieser Spulen wirkt nun mit der Spannungsspule des betreffenden Relais 12 oder 13 so zusammen, dass stets bei Änderung der Zentralenleistung eine Verstellung des zugehörigen Turbinen-oder Pumpenschiebers herbeigeführt wird, in dem Sinne, dass die Zentrale stets auf die gleiche Leistungsabgabe einreguliert bleibt.
Ist die Pumpe 10 im Betrieb und tritt bei Talfahrt oder beim Herunterfahren Vom trockenen Scheitel in die obere Haltung die negative Spitzenleistung von 7200 Kilowatt auf, so muss auch noch die Pumpe 11 eingeschaltet werden. Hierzu dient ein weiteres Differentialrelais 25, das als Rückstromrelais ausgebildet ist. Zu diesem Zwecke besitzt es ausser der Spannungsspule 26 eine Stromspule 27, die vom Stromtransformator 22 des Schiffshebewerksmotors gespeist wird.
Bei Stromabgabe des Schiffshebewerks addieren sich die Wirkungen beider Spulen und der Anker wird angezogen, das Kontaktpaar 28 des Relais geschlossen und somit die Stromspule 29 des Regulierrelais 14 gleichfalls an den Stromtransformator 16 der Zentrale angeschlossen. Nunmehr wird auch der Schieber des Pumpensatzes 11 so reguliert, dass die Zentralenleistung konstant bleibt.
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Zentrale an, während das Relais 25 als Rückstromrelais nur anspricht, wenn das Schiffshebewerk an das Netz zurückliefert. Damit ist die rechtzeitige Umschaltung der einzelnen Relaisspulen der Leistungsrelais 12, 13, 14 gewährleistet.
Durch die Wirkung dieser Leistungsrelais wird nicht nur die Leistung der einzelnen Maschinensätze 9, 10, 11 in der beschriebenen Weise geregelt, sondern auch die Inbetriebsetzung und Ausserbetriebsetzung der einzelnen Maschinensätze bewirkt, d. h. es wird die Energieaufnahme und Energieabgabe des als Belastungsausgleich wirkenden Hochbehälters entsprechend
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der Diagrammleistung geregelt. Die Anordnung des Hochbehälters selbst und seine Verbindung mit den Turbinensätzen ist nicht Gegenstand der Erfindung, sondern kann in an sich bekannter Weise gelöst werden. Zweckmässig wird man den Hochbehälter in der Höhe der oberen Haltung anordnen, doch ist dies nicht notwendig. Statt eines besonderen Hochbehälters kann auch die obere Kanalhaltung selbst als Speicher für das hinaufgepumpte Wasser dienen.
Bei dem gewählten Beispiel ist angenommen, dass die obere Haltung um zirka 20011Z über der unteren Haltung liegt und dass das Gewicht des ganzen auf einer schiefen Ebene laufenden Trogwagens des Schiffswerkes 5000 t beträgt.
Zweckmässig wird die Empfindlichkeit der durch die Relais 12, 13 und 14 gesteuerten Reguliervorrichtungen dann verringert, wenn die Belastung des betreffenden Maschinensatzes sich seiner Höchstleistung nähert. Zu diesem Zwecke ist beispielsweise am Leistungsrelais 13 ein Sperrmagnet 30 o. dgl. angebracht, der durch einen Stromtransformator 31 in der zugehörigen Stromleitung 7 gespeist wird. Dieser Sperrmagnet bewirkt, dass die Empfindlichkeit des Leistungsrelais 17 stark verringert wird, wenn die maximale Pumpenleistung von 4340 Kilowatt erreicht wird. Durch diese Verringerung verhindert man, dass bei dieser Belastungsgrenze der Pumpensatz keine höhere Leistung mehr aufnimmt und zwingt dadurch bei weiterer Verstärkung der Energieruckgabe den Pumpensatz 11 die weitere Leistungssteigerung aufzunehmen.
Man wird derartige Einrichtungen zur Begrenzung der Leistung zweckmässig immer dann anbringen, sowohl bei dem Pumpensatz wie bei dem Turbinensatz ; wenn mehrere Sätze gleicher Art nach-
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PATENT-ANSPRÜCHE: i. Belastungsausgleich für elektrisch betriebene Schiffshebewerke, gekennzeichnet durch eine Wasserkraftanlage, in der mit einer elektrisch betriebenen Pumpe die Energie aufgespeichert und aus der mit durch Wasserkraftmaschinen angetriebenen Stromerzeugern die Energie entnommen wird.