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Indirekt wirkender Regler mit Rückführung.
Das Prinzip des indirekt wirkenden Regelungsverfahrens beruht darauf, dass ein mit der Antriebsmaschine gekuppelter Fliehkraftregler im Wege einer Steuerung die Einschaltung einer Hilfskraftmaschine (Servomotor) zur Veränderung der Leistungszufuhr bewirkt, wobei mittels der Rückführung das Überregeln verhindert wird. Die entsprechende allgemein bekannte Anordnung ist schematisch in Fig. 1
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Rückführhebel zeigt, der an der Reglermuffe und der Kolbenstange des Servomotors R und dessen Schiebers D angelenkt ist,
Die modernen Ausführungen indirekt wirkender Regler stellen nun Anordnungen vor, bei denen im allgemeinen die Rückführung derart eingerichtet ist, dass bei kleinen und grossen Belastungsänderungen die Regelungsvorgänge nach Möglichkeit verschieden verlaufen.
Zur Aufklärung dieser grundlegenden Angabe sollen im folgenden zwei Grenzfälle, die sogenannte schleichende (1) und die sogenannte rasche Drehzahländerung (11) besprochen werden. Der erste Fall 1 ist jener, in dem aus irgendeiner Ursache die Drehzahl der Maschine sich sehr langsam ändert, wobei die Beschleunigung bzw. Verzögerung des Aggragates sehr klein sein wird. Dieser Fall 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschleunigung der Drehzahl eine sehr geringe ist. Der zweite Fall 11 ist jener, in dem sprunghafte Änderungen des Beschleunigungszustandes eintreten, wie dies plötzlichen Belastungsänderungen entspricht. Das Kennzeichnende dieses Falles 11 liegt also darin, dass bei fast noch gleichbleibender Drehzahl augenblicklich eine sehr grosse Beschleunigung bzw. Verzögerung auftritt.
Alle Fälle der Praxis spielen sich nun zwischen diesen beiden Grenzfällen ab, deren Betrachtung genügt, um auf alle Zwischenfälle schliessen zu können.
Die Hauptforderungen, die an ein gutes Regelungsverfahren gestellt werden, sind relativ kleine Drehzahlschwankungen und möglichst schwingungsfreier, d. h. stark gedämpfter Regelungsvorgang.
Unter Berücksichtigung dieser Umstände müssen sich dann die Regelungsvorgänge in den Fällen 1 und 11 wie folgt abspielen :
Bei 1 : Jeder Regler weist unbedingt einen wenn auch noch so kleinen toten Spielraum auf, der teils von Überdeckungen, teils von mechanischen Einflüssen herrührt. Bei schleichender Drehzahl- änderung wird nun, wenn der Regler dieses tote Spiel durchlaufen hat, eine Eröffnung des Verteilschiebers statthaben, die aber, um die Überregelung unbedingt zu verhindern, sofort wieder unterbrochen werden muss, da im Gegenfalle Überregelung und in deren Folge Schwingungen auftreten. Es muss daher die Rückführung so rasch wirken, dass das Steuerorgan D sofort wieder in seine Mittellage zurückgeführt bzw. geschlossen wird.
In diesem Falle wird also die Rückführung so rasch arbeiten müssen, dass sie eine zu grosse Eröffnung des Steuerorgans verhindert, womit eine Bremsung des Kolbens der Hilfskraftmaschine R bewirkt wird. Die Zone, innerhalb der sich diese Steuervorgänge abspielen, soll als Bremszone bezeichnet werden.
Bei 11 : Falls eine plötzliche Belastungsänderung eintritt, wird eine äusserst rasche Verstellung des Servomotors notwendig sein, um einerseits die höchste Drehzahlschwankung möglichst klein zu halten und um anderseits den Regelungsvorgang möglichst abzukürzen. Die Rückführung soll also die Eröffnung des Schiebers nicht hindern, sondern vielmehr eine sofortige und genügend lange und rasche Eröffnung gestatten. Diese Forderung ist sohin der im Falle 1 erhobenen gerade entgegengesetzt.
In der Praxis wird man diesen beiden einander widersprechenden Forderungen in annähernder Form durch sogenannte nachgiebige Rückführungen oder gleichwertige Ausführungen nach Möglichkeit
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gerecht ; aber bei allen diesen Ausführungen muss der Regler, ehe er die grossen Steuerquerschnitte freigeben kann, durch die Bremszone hindurchgehen. Da nämlich der Regler-wenn man so sagen kann-nicht beseelt ist, also bei Beginn der Regelbewegung nicht weiss, ob es sich um eine grosse oder kleine Belastungs- änderung handelt, so wird die Rückführung im ersten Augenblicke in allen Fällen bremsend wirken und damit den Regelungsvorgang unmittelbar verzögern.
Da es also unmöglich ist, die zwei sich widersprechenden, aus den Fällen 1 und 11 sich ergebenden Forderungen in vollem Masse gerecht zu werden, so musste in der Praxis zwischen diesen beiden grundlegenden Regelungsforderungen ein Ausgleich gesucht werden, und tatsächlich zeigen im allgemeinen alle indirekt wirkenden Regler Lösungen, bei denen die
Genauigkeit mehr oder weniger auf Kosten der schwingungsfreien Regelung erkauft wird.
Das Grundlegende der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dass zwei voneinander unabhängige
Regelungsvorgänge hervorgerufen werden, wobei aber-und das ist das Wesentliche der Erfindungdie Forderungen 1 und Ilkeine gleichartigen, sondernihrer Verschiedenheit entsprechend, zweiverschiedene Erfüllungen erfahren. Bei einer schleichenden Drehzahländerung (Fall 7) muss die Auslösung der Regelbewegung von der Drehzahl bzw. Winkelgeschwindigkeit aus erfolgen, weil ja nur die Drehzahl jene Grösse ist, die sich merklich ändert, während die Beschleunigung oder Verzögerung unbedeutend ist. Bei einer raschen Drehzahländerung (Fall 77), die einer plötzlichen Belastung folgt, muss die Auslösung der Regelbewegung von der von der Belastungsänderung primär erzeugten Beschleunigung bzw.
Verzögerung abgeleitet werden, die die eigentliche Ursache der Drehzahländerung ist.
Zusammenfassend kann daher gesagt werden, dass die Durchführung des der Erfindung zugrunde liegenden Regelungsverfahrens daher zwei Regelungssysteme erfordert, von denen eines langsam sich vollziehende Drehzahländerungen ausgleicht, das zweite mit Hilfe des Beschleunigungszustandes angemessene Regelbewegungen hervorruft. Beide Regelungssysteme müssen voneinander unabhängig sein und die Anordnung muss derart gewählt werden, dass sich die zur Wirkung gelangenden Komponenten der beiden Systeme der Richtung und der Grösse nach sinngemäss summieren. Hiezu eignen sich die bekannten, mit einem Beharrungsregler verbundenen Fliehkraftregler.
Demgemäss liegt das Wesen der den Gegenstand der Erfindung bildenden indirekt wirkenden Regler darin, dass nebst dem normalen, direkt von der Muffe betätigten Gestänge, welches dabei auch unter dem Einflusse einer Rückführung steht, ein weiteres Organ angeordnet ist, das nur durch die ein gewisses Mass übersteigenden Beschleunigungen des Reglers in Wirksamkeit gesetzt wird und die ihm erteilten Impulse auf das normale Reglergestänge in der Weise weitergibt, dass die dem letzteren hiedurch erteilten Regelbewegungen additional zu jenen hinzutreten, die das normale, an der Muffe direkt angreifende Gestänge ausführt.
In Fig. 2 und 3 einerseits und 4 und 5 anderseits sind zwei Ausführungsbeispiele solcher Regler dargestellt.
Bei der in Fig. 2 und 3 schematisch an einem teilweise geschnittenen Aufriss und einem Querschnitt nach A-A der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform wird zur Indizierung der Beschleunigung eine sich drehende Masse h herangezogen, die vermöge ihrer Trägheit entsprechende relative Bewegungen zur treibenden Welle ausführt. Die in einem Halslager 2 lotrecht unverschiebbar gelagerte hohle Reglerwelle 0 des Fliehkraftreglers m trägt einen im Halslager 3 aufgehängten Schwungring h, der mit der Hohlwelle 0 elastisch gekuppelt ist, was bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiele in der Weise erfolgt, dass die Enden der starren. Arme a der Hohlwelle D mit den in dem Schwungring angeordneten Ösen 5 durch zwei Feder- paare {, t (siehe Fig. 3) verbunden sind.
In der axialen Bohrung des Schwungringes h ist unverdrehbar längs des Keiles v1 eine mit Rechts-und Linksgewinden ausgestattete Manschette v geführt. Das Stellorgan des Reglers wird von den beiden Spindelteilen n, N gebildet, die an ihren einander zugewendeten, mit entgegengesetzten Schraubengewinden versehenen Enden M\ Nl durch die ein Schraubenschloss bildende Manschette v miteinander verbunden sind ; am oberen Ende des Teiles n der Stellspindel sind die Reglerpendel angelenkt, während das untere Ende des Spindelteiles N mit der Stange des Verteilschiebers bei z in'der Weise verbunden ist, dass die Schieberstange bei Drehungen des Spindelteiles N in Ruhe verbleibt, bei Auf-und Abwärtsbewegungen jedoch mitgenommen wird.
Die Wirkungsweise dieser Einrichtung ist folgende : Bei gleichbleibender Drehzahl oder schleichender Änderung derselben wird der Schwungring h mit der Reglerwelle gleichmässig sich drehen. Demgemäss Wird der Regler bei schleichender Drehzahländerung wie ein gewöhnlicher, indirekt wirkender Regler arbeiten, indem die Reglerpendel den Verteilschieber auf-und abwärts bewegen und die Rückführbewegung in bekannter Weise eingeleitet werden ; es wird sohin, wie dies für schleichende Drehzahländerungen erforderlich ist, nach Durchlaufen des Totganges und dem Eintreten der Eröffnung des Verteilschiebers eine hier nicht dargestellte Rückführung bekannter Ausführung in Wirkung treten und die Steuerorgane sofort wieder in Mittellage zurückführen.
Bei erheblichen Änderungen der Belastung und der Drehzahl wird der Schwungring h gegen die Reglerwelle 0 voreilen oder zurückbleiben und dabei mittels der Hülse v, die das Rechts-und Linksgewinde enthält, eine Verkürzung bzw. Verlängerung der Steuerspindel n, N herbeiführen. Dadurch wird unabhängig von der augenblicklichen Bewegung der Steuerspindel n, N selbst eine rasche Eröffnung des Steuerschiebers veranlasst und eine sinngemässe Regelungsbewegung eingeleitet.
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Es wird sonach bei diesem Regler der Anstoss zur Verstellung des Steuerorganes bei schleichender Drehzahländerung vom Fliehkraftpendel, bei erheblicher Drehzahländerung von der Schwungmasse h gegeben werden.
Die in den Fig. 2 und 3 gezeigte Ausführungsform des Reglers ist mit dem mehr oder weniger, allen Beharrungsreglern bzw. auf dem Beschleunigungsprizipe beruhenden Reglern innewohnenden Fehler behaftet, dass durch die Schwingungen der Beharrungsmasse selbst ein unliebsames, störendes Moment in den Regelungsvorgang eintritt, weshalb diese Schwingungen durch eigene Ölbremsen abgefangen werden müssen. Im nachfolgenden ist eine Ausführungsform dieses Reglers gezeigt, der die obenerwähten
Nachteile nicht aufweist.
Wie bekannt, ist die Beschleunigung bzw. Verzögerung die Änderung der Geschwindigkeit in der Zeiteinheit. Ein Abbild der Geschwindigkeit der Maschine bildet die jeweilige Höhenlage der Reglermuffe, da ja jeder Gleichgewichtslage der Muffe eine bestimmte Winkelgeschwindigkeit der Maschine zugeordnet ist. Mit grosser Annäherung kann man daher die Änderung der Geschwindigkeit der Maschine, durch die Änderung des Hubes der Muffe in der Zeiteinheit erestzen. Letzteres ist aber nichts anderes als die
Geschwindigkeit der Muffe selbst, die sonach ein Abbild der Beschleunigung der Maschine darstellt.
Die
Geschwindigkeit der Pendelmuffe kann nun auf verschiedene Weise zur Einleitung von Regelbewegungen herangezogen werden ; eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 4 als Geschwindigkeitsindikator und ihre Anwendung auf indirekt wirkende Regler in Fig. 5 schematisch dargestellt.
In einen mir 01 gefüllten Behälter W (Fig. 4) taucht ein Verdrängerp und ein kleiner Kolben der durch entsprechende Federn f, f in seiner Mittellage gehalten wird ; der Behälter W steht mit einem offenen Ölbehälterw durch eine kleine Kataraktöffnung k inverbindung. Bei einer gewissen Geschwindigkeit des Verdrängers p wird sich der Kolben q in eine bestimmte Lage einstellen, so zwar, dass die hiebei auftretenden Federkräfte eine Ölpressung hervorrufen, die genügt, um die vom Verdränger p verdrängte Olmenge durch die Kataraktöffnung k in den offenen Ölbehälter w zu befördern oder aus demselben an- zusaugen.
Bei richtiger Wahl der Querschnitte der Kolben p und q und der Federstärken gegenüber der
Kataraktöffnung k wird die Stellung des Kolbens q ein direkter Indikator für die Geschwindigkeiten des
Verdrängers p sein. Die Masseneinflüsse sind bei diesem System fast gänzlich ausgeschaltet.
Die Verbindung dieses Geschwindigkeitsindikators mit einem indirekt wirkenden Regler führt zu der in Fig. 5 schematisch dargestellten Anordnung, die nach dem oberwähnten Doppelregelungsverfahren arbeitet. Der Fliehkraftregler m arbeitet über das Gestänge b, c zum Steuerschieber D genau so wie in Fig. 1, sofern nur der Punkt 10 als stillstehend anzusehen ist, was bei schleichender Änderung der Drehzahl der Fall sein wird, weil sodann die vom Kolben p verdrängte Flüssigkeit zur Gänze durch k entweichen kann und demgemäss den Kolben q nicht beeinflussen wird. Dieser Punkt 10 ist aber gleichzeitig der Angriffspunkt der zweiten Regelung, die sich in folgender Weise abspielt.
Der Fliehkraftregler m betätigt nebst dem Steuerschieber D gleichzeitig auch den Verdränger p, der-wenn seine lineare Geschwindigkeit ein gewisses Mass übersteigt-eine Bewegung des Kolbens q und damit eine Verlegung des Punktes 10 bewirkt.
Bei schleichender Drehzahländerung wird eine merkbare Muffengeschwindigkeit nicht vorhanden sein, der Punkt 10 also fix bleiben und es wird sich daher der Regelungsvorgang so abspielen, wie bei einem gewöhnlichen indirekt wirkenden Regler. Um nun dabei einen möglichst schwingungsfreien Regelungsvorgang zu erzielen, wird man die Rückführung gleichzeitig als nachgiebige Rückführung so stark ausbilden, dass schon die kleinsten Öffnungen des Steuerventils, hervorgerufen durch die Drehzahlabweichungen, sofort rektifiziert werden. Dadurch wird der Regler äusserst stabil.
Im Falle einer plötzlichen Belastungsänderung wird sich die Muffe rasch aus ihrer ursprünglichen Lage entfernen und den Kolben p so rasch verschieben, dass die durch die Kataraktöffnung k entweichende oder angesaugte Flüssigkeitsmenge kleiner ist als das vom Verdränger verdrängte oder freigegebene Volumen. Hiedurch wird der Kolben f eine rasche Verschiebung erfahren und damit direkt eine rasche Verstellung des Punktes 10 und mittelbar eine Betätigung des Steuerorganes D bewirken, wodurch die notwendige Verstellung der Hüfskraftmaschine rasch eingeleitet wird. Die gleichzeitig von der Drehzahl- änderung herrührende Verstellung des Steuerorganes D wird von der nachgiebigen RückfÜhrung kompensiert, so dass der Regelungsvorgang fast schwingungsfrei rasch beendigt wird.
Bei dieser Doppelregelung wird sohin der Regelungsvorgang bei schleichender Drehzahländerung durch die Muffenlagen, bei erheblichen Drehzahländerungen durch die Muffengeschwindigkeiten eingeleitet und beherrscht.
In der Praxis wird man bei Ausführung solcher Regler zwischen Reglerpendel rn und Verdränger 1) ein Relais schalten, damit der Rückdruck des Verdrängers nicht auf das Pendel einwirke. Für viele Fälle der Praxis wird es ausreichend sein, wenn der Geschwindigkeitsindikator kein ganz genaues Bild der effektiven Muffengeschwindigkeit, sondern nur ein angenähertes ergibt. Dann lässt sich das Gestänge des Reglers in der Weise vereinfachen, dass man den Angriffspunkt der Stange 11 des Verdrängers p von 9 nach x auf den Hebel b verlegt, so dass der Hebel y entfällt. In diesem Falle wird der Verdränger nicht
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