Elektrischer Schnellregler mit hydraulischem Servomotor und hydraulischer Vor steuerung. Es sind zahlreiche Bauarten von elektri schen Schnellreglern bekannt, bei welchen in geeigneter Weise bewegte Kontakte Wi derstände, beispielsweise im Erregerkreise des Generators, ein- und ausschalten, dessen Spannung beispielsweise der Schnellregler konstant halten soll. Diese Regler arbeiten zwar mit befriedigender Schnelligkeit und Genauigkeit, jedoch stört die erhebliche Funkenbildung an den Kontakten in empfind licher Weise die Betriebssicherheit derartiger Regler.
Es ist daher vorgeschlagen worden, elek trische Schnellregler mit hydraulischem, ins besondere mit Öldruck-Servomotor zu bauen, bei welchem der Öldruck-Servomotor Regu lierwiderstände mit zahlreichen Stufen und kräftigen Schleifbürsten so bewegt, dass die beispielsweise zu regulierende Spannung des Generators konstant bleibt.
Solche Regler haben jedoch den Nachteil, dass die Regulie rung langsam und träge erfolgt, weil der ganze Mechanismus derartiger Öldruckregler, und zwar sowohl der steuernde Spannungs- messer, als. auch der den- Ölstrom steuernde Steuerschieber, als auch endlich der Servo motor zu stark mit störender Reibung, sowie störender Rückwirkung des Ölstromes auf Steuerschieber usw. behaftet sind.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine auf elektrische Schnellregler mit Öldruck-Servomotor und hydraulischer Ver steuerung anzuwendende Massnahme, durch welche- die störenden Reibungs- und Rück wirkungserscheinungen beseitigt werden und durch welche dem elektrischen Öldruck schnellregler eine Genauigkeit und Schnellig keit der Regelung verliehen wird, die der von Kontaktreglern in keiner Weise nachsteht.
Die Erfindung geht von der Tatsache aus, dass Reibungserscheinungen, an sich bei zu bewegenden Maschinenteilen nicht völlig beseitigt werden können, dass es aber möglich ist, den schädlichen Einfluss dieser Reibungs- erschesnungen zu beseitigen. Zu diesem Zweck erteilt man den hier in Betracht kommenden Maschinenteilen, also namentlich den Steuer schiebern, eine :dauernde, quer zur Haupt- bewegung wirkende, z. B. eine rotierende oder oszillierende Nebenbewegung und wird das Vorsteueröl von einer besonderen Pumpe geliefert.
Diese senkrecht zur Hauptbewe gung wirkende Nebenbewegung verlegt näm lich im Ruhezustand des Reglers die Rei bungskräfte in eine Senkrechte zur Bewe gungsrichtung des Reglers, so dass die Rei bungskräfte keine Komponente in der Haupt bewegungsrichtung des Reglers haben und die Arbeit des Reglers nicht mehr stören können.
Die Fig. 1 stellt ein Gesamtbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemässen Öldruckschnellreglers dar. P1 und P2 sind die als Zahnräderpumpen gezeichneten Ölpum- pen des Reglers, von denen P1 die Ölmenge zum Betrieb der Servomotorzylinder Z1 und Z2 liefert, während P2 Öl für die noch näher zu beschreibende Vorsteuerung fördert.
S ist der Hauptsteuerschieber des Reglers. Dieser Steuerschieber verstellt mit einer An zahl steuernder Kanten K1 bis K4 den von der Pumpe P1 gelieferten Ölstrom. so dass das Öl in geeigneter Weise die Kolben in clen Servomotorzylindern Z1 und Z2 in Bewe gung setzt. Dieser Steuerschieber S ist nun einer starken Reibung in seinem Gehäuse unterworfen, welche die Schnelligkeit und Genauigkeit der Arbeit des ganzen Reglers beeinträchtigen müsste.
Um diese Reibung des Steuerschiebers S in seinem Gehäuse un schädlich zu machen, wird derselbe durch das Zahnrad Zn, welches in geeigneter Weise von dem Antriebsmotor des Reglers, welcher auch die Pumpe in Bewegung hält, angetrieben wird, in dauernden Umlauf versetzt, und zwar durch Vermittlung der Feder F1, deren beide Enden in passender Weise sowohl im Steuerschieber S, als auch in dem Kopf der Welle des Zahnrades Z3 gegen Drehung ge sichert gehalten werden. Der dauernd um laufende Steuerschieber lässt sieh natürlich leicht in seiner Längsrichtung hin und her verschieben, weil Reibungswirkungen an einem umlaufenden Schieber, wie die Erfah rung zeigt, tatsächlich nicht mehr auftreten.
Wenn nun auch durch die vorbeschrie- bene Einrichtung, welche dem Schieber eine umlaufende Bewegung erteilt, an deren Stelle übrigens mit dem gleichen Erfolg eine oszil lierende Drehbewegung treten könnte, die Reibungserscheinungen zum Verschwinden gebracht werden, hat dennoch dieser grosse Schieber eine erhebliche träge Masse, welche ebenso wie die Reibung für die Regulierung schädlich ist. Um diesen Mangel zu besei tigen, wird auch dem Vorsteuerschieber der hydraulischen Vorsteuerung eine rotierende oder oszillierende Bewegung relativ zu seinen Führungen erteilt.
Dieser Vorsteuerschieber V besteht aus einer kleinen Hülse, die auf einem Ansatz V1 des umlaufenden Steuerschiebers S geführt ist. Ihre zugeschärfte Kante V2 vermag eine oder mehrere Öffnungen o zu überdecken. Diese Öffnungen stehen durch die zentrale Bohrung n, des Steuerschiebers in Verbin dung mit dem Ringraum P, welcher durch einen an den Steuerschieber S angedrehten Köpf S1 begrenzt wird. In diesen Ringraum wird durch die Bohrung 1 von der Pumpe P2 dauernd eine mässig grosse Ölmenge hinein befördert.
Wenn nun der Vorsteuerschieber V die Öffnungen o abschliesst, so staut sich das von der Pumpe P2 gelieferte Drucköl in dem Ring raum R und nimmt den nötigen Druck an, um die Druckfeder F, zu komprimieren. Die Kompression dieser Feder wird so weit ge trieben, bis die Öffnuno unter dem Vor- steuersehi.eber V wieder zum Vorschein kommt und (las von der Pumpe P, ,gelieferte Öl wieder austreten kann.
Durch die relative R'otati'on -des Vor steuerschiebers auf dem Ilauptsfeuerschieber S wird die Reibung des Vorsteuersehiebers auf dem lla.uptsteuerschieber beseitigt. so cl ass durch die Vorsteuerung keine neuen Rei bungserscheinungen in das mechanische Sy stem des Reglers hineingetragen werden.
Die Einrichtung eines das Steuerventil. betätigenden Spannungsreglers muss im übri gen gleichfalls so getroffen werden, dass auch dieser keine störende Reibung aufweist. Da- bei muss ausserdem dieser Spannungsregler erhebliche Kräfte bei geringer Masse ent wickeln. Diesen Forderungen kann man in zweckmässiger Weise nur Rechnung tragen, wenn man Spannungsregler anwendet, deren magnetischer Kreis zum grössten Teil in Eisen verläuft und nur an wenigen Stellen durch schmale Luftspalten unterbrochen wird. Dementsprechend erhalten solche Spannungs regler einen eisernen Anker, welcher in ge eigneter Weise verschiebbar oder verdrehbar gelagert ist.
Bei Gleichstrommaschinen arbei ten nun derartige Spannungsregler wegen der auftretenden Hysteresiserscheinungen sehr mangelhaft. Diese Hysteresisfehler können dadurch beseitigt werden, dass man neben der von Gleichstrom durchflossenen Hauptwick lung eine zweite Hilfswicklung aufbringt, welche man mit einem fremden Wechselstrom speist. Ein Spannungsregler der oben be schriebenen Art hat ferner den Nachteil, dass ausser der in der Bewegungsrichtung des Ankers wirkenden Nutzkraft noch sehr erheb liche seitliche oder schräggerichtete Kräfte auftreten können, welche die Lagerung des Ankers belasten und daher leicht zu stören den Reibungserscheinungen Anlass geben. Diese Schwierigkeit kann dadurch beseitigt werden, dass man den Anker in Blattfeder gelenken lagert.
Anstatt dessen kann man die Reibung auch dadurch beseitigen, dass man den Anker des Spannungsreglers in Schneiden lagert und die Schneide zum Beispiel durch Feder kraft so stark belastet, dass auch bei den stärksten Vibrationen, des Wechselstromes kein Zittern der Schneiden auf ihren Pfan nen eintritt.
Bei selbsttätigen elektrischen Reglern macht nicht nur die Ankerlagerung des Spannungsreglers, sondern auch die Kon struktion des Gestänges, das den steuernden Spannungsregler des Reglers mit den zu be- tätigenden Teilen des Reglers verbindet, erhebliche Schwierigkeiten.
Einerseits soll dieses Gestänge entsprechend :den verhältnis mässig geringen Kräften eines elektrischen Spannungsreglers möglichst reibungsfrei ar beiten, anderseits ist der Spannungsregler oft und insbesondere .auch bei Wechselströmen dauernd Vibrationen ausgesetzt,' welche bei dein Gestänge gewöhnlicher Bauart mit Zap fen oder Kugelgelenken ein schnelles Aus schlagen der Gelenkflächen bewirken, wo durch Störungen hervorgerufen werden.
Dieser Fehler kann dadurch beseitigt werden, dass man auch für die Gestänge- gelenkla.gerung von Stahlbändern, Stahl drähten oder Schneiden und Pfannen Ge brauch macht und durch besondere Be lastungsfedern dafür sorgt, dass Schneiden und Pfannen nicht in gegenseitige Erzitte- rung geraten.
Bei dem Regler, so weit er vorstehend be schrieben wurde, zeigt sich nun ferner noch eine starke Rückwirkung des Ölstromes auf die Steuerorgane. Wenn nämlich der Regler eine Bewegung machen soll, so muss er den gesamten Ölstrom der Pumpe unter Druck bringen, wozu ein entsprechend grosser Schie ber entsprechend grosse Wege zurücklegen muss.
Diese Schwierigkeit kann dadurch besei tigt werden, dass man für die Betätigung des Reglers eine besonders eingerichtete Pumpe P1 gemäss Fig. 2 anwendet. Diese Pumpe ist so eingerichtet, da:ss bei kleinen Bewegungen des Reglers nur ein Teil des Ölstromes ohne Druck laufen kann -und nur bei grösseren oder schnelleren Bewegungen unter Druck ge bracht wird.
Durch diese Massnahme wird bei dem besonders empfindlichen elektrischen Regler eine völlig genaue Einstellung der Spannung erreicht, da. die Pumpe P1 infolge ihrer geringen Widerstände auch auf die kleinsten Schwankungen anspricht.
Fig. 2 zeigt eine eingerichtete Pumpe in Grundriss -und Aufriss. Die Saugöffnung S., sowie die grosse Drucköffnung D sind in der üblichen Weise angeordnet. Daneben sind aber noch ip der Deckel- oder Bodenfläche oder in beiden Flächen des Rädergehäuses Fangnuten N angeordnet, von denen aus be sondere Kanäle K nach .aussen führen.
Diese Nuten N werden in ihrer Längsausführung so ausgeführt, dass sie etwa von der Verbin dungslinie der Pumpenräder R2 bis zu einer Parallelen zu dieser reichen, welche auf der Seite des Druckraumes im Abstand einer halben Zahnteilung innerhalb der Schnitt punkte der Eingriffslinien mit den Kopf kreisen der Räder liegt.
Die Wirkungsweise der Pumpe P1 ist folgende: Die durch die Saugöffnung S2 an- gresaugte Arbeitsflüssigkeit wird zum grö sseren Teil durch die Drucköffnung D ausge stossen, indem bekanntermassen die mit jeder Zahnlücke mitgenommene Flüssigkeit durch die in die Zahnlücken eingreifenden Zähne des andern Rades verdichtet und herausge presst wird.
Betrachtet man insbesondere die Art und Weise, wie eine Zahnlücke allmäh lich durch den entsprechenden Zahn des Gegenrades ausgefüllt wird, so ergibt sich, dass zu Beginn des Verdichtungs- und Aus pressungsvorganges die Flüssigkeit ungehin dert aus der Zahnlücke in die Drucköffnung D ausströmen kann, weil zunächst bis zu dem Augenblick, in dem der Winkelpunkt des Zahnkopfkreises und seiner dem Druckraum zugekehrten Zahnflanke die Eingriffslinie überschreitet, die Zahnlücke noch in offener Verbindung mit dem Druckraume steht. So bald aber dieser Augenblick vorüber ist, steht auch die dem Druckraum zugekehrte Zahnflanke in Eingriff mit der entsprechen den Flanke der Zahnlücke und die Zahnlücke wird beiderseits durch die aufeinander arbei tenden Zahnflanken abgedichtet.
Trotzdem wird die noch in der Zahnlücke befindliche Flüssigkeit durch Hineinschieben des Zahnes weiter verdichtet. Die bei diesem Vorgang verdichtete Flüssigkeit, welche der Erfinder mit Quetschflüssigkeit bezeichnet, kann nur durch die Nuten N zu dem Kanal K entwei chen. Es zeigt sich, dass die erfindungsgemäss eingerichtete Zahnradpumpe, auch wenn man die Hauptmenge der Förderflüssigkeit aus der Öffnung D ohne Druck entweichen lässt, aus den Öffnungen K eine kleinere Flüssig keitsmenge unter Druck ausstossen kann.
Das Quetschöl kann auch in anderer Weise aufgefangen werden, beispielsweise indem man es mittelst radial in die Zahn lücke der Pumpenräder gebohrter Löcher bis an die in diesem Fall zweckmässig fest stehende Achse eines Pumpenrades führt und dort mittelst geeignet angeordneter Schlitze ableitet. Wesentlich für die Erfindung ist, dass das Quetschöl gesondert aufgefangen wird, so dass man es auch gesondert unter Druck setzen kann.
Dieselbe Wirkung kann an Stelle der vorbeschriebenen Einrichtung auch durch die Aufstellung zweier Pumpen für die Liefe rung des denn Betriebe des Servomotors die- nendeiL Drurh < ils, nämlich einer grossen und kleinen, erreicht werden, welche so geschaltet werden, dass die kleine Pumpe für die Ein- stellung des Beharrungszustandes, die grosse Pumpe für die grösseren Bewegungen des Reglers dient. In welcher Weise zweckmässig die Schaltung der Pumpe zii geschehen hat, wird weiter unten dargelegt.
Elektrische Regler müssen ferner meist so eingerichtet werden, dass ihre Regulier welle nahezu einen ganzen Umlauf macht. Dieses kann zweckmässig nur erreicht werden dadurch, dass man den Servomotorzylinder ein Zahnsegment oder Zahnstangengetriebe an treiben lässt. Damit ist aber wieder der Nach teil starker Reibungswirkungen verknüpft.
Dieser Fehler kann dadurch beseitigt werden, dass man an Stelle eines einzelnen Servomotorzvlinders deren zwei verwendet in der Weise, dass jeder Servomotorzylinder eine Zahnstange erhält, die beiderseits ein Ritzel kämmen, Die Zahndrücke, welche bei dieser Einrichtung auf die Ritzelwelle aus geübt werden, heben sich auf, so dass die selbe nahezu reibungsfrei läuft.
Zur Dämpfung von Schwingungserschei- nungen ist es ferner notwendig, die Regler mit einer sogenannten nachwirkenden Kom pensation auszurüsten. In der bei Turbinen reglern üblichen Bauart ähnlicher Einrich tungen wird die Kompensation durch An wendung von Ölbremsen erzielt. Diese Öl- bremsen haben jedoch bei elektrischen Reg lern den grossen Nachteil störender Rei bungserscheinungen.
Dieser Mangel kann in derselben Weise beseitigt werden, in welcher auch bei vor liegender Erfindung bei den Steuerschiebern die Reibung beseitigt wird, und zwar durch Anwendung einer Bremse, bei welcher die bewegten Teile senkrecht zur Hauptbewe gungsrichtung eine rotierende oder oszillie rende Nebenbewegung aufweisen. Die hy draulische Schaltung des Reglers geht im übrigen aus der Zusammenstellungszeichnung des Reglers (Fig. 1) hervor, welcher eine beispielsweise Ausführung der Erfindung darstellt.
Der Spannungsmesser des Reglers besteht aus einem hufeisenförmigen, mit Strom durchflossenen Spulen versehenen Eisenkern, zwischen dessen Polen ein Z-förmiger Anker mit geringem Luftspalt (etwa 2 mal 0,6 mm) mit Schneiden drehbar gelagert ist. Eine Fe der f1 hält der magnetischen Zugkraft das Gleichgewicht. Mittelst einer einfachen Ein richtung (im Schema nicht ersichtlich) kann die Zugkraft dieser Feder und damit die Spannung, auf welche der Regler den ge regelten Generator einstellt, während des Be triebes geändert werden. Durch ein Gestänge g mit federbelasteter Spitzenlagerung über trägt sich die Stellung oder Bewegung des Spannungsmessers auf den sogenannten "Vorsteuerschieber V".
Der Vorsteuerschie ber steht nicht in unmittelbarem Zusammen hang mit dem Hauptsteuerschieber, dem so genannten "Schwebekolben", sondern nimmt diesen durch Vermittlung der oben beschrie benen besonderen hydraulischen "Vorsteue rung" mit. Zweck dieser Vorsteuerung ist es, die beträchtlichen Kräfte, welche infolge von Rückwirkungserscheinungen der strömenden Flüssigkeit, zum Teil auch durch gewöhn liche Reibung auf den Schwebekolben ein wirken, von dem Vorsteuerschieber fernzu halten. Der Hauptsteuerschieber S folgt genau den Bewegungen des Vorsteuerschie bers V und somit auch des Spannungsreglers, wie bereits oben näher dargelegt. Der Vor steuerschieber ist vollkommen von der Rück wirkung des Vorsteuerstromes entlastet.
Die Ölpumpe P2, die das Vorsteueröl fördert, ist ebenso wie die Pumpe P1, von einem Motor oder durch Riemenantrieb im Umlauf gehal ten und saugt das Öl aus einem Ölbehälter an. Wie bereits erwähnt, wird das Quetschöl der Pumpe Pi gesondert unter Druck ge bracht. Es strömt durch die Bohrung 3, die der Bohrung K in Fig. 2 entspricht, in den Kanal 4 ein, welcher einerseits zum Servomotor, anderseits zum Steuer- und Si cherheitsventil führt. In diesem Kanal 4 herrscht im allgemeinen stets ein konstanter Öldruck, welcher durch entsprechende Ein stellung des Sicherheitsventils 5 begrenzt wird. Der Servomotor besteht aus einem Paar gezahnter Kolbenstangen, welche beiderseits Kolben verschiedener Grösse tragen. Der grosse Kolben hat etwa die doppelte Fläche des kleinen.
Die Zahnstangen greifen in ein gemeinsames Ritzel 6 ein, mit dessen Welle der zu betätigende Regulierwiderstand 7 ge kuppelt wird. Im Raum 8 innerhalb sämt licher vier Kolben herrscht dauernd, durch den Kanal 9 zugebracht, der normale Druck, wie er durch das Sicherheitsventil 5 aufrecht erhalten wird.
Ausserhalb .der kleinen Kol ben, in den Räumen 10 und 11 herrscht At mosphärendruck, ausserhalb der grossen Kol ben in .den Räumen 12 und 13 dagegen ein veränderlicher Druck, welcher durch Ver mittlung der Kanäle 14, 15 und 16 von dem steuernden Kantenpaar 17, 18 .des Schwebe kolbens S beeinflusst wird. Wenn der Schwebekolben gehoben wird, entweicht das 01 aus .dem Kanal 16 in den .Ablaufraum 19, es tritt also Atmosphärendruck in den Zylin- clerraum 12 und 13 ausserhalb der grossen Kolben ein.
Unter dem Einfluss des in dem gemeinsamen Innenraum 8 herrschenden kon stanten Druckes wird sich daher das Ritzel 6 im Uhrzeigersinne drehen. Wird dagegen der Schwebekolben gesenkt, so schliesst ,sich die Kante 18, und es öffnet sich die Kante 17, wodurch der in dem Kanal 4 herrschende Druck in die Zylinderräume 12 und 13 ausser- halb der grossen Kolben tritt. Jetzt überwie gen die auf die Aussenflächen der grossen Kol ben wirkenden Druckkräfte die von dem Druck im Innenraum 8 herrührenden, und das Ritzel 6 wird entgegengesetzt dem Uhr zeigersinne in Bewegung gebracht.
Für schnellere Bewegungen des Reglers, welche bei grösseren Verschiebungen des Schwebe kolbens aus seiner Mittellage ausgelöst wer den, ist natürlich die Menge des von der grossen Pumpe gelieferten Quetschöls unge nügend. Daher wird in diesen Fällen der Hauptölfluss der grossen Pumpe zur Arbeits leistung herangezogen, welcher im Behar rungszustande des Reglers und bei den sehr häufigen kleinen Regulierbewegungen durch den Kanal 20 und die beiden Drosselspalte 21 und 22 entweicht. Sobald der Schwebekolben um grössere Beträge aus seiner Mittellage ge hoben oder gesenkt wird, schliesst sich der Drosselspalt 21 bezw. 22. Infolgedessen wird das Hauptöl der Pumpe in dem Kanal 20 unter Druck gebracht.
Sobald der von dem Hauptölstrom gelieferte Duck in dem Ka nal 20 grösser geworden ist als der Druck des Quetschöls in dem Kanal 15, hebt sieh das Rückschlagventil 23 und der Hauptölstrom ergiesst sich in den Kanal 4, woselbst er sich dem Quetschöl zumischt und zur Arbeits leistung verwendet wird. Auf diese Weise wird erzielt, dass die grosse Pumpe bis auf die verhältnismässig geringe Quetschöl- menge im Dauerbetrieb Öl ohne Druck för dert oder "leer läuft", womit beträchtliche Antriebsleistung gespart und entsprechende unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden wird.
Vorstehend ist das Zusammenwirken der für die Arbeit des Reglers zunächst aus schliesslich notwendig scheinenden Vorrich tungen beschrieben. Es zeigt sieh aber, dass ein wie vorstehend beschrieben eingerichteter Regler im allgemeinen zu Pendelerscheinun- gen neigt, wie sie ja auch an Spannungs reglern anderer Bauart oft zu beklagen sind. Eine vollständige Beseitigung dieser Übel stände ist möglich, wenn man den Regler so einrichtet, dass er bei starker Belastung eine um einige Prozent niedrigere Spannung ein stellt, als bei Leerlauf des Generators.
Da aber eine dauernde Abhängigkeit der vom Regler eingestellten Spannung, zumal dieser Art, nicht geduldet werden kann, muss mit Hilfe eines sekundären Vorganges der Ein fluss der Belastung auf die Spannung lang sam wieder beseitigt werden. Dazu dient die "nachwirkende Kompensation", welche hier konstruktiv, wie im folgenden beschrieben, ausgeführt ist.
Mittelst: des einfachen Gestänges 24 und 25 wird eine zylindrische Stahlstange 26, ,Spiess" genannt, genau gleichsinnig mit der Verstellung des Regulierwiderstandes 7 auf und ab geschoben. Auf diesem Spiess befindet sich eine Hülse oder "Laterne" 27. Diese wird durch die Feder 28, mit welcher sie durch eine starre Zugstange verbunden ist, in ihrer Bohrung an den Spiess angepresst und durch die dadurch erzeugte Reibungskraft auf dem Spiess festgehalten. Bei einer Bewegung des Reglers wird daher die Laterne vom Spiess mitgenommen und spannt oder entspannt die Feder 29, deren anderes Ende an einem auf der Achse des Spannungsmessers befestigten Hebel angreift.
Durch die .so auf den Span nungsregler ausgeübten Kräfte wird die er forderliche Abhängigkeit -der Generatorspa.n- nung von der Belastung erzielt. Der Spiess 26 wird nun durch das Zahnrad 30 dauernd in langsamer Rotation gehalten. Die Laterne rotiert dabei nicht mit, da sie durch die Feder 28 gehalten wird. Bei Längsverschiebung des Spiesses beginnt sie langsam auf diesem zu gleiten, bis sie ihre normale Stellung wieder erreicht hat. Damit stellt sich auch die vom Regler beherrschte Spannung wieder auf ihren Sollwert ein..