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Verfahren zur Beschleunigung von hydraulisch oder pneumatisch betätigten
Drehzahlreglern für Kraftmaschinen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschleunigung
von hydraulisch oder pneumatisch betätigten Drehzahlreglern für Kraftmaschinen,
insbesondere Dampf- und Gasturbinen, mittels eines elektrischen Beschleunigungszusatzes,
der die Steuerung der ilaschine für den Zeitabschnitt während einer kurzzeitigen
Änderung der Maschinenlast übernimmt.
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Bei der Drehzahlregelung von Turbinen treten besondere Schwierigkeiten
beim Lastabwurf auf, da die Turbine dabei auf Überdrehzahl geht. Beim Abwurf der
Maximallast dürfen Überdrehzahlen von 10 bis 15% nicht überschritten werden, da
sonst das Schnellschlußventil anspricht. Wenn berücksichtigt wird, daß der Turbinenläufer
bei dem direkt nach der Lastabschaltung noch bestehenden Maximalmoment in besonders
harten Fällen eine Drehzahlzunahme von 30% je Sekunde hat, dann ist wohl einzusehen,
daß besonders hohe Anforderungen an die Folgegeschwindikeit des Turbinenreglers
gestellt werden müssen. Es müssen Ansprechzeiten von einigen Millisekunden erreicht
werden, gemessen vom Moment des Abschaltens bis zum Hochbringen des Stellmotors
für die hydraulische Steuerung auf seine volle Geschwindigkeit. Allein mit den hydraulischen
Steuergliedern der Turbinenregelung sind derartige kurze Zeiten schwer zu erreichen.
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Es sind zwar mechanische Anordnungen bekanntgeworden, bei denen die
Abweichung der Last von einem konstanten, einstellbaren Wert festgestellt und dadurch
ein elektrischer Impuls veranlaßt wird. Bei einer anderen mechanischen Anordnung
wird dieser einstellbare Wert von der Ventilstellung der Kraftmittelzufuhr abgeleitet.
Diese Anordnungen arbeiten aber sehr ungenau und langsam. Eine andere bekannte Regeleinrichtung
arbeitet etwa in der Weise, daß ein Hubmagnet im Falle eines Kurzschlusses im Netz
über Hilfsrelais betätigt wird, wodurch die Düsenventile zur Maschine geschlossen
werden können, ohne daß der Geschwindigkeitsregler der Maschine zum Ansprechen kommt.
Diese Einrichtung sowie eine andere, bei der vorgeschlagen wird, Düsenventile in
Abhängigkeit vom Belastungsgrad der Anlage zu steuern, haben den Nachteil, daß sie
ohne Vorhaltbildung arbeiten. Ein Verfahren zur Beschleunigung von Drehzahlreglern,
bei dem die geforderten kürzesten Ansprechzeiten erreicht werden, bildet die Erfindung.
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Die Erfindung besteht darin, daß die Betätigung des Beschleunigungszusatzes
durch eine Störgröße erfolgt, die, durch die ?Maschinenlast hervorgerufen, über
ein elektrisches Vorhaltglied (RC-Glied, RL-Glied) auf die hydraulische Steuerung
der Maschine geschaltet wird. Dabei erfolgt eine dauernde Anpassung an den stationären
Wert der Last. Durch die Anwendung eines elektrischen Beschleunigungszusatzes wird
die Ansprechzeit derart verringert, daß eine wesentliche Verbesserung der Betriebsbedingungen
für die gesamte Anlage gegeben ist. Das Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet wesentlich
schneller als die bekannten mechanischen Anordnungen.
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Ein besonderer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Beschleunigungszusatz
nur für ganz kurze Zeit wirksam zu sein braucht. Durch eine zweckmäßige Ausführung
der Zusammenschaltung von hydraulischer Steuerung und elektrischem Beschleunigungszusatz
wird erreicht, daß letzterer die Steuerung der Turbine nur für einen bestimmten
kurzen Zeitabschnitt, nämlich im direkten Anschluß an die Lastabschaltung, übernimmt.
Die langsameren hydraulischen Steuerglieder folgen während dieses Zeitabschnittes
mit der ihnen anhaftenden Trägheit und übernehmen dann die Regelung wieder in der
normalen Weise.
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Gemäß der Erfindung wird die Lastabschaltung als Störgröße auf den
hydraulischen Drehzahlregler geschaltet. Diese Störgrößenaufschaltung wird im allgemeinen
nur bei Überschreiten eines bestimmten Grenzwertes wirksam. Es ist aber auch eine
stetige Störgrößenaufschaltung möglich.
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In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind schematisch zwei Ausführungsbeispiele
gemäß der Erfindung dargestellt, die im wesentlichen Einrichtungen zur Durchführung
des Verfahrens beinhalten.
In der Fig. 1 ist mit 11 eine Turbine
bezeichnet, die den Generator 12 antreibt. Zur Drehzahlregelung ist das Drehzahlmeßwerk
13 angeordnet, von dem über den Impulsgeber 14 eine Druckölleitung zu einem Empfänger
15 führt. Der Empfänger ist mit dem Kraftverstärker 16 -für einen Stellmotor 17
(Servomotor) in bekannter Weise verbunden. Die angedeutete Wirkungslinie 18 stellt
die Verbindung vom Stellmotor 17 zu den Regelventilen 19 (nur eines gezeichnet)
der Turbine dar. Gemäß eines Beispiels zur Durchführung der Erfindung erfolgt die
Messung der Leistungsabgabe des Generators durch Bildung des Wirkstromes in einer
phasenabhängigen Gleichricherschaltung. Der Strom des Generators 12 wird durch den
Stromwandler 20, beispielsweise in der Phase S liegend, erfaßt, die Spannung des
Generators durch Spannungswandler 21 und 22 zwischen den Phasen R-S und T-S. Der
Transformator 23 erfaßt den Spannungsabfall am Shunt 24 im Stromkreis des Stromwandlers
20 und transformiert ihn für die phasenabhängige Gleichrichterschaltung. Die Transformatoren
25 und 26 transformieren die Spannungen von den Spannungswandlern für die phasenabhängige
Gleichriehterschaltung zur Erfassung des Generatorwirkstromes.
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Die dem Wirkstrom proportionale Spannung tritt als Spannungsdifferenz
des Spannungsabfalles an den Widerständen 27 und 28. auf. Diese Spannungen werden
mittels der Kondensatoren 29, 30 geglättet. Die Glättung der Spannungen ist aber
kein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, sondern nur bei der als Prinzip
angedeuteten einphasigen Schaltungsanordnung notwendig wegen des hohen Gehaltes
an Störwelligkeit. An sich wird :eine Schaltung mit einem geringen Gehalt an Störwelligkeit
angestrebt, damit keine Glättungsmittel notwendig werden, die den Nachteil haben,
daß zwangläufig Verzögerungen auftreten. Die Ausgangsspannung U", der phasenabhängigen
Gleichrichterschaltung ist dem Wirkstrom und damit der abgegebenen Generatorleistung
proportional. Sie wirkt über den Kondensator 31 auf den Widerstand 32 und ruft an
diesem einen Spannungsabfall hervor, der von der Laständerung des Generators abhängig
ist. Die Zeitkonstante dieses RC-Gli.edes 31, 32 wird entsprechend den Eigenschaften
des Reglers gewählt. Sie ist in der dargestellten Anordnung ausschlaggebend für
die Wirkungsdauer der Störgrößenaufschaltung.
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Wenn der Spannungsabfall am Widerstand 32 in die Größenordnung der
das Rohr 33 sperrenden Vorspannung kommt, öffnet das Rohr 33, und derAnodenstrom
erregt das Magnetventil 34. Das Magnetventil 34 greift nunmehr in die hydraulische
Steuerung ein, indem es den Öldruck über dem Kolben des hydraulischen Kraftverstärkers
16 schlagartig fortnimmt. An Stelle des Magnetventils kann auch ein in der Wirkung
gleichwertiges elektromagnetisches Bauelement vorgesehen sein, das auf den im Regelkreise
vor dem Stellmotor 17 liegenden Kraftverstärker 16 wirkt. Der Kolben des Kraftverstärkers
geht damit ruckartig nach oben und veranlaßt, daß der Stellmotor 17 seine Schließbewegung
umgehend mit voller Geschwindigkeit aufnimmt. Sobald nach dem Lastabwurf die Spannung
über den Widerstand 32 verschwindet, sperrt das Rohr 33 wieder. Damit wird das Magnetventil
34 stromlos, so daß der Kraftverstärker wieder von dem inzwischen nachgefolgten
Empfänger 15 übernommen wird.
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Die Wirkungsdauer dieses Beschleunigungszusatzes liegt bei 0,3 bis
2,0 Sekunden, ist also nur vorübergehend. Die Führung der eigentlichen Regelaufgabe
liegt beim hydraulischen Regler.
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Ein wesentlicher Punkt beim Betrieb des Beschleunigungszusatzes ist
die Frage der Stromquellen. Diese müssen besonders im Störungsfalle unabhängig vom
Netzzustand zur Verfügung stehen.
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Im folgenden wird gemäß der Erfindung eine Einrichtung beschrieben
(Fig. 2), bei welcher als Stromquelle für den Röhrenverstärker ein Spannungswandler
verwendet wird, der zum betreffenden Generator gehört. Es genügt dabei, wenn die
Spannung bis zum Eintreten der Störung vorhanden ist. Nach dem Eintreten der Störung
wird keine Spannung mehr benötigt. Die Schaltung gemäß der Fig. 2 besteht aus einer
dreiphasigen Wirkstrommessung, im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten einphasigen,
dem Röhrenverstärker 33 und dem Magnetventil 34. Die Buchstaben an den Transformatorenwicklungen
und an der Gleichrichterschaltung bezeichnen die entsprechenden Verbindungen. Die
dreiphasige Wirkstrommessung wird mit Hilfe der Shunts 35, 36, der Transformatoren
37 bis 40, der Gleichrichter 41 bis 46 und der Widerstände 47 bis 52 vorgenommen.
Für diesen Fall sind Glättungsmittel wegen des dreiphasigen Aufbaues der Schatlung
und der angewandten Vollweg-Gleichrichtung nicht mehr erforderlich.
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Der Röhrenverstärker ist wieder mit einem RC-Eingang 53, 54 versehen.
Seine Sperrspannung wird in einem Gleichrichter 55 erzeugt und ist am Potentiometer
56 einstellbar. Der Kondensator 57 dient zusammen mit dem Kondensator 58 zur Glättung
der Sperrspannung. Vorteifhafterweise wird für den Röhrenverstärker ein Thyratron
verwendet. Die Anodenspannung wird dem Transformator 59 entnommen, dessen Spannung
im Gleichricher 60 gleichgerichtet wird und den Kondensator 61 auflädt. Der Kondensator
61 dient als Anodenspannungsquelle für die Impulserregung des Magnetventils 34.
Damit ist die Ansprechdauer des Magnetventils durch die Größe des Kondensators 61
gegeben. Diese Ansprechdauer kann somit den Verhältnissen des Betriebes angepaßt
werden. Einbesonderer Vorteil dieses Beschleunigungszusatzes ist darin zu sehen,
daß die Ansprechgrenze an dem Potentiometer 56 eingestellt werden kann. Die Heizung
für das Rohr 33 ist indirekt und damit so träge, daß die Wirkungsdauer des Beschleunigungszusatzes
überbrückt wird. Für die Heizung kann auch ohne weiteres eine andere sichere Heizspannungsquele
oder es kann überhaupt ein Thyratron mit kalter Kathode oder ein Transistor verwendet
werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Ausübung des Verfahrens ist in Fig. 3
dargestellt. Am Widerstand 54 des RC-Gliedes, über das die Anordnung mit der in
Fig. 2 dargestellten Wirkstrommessung gekoppelt ist, entsteht eine Gleichspannung,
die bei richtiger Abstimmung der Zeitkonstanten der den Läufer beschleunigenden
mechanischen Leistung mit guter Annäherung entspricht. Diese Gleichspannung liegt
im geschlossenen Stromkreis: Widerstand 54, polarisiertes Relais 62 und Gegenspannung
63. Die Gegenspannung läßt im Ruhezustand durch das polarisierte Relais einen Strom
fließen entgegengesetzt der dargestellten Pfeilrichtung. Im Falle der Laständerung
tritt am Widerstand 54 eine Gleichspannung auf. Wird diese größer als die Gegenspannung
63, so ändert der Strom im betrachteten Kreis seine Richtung und bringt bei ausreichender
Differenz zwischen der Spannung am Widerstand 54 und der Gegen-Spannung das polarisierte
Relais 62 zum Ansprechen. Der Kontakt 64 des polarisierten Relais schließt den
Stromkreis
des Magnetventils 34, dessen Energie wiederum aus dem Speicherkondensator 61 entnommen
wird, wie dies bereits in Fig.2 beschrieben wurde.