DE1072698B - Nachlaufregler mit richtkraftlosem' Wechselstromm>eßwerk - Google Patents

Description

DEUTSCHES

In der Regelungstechnik wird häufig die Aufgabe gestellt, eine unabhängig sich ändernde Größe mit einer anderen Größe in einen festen funktionellen Zusammenhang zu bringen. Die geregelte Größe soll also der unabhängigen Größe in bestimmter Weise nachgefahren werden. Eine solche Nachlaufregelung kann aus der Festwertregelung abgeleitet werden, indem an die Stelle des von der Zeit unabhängigen festen Sollwertes ein Sollwert tritt, der irgendwie eine Funktion der Zeit ist.

Fig. 1 zeigt das Prinzip eines Nachlaufreglers, und zwar dargestellt am Beispiel zweier Massenströme. Der Strom 2 soll in einen bestimmten funktionellen Zusammenhang zu dem Strom 1 gebracht werden, wobei zu beachten ist, daß sich der Strom 1 zeitlich durch irgendwelche außerhalb der Regelung liegenden Ursachen in seinem Wert verändert. Der einfachste funktionelle Zusammenhang ist der, daß die Ströme dauernd einander gleichgemacht werden sollen. Der Regler 3 prüft mit Hilfe der Meßgeräte 4 und 5 laufend, ob der eingestellte Zusammenhang zwischen Strom 1 als Führungsgröße und Strom 2 als Regelgröße vorhanden ist. Bei Abweichungen gibt der Regler einen Stellbefehl auf das Stellglied 6, dessen Einstellung so lange verändert wird, bis der gewünschte funktionelle Zusammenhang zwischen Führungsgröße und Regelgröße wiederhergestellt ist.

Den einfachsten Fall eines funktionellen Zusammenhanges, bei welchem durch den Regler der Strom 2 dem Strom 1 gleichgemacht wird, zeigt das Diagramm der Fig. 2 a. Auf der. Abszissenachse ist der unabhängige Strom 1 und auf der Ordinatenachse der nachgeregelte Strom 2 aufgetragen. Das Verhältnis 1 : 1 zwischen den beiden Strömen wird durch die unter 45° geneigte ausgezogene Gerade wiedergegeben. Wird dagegen gewünscht, daß der Strom 2 doppelt bzw. halb so groß sein soll wie der Strom 1, so wird der Zusammenhang durch die strichpunktierte bzw. gestrichelte Gerade dargestellt. Solange die gewünschte Funktion ein reines Verhältnis ist, gehen alle Geraden durch den Koordinatennullpunkt. Diese spezielle Ausführung eines Nachlaufreglers wird daher auch als Verhältnisregler bezeichnet.

Fig. 2 b zeigt dagegen die Kennlinie eines Nachlaufreglers, bei welchem kein konstantes Verhältnis zwischen den beiden Strömen 1 und 2 aufrechterhalten wird. Der Zusammenhang zwischen den beiden Größen ist durch eine Gerade dargestellt, die nicht mehr durch den Koordinatennullpunkt geht. Von einem konstanten Verhältnis kann jetzt nicht mehr gesprochen werden, da der Strom 2 bereits einen gewissen Mindestwert α hat, wenn der Strom 1 noch Null ist. In diesem Arbeitspunkt ist das Verhältnis des Stromes 2 zum Strom 1 gleich Unendlich. Mit Nachlaufregler mit richtkraftlosem
Wechs elstrommeßwerk

Anmelder:

LICENTIA Patent-Verwaltungs-G.m.b.H., Frankfurt/M., Theodor - Stern - Kai 1

Dipl.-Ing. Erwin Samal, Heiligenhaus (Bez. Düsseldorf), ist als Erfinder genannt worden

wachsendem Strom 1 wird dieses Verhältnis jedoch sehr schnell kleiner. Wenn man den Strom 1 als Last bezeichnet, so ist das Verhältnis lastabhängig geworden.

Es ist bereits eine Schaltung zur Regelung des Verhältnisses zweier Mengen mit einem einstellbaren Verhältniswert bekanntgeworden. Hierbei werden zwei Strom Verzweigungsschaltungen verwendet, die über ein zweispuliges Gleichstrommeßwerk miteinander gekuppelt sind. Bei dieser Schaltung kann zwar das Verhältnis zweier Mengen durch Einstellung von Widerständen verändert werden, jedoch besteht der Nachteil, daß die Stromverzweigungsschaltungen nicht unabhängig voneinander beeinflußt werden können. Hierdurch ist die Anwendbarkeit und Anpassungsfähigkeit einer solchen Schaltung an verschiedene Regelaufgaben stark beschränkt. Der bekannte Verhältnisregler ist daher nicht geeignet, das hier vorliegende Problem zu lösen.

Im anderen Zusammenhang ist ein induktiver Sender mit verschiebbarem Eisenkern bekanntgeworden. Hierbei werden Induktivitäten, die in einer Wechselstrombrücke liegen, durch Verstellung des Eisenkernes gegensinnig geändert. In der Brückendiagonale ist ein elektrodynamisches Doppelspulmeßgerät vorgesehen, dessen Ausschläge von den Induktivitätsänderungen und damit von den Änderungen des eigentlichen Meßwertes abhängig sind. Diese Schaltung eines induktiven Senders ist nicht ohne weiteres zum Aufbau eines universalen Verhältnisreglers geeignet.

Gegenstand der Erfindung ist ein Nachlauf regler mit richtkraftlosem Wechselstrommeßwerk nach Art eines wattmetrischen, eisengeschlossenen Meßsystems, das an zwei induktive Ferngeber angeschlossen ist.

Erfindungsgemäß werden zwei in Reihe liegende und von einem gemeinsamen Wechselstrom durch-

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flossene Brückenschaltungen verwendet, deren Speise- von einer Wechselstromquelle gespeist und besitzt wechselstrom gleichzeitig auch als Erregerstrom für zur Beseitigung des Oberwelleneinflusses eine Drossel das Wechselstrommeßwerk dient, dessen Drehspule 50 und einen Kondensator 51.

zwecks Amperewindungsvergleich zwei gegenein- Das Reglermeßwerk ist zusammen mit dem

ander arbeitende Wicklungen besitzt, wobei mit 5 Schwenkspulsystem und der induktiven Abtastung dieser Drehspule eine Schwenkspule gekuppelt ist, die der Regelabweichung in Fig. 4 dargestellt. Die zwei in an sich bekannter Weise im Magnetfeld eines mit Wicklungen aufweisende Drehspule 11 trägt den Wechselstrom erregten Eisenkernes derart bewegt Zeiger 12, an welchem außerdem die Schwenkspule wird, daß in ihr eine vom Ausschlag und damit λόπ 19 befestigt ist. Auf den Eisenkern 16 des Reglermeß der Gebereinstellung abhängige Wechselspannung io werkes ist die Erregerspule 17 aufgewickelt. Die induziert wird. magnetischen Kraftlinien des Reglermeßwerkes treten

In Fig. 3 bis 9 der Zeichnung sind Ausführungs- durch den Luftspalt und schließen sich über den formen, Kennlinien und Anwendungsbeispiele des Rückschluß ring 18.
erfindungsgemäßen Nachlaufreglers dargestellt. Die Schwenkspule 19 bewegt sich innerhalb des

Fig. 3 zeigt die Grundschaltung des Reglers. In 15 Eisenkreises 22., in dem mit Hilfe der Spule 23 ein Fig. 4 wird das Schwenkspulsystem zur induktiven Wechselfeld erzeugt wird. Solange die Schwenkspule Abtastung der Regelabweichungen erläutert. Die 19 die Symmetrielage einnimmt, in welcher der Ist-Reglerkennlinien und Schaltungsmaßnahmen zu ihrer wertzeiger 12 mit der Stellung des Sollwertzeigers 13 Verwirklichung sind aus Fig. 5 und 6 zu ersehen. übereinstimmt, wird in ihr keinerlei Spannung indu-Schließlich wird an Hand der Fig. 7 bis 9 in schema- 20 ziert. Bei Abweichung aus der Symmetrielage (eingetischer Darstellung die Anwendung des Nachlauf- zeichnete Stellung) gibt die Schwenkspule 19 eine in reglers auf eine Wasserstandsregelung und Feuerungs- Größe und Phasenlage vom Ausschlagswinkel und der regelung bei Dampfkesselanlagen gezeigt. Ausschlagsrichtung des Zeigers 12 abhängige! Wechsel-

Einander entsprechende Teile sind in den einzelnen spannung ab, die über den Verstärker 52 und das Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. 25 Stellglied 6 die Regelgröße so lange verändert, bis die

In Fig. 3 liegen die beiden Meßbrücken 8 und 9 in von den Gebern erfaßten Meßwerte ein solches VerReihe mit dem Reglermeßwerk 10. Das Reglermeß- hältnis zueinander haben, daß die Amperewindungswerk besitzt eine aus den beiden Wicklungen 20 und differenz in der Drehspule des Reglermeßwerkes zu 21 bestehende Drehspule 11 und wird durch die fest- Null geworden ist und der Zeiger 12 die Sollage stehende Spule 17 erregt. Der die beiden Meßbrücken 30 wieder einnimmt.

speisende Wechselstrom durchfließt zugleich die Er- Solange die Brückenschaltungen 8 und 9 und das

regerwicklung 17 des nach Art eines elektrodynami- Reglermeßwerk 10 völlig symmetrisch aufgebaut sind sehen, eisengeschlossenen Wattmeters aufgebauten (gleiche Induktivitäten und gleiche Widerstände), Reglermeßwerkes. Die Diagonalströme der Brücken 8 wird vom Regler zwischen Führungsgröße und Regel- und 9 durchflließen die beiden Wicklungen 20 und 21 35 größe das Verhältnis 1 : 1 eingehalten. Durch die in der Drehspule 11 derart, daß die Amperewindungs- Fig. 5a und 6a beschriebenen Schaltungsmaßnahmen differenz der Ströme gebildet wird. Die Stromzufüh- kann jedoch auch jedes andere Verhältnis zwischen rung zur Drehspule 11 erfolgt über richtkraftlose Führungsgröße und Regelgröße eingestellt werden. Bänder, so daß das bewegliche System keinerlei me- Beispielsweise können die Brückenwiderstände R₁ chanische Richtkraft aufweist. Die Meßbrücke 8 be- 40 und R₂ durch einen Spannungsteiler 25 ersetzt werden sitzt einen induktiven Geber 14, der aus zwei in Reihe (Fig. 5 a). Solange der Abgriff des Spannungsteilers geschalteten Spulen besteht. Bei Änderungen der 25 in der Symmetrielage steht, ist der Hub oder AusMeßgröße wird im Geber ein Eisenkern verstellt, der schlagwinkel von beiden Gebern bei Sollstellung des die Induktivitäten der beiden Spulen gegensinnig be- Reglermeßwerkes einander gleich groß. Trägt man einflußt. Die Meßbrücke wird durch die Wider- 45 nun gemäß Fig. 5 b auf der Abszissenachse den stände R₁ und R₂ vervollständigt. Ganz analog ist die Hub Ji₁ des einen Gebers und auf der Ordinatenachse Meßbrücke 9 aus dem induktiven Geber 15 und den den Differenzhub U₁ — h₂ auf, so ist diese Differenz Widerständen R₃ und i?₄ aufgebaut. Die beiden Geber gleich Null, solange der Schleifer des Spannungs-14 und 15 sind normalerweise räumlich getrennt vom tellers 25 die Symmetrielage einnimmt. Wird dagegen eigentlichen Regler untergebracht und werden'— wie 50 dieser Schleifer nach der einen oder anderen Richtung in der Zeichnung angedeutet — über je drei Klemmen verschoben, so ergeben sich die gestrichelten bzw. angeschlossen. Solange beide Meßbrücken abgestimmt strichpunktierten Kennlinien. Durch diese Schaltungssind oder den gleichen Brückendiagonalstrom auf- maßnahme hat man also zunächst einmal die Möglichweisen, nimmt die Drehspule 11 des Reglermeß- keit, die Funktion U₁- h₂ = f (A₁) zu sich selbst werkes 10 die Sollstellung ein. Die beiden Geber 14 55 parallel zu verschieben.

und 15 sind so in den Regelkreis eingefügt, daß der Schaltet man nun gemäß Fig. 6 a parallel zu den

eine Geber die Regelgröße und der andere Geber die Widerständen R₁ und R₂ der Brücke 8 einen einstell-Führungsgröße mißt. Wird nun beispielsweise durch baren Widerstand 26 und parallel zu den WiderÄnderung der Führungsgröße das eingestellte Soll- ständen R₃ und i?₄ der Brücke 9 einen festen Widerwertverhältnis zwischen Führungsgröße und Regel- 60 stand 53, so kann man durch Veränderung des Widergröße gestört, so weichen die beiden Brückendiagonal- Standes 26 die Funktionsgerade h_± — /J₂ = / (^₁) drehen, ströme voneinander ab, und im Reglermeßwerk wird wie aus dem Diagramm in Fig. 6b hervorgeht. Solange die Drehspule 11 durch die auftretenden Differenz- der Widerstand 26 gleich dem Widerstand 53 ist, fällt amperewindungen ausgelenkt. Die Größe und Rieh- die Funktion mit der Abszissenachse zusammen. Eine tung dieser Auslenkung wird von dem Zeiger 12 an- 65 Vergrößerung oder, Verkleinerung des Widerstandes gezeigt und mittels des in Fig. 4 dargestellten 26 hat eine Drehung der Funktionsgeraden in die ge-Schwenkspulsystems erfaßt. Außer dem Istwertzeiger strichelte oder strichpunktierte Lage zur Folge.
12 ist ein Sollwertzeiger 13 vorhanden. Solange der Wendet man nun beide in Fig. 5 und 6 beschriebene

Regler normal arbeitet, stehen die beiden Zeiger in Maßnahmen zugleich an, so kann man damit auch Deckung miteinander. Die gesamte Anordnung wird 70 eine Kennlinie erzielen, wie sie bereits eingangs in

Fig. 2 b dargestellt wurde. Die ohmschen Widerstände in den Brückenschaltungen, können, auch durch induktive Widerstände ersetzt werden.

Eine andere Möglichkeit zur Parallelverschiebung der Kennlinien nach Fig. 5 b besteht darin, das induktive Abtastsystem der Fig. 4 zu verdrehen und beispielsweise in die gestrichelt angedeutete Lage zu bringen.

Die beschriebene Einrichtung weist gegenüber den bekanntgewordenen Nachlaufreglern eine Reihe von Vorteilen auf, die im folgenden kurz beschrieben seien:

Das verwendete Wechselstrommeßwerk des Reglers ist weitgehend von Spannungsschwankungen unabhängig, da das Nutz- und Richtmoment in gleicher Weise vom Brückenstrom und damit der speisenden Wechselspannung beeinflußt werden. Der am Meßwerk angebrachte Zeiger läßt jederzeit erkennen, ob das eingeregelte Verhältnis zwischen Führungsgröße und Regelgröße dem Sollwert entspricht oder davon abweicht. Die Regler kennlinien können in einfacher Weise den verschiedensten Regelstrecken angepaßt werden, da die Einstellung des funktioneilen Zusammenhangs mittels der einstellbaren \¥iderstände und des verschwenkbaren Abtastsystems leicht mög-Hch ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die induktiven Geber mit verschiebbarem Eisenkern weder Kontakte besitzen noch bewegliche Zuleitungen benötigen, so daß sich der Nachlaufregler durch große Betriebssicherheit auszeichnet. Außerdem können die Geber so aufgebaut werden, daß sie sehr kleine Rückwirkungskräfte besitzen.

Fig. 7 zeigt die Anwendung des Nachlaufreglers bei einer Wasserstandsregelung nach dem sogenannten Drei-Impuls-Verfahren. Der Wasserstand des Kessels 27 soll konstant gehalten werden. Die Höhe des Wasserstandes wird von dem Wasserstandsmesser 28 mit angeschlossenem induktivem Ferngeber 29 erfaßt, der auf das Meßwerk 30 des Reglers einwirkt. Der Istwertzeiger 31 des Reglermeßwerkes zeigt den tatsächlich vorhandenen Wasserstand an. Sobald eine Regelabweichung vorhanden ist, was durch die Abweichung des Istwertzeigers 31 vom Sollwertzeiger 32 angezeigt wird, wird durch den Regler über das Stellglied 6 (Speisewasserventil) der Speisewasserstrom 2 verändert. Macht man die Regelung des Wasserstandes nur von der Anzeige des Wasserstandsferngebers abhängig, so arbeitet die Regelung unbefriedigend, weil der Wasserstand eine nicht scharf definierte Größe ist. Es ist auch bereits eine Anordnung bekannt, bei der als zusätzlicher Regelimpuls die Differenz zwischen dem Dampfstrom 1 und dem Speisewasserstrom 2 in den Regelungsvorgang eingreift. Dieses Prinzip wird auch in der vorliegenden Ausführung eines Drei-Impuls-Reglers angewendet. Der Regler 30 besitzt ein Wechselstrom-Differenzmeßwerk mit Schwenkspulabtastung, wie es in Fig. 3 und 4 beschrieben ist. In dem Teil 33 wird die dem Kessel zugeführte Wassermenge gegen die dem Kessel entnommene Dampfmenge ausgewogen, wobei die Differenz zwischen beiden Massenströmen durch ein eingebautes Schwenkspulsystem gemessen wird. Das Schwenkspulsystem liefert eine der Differenz zwischen Speisewasser- und Dampfstrom proportionale Wechselspannung, die mit der von der Schwenkspule des Reglers 30 gelieferten Wechselspannung derart in Reihe geschaltet wird, daß die Differenz der beiden Wechselspannungen auf den Verstärker 34 einwirkt. Die Ausgangsspannung des Verstärkers beeinflußt über elektrische, pneumatische oder hydraulische Hilfsmittel das Stellglied 6. Über dieses Stellglied wird der Speisewasserstrom so geregelt, daß der Wasserstand im Kessel 27 konstant gehalten wird. Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, daß der Istwert des Wasserstandes und die Regelabweichung dauernd am Regler angezeigt werden. Der Regler dient also gleichzeitig als vollwertiger Wasserstandsanzeiger und macht ein zusätzliches Meßgerät für den Wasserstand überflüssig.

In Fig. 8 ist ein Verbrennungsregler für den Dampfkessel 27 dargestellt. Durch den Verbrennungsregler 30 soll zwischen dem Dampfstrom 1 und dem Luftstrom 40 ein bestimmter funktioneller Zusammenhang aufrechterhalten werden. Der Dampfstrom wird mittels des Staugerätes 41 erfaßt und über den Meßwertgeber 42 auf den Regler 30 übertragen. Analog wirkt der Luftstrom über das Staugerät 43 und den Geber 44 auf den Regler ein. Der Aufbau des Reglers entspricht dem in Fig. 3 und 4 dargestellten. Die verstärkte und entsprechend umgeformte Regelabweichung wirkt gegebenenfalls über hydraulische oder pneumatische Hilfsglieder auf das Stellglied 6 ein, welches den Luftstrom 40 so steuert, daß der am Regler eingestellte Zusammenhang zwischen Dampfund Luftstrom dauernd aufrechterhalten wird.

Fig. 9 zeigt das Schema eines Verbrennungsreglers, der den CO₂- oder O₂-Gehalt der Verbrennungsgase auf einem optimalen Wert hält. Das Anzeigegerät des Reglers wird also in diesem Falle in Prozenten des C O₂- oder O₂-Gehaltes geeicht. Das Teil 45 stellt eine Dampfluftwaage dar, die ein eingebautes Wechselstromdifferenzmeßwerk und einen angeschlossenen Schwenkspulabtaster besitzt. Im übrigen arbeitet diese Einrichtung in ähnlicher Weise wie der in Fig. 7 beschriebene Wasserstandsregler.

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Nachlauf regler mit richtkraftlosem Wechselstrommeßwerk nach Art eines wattmetrischen, eisengeschlossenen Meßsystems, das an zwei induktive Ferngeber angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in Reihe liegende und von einem gemeinsamen Wechselstrom durchflossene Brückenschaltungen verwendet werden, deren Speisewechselstrom gleichzeitig auch als Erregerstrom für das Wechselstrommeßwerk dient, dessen Drehspule zwecks Amperewindungsvergleichs zwei gegeneinander arbeitende Wicklungen besitzt, wobei mit dieser Drehspule eine Schwenkspule gekuppelt ist, die in an sich bekannter Weise im Magnetfeld eines mit Wechselstrom erregten Eisenkernes derart bewegt wird, daß in ihr eine vom Ausschlag und damit von der Gebereinstellung abhängige Wechselspannung induziert wird.

2. Nachlaufregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wechselstrommeßwerk mit einem Zeiger ausgerüstet ist, der die Größe und Richtung der Regelabweichung jederzeit angibt.

3. Nachlauf regler nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung eines Oberwelleneinflusses der Reihenschaltung von Meßbrücken und Erregerspule eine Drossel vorgeschaltet und ein Kondensator parallel geschaltet ist.

4. Nachlauf regler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des gewünschten Zusammenhanges zwischen Führungsgröße und Regelgröße in den beiden Brücken einstellbare ohmsche oder induktive Widerstände vorgesehen

sind, die eine Parallelverschiebung und Drehung der Reglerkennlinien ermöglichen.

5. Nachlauf regler nach Anspruch 1 und folgenden in Anwendung auf eine Wasserstandsregelung nach dem Drei-Impuls-Verfahren, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler das Verhältnis von Dampfmenge zu Speisewassermenge in gewünschter Weise einreguliert und dabei mit einem weiteren Wasserstandsregler mit Schwenkspulabtastung zusammenarbeitet, wobei in dem letztgenannten Wasserstandsregler der Istwert des Wasserstandes und die Regelabweichung angezeigt wird, während an dem das Verhältnis von Dampfmenge zu Speisewassermenge einhaltenden Regler die Abweichung des Dampf stromes AOm Speisewasserstrom ablesbar ist.

6. Nachlaufregler nach den Ansprüchen 1 bis 4 in Anwendung auf eine Verbrennungsregelung, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler das Verhältnis von entnommener Dampfmenge zu zügeführter Verbrennungsluft überwacht, so daß durch die Anordnung eine lastabhängige Regelung der Luftüberschußzahl bewirkt wird.

7. Nachlauf regler nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsregler durch einen weiteren Regler ergänzt ist, der den C O₂- oder O₂-Gehalt der Abgase konstant hält, wobei die Abweichungen dieses Reglers vom Sollwert durch eine Schwenkspule erfaßt werden und die Spannung dieser Schwenkspule in Reihenschaltung mit der Schwenkspulspannung des das Verhältnis von entnommener Dampfmenge zu zugeführter Verbrennungsluft überwachenden Reglers über einen Verstärker auf das Stellglied für die Luftzufuhr einwirkt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Schweizerische Patentschrift Nr. 221 972;

französische Patentschrift Nr. 1 051 802;

Elektrotechnische Zeitschrift, Ausg. A, Jahrg. 1953, S. 590 bis 593;

Siemens Zeitschrift, Jahrg. 1951, S. 194;

AEG-Mitteilungen, Jahrg. 1953, S. 100;

Buch von PfIier, Elektrische Messungen mechanischer Größen, 1948, Springer Verlag, S. 69.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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