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Hydraulische Geschwindigkeitsregeleinrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine hydraulische Geschwindigkeitsregeleinrichtung für eine Kraftmaschine
zum Antrieb eines Wechselstromgenerators, der einen Ausgangsstromkreis hat, mit
einem hydraulischen Servomotor, der eine Steuerkammer und eine Quelle für unter
Druck stehendes Arbeitsmittel aufweist, einem auf Geschwindigkeit ansprechenden
ersten Steuerventilmechanismus, der das Arbeitsmittel in der Steuerkammer zum Betätigen
des Servomotors steuern kann, und einem auf eine von der Belastung und/oder der
Frequenz abhängige elektrische Kraft ansprechenden zweiten Steuerventilmechanismus,
der eine erste elektromagnetische Vorrichtung enthält, die in Abhängigkeit von der
Energie in dem Stromkreis betätigt wird und das Arbeitsmittel in der Steuerkammer
zum Betätigen des Servomotors steuern kann.
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Bei bekannten Einrichtungen dieser Art mit Fliehkraftregler ist zur
Geschwindigkeits- bzw. Drehzahlregelung ein kombiniertes mechanisches und elektrisches
Signal erforderlich, und es kann keine sehr genaue Regelung auf einen bestimmten
Wert erhalten werden, wenn kein elektrisches Signal vorhanden ist. Weiterhin nehmen,
wenn kein elektrisches Signal zum Ausgleich für einen durch Wirkung des Fliehkraftreglers
hervorgerufenen Abfall in der Anlage vorhanden ist, die Geschwindigkeit und die
Frequenz mit zunehmender Belastung ab.
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Es ist weiterhin ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl von Kraftmaschinen
für den Antrieb elektrischer Generatoren bekannt, bei welchem die elektrische Belastung
als Störgröße auf den Regler der Kraftmaschine aufgeschaltet wird. Auch hier ist
eine Regelung durch den mechanischen Regler oder durch die Regelung in Abhängigkeit
von der elektrischen Belastung allein nicht möglich. Außerdem müssen die auf die
elektrische Belastung ansprechenden elektrischen Glieder jeder Kraft entgegenwirken,
die während kurzzeitiger Änderungen von den Fliehgewichten des mechanischen Reglers
hervorgerufen wird. Daher muß in dem elektrischen Stromkreis eine höhere Verstärkung
vorgesehen werden, als sie erforderlich sein würde, wenn der ausschließlich auf
die Maschinengeschwindigkeit ansprechende Teil der Einrichtung und alle in ihm auftretenden
Kräfte von den auf die elektrische Belastung ansprechenden Teilen abtrennbar wären.
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Demgegenüber besteht die Aufgabe der Erfindung insbesondere darin,
eine hydraulische Geschwindigkeitsregeleinrichtung der einleitend genannten Art
zu schaffen, bei welcher der mechanische Teil bzw. der auf Geschwindigkeit ansprechende
Steuerventilmechanismus auch bei Fehlen eines elektrischen Signals die Geschwindigkeit
und die Belastung und/ oder die Frequenz ohne Nachlassen der Genauigkeit steuern
kann und bei welcher wirksame Mittel zum Umschalten zwischen dem elektrischen und
dem mechanischen Teil vorgesehen sind.
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Die hydraulische Geschwindigkeitsregeleinrichtung gemäß der Erfindung
ist gekennzeichnet durch ein Schaltventil mit zwei Stellungen, das in seiner einen
Stellung die Quelle des unter Druck stehenden Arbeitsmittels mit der Steuerkammer
des Servomotors ausschließlich über den auf Geschwindigkeit ansprechenden Steuerventilmechanismus
verbindet und das in seiner anderen Stellung die Arbeitsmittelquelle mit der Steuerkammer
des Servomotors ausschließlich über den auf elektrische Kraft ansprechenden Steuerventilmechanismus
verbindet, und durch eine zweite elektromagnetische Vorrichtung, die in Abhängigkeit
von der Energie in dem Stromkreis betätigt wird, um das Schaltventil in der Richtung
gegen seine andere Stellung zu bewegen, und eine dauernd wirkende Rückstellfeder,
die der Bewegung des Schaltventils in dieser Richtung entgegenwirkt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann die elektrische
Energie der zweiten elektromagnetischen Vorrichtung über einen Schalter zugeführt
werden, der in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Abweichung des Generatorausgangs
von
einem gewünschten Wert geöffnet wird. Vorzugsweise ist dieser
Schalter von Hand schließbar und in der Schließstellung elektromagnetisch verriegelbar.
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Wenn der auf Geschwindigkeit ansprechende Steuerventilmechanismus
ein allgemein geschlossenes hydraulisches Kompensationsmittelsystem aufweist, das
auf ihn in Abhängigkeit von der Bewegung des Servomotors wirkt, um der Regeleinrichtung
eine PI-Charakteristik zu geben, ist es erwünscht, daß das Kompensationsmittel in
dem Durchgang und in den Kammern des Steuerventilmechanismus die freie Bewegung
des Servomotors nicht beeinträchtigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung kann dies dadurch erreicht werden, daß in dem Kompensationsmittelsystem
ein Ventil angeordnet ist, das von dem Schaltventil in die Offenstellung gebracht
wird, wenn sich das Schaltventil in derjenigen Stellung befindet, in der es den
auf elektrische Kraft ansprechenden Steuerventilmechanismus mit der Steuerkammer
des Servomotors verbindet, und das in die Schließstellung gebracht wird, wenn sich
das Schaltventil in derjenigen Stellung befindet, in der es den auf Geschwindigkeit
ansprechenden Steuerventilmechanismus mit der Steuerkammer verbindet.
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Vorzugsweise kann eine Rückkopplungs- oder Stabilisierungsfeder vorgesehen
sein, die beim Arbeiten des Servomotors auf den auf elektrische Kraft ansprechenden
Steuerventilmechanismus einwirkt.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
näher erläutert, in der eine Regeleinrichtung gemäß der Erfindung schematisch wiedergegeben
ist, und zwar in derjenigen Stellung, in der eine Regelung durch den auf eine von
der Belastung und/oder der Frequenz abhängige elektrische Kraft ansprechenden Steuerventilmechanismus
erfolgt.
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Gemäß der Zeichnung weist die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
darstellende Regeleinrichtung einen mechanisch-hydraulischen Reglerteil G und einen
elektrisch-hydraulischen Reglerteil E auf, der ein elektrisch betätigtes Schaltventil
T enthält. Das Schaltventil T weist eine bewegliche Kolbenstange 15 auf, die in
der angehobenen Stellung wiedergegeben ist und in dieser Stellung durch eine Spule
17 elektromagnetisch gehalten wird. Wenn die Regelung mechanisch-hydraulisch erfolgt,
wird die Kolbenstange 15 durch eine mit ihr auf zweckentsprechende Weise verbundene
Rückstellfeder 16 in einer durch gestrichelte Linien angedeuteten unteren Stellung
gehalten.
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Der elektrisch-hydraulische Teil E der Regeleinrichtung enthält außer
dem Schaltventil T einen Steuerventilmechanismus EP, der eine bewegliche Kolbenstange
20 aufweist, die mit Ventilkolben, z. B. 20 a, versehen ist, und durch die bei Betätigung
durch veränderliche Erregung eine Spule 25 allein das Arbeiten eines Servomotors
5 gemäß nachstehender Beschreibung gesteuert wird.
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Beim Anlaufen der Maschine wird ihre Geschwindigkeit gewöhnlich allein
durch den mechanisch-hydraulischen Reglerteil G gesteuert, bis die gesamte elektrische
Einrichtung sich im richtigen Betriebszustand befindet. Dann wird der auf eine von
der Belastung und/oder der Frequenz abhängige elektrische Kraft ansprechende Reglerteil
E wirksam gemacht und übernimmt dann allein die Regelung. Im Fall einer Störung,
beispielsweise beim Ausfall der elektrischen Energie, wird der mechanischhydraulische
Reglerteil G eingeschaltet, wobei für den Übergang lediglich die Entregung der Spule
17 des Schaltventils T erforderlich ist, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich
ist und nachstehend beschrieben wird.
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Der mechanisch-hydraulische Reglerteil G enthält einen Steuerventilmechanismus
mit Fliehgewichtkugeln 1, einer einstellbaren Regelfeder 2 und einer Kolbenstange
3 mit Ventilkolben, beispeilsweise 3', und einen Servomotor 5 mit durch Differentialdruck
betätigten Kolben 5 a und 5 b, die mit einer Reglerausgangswelle 6 zum Betätigen
der Maschinendrossel oder des Brennstoffgestänges (nicht dargestellt) verbunden
sind. Wenn die Kolbenstange 15 und damit das Schaltventil T sich in der durch gestrichelte
Linien angedeuteten unteren Stellung befinden, steht eine Quelle P für unter im
wesentlichen konstantem Druck stehendes Arbeitsmittel über einen Zylinder 7 des
Schaltventils T mit einer Leitung 4 in Verbindung, die in den Zylinder der Kolbenstange
3 bzw. des Steuerventils 3, 3' führt. Die Kammer des Servomotorkolbens
5 b wird über eine Leitung P 5 kontinuierlich mit unter gleichbleibendem
Druck stehendem Arbeitsmittel gespeist. Bei noch in der unteren Stellung befindlichem
Schaltventil T wird bei Bewegung der Kolbenstange 3 und damit des Ventilkolbens
3' aus der in der Zeichnung wiedergegebenen, dem normalen stetigen Zustand entsprechenden
Stellung heraus nach unten oder nach oben Arbeitsmittel über Leitungen 8 und 9 in
die bzw. aus der Steuerkammer 9' des Kolbens 5 a eingelassen bzw. ausgelassen.
Während des stetigen Betriebszustandes wird Arbeitsmittel in der Steuerkammer 9'
des Kolbens 5 a des Servomotors 5 eingefangen, und zwar bei Regelung durch
den mechanisch-hydraulischen Reglerteil G durch Absperrung der Leitung 8 mittels
des Ventilkolbens 3' und bei Regelung durch den elektrisch-hydraulischen Reglerteil
E durch Absperren einer Leitung 30 mittels eines Ventilkolbens 20 a an der Kolbenstange
20 des Steuerventilmechanismus EP. Die verschiedenen, in der Zeichnung mit »S« bezeichneten
öünungen sind mit dem Sumpf verbunden.
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Der mechanisch-hydraulische Reglerteil G weist ein hydraulisches Kompensationssystem
allgemein bekannter Art auf, das eine Kammer oder einen Durchgang C, eine Betätigungspumpe
C1, die mit dem Servomotor 5 verbunden ist, einen von dem in dem Durchgang C befindlichen
Arbeitsmittel beaufschlagten Kolben C2, der am unteren Ende der Kolbenstange
3 ausgebildet ist, einen nachgiebig angeordneten Proportionierungskolben C3 und
ein einstellbares Ausleckventil C 4 enthält. Diese Teile dienen sämtlich dem üblichen
Zweck, die Schwingungswirkung des auf Geschwindigkeit ansprechenden Reglerteiles
G während Geschwindigkeitsänderungen zu dämpfen.
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Wenn die Regelung durch den mechanisch-hydraulischen Reglerteil G
erfolgt, befindet sich das Schaltventil T in seiner unteren Stellung, und ein am
unteren Ende seiner Kolbenstange 15 ausgebildeter Ventilkolben 15 a schließt
den Kompensationsdurchgang C, um das Kompensationssystem wirksam zu machen. Wenn
die Regelung durch den elektrisch-hydraulischen Reglerteil E in Abhängigkeit einer
auf die elektrische Belastung und/oder Frequenz ansprechenden Kraft erfolgt, befindet
sich das Schaltventil T in der oberen Stellung, in welcher der Kompensationsdurchgang
C mit dem Sumpf verbunden ist, so daß die freie Bewegung des Servomotors 5 durch
in dem
Durchgang C eingeschlossenes Arbeitsmittel nicht beeinträchtigt
wird.
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Beim normalen Betrieb bei Regelung mittels des elektrisch-hydraulischen
Reglerteil E sperrt der Ventilkolben 20 a an der Kolbenstange 20 den Durchgang 30
ab, der mit dem Zylinder 7 des Schaltventils T in Verbindung steht, von welchem
eine Arbeitsmittelverbindung über die Leitung 9 mit der Steuerkammer 9' des Servomotorkolbens
5a besteht, so daß der Servomotor 5 in Abhängigkeit von der Auf- oder Abwärtsbewegung
der Kolbenstange 20 und damit des Ventilkolbens 20a betätigt wird. Weiterhin besteht
eine Arbeitsmittelverbindung von der Quelle P über den Zylinder 7 des Schaltventils
T und eine Leitung 26 zu dem Zylinder 21 des Ventils EP. Der Durchgang 26 ist bei
Regelung durch den mechanisch-hydraulischen Reglerteil G mittels eines Ventilkolbens
15 c des Schaltventils T geschlossen. Die Kolbenstange 15 und damit das Schaltventil
T werden bei Regelung durch den elektrisch-hydraulischen Reglerteil E in ihrer oberen
Stellung gehalten, und zwar durch Erregung der Spule 17, die auf einen an der Kolbenstange
15 befestigten Anker 17a einwirkt und die Kolbenstange 15 entgegen der Wirkung der
Rückstellfeder 16 in der oberen Stellung hält.
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Wie aus der Zeichnung ersichtlich, sperren bei Regelung durch den
elektrisch-hydraulischen Reglerteil E die Ventilkolben 15a und
15b des Schaltventils T die Leitungen 8 und 4, die zu dem mechanisch-hydraulischen
Steuerventilmechanismus 1, 2, 3 führen, ab, so daß dieser Mechanismus unwirksam
gemacht ist, indem keine Arbeitsmittelverbindung mit der Quelle P und der Steuerkammer
9' des Servomotors 5 besteht.
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Bei Regelung durch den elektrisch-hydraulischen Reglerteil E wird
die Kolbenstange 20 durch die einander entgegenwirkenden Kräfte einer Geschwindigkeitsbezugsfeder
22 und einer mit ihr in Reihe liegenden Rückkopplungs- oder Stabilisierungsfeder
23 in ihrer Gleichgewichtsstellung gehalten, die mit der Kolbenstange
20 bzw. mit der Reglerwelle 6 über ein Lenkersystem arbeitsmäßig verbunden
sind, das einen schwenkbar gelagerten Anker 24 enthält, auf den eine Betätigungsspule
25 in einer Richtung magnetisch einwirkt, in der eine Bewegung der Reglerwelle 6
entsprechend einer Verringerung der Brennstoffzufuhr zur der Kraftmaschine eingeleitet
wird. Die Bezugsfeder 22 ist zwischen einem festen Träger 22 a und einer Schulter
22 b der Kolbenstange 20 angeordnet. Wenn die Maschine 36 mit einer vorgeschriebenen
oder gewünschten normalen Geschwindigkeit und bei Vollast arbeitet, gleichen die
kombinierten Kräfte der Federn 22 und 23 die von der Spule 25 auf den Anker 24 ausgeübte
magnetische Kraft praktisch genau aus, wenn die Spule 25 mit einem Strom und einer
Frequenz gespeist wird, die dem Strom und der Frequenz des Generators 35 bei dem
vorgeschriebenen oder gewünschten normalen Arbeiten der Maschine 36 entsprechen.
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Die Rückkopplungsfeder 23 wirkt in Abhängigkeit von der Bewegung der
Reglerwelle 6 über den Anker 24 auf die Kolbenstange 20 ein und sucht diese in die
neutrale Stellung zurückzubewegen bzw. sucht bei vorübergehenden Änderungen eine
Stabilisierungswirkung hervorzurufen, d. h. eine Wirkung ähnlich der Wirkung des
hydraulischen Kompensationssystems C, C 1, C 2, C 3, C 4. Um zu verhindern, daß
die Rückkopplungswirkung der Feder 23 eine bleibende Geschwindigkeitsänderung hervorruft,
die sich mit der Belastung ändert, können die Federn 22 und 23 so gewählt werden,
daß ihre Nettokraftänderung in einem gewünschten Bereich genau der Geschwindigkeit
bzw. dem Ausmaß entspricht, mit bzw. in dem der Strom und damit die magnetische
Kraft der Steuerspule 25 sich mit verringerter elektrischer Belastung vergrößert,
und umgekehrt. Die Stabilisierung während vorübergehender Änderungen kann durch
einen Stromkreis 38 durch selbsttätige Einstellung von dessen Elementen erreicht
werden, derart, daß die erforderliche Rückstell- und Rückkopplungssteuerung erhalten
wird.
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Die Spule 25 kann auf verschiedene Weise als Funktion des Ausgangs
des Generators 35 veränderlich erregt werden. Der Generator 35 ist in der Zeichnung
als Dreiphasenwechselstromgenerator dargestellt. Der Stromkreis 38 kann auf
bekannte Weise so ausgebildet sein, daß der Strom in der Spule 25 in Abhängigkeit
von der Verringerung der elektrischen Belastung oder in Abhängigkeit von der Erhöhung
der Ausgangsfrequenz des Generators 36 verstärkt wird.
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Während des Auftretens vorübergehender elektrischer Änderungen, z.
B. einer Verringerung der elektrischen Belastung, wird die Kolbenstange 20, ohne
eine Änderung der Maschinengeschwindigkeit oder der Frequenz abzuwarten, abwärts
bewegt, so daß in der Steuerkammer 9' des Servomotorkolbens 5 a eingefangenes
Arbeitsmittel aus dieser Kammer herausgedrückt und eine gemäß der Zeichnung in Uhrzeigerrichtung
erfolgende Bewegung der Reglerwelle 6 entsprechend einer Verringerung der Brennstoffzufuhr
zur Maschine 36 herbeigeführt wird. Mit anderen Worten ausgedrückt, der Brennstoffregelungsvorgang
erfolgt auf die gleiche Weise wie bei Regelung durch den mechanisch-hydraulischen
Reglerteil G, jedoch schneller. Eine Verringerung des Stromes in der Spule 25 bzw.
eine Verringerung der Generatorausgangsfrequenz ruft einen Vorgang hervor, welcher
dem vorstehend beschriebenen Regelvorgang entgegengesetzt ist, d. h., die Kolbenstange
20 wird durch die Bezugsfeder 22 aufwärts bewegt, wodurch eine Bewegung der
Reglerwelle 6 entsprechend einer Vergrößerung der Brennstoffzufuhr und eine Entspannung
der Rückkopplungsfeder 23 hervorgerufen wird.
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Es ist zuweilen erwünscht, die Regelung der Maschine kurzzeitig durch
den mechanisch-hydraulischen Reglerteil G durchzuführen, wobei jedoch die Spule
25 erregt bleiben soll. In einem solchen Fall kann die Spule 17 des Schaltventils
T durch Betätigung eines mit ihr verbundenen Schalters 39 stromlos gemacht und wieder
erregt werden. Der Schalter 39 ist vorzugsweise magnetisch verriegelt (der Haltekreis
ist nicht dargestellt), so daß nach dem Umstellen von der elektrisch-hydraulischen
Regelung auf mechanischhydraulische Regelung, die bei Stromloswerden der Spule 17
automatisch erfolgt, die Rückstellung auf elektrisch-hydraulische Regelung nach
dem Auftreten einer Störung in der Energiezufuhr das Tätigwerden einer Bedienungsperson
erfordert. Die Spule 17 kann wahlweise oder zusätzlich mittels eines nicht dargestellten
Schalterkontaktes automatisch stromlos gemacht werden, der in dem auf die elektrische
Belastung und die Frequenz ansprechenden Stromkreis 38 angeordnet und auf vorbestimmte
obere und untere Frequenzgrenzen eingestellt ist.