DE1426498C3 - Regelsystem für Kraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Regelsystem für Kraftmaschinen zum Antrieb einer Last, deren Arbeitsmitteleinströmung über ein Steuerventil erfolgt, zur Einstellung des Ventils und mit Drehzahlregelung über einem weiten Drehzahlbereich der Kraftmaschine und Belastungsregelung in einem begrenzten Bereich der Drehzahl der Kraftmaschine mit Begrenzung der Beschleunigung, mit variabler Vorgabe des Drehzahlsollwertes und mit Ventilstellungsrückkopplung und Drehzahlrückkopplung.

Ein Regler für Kraftmaschinen ist im allgemeinen für eine beabsichtigte und vorgegebene Nenndrehzahl entworfen, woraus sich eine Bestleistung der Maschine bei Drehzahlen in der Nähe der Nenndrehzahl ergibt. Die Regelung oder der Eingriff eines Reglers für Kraftmaschinen, beispielsweise für mittels eines Steuerventils gesteuerte Dampfturbinen, wird durch einen Drehzahlwechsel gegenüber einer konstanten vorgegebenen Drehzahl im Bereich des Leerlaufs bis zur Vollast der Maschine ausgelöst, wobei der prozentuale Anteil des Drehzahlwechsels auf den vollen Stellweg des Steuerventils bezogen sein kann. Der Wert der Regelung ist durch eine Messung gegeben, welche die Genauigkeit um den Nennbereich der Drehzahl feststellt, oder in den Fällen, in denen die Kraftmaschine einen Generator im Zusammenhang mit anderen Generatoren für ein Energienetz antreibt, ίο ist die Regelung ein Maß dafür, wie schnell die Kraftmaschine den Lastwechseln bei einer vorgegebenen Frequenzänderung des durch dieses Netz dargestellten Systems folgt.

In vielen Fällen ist es wünschenswert, die Kraftmaschine allmählich zu beschleunigen oder zu verzögern und dabei die Drehzahl in engen Grenzen auf einer erwünchten Beschleunigungs- oder Verzögerungskurve zu halten. Zum Beispiel ist es in Höchsttemperatur-Höchstdruckdampfturbinen vorzuziehen, den Dampf in Verbindung mit einem Anfahrdiagramm zuzuführen und so die Turbine vorzuwärmen, so daß unerwünschte thermische Spannungen weitgehend vermindert werden. Auf diese Weise wird die Turbine allmählich nach einem vorbestimmten Zeitplan auf ihre Drehzahl gebracht. Weiterhin ist es für eine langsame Dampfzuführung wünschenswert, den Dampf durch alle auf den Kreisumfang des Turbinengehäuses angeordneten Dampfdüsen zuzuführen, d.h. eine volle Beaufschlagung durchzuführen, so daß auf diese Weise eine gleichmäßige Erwärmung über den Umfang harte Temperaturgradienten vermeidet.

In der USA.-Patentschrift 2 824 422 wird ein Regelsystem für Regelung eines Triebwerkes für ein Luftfahrzeug beschrieben, bei dem die Zuführung des Arbeitsmittels durch ein Steuerventil erfolgt zpr Einstellung des Ventils mit Drehzahlregelung über einem weiten Drehzahlbereich der Kraftmaschine und BeIastungiregelung in einem begrenzten Bereich der Drehzahl der Kraftmaschine, mit Begrenzung der Beschleunigung, mit variabler Vorgabe des Drehzahlsollwertes und mit Ventilstellungsrückkopplung und Drehzahlrückkopplung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Beschleunigungsgeschwindigkeit einer Kraftmaschine von einem Anfangseinstellwert der Drehzahl auf einen erwünschten Endeinstellwert zu steuern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Regelsystem der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß das variable Drehzahlsollwertsignal an den Steuereingang einer Schaltung für die Beschleunigungsregelung gekoppelt ist, die eine variable Einstellvorrichtung zur selektiven Steuerung der zeitlichen Änderung ihres Ausgangssignals besitzt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt die Schaltung zur Beschleunigungsregelung einen Magnetverstärker, der elektrisch mit einem Motor verbunden ist, welcher mechanisch gekoppelt ist über ein variables Getriebe mit einer Potentiometereinheit zur Erzeugung eines zeitlich variablen Ausgangssignals und mit einem Potentiometer zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals an dem Magnetverstärker.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist der Motor ein Umkehrmotor, und es ist eine Einrichtung vorgesehen zur wahlweisen Zuschaltung einer Kraftquelle zu diesem Motor zur Handsteuerung des von dem Potentiometer erzeugten Bezugspotentials und damit der Drehzahl der Kraftmaschine.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform

umfaßt die Schaltung für die Beschleunigungsregelung einen als Integrator geschalteten Operatorverstärker, und als variable Einstellvorrichtung ist ein Potentiometer am Eingang des Operatorverstärkers vorgesehen, welches mit der Quelle des Drehzahlsollwertsignals verbunden ist.

Hierdurch wird eine verbesserte Anordnung zur Regelung einer Kraftmaschine von einer Anfangseinstellung der Drehzahl auf eine erwünschte Drehzahleinstellung geschaffen mit einer verminderten Neigung zum Überschießen über die Endeinstellung der Drehzahl.

Der elektrische Drehzahlregler mit großem Bereich gestattet es, die Drehzahl der Kraftmaschine in einem abgegrenzten Bereich bei jeder gewünschten Drehzahl zwischen dem Stillstand und der angenäherten Nenndrehzahl einzustellen. Es ist dabei möglich, einen großen Regelbereich zu erhalten, in dem bei der Einleitung des Regelvorganges die festgelegte Enddrehzahl vom Regler berücksichtigt wird und indem der Regler diese übernimmt und die Kraftmaschine in vorgegebener Zeit auf die Enddrehzahl bringt. Dabei ermöglicht es die Anordnung, daß die Tendenz für eine Überregelung weitgehend reduziert wird.

Das Regelsystem ermöglicht die Regelung für eine Kraftmaschine, die parallel mit anderen Kraftmaschinen geschaltet ist.

Das Regelsystem gestattet weiterhin die Reduzierung von Tendenzen zur momentanen Verzögerung oder Überregelung der geregelten Beschleunigungsgeschwindigkeit und trifft Vorkehrungen für ein schnelles Ansprechen des Steuerventils während des stationären Zustandes der Regelung.

In den Figuren der Zeichnung wird schematisch ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wiedergegeben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild des Regelungssystems, Fig. 2abis 2c in vereinfachter Form Schemabilder der elektrischen Regelungseinrichtung in ihrer Anwendung auf die Steuerung des Steuerventils in seiner Wirkung als Drosselventil und als Schnellschlußventil sowie eine Steuerung für das Anfahren der Turbinenanlage mit voller Beaufschlagung,

Fig. 3 in einem Diagramm die Ubertragungseigenschaften des im Regelungssystem verwendeten Verstärkers,

Fig. 4 eine Variante der Schaltung nach Fig. 2a, die dort wegen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde.

Einleitend sei erwähnt, daß die Regelung der Drehzahl (oder der Last) der Kraftmaschine durch ein verstärktes Fehlersignal eingeleitet wird, das über einen Servomotor die Ventilstellung beeinflußt. Der Verstärker ist zweistufig ausgeführt und benutzt die belasteten Wicklungen einer Magnetverstärkeranordnung in der ersten Stufe zur Steuerung eines Siliziumgleichrichters in der zweiten Stufe zum Zwecke der Einstellung eines Zeitintervalls. Das Ausgangssignal des Verstärkers ist somit ein verstärktes Signal mit Vollweggleichrichtung, wobei die Übertragungswagenschäften durch eine höhere Drehzahl bei entsprechend höherer Leistung wiedergegeben werden. Das auf den Verstärker geschaltete Drehzahl-Fehlersignal wird durch einen Vergleich von drei Signalen ermittelt. Das eingangsseitige Drehzahl-Sollwertsignal wird mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit eingestellt auf einen vorbestimmten Endeinstellwert für die Drehzahl. Dieses Bezugssignal, das die gewünschte Drehzahl repräsentiert, wird ständig mit einem Rückführungssignal der Drehzahl verglichen, welches von einem Tachometergenerator abgeleitet wird. Ebenso wird ein Rückführungssignal von der Stellung des Ventils für die Abänderung des Fehlersignals benutzt, um auf diese Weise die Regelung bzw. die Neueinstellung einzuleiten.

Fig. Γ zeigt das Blockschaltbild des Regelungssystems und enthält die Schaltung für die Beschleunigungsregelung, wobei ein Summiergerät 2 mit einer Einspeisung des Steuerstroms für die gesättigte Drosselspule 3 vorgesehen ist, deren Ausgangsleistung den Motor 4 entsprechend der Stromrichtung antreibt. Die Motorwelle wirkt über einen einstellbaren Antrieb 5 als variable Einstellvorrichtung auf die Bewegung eines Gleitarmes einer Potentiometereinheit 6, welche einen Rückführungsstrom über die Rückführungsleitung 7 auf das Summiergerät 2 gibt. Der Eingang der Schaltung 1 wird durch eine über eine Leitung 8 am Summiergerät 2 angelegte Spannung dargestellt, welche die gewünschte Drehzahlendeinstellung repräsentiert, während das Ausgangssignal der Schaltung 1 durch eine Bezugsspannung gegeben ist, deren zeitliche Änderungsgeschwindigkeit durch die Einstellung des einstellbaren Antriebs 5 festgelegt ist.

Auf diese Weise wird der Schaltung 1 die gewünschte Drehzahleinstellung in eine variable Spannung umgesetzt derart, daß die Kraftmaschine in einem vorgegebenen Zeitintervall von ihrer Anfangsdrehzahl auf eine endliche Enddrehzahl gebracht wird.

Die Bezugsspannung aus dem Schaltungsabschnitt 1 dient als Speisespannung eines weiteren Schaltungsabschnittes 10, der folgende Schaltungselemente enthält: ein Summiergerät 11 erzeugt einen Eingangsimpuls für einen Verstärker 12, welcher ein gerichtetes Signal zur Betätigung eines Motors 13 für eine Einstellvorrichtung mittels eines Schraubengewindes abgibt. Der Schraubengewinde-Einstellmotor betätigt ein hydraulisches Relais 14 für die Einstellung des Ventils 15. Das Ventil 15 steuert die Dampfeinströmung zur Turbine 16, welche die Last 17 antreibt und dadurch eine Turbinendrehzahlabhängigkeit hervorruft. Die Turbinendrehzahl wird durch den Tachometergenerator 18 abgenommen, dessen Ausgang über den Gleichrichter 19 gleichgerichtet und über ein Filter 20 auf das Summiergerät 11 geschaltet ist. Die Stellungsrückführung des Ventils wird durch den Schaltungsabschnitt 21 vorgenommen, der die Ventilstellung über einen Differentialtransformator 22 abbildet, dessen Wechselstromsignal über einen Demodulator 23 auf ein Summiergerät 25 geschaltet ist.

Vor dem Anlaufen der Turbine 16 steht diese still, und die Belastung 17 kann als Trägheit und Reibungsverluste angenommen werden. Ein gewünschter Endwert der Turbinendrehzahl, die gewöhnlich der Nenndrehzahl entspricht, wird über die Leitung 8 vorgegeben, über die auch dazwischenliegende Werte eingestellt werden können. Die Geschwindigkeit der Beschleunigung bis zur Enddrehzahl wird am einstellbaren Antrieb 5 eingestellt. Dies beeinflußt die Zeit, welche der Motor 4 bei der Einstellung des Potentiometers 6 auf den Endwert der Drehzahl benötigt. Das Summiergerät 2 liefert ein Fehlersignal, das durch die Drosselspule oder Magnetverstärker 3 verstärkt auf den Motor 4 und auf das Potentiometer 6 einwirkt.

Die Bewegung des Gleitarms im Potentiometer 6 ist derart, daß er veranlaßt wird, in eine Stellung zu gehen, wo die Differenz des über die Rückführungsleitung 7 gelieferten Signals und des über die Leitung 8 gelieferten Einstellsignals abgeglichen bzw. null wird und somit das Kulifehlersignal vom Summiergerät 2 den Motor 4 zu stoppen veranlaßt. Das aus dem Schaltungsabschnitt 1 bezogene und zum Summiergerät 11 gelieferte Signal wächst mit einer konstanten Geschwindigkeit allmählich an, welche durch die Vorgabe am einstellbaren Antrieb 5 bestimmt wird. Diese Auswirkung ist ,als Stufeneingangsfunktion bekannt, wobei die Anstiegsneigung der Stufen durch die variable Einstellvorrichtung 5 eingestellt werden kann.

Das anwachsende Stufensignal wird über die Summiergeräte 11 und 25 dem Verstärker 12 aufgeschaltet. Der Verstärker 12 weist eine besondere Übertragungscharakteristik auf, die im einzelnen in einem späteren Absatz beschrieben wird. Das verstärkte Signal betätigt den Motor 13 für die Verstellung des Schraubengewindes, welches das hydraulische Steuerrelais 14 zur Einstellung des Steuerventils der Turbine bewegt. Somit veranlaßt das anwachsende Stufensignal das Ventil 15 zur Öffnung der Dampfeinströmung in die Turbine 16.

Während das anwachsende Stufensignal, das durch die Schaltung 1 geliefert wird, den Sollwert der Turbinendreh/ahl darstellt, wird der Istwert der Turbinendrehzahl kontinuierlich mit dem Rückführungswert über den Tachometergenerator 18 verglichen, gleichgerichtet und gefiltert. Das Filter 20 mit Phasenvoreilung dient zur Erzeugung einer »Phasenvoreilungs-« oder Differenziergliedcharakteristik des Rückführungssignals, so daß auf diese Weise die· gegenläufige »PhasennacheilungSK-Charakteristik infolge der Zeitkonstanten der Schaltungselemente 12 bis 17 aufgehoben wird.

Zur weiteren Herabsetzung der Zeitverzögerung zwischen dem Zeitpunkt der Bewegung des Ventils 15 und dem Zeitpunkt der Drehzahländerung der Turbine 16 und zur Erzeugung eines unverzögerten Einschaltens setzt der Schaltungsabschnitt 21 die Ventilbewegung unmittelbar in einen Rückführungsimpuls um, der über den Differcntiaitransformator 22 und den Demodulator 23 zum Summiergerät 25 gegeben wird und zur zusätzlichen Beeinflussung der Ansprechgeschwindigkeit dient.

Um die Arbeitsweise der Schaltung 1 aus dem Blockdiagramm klarer darzustellen, ist in der Fig. 2a der schaltungstechnische Aufbau einer Schaltung 26 zur Beschleunigungsregelung ausführlich beschrieben. Die Schaltung 26 wird über die Stromschiene 27 gespeist, die mit einem Wechselstromnetz von 115 V und 60 Hz verbunden ist. Für die Gleichstromspeisung ist ein Konstantgleichspannungsgerät 28 vorgesehen, das eine verzerrungsfreie Gleichspannung mit einem konstanten Wert liefert.

Von der Wechselspannungsquelle 27 wird über die Zuleitung 35b die Drosselspule oder Magnetverstärker 36 versorgt, welche die in Serie geschalteten Lastwicklungen 37i 38 sowie die ebenfalls in Serie geschalteten Steuerwicklungen 39, 40 aufweist. Ein Zweiwegumschalter 41 dient zur Verbindung der Lastwicklungen 37, 38 der Drosselspule 36 mit der Wicklung des Steuerfeldes 42 eines Zweiphasen-Wechselstrommotors 43. der dem Motor 4 in Fig. 1 entspricht. Über die Zuführung 45 ist die feste Feldwicklung 44 des Motors mit der Wechselspannungsquelle 27 in Serie mit einem Kondensator 46 verbunden, wobei die feste Feldwicklung 44 um 90° in der Phase zur Steuerwicklung 42 verschoben angeordnet ist. Die Welle des Servomotors 43 ist über ein Getriebe 48 mit dem Gleitarm 47 eines Rückführungspotentiometers 31 verbunden. Das Getriebe bzw. der einstellbare Antrieb 48 wird durch ein Paar entgegengesetzt angeordneter konischer Scheiben gebildet, die mit 49 bezeichnet sind und deren Verbindungsglied

ίο durch eine Leerlaufrolle 50 erstellt wird, deren Verschiebung zum Zwecke der Einstellung des Beschleunigungsbetrages über einen Knopf 51 vorgenommen werden kann. Der einstellbare Antrieb 48 kann auch durch eine andere Anordnung erstellt werden, die nur die Aufgabe erfüllen muß, ein Untersetzungsverhältnis von der Drehzahl der Motorwelle zum Gleitarm einstellen zu können. Im vorliegenden Fall ergibt sich bei einem Untersetzungsverhältnis des Getriebes von 9000 Ί ein Einstellbereich von 1 've der Nenndrehzahl

ao der Turbine pro Minute zu 20 ^CA. der Nenndrehzahl pro Minute. Natürlich ist das genaue Übersetzungsverhältnis von dem Potentiometerantrieb und von der Drehzahl des Motors 43 abhängig.

Parallel zum Gleitarm 47 ist ein weiterer Gleitarm 52 für ein Potentiometer 53 vorgesehen, von dem eine Bezugsspannung abgenommen wird. Das Potentiometer 53 ist mit der positiven Zuleitung 29 der Gleichspannungsquelle über die Zuführung 54 verbunden. Diese Parallelanordnung der Potentiometer 31 und 53 trennt den Beschleunigungsschaltkreis 26 von dem restlichen Schaltungsabschnitt, so daß kerne gegenseitige Beeinflussung auftreten kann. Die Spannung vom Gleitarm 52 wird zur Erzeugung eines Bezugsstroms in der Leitung 63 über den Widerstand 62 geführt.

Der Gleitarm 47 ist über die Rückführungsleitung 55 und die Steuerwicklungen 39 und 40 der Drosselspule mit dem Gleitarm 34 eines Spannungsteilers verbunden. Ungleichheiten.in den Spannungen zwisehen den Gleitarmen 34 und 47 verursachen einen Stromfluß in der einen oder der anderen Richtung durch die Steuerwicklungen 39 und 40.

Eine wechselweise Steuerwirkung des Motors 43 wird durch den Zweiwegschalter 41 erreicht. Eine Bewegung des Schalters 41 nach rechts dient zur Verbindung der Steuerwicklung 42 mit einem Mittenabgriff am Transformator 56. Die Primärwicklung des Transformators 56 ist über die Zuführung 57 mit der Wechselstromquelle 27 verbunden. Der Mittenabgriff 58 der Sekundärwicklung des Transformators 56 ist mit einer Geschwindigkeitseinstellung über den Schalter 59 verbunden, der wiederum mit der Steuerwicklung 42 verbunden ist. Bei Bewegung des Schalters 59, entweder zum Anschluß 60 oder zum Anschluß 61 wird die Steuerwicklung 42 entweder mit der einen Hälfte oder der anderen Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators 56 verbunden.

Die Wirkungsweise dieser Schaltung 26 für die Beschleunigungsregelung ist folgende: Sobald eine Enddrehzahl am Schaltknopf 35 eingestellt ist, löst der Gleitarm 52 am Potentiometer 53 einen Bezugsstrom aus, der in das Turbinenregelungssystem mit einem festgesetzten Betrag über den einstellbaren Antrieb, 48 eingegeben wird. Egal, wie abrupt die Einstellung am Einstellknopf 35 vorgenommen wird, wird der Drehzahlwechsel über das Bezugssigna! verhältnismäßig langsam vorgenommen infolge der Untersetzung durch den einstellbaren Antrieb 48 und liefert

eine geregelte Beschleunigung oder Verzögerung der Turbine. Der Ablauf in der Schaltung für die Beschleunigungsregelung erfolgtdabei in der Weise, daß im Ruhezustand die Spannungen an den Potentiometern 30 und 31 ausgeglichen sind, so daß kein -Strom durch die Zuführung 55 und damit auch kein Strom in den Steuerwicklungen 39 und 40 der Drosselspule 36 fließt. Durch die manuelle Einstellung einer Endgeschwindigkeit am Schaltknopf 35 in eine neue Position wird der Gleitarm 34 in eine neue Stellung bewegt, wobei eine unausgeglichene Spannung zwischen dem Potentiometer 30 und dem Rückführungspotentiometer 31 auftritt, so daß nunmehr ein Strom durch die Leitung 55 und damit durch die Steuerwicklungen 39 und 40 der Drosselspule 36 fließt. Das verursacht eine Sättigung der Kerne der Drosselspule 36, so daß nunmehr ein Wechselstrom in das Steuerfeld 42 des Motors 43 fließt, wobei die Phase und die Höhe von der Richtung und Größe der Bewegung des Gleitarmes 34 abhängig sind. Die Welle des Motors 43 dreht nunmehr den Gleitarm 47 in einer Richtung, in der die Fehlerspannung reduziert wird und schneidet damit den Stromfluß in der Zuführung 55 ab. Der Gleitarm 52 bewegt sich gleichmäßig mit dem Gleitarm 47 und erzeugt eine neue Bezugsspannung, deren Höhe für den Stromfluß in der Zuleitung 63 maßgebend ist.

Der Betrag der Zeitabhängigkeit des Drehzahlwechsels wird durch die Riemenspannrolle oder Leerlaufrolle 50 am einstellbaren Antrieb 48 eingestellt. Die Riemenspannrolle 50 setzt die Beschleunigung fest, die durch den Einstellknopf 51 vorgegeben ist, wobei ein stufenweiser Anstieg des Beschleirhigungsbetrages im Gleichklang mit der ansteigenden Bezugsspannung erreicht wird. Durch Manipulationen der Beschleunigungsgrenzen über den Einstellknopf 51 während des Drehzahlwechsels kann eine nichtlineare Geschwindigkeit der Beschleunigung erzielt werden. Das ist beispielsweise wichtig, wenn sich der Turbinenläufer in der Nähe einer kritischen Drehzahl bewegt und gewünscht wird, daß an dieser Stelle die Beschleunigung heraufgesetzt werden soll, um schnell durch diese kritische Zone zu gelangen.

Jederzeit kann in der Schaltung eine Handeinstellung der Drehzahl der Kraftmaschine vorgenommen werden, wenn der Schalter 41 in seine rechte Schaltstellung gebracht wird. Dadurch wird eine Handsteuerung der Steuerwicklung 42 des Motors 43 erreicht. Der Potentiometergleitarm 47 wird dabei einfach an seiner gerade befindlichen Stelle festgelegt, und der Motor 43 kann durch die Handsteuerung über den Kontaktarm 59 in Verbindung mit den Kontaktpunkten 60 und 61 eingerückt werden, entweder in der einen oder in der anderen Drehrichtung. Diese Möglichkeit wird vorteilhafterweise dann angewendet, wenn die Kraftmaschine einen Generator antreibt, welcher synchron zu anderen Generatoren geschaltet werden soll.

Es ist noch notwendig zu bemerken, daß die gesättigte Drosselspule 36 so ausgewählt ist, daß bei ganz großen Wechseln der Drehzahl ihre Kerne in gesättigtem Zustand die volle Wechselstromwelle über die Spannungsleitung zum Wechselstrommotor 43 einspeisen. Wenn die Kernsättigung erreicht ist, kann der Motor 43 mit einer konstanten Drehzahl die Kontaktarme der Potentiometer 31 und 53 bewegen unter Berücksichtigung der vorgegebenen Beschleunigungsgrenze über den Einstellknopf 51. Die Bezugsdreh zahl ist erreicht, wenn die Kerne der Drosselspule 36 aus der Sättigung kommen und der Motor 43 mit einer Drehzahl läuft, die proportional zur Spannung der Steuerwicklung 42 ist. Als Konsequenz ergibt sich hieraus, daß der Motor die Bewegung der Kontaktarme der Potentiometer 31 und 53 in der Nähe der Enddrehzahl verzögert bewegt, was dazu beiträgt, daß Überregelungen im Bereich der Enddrehzahl vermieden werden.

ίο Das in der Regelungseinrichtung verwendete Verstärkungssystem wird in seinen Einzelheiten in der Fig. 2b beschrieben. Vorausgesetzt wird, daß der Bezugsstrom in der Zuführung 63 ansteigend oder abfallend mit vorgegebenen Beträgen zur gewünschten Enddrehzahl ist. Dieser Bezugsstrom wird verstärkt und entsprechend abgeändert durch das Verstärkungssystem 64. Es enthält vier gesteuerte Magnetverstärkerschaltkreise 71 bis 74 mit je einem gesteuerten Eingang über Siliciumgleichrichter 85 bis 88 derart, daß die Stromzuführung über die Primärwicklungen 90a und 93a eines Speisetransformators 90 und 93 erfolgt. Die Eigenschaften des Verstärkungssystems können an den gerichteten Zuführungen 65 und 66 eingestellt werden, die mit dem positiven Anschluß 29 der Gleichspannungsquelle verbunden sind und entsprechende Rheostate 68 und 69 aufweisen. Die Steuerleitung 63a und die gerichteten Zuführungen 65 und 66 von den Eingängen der vier Magnetverstärker 71 bis 74 weisen entsprechende Lastwicklungen 71a bis74a auf. Die gerichtete Zuführung 65 ist so verbunden, daß ein Stromfluß durch die Wicklungen 71i> bis 74ö in Reihe mit dem Magnetfluß in den Kernen der Magnetverstärker 71 bis 74 erreicht wird. Ähnlich ist auch die gerichtete Zuführung 66 geschaltet, so daß ein Stromfluß durch die gerichteten Wicklungen 71c bis 74c erfolgt. Die Steuerleitung 63a wird so geschaltet, daß der Stromfluß in Reihe durch die Steuerwicklungen lld bis 74d zur Erzeugung des Magnetfeldes in den Kernen erfolgt.

Die Lastwicklungen 71a bis 74a der Magnetverstärker werden über die Wechselstromquelle mittels eines isolierten Transformators 75 gespeist, dessen Primärwicklung 76 mit der Wechselspannungsquelle 27 durch die Zuführungen 77 verbunden ist. Die oberen zwei Magnetverstärker 71 und 72 wirken während der einen Halbperiode auf einen Schaltkreis zum Schließen eines Ventils, der mit 78 bezeichnet ist, während die unteren beiden Magnetverstärker ähnlich auf einen Öffnungsschaltkreis 79 für ein Ventil wirken.

Der Transformator 75 dient als Kraftquelle für vier Arbeitsschaltkreise 81 bis 84. Die Schaltungskomponenten der Arbeitsschaltkreise 81 bis 84 sind für alle Kreise gleich, so daß nur die Komponenten für den Arbeitsschaltkreis 81 beschrieben werden. Der Arbeitsschaltkreis 81 wird gespeist von der Sekundärwicklung 81a des Transformators 75, die in Reihe mit der Lastwicklung 71a des Magnetverstärkers 71 und einer Gleichrichterdiode 81 b geschaltet ist, aber entgegen dem Belastungswiderstand 81c. Ein Anschluß des Belastungswiderstandes 81c ist mit einem Schaltkreis mit dem Widerstand 8Ia* verbunden und ein Gleichrichter 81 e und eine Kapazität 81g sind mit der Eingangselektrode des Siliciumgleichrichters 85 verbunden, während der andere Anschluß des Belastungswiderstandes 81c über die Zuführung 81/ mit dem Emitter des Siliciumgleichrichters 85 verbunden ist. Alle Schaltungskomponenten der Arbeitsschalt-

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kreise 81 bis 84 sind in gleicher Weise angeordnet. Wenn ein Stromfluß durch die Lastwiderstände 81c bis 84c auftritt, fällt die Spannung gegen die Lastwiderstände ab, so daß ein Arbeitspotential für die Siliciumgleichrichter 85 bis 88 auftritt.

Die Siliciumgleichrichter sind Festkörperschaltereinheiten, welche die Fähigkeit haben, einem »Auf-Zu«-Stromfluß zu gestatten, wenn eine gegebene Vorspannung zugeführt wird. Ihre Arbeitsweise ist ähnlich einem Tyhratron oder einem äquivalenten Schaltgerät, deren Anwendung das Verfahren nach der Erfindung nicht abändern würde.

Die Magnetverstärker 71 und 72 sind mit den Arbeitsschaltkreisen der Siliciumgleichrichter 85 und 86 für eine Halbwelle verbunden in der Art, wie diese von den Sekundärwicklungen 81a und 82a geliefert werden. In gleicher Weise sind auch die Magnetverstärker 73 und 74 mit den Siliciumgleichrichtern 87 und 88 für die andere Halbw'elle in den Arbeitsschaltkreisen 83 und 84 verbunden, die von den Sekundärwicklungen 83a und 84a des Transformators eingeleitet werden.

Die Siliciumgleichrichter 85 und 86 werden in einem parallel liegenden Schaltkreis 89 zusammengefaßt, welcher in Reihe mit der Primärwicklung 90a eines Transformators 90 für die Schließung eines Ventils liegt und die mit der Speiseleitung 91 verbunden ist. Ähnlich ist auch der Schaltkreis für die öffnung eines Ventils, der mit 79 bezeichnet ist, über die Speiseleitung 91 beaufschlagt. Hier dient der Transformator 93 zur Ventilöffnung mit seiner Wicklung 93a. Schmelzstreifen 91a und 91b sind zum Schutz der Leitung 91 vorgesehen. Der parallele Schaltkreis ist mit zwei entgegengesetzfen Polungen versehen. In der einen Richtung sind die Anschlüsse 94 und 95 so geführt, daß nur ein ausgewählter Teil des Wechselstromes am Anschluß 95 auftritt in der Zeit, wenn die Siliciumgleichrichter 85 und 86 leitend sind. Um den Übergang gegen die Siliziumgleichrichter herabzusetzen, sind ein Widerstand 96 und ein Kondensator 97 vorgesehen, die als Shunt gegen den Siliciumgleichrichter 85 geschaltet sind. Ähnlich werden ein Widerstand 98 und ein Kondensator 99 gegen den Siliciumgleichrichter 86 geschaltet.

Der Parallelschaltkreis 92 ist in der gleichen Art aufgebaut wie der Parallelschaltkreis 89 mit den Widerständen 100 und 101 und den Kondensatoren 102 und 103 und so ausgebildet, daß der Wechselstrom den Leitungsweg zwischen den Anschlüssen 104 und 105 nur passieren kann, wenn die Siliciumgleichrichter leitend sind. Die Art der Verbindung läßt erkennen und macht klar, daß, wenn die Siliciumgleichrichter und 86 während eines festen Intervalls arbeiten, der Parallelschaltkreis 89 während der Dauer des Intervalls geschlossen ist. Daraus folgt, daß Teile der Wechselstromhalbwelle von der Zuführung 91 durch die Primärwicklung des Transformators 90 geleitet werden. Der parallele Schaltkreis 92 arbeitet in der gleichen Weise, indem Teile der Wechselstromhalbwelle durch den Transformator 93 geleitet werden. In Fällen, in denen eine Überlappung des Einsatzes der beiden parallelen Schaltkreise 89 und 92 gewünscht wird, kann über eine Brückenschaltung 106 eine Gleichrichtung und Kombination der Halbwellenabschnitte erreicht werden.

Die Brückenschaltung 106 besteht aus vier Zweigen, von denen jeder einen Vollweg-Brückengleichrichtcr 107 bis 110 enthält. Die Brückenschaltung 106 empfängt ihren Eingang von den Sekundärwicklungen 90b und 90c des Transformators 90 und von den Sekundärwicklungen 93b und 93c des Transformators 93, die in entgegengesetzter Schaltung zu den VoIlweggleichrichtern 107 bis 110 angeordnet sind. Die restlichen Anschlüsse der Vollweg-Gleichrichterbrücke sind untereinander durch einen Widerstand 111 verbunden, und der Ausgangsgleichstrom wird über die Zuleitungen 112 und 113 zu den Armaturen ίο eines Gleichstrommotors 114 geführt. Jeder Vollweg-Brückengleichrichter enthält vier Dioden, die mit den Indices α bis d bezeichnet sind. Die Wechselstromanschlüsse des Brückengleichrichters 107 bis 110 sind mit den Sekundärwicklungen 93b, 90b, 90c und 93c der Transformatoren 90 und 93 verbunden. Es ist zu bemerken, daß der Transformator 90 mit den Brückengleichrichtern 108 und 109 verbunden ist im Gegensatz zu den Brückenzweigen der Brücke 106. In gleicher Weise ist der Transformator 93 mit ίο den Brückengleichrichtern 107 und 110 verbunden. Die Art der Verbindung zeigt, daß der Transformator 90 für das Schließen des Ventils eine Gleichspannung erzeugt von einer Polarität, die gegen die Ausgangsleitungen 112 und 13 gerichtet ist und daß der Transformator 93 für die öffnung des Ventils eine Gleichspannung erzeugt, die im Gegensatz zur Polarität der Ausgangsleitungen steht. Die Leitungen 112 und 113 speisen den Eingang des Gleichstrommotors 114. Wenn die beiden Transformatoren 90 und 93 im gleichen Zeitabschnitt phasengleich arbeiten, dann ist die Ausgangsspannung zu den Leitungen 112 und 113 ausgeglichen. Wenn dagegen die Transformatoren 90 und 93 phasenverschoben arbeiten, wird eine Spannungsdifferenz auf die Leitungen 112 und 113 gegeben, deren Polarität davon abhängt, welcher Transformator zuerst arbeitet.

Die idealisierte Übertragungscharakteristik des Verstärkersystems 64'ist in Fig. 3 gezeigt. In dem Diagramm ist der Steuerstrom I_c auf der Abszisse aufgetragen, während die Ausgangsspannung E_1n auf der Ordinate aufgetragen ist. Die Ausgangsspannung wird über die Zuleitungen 112 und 113 zum Gleichstrommotor 114 geschaltet. Der mit α bezeichnete Kurvenabschnitt in der Übertragungscharakteristik tritt auf, wenn ein positiver Steuerstrom in der Leitung 63 fließt und der Schaltkreis 79 für die öffnung des Ventils durch den Transformator und die Gleichrichterbrücke in Betrieb ist. Der Motor wird dann in der Richtung der Ventilöffnung betrieben. Der Kurvenabschnitt b der Übertragungscharakteristik wird erreicht, wenn ein negativer Steuerstrom in der Leitung 63 vorherrscht, der über den Schaltkreis 78 für das Schließen des Ventils den Transformator 90 und die Brückenschaltung 108 und 109 den Motor 114 in einer Richtung betätigt, in der das Ventil schließt. Der Kurvenabschnitt c der Übertragungscharakteristik kann durch eine Einstellung am Rheostat 69 erreicht werden. Er vereinigt die Eigenschaften des Verstärkers für den Fall, daß alle vier Magnetverstärker gleichmäßig arbeiten. Der rechte Teil des Kurvenabschnittes c repräsentiert die Zeit, in der der Transformator 93 dem Transformator 90 voreilt, während der linke Kurvenabschnirt die Zeit der Phasenverschiebung der Transformatoren in umgekehrter Reihenfolge darstellt. Es zeigt sich durch den Kurvenabschnitt c, daß ein höherer Leistungsgewinn zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Verstärkers erzielt werden kann, wenn in der Nähe des Nullpunktes nur kleine

Werte des Steuerstromes vorliegen.

Im einzelnen arbeitet das Verstärkersystem 64 in folgender Weise: Die Steuerwicklungen 71d bis 74d in den Magnetverstärkern 71 bis 74 sind so angeordnet, daß ein Stromzuwachs in der Steuerleitung 63 die Erregung in den Magnetverstärkern 73 und 74 fördert, dagegen in den Magnetverstärkern 71 und 72 die Erregung zurücknimmt. Dieses Anwachsen des Steuerstromes dient zum Ansteigen der Ausgangsleistung im unteren Paar der Magnetverstärker und zum Abfall der Ausgangsleistung im oberen Paar der Magnetverstärker.

Die sogenannten Totzeitwicklungen 71c bis 74c sind so angeordnet, daß sie die Kerne aller vier Magnetverstärker 71 bis 74 entweder zur Sättigung oder von der Sättigung gleichmäßig wegbringen, was durch die Einstellung des Totzeit-Rheostaten 69 erreicht wird. An dieser Stelle muß darauf hingewiesen werden, daß das obere Paar der Magnetverstärker unabhängig von dem unteren Paar wirksam ist. Der Punkt, bei welchem das obere Paar den Steuerstrom abschaltet und die Kerne aus der Sättigung bringt, ist nicht notwendig gleichbedeutend mit dem Punkt, bei welchem das untere Paar der Magnetverstärker leitend wird. Die Einstellung dieser Überlappung in der Wirkungsweise zwischen dem oberen Paar und dem unteren Paar der Magnetverstärker ist allein abhängig von der Einstellung am Totzeit-Rheostaten 69. In der eigentlichen Wirkungsweise wird diese Einstellung so vorgenommen, daß sich die Überlappungsperiöde während der Tätigkeit aller vier Magnetverstärker abbildet.

Die andere Folge der Wicklungen 71 b bis 74b dient allein zur Abbildung der charakteristischen'Steuerkurve für alle vier Magnetverstärker, wie sie im rechten oder linken Teil der Kurve nach Fi g. 3 dargestellt ist. Sie sind somit vornehmlich für Abstimmzwecke in der Schaltung eingesetzt. Die Lastwicklungen 71a bis 74a des Magnetverstärkers sind so verbunden, daß die alternierenden Halbwellen der Speisespannung durch den Transformator 75 über die Sekundärwicklungen 81a und 82a zu dem oberen Paar der Magnetverstärker und ähnlich über die Sekundärwicklungen 83a und 84a zu dem unteren Paar der Magnetverstärker geliefert wird. Zum Zwecke der Erklärung sei erwähnt, daß die Lastwicklung 71a eine positive Halbwelle führt und der Strom durch den Gleichrichter 81b und zurück durch den Lastwiderstand 81c geführt wird. Die Lastwicklung 72a wird durch den Gleichrichter 82b blockiert oder gesperrt. Beim Vorliegen einer negativen Halbwelle wird der Stromfluß durch die Wicklung 71a gesperrt (Gleichrichter 81b), während die Steuenvicklungen 71b, 71c, Hd die Flußhöhe bestimmen. Der Strom fließt dann durch die Lastwicklung 72a des Magnetverstärkers 72 sowie durch den Gleichrichter 82b und den Belastungswiderstand 82c.

Diese positiven Impulse erscheinen als Wechselstromhalbwellen an den Eingangselektroden der Siliciumgleichrichter 85 und 86. Die Dauer der positiven Impulse ist durch die Flußhöhe in den Magnetverstärkern 71 und 72 fesgelegt, wobei ein größerer Steuerstrom in der Steuerleitung 83a eine längere Zeitdauer der positiven Impulse ergibt. Die positiven Impulse an den Siliciumgleichrichtern 85 und 86 bewirken im Zusammenhang mit dem über die Speiseleitung 27 gelieferten Wechselstrom die Steuerung eines Zeitintervalls in den parallel liegenden Schaltungsabschnitt 89, über den alternierende positive und negative verstärkte Impulse auf die Primärwicklung des Transformators 90 gegeben werden. Ähnlich ist der Schaltungsablauf in den beiden unteren Magnetverstärkern mit der Steuerstromleitung 63 und dem Transformator 93. Durch die Einstellung am Totzeit-Rheostaten 69 im Sinne einer Sättigung aller vier Magnetverstärker kann erreicht werden, daß die oberen Siliciumgleichrichter 85, 86 zum gleichen Zeitpunkt etwas ίο eher oder etwas später wirksam werden als die unteren Gleichrichter 87, 88 in der Schaltung. Entsprechend überträgt sich diese Einstellung auch auf die Arbeitsweise der Transformatoren 90 und 93. Mit anderen Worten heißt das, daß bei einem positiveren Steuerstrom nur das obere Paar der Magnetverstärker 71, 72 arbeitet, und zwar im Sinne eines immer kurzer werdenden Zeitintervalls. Sobald der negative Anteil gegenüber den positiven Werten ansteigt, verlagert sich die Wirksamkeit der Schaltung vom Transformator 90 auf den Transformator 93. Sowie der Steuerstrom ansteigt, wird die Impulsdauer am Transformator 93 länger, während diejenige am Transformator 90 kürzer wird. Dieser Wirkungsablauf der Schaltung ergibt sich nur bei kleinen Werten des Steuerstromes, as wenn die Einstellung am Rheostaten 69 eine Überlappung der Arbeitsweise der Magnetverstärker vorsieht. Die Spannungen an den Sekundärwicklungen 90b, 90c, 93b und 93c an den Transformatoren 90 und 93 werden in der Brückenschaltung 105 summiert und das Ergebnis dem Gleichstrommotor 114 aufgeschaltet. In den Fällen, in denen der Transformator 90 allein wirksam ist, wird sein Ausgang in den Brücken 108 und 109 gleichgerichtet derart, daß sich ein Ganzwellenausgang einer Polarität in den Zuleitungen 112 und 113 abbildet. Ähnlich ist der Schaltungsablauf, wenn der Transformator 93 allein wirksam ist und sein Ausgang über die Brücken 107 und 110 für die entgegengesetzte Spannungsrichtung in den Leitungen 112 und 113 gleichgerichtet wird. Der Gleichstrommotor 114 hat eine Maximaldrehzahl, die proportional zur eingegebenen Spannung ist, und wird sich in der Richtung drehen, die durch die Polarität der Spannung in den Leitungen 112,113 gegeben ist und dem Schraubenmotor 135 auf geschaltet bzw. zugeführt wird. Die Schaltung zeigt, daß der Verstärker eine nichtlineare Charakteristik aufweist, die durch den Totzeit-Rheostaten 69 eingestellt wird (s. hierzu F i g. 3). Es sei darauf hingewiesen, daß in der Nähe des Nullpunktes der Übertragungscharakteristik bei kleinen Werten des Steuerstromes (Abschnitt c) die an den Motor 114 gelieferte Spannung E_1n größer ist als bei einem Steuerstrom, der sich in den Teilabschnitten a und b der Übertragungscharakteristik bewegt. Entsprechend diesen Gegebenheiten werden bei kleinen Werten des Steuerstromes die Transformatoren 90 und 93 mit positiven und negativen Impulsen beliefert und auf die Brücke 106 geschaltet. Die Teilspannungen sind so ausgewählt, daß die Differenz zwischen den Ventilöffnungs- und den Ventilschließimpulsen an den Zuführungen 112 und 113 erscheint, ehe der Absolutwert des Ventilschließ- oder des Ventilöffnungsimpulses erreicht wird, wobei die Polarität des^ Ausganges von dem gerade arbeitenden Transformator abhängig ist.

Entsprechend den größeren Weiten des Steuerstromes ist die Leistung des Verstärkers in der Nähe des Nullpunktes höher, während die Differenz zwischen zwei sich ändernden Werten am gleichgerichte-

ten Ausgang eher geschaltet wird, als der Absolutbetrag der Werte erreicht wird. Aus Fig. 3 ist dieses Verhalten zu erkennen. Der Betrag der Überlappung kann mit dem Totzeit-Rheostaten 69 zu einer gewünschten Arbeitslinie eingestellt werden.

In Fig. 2c ist das Steuerungssystem für die Kraftmaschine einschließlich des Rückführungskreises wiedergegeben. Der Abschnitt des Regelungssystems, der sich mit der Steuerung des Arbeitsmittels zur Kraftmaschine befaßt, wird im folgenden beschrieben: Hochdruck-Hochtemperaturdampf wird in einem Dampferzeuger 120 erzeugt und über das Schnellschlußventil 121 und über eine Gruppe von parallelgeschaltetcn nacheinander arbeitenden Regelventilen 122a, 1226 zur Turbine 16 geleitet, die den Generator 17 antreibt. Die Ventile 122a, 1226 öffnen nacheinander in einer vorbestimmten Reihenfolge, was durch den symbolisch angedeuteten Schaltmechanismus 123 erreicht wird. Dieser Schaltmechanismus 123 kann eine Nockensteuerung oder ein ähnliches Gerät sein. Ein hydraulisches Kraftverstärkungsrelais 124 erzeugt eine Kraft für die Ventilbetätigung über 123, wenn ein mechanisches Eingangssignal über die Spindel 125 aufgeschaltet wird. An der Eingangsspindel 125 ist ein Hebel 126 angelenkt, der einen Drehpunkt aufweist, der mit der Einflußspindel eines Drehzahlreglers mit Fliehgewichten verbunden ist. Die Verbindung des Fliehkraftreglers 127 mit dem Drehpunkt des Hebels 126 erfolgt über ein Federgehäuse 128 mit der Feder 128a. Auf diese Weise kann eine Änderung der Längenverhältnisse im Übertragungssystem aufgefangen werden, die durch eine Einstellung 129 der Eingangsspindel 125 vorgenommen wird. Diese Einstellung 129 dient zur Begrenzung der Lastaufnahme. Weiterhin ist noch am Hebel 126 eine Synchronisierungseinstellung 130 vorgesehen, über welche die festgesetzte Geschwindigkeit der Maschine durch den Regler 125 und damit über die Regelventile 122a, 1226 festgelegt werden kann. Bei paralleler Betätigung der Einstellung 129 für die Lastaufnahme und der Einstellung 130 für die Synchronisierung wird die Last zuerst geregelt, ehe sich die Geschwindigkeitseinstellung auswirkt.

Die vorerwähnten Schaltungselemente 120 bis 130 sind konventioneller Art und erzeugen für die Drehzahl- oder Lastregelung normale Einstellungen der Nenndrehzahl. Demgegenüber steuert der elektrische Regler während des großen Bereiches der Drehzahlen einschließlich des Anfahrens oder während der Teilbelastung bei Nenndrehzahl die Dampfeinströmung zur Turbine über die mechanische Einstellvorrichtung 123 durch ein Bypassventil 121a im Schnellschlußventil 121, während alle anderen Regelventile 122a, 1226 voll offen gehalten werden für eine volle Beaufschlagung. Das Bypassventil 121a kann ein separat angeordnetes Ventil sein, kann aber auch - wie in der Zeichnung wiedergegeben - als kleines Bypassventil 1216 den Arbeitsmitteldurchfluß im Hauptventil mit Hilfe des Ventileinsatzes 121c steuern, der so ausgebildet ist, daß ein Arbeitsmitteldurchfluß durch 121i/ und die öffnung 121e möglich ist. Das Schnellschlußventil 121a wird über die Ventilspindel 121g vom Kraftschalter 131 betätigt, der vom Steuerschieber 132 mit Steuermittel beaufschlagt wird. Ein pendelnder Hebel 133 überträgt die Bewegung einer Schraube 134, die auf dem Schraubengewinde 135 aufgeschraubt ist, zum Kolben 132a des Steuerschiebers, der an dem Hebel 133 angelenkt ist. Die Wiedereinstellung einer neutralen Position des Steuerschiebers 132 erfolgt über den Hebel 133, der über ein Lager 121/mit der Spindel des Bypassventils verbunden ist, wie aus der Zeichnung entnommen werden kann.

Das Schraubengewinde 135 wird nunmehr durch den Gleichstrommotor 114 zur Auf- oder Abwärtsbewegung des Lagers 134angetrieben. Über eine Federkupplung 137 ist es auch möglich, das Schraubengewinde 135 vor. Hand einzustellen. Sobald eine Spannung dem Motor 114 aufgeschaltet ist, wird er die Schraube 134 auf- oder abwärts bewegen entsprechend der Polarität des Verstärkerausganges, dessen Leistung über die Zuführungen 112 und 113 zugeführt wird. Dabei kehrt der Steuerschieber 132 nach Auslenkung wieder in seine neutrale Stellung zurück, sobald der Hebel 133 und damit das Bypassventil 121a eine neue Stellung eingenommen haben.

Die Wirkungsweise der Kraftmaschinensteuerung

ao ist folgende: Den Zuführungen 112 und 113 wird die Ausgangsspannung E_1n vom Verstärker 64 aufgeschaltet, wobei diese Zuführungen mit dem Motor 114 verbunden sind und eine Bewegung des Schraubgewindes 135 auslösen derart, daß die Schraube 134 abwärts bewegt wird, wenn der Steuerstrom positiv ist. Die entsprechende Abwärtsbewegung des linken Endes des Hebels 133 veranlaßt das Steuermittel, in den Zylinder 131 des Kraftschalters einzutreten, und zwar so lange, bis der Steuerschieber 132 α seine neutrale Stellung wieder eingenommen hat. Bevor die Turbine angefahren werden soll, stehen die Fliehgewichte des Reglers 127 eng beieinander, und die mechanische Einstellvorrichtung 123 ist in ihrer oberen Stellung gemäß der Abbildung. Hieraus folgt, daß die Regelventile die Dampfzuführung nicht beeinflussen und daß die Stellung des Bypassventils 1216 im Schnellschlußventil 121 allein für die Steuerung der Dampfeinströmung zur Turbine 16 verantwortlich ist. Der Dampf wird durch alle Düsen der Turbine 16 für eine volle Beaufschlagung in die Turbine geführt. Entsprechend der Ausgangsleistung des Verstärkers 64 steuert der Gleichstrommotor 114 die Stellung des Bypassventils 1216 und damit die Drehzahl der Turbine. Ist die Turbine einmal auf Nenndrehzahl, dann kann die Belastung stufenweise aufgeschaltet werden, wobei das Bypassventil 1216 für die Lastregelung benutzt werden kann, welche durch die Turbine eher angenommen wird als die Drehzahl. Eine solche Steuerung ist vorzugsweise für Teilbelastungen anzuwenden.

Der Zweck der Übertragungseigenschaften des Verstärkers 64, wie sie in Fi g. 3 wiedergegeben werden, kann jetzt erklärt werden. Wie bereits beschrieben, erzeugt der Verstärker eine höhere Leistungsabgäbe in der Nähe des Nullpunktes. Der Gleichstrommotor 114 bedarf einer gewissen Spannung, die seinen Windungen aufgeschaltet werden muß, bevor er sich zu drehen beginnt. Das ist zur Überwindung der Rotorreibung und der Reibung in dem Schraubengewinde notwendig. Sobald sich der Steuerstrom von seinem Nullpunkt in der einen oder anderen Richtung wegbewegt, verursacht die größer werdende Leistung des Verstärkers das Anlaufen des Motors 114. Auf diese Weise wird eine vergrößerte Empfindlichkeit während des stationären Zustandes der Regelung erreicht. Bei Steuerströmen, die bereits weiter entfernt vom Nullpunkt liegen, ist der Leistungszuwachs geringer. Hieraus folgt eine gute Stabilität des Übertra-

gungsverhaltens während eines Drehzahlwechsels.

Zur Rückführung der Drehzahl der Kraftmaschine ist folgendes zu sagen: Das Regelungssystem ist so ausgebildet, daß das System keinen Steuerstrom liefert, wenn eine genaue Drehzahl der Kraftmaschine eingestellt ist. In diesem Zusammenhang wird für das Löschen des Eezugsstromes durch den Widerstand 62 bei einem Steuerstrom null ein negativer Strom zum Summierungspunkt 140 zurückgeführt, wobei dieser Strom proportional zur Kraftmaschinendrehzahl ist. Dieser Strom wird durch einen Dreiphasen-Tachometergenerator 141 erzeugt und über die Zuführungen 142 einem Vollweg-Dreiphasengleichrichter 143 aufgeschaltet. Der Ausgang des Gleichrichters 143 weist eine negative Schiene 144 und eine positive Schiene 145 auf. Die Kondensatoren 146 und 147 sowie die Induktivität 148 bilden zusammen ein Filter, das die Glättung des gleichgerichteten Stromes vornimmt. Ein Festwiderstand 149 und ein variabler Widerstand 150 sind als Shunt gegen die Schienen 144 und 145 geschaltet, die zur Einstellung der Drehzahlanzeige auf ein Meßgerät 150α dienen.

Ein Phasenvoreilungsfilter 151 besteht aus dem Widerstand 152 und dem Kondensator 153 in Parallelschaltung (s. Fig. 2b) und dient zur Verbesserung der Übertragungscharakteristik durch die Kompensation der Zeitverzögerungen in den restlichen Schaltungsabschnitten des Systems. Diese Zeitverzögerungen würden Phasenverzögerungen im System verursachen, was durch das Filter 151 verhindert wird. Der Strom fließt durch einen Widerstand 154 über die Leitung 155 zurück zum Summierungspunkt 140, wo er in eine vergleichende Beziehung mit dem Strom gebracht wird, der von der Zuführung 63 ausgeht, wenn die Drehzahl der Kraftmaschine annähernd erreicht ist. Normalerweise erscheint der resultierende Strom in der Steuerleitung 63a bei stationärem Zustand der Regelung und wird durch das Bezugspotentiometer 53 entsprechend der vorgegebenen Drehzahl der Kraftmaschine herauf- oder herabgesetzt und als Betrag der Rückführungsleitung 160a für die Ventilstellung aufgeschaltet. Ein Abfall der Drehzahl verursacht ein Positiv- oder ein weniger Negativwerden des Stromes, der zum Summierungspunkt 140 gegeben wird. Das resultierende Fehlersignal öffnet nunmehr die Ventile der Turbine weiter, so daß diese auf die vorgegebene Drehzahl geht.

Zur weiteren Stabilisierung des Regelungssystems und zur Einführung einer Drehzahleinstellung oder Drehzahlregelung, die für die Regelung bei Parallelschaltungen der Kraftmaschine mit anderen Einheiten benötigt wird, ist eine Stellungsrückführung der Ventile vorgesehen. Die Bewegung des Bypassventils 121a in öffnender Richtung verursacht ein Negativwerden des Stromes in der Rückführung zum Summierungspunkt 140. In diesem Zusammenhang ist ein Differentialtransformator 156 vorgesehen, der einen beweglichen Kern 156α enthält und der durch eine Stange 157, die an dem Hebel 133 für die Betätigung des Bypassventils 121a angelenkt ist, bewegt wird. Die Primärwicklung 1566 ist an eine Wechselspannung eines Konstantspannungsgerätes angelegt, das mit 158 bezeichnet und mit der Hauptwechselstromzuführung 27 verbunden ist. Die Sekundärwicklungen 156c, 156d sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet, so daß ein sinusförmiger Strom erzeugt wird, dessen Höhe von der Einstellung des Kernes 156a abhängt. Der Strom wird somit in oder außer Phase sein, was davon abhängt, wie die Bewegung des Kernes 156a im Gegensatz zur Primärwicklung 1566 erfolgt. Der Ausgang des Differentialtransformators 156 wird einem Demodulator-GIeichrichter 159 aufgeschaltet, der von einer beliebigen Art sein kann. Im vorliegenden Fall weist der Demodulator-GIeichrichter zwei Vollweg-Gleichrichterbrücken 159a und 1596 auf, von denen jeweils ein Paar entgegengesetzte Anschlüsse über die Zuführungen 160 von der

ίο Wechselspannungsquelle 158 gespeist werden, während das andere Paar der entgegengesetzten Anschlüsse in Reihe mit den beiden Sekundärwicklungen 159c, 159d geschaltet sind. Die Primärspulen 159e, 159/sind parallel zum Ausgang des Differentialtransformators 156 geschaltet. Der Demodulator-GIeichrichter 159 erzeugt in der Leitung 160a eine Gleichstromleistung, deren Polarität davon abhängt, wie der Kern 156α zu seiner neutralen Stellung steht und deren Höhe von der Größe der Bewegung abhängt. Mit

ao Hilfe des Rheostaten 161 kann der Rückführungsstrom am Summierungspunkt 140 eingestellt werden, was zur Drehzahleinstellung oder zur Drehzahlregelung des elektrischen Reglers dient. Durch die schaltungstechnische Ausbildung des Differentialtransformators und des Demodulators 159 ist es notwendig, daß in geschlossener Stellung des Schnellschlußventils 1216 ein stationärer Strom positiver Polarität zum Summierungspunkt 140 durch den Leiter 160a geführt wird. Dieser Leistungspunkt null wird durch die Kombination des Differentialtransformators 156 und der Gleichrichterbrücke 159 erreicht, die einige Punkte zwischen der vollen Öffnung und dem völligen Abschluß des Ventils festlegt, wobei die Kombination sehr empfindliche Ventilbewegungen ermöglicht.

Zum Abgleichen des stationären Stromes in der geschlossenen Ventilstellung dient das Potentiometer 68

. (s. Fig. 2b), das mit den Wicklungen 716, 726, 736 und 746 zusammengeschaltet ist. Der Strom aus den Wicklungen 716, 726, 736, 746 dient zum Abgleich oder zur Eichung des Systems für den stationären Strom vom Differentialtransformator 156 und Demodulator 159 in Verbindung mit den Drosselspulen 71, 72, 73 und 74.

Die Rückführung der Ventilstellung trägt somit zur Vergrößerung der Stabilität des Systems und zur Einführung der Drehzahlregulierung oder der Drehzahleinstellung in der Wirkungsweise des Reglers bei. Zunächst sei vorausgesetzt, daß die Kraftmaschine unabhängig von einer vorgegebenen Drehzahl arbeitet und daß die Last beliebig aufgeschaltet werden kann. Ferner sei vorausgesetzt, daß keine Vorkehrung für eine Rückführung der Ventileinstellung getroffen worden sei. Ein Anwachsen der Belastung wird augenblicklich einen Drehzahlabfall verursachen.

Dieses Ergebnis wird vom Tachometergenerator in ein positives Signal umgeformt, das eine Öffnung des Ventils so weit vornimmt, daß die Turbine zu ihrer exakten vorgegebenen Drehzahl hochläuft. Etwa in dieser Weise wjürde ein gleichförmiger Regelvorgang ablaufen.

Hinzu kommt jetzt die Rückführung der Stellung des Ventils. Das Bezugseingangspotential ist ein Abgleich von zwei negativen Potentialen, und zwar kommt ein Signal von der Drehzahlrückführung und das andere Signal von der Rückführung der Ventilstellung. Die Aufschaltung der Belastung verursacht einen Drehzahlabfall. Dieses Ergebnis wird in einem positiven Signal vom Tachometergenerator ausge-

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drückt und wie vorher verursacht es die weitere öffnung des Ventils. Sobald das Ventil weiter aufgemacht wird, wird ein negatives Signal von der Ventilstellungsrückführung erzeugt. Anstatt daß die Turbine nun zur Originaldrehzahl zurückgeht, wird sie nunmehr zu einer etwas niedrigeren Drehzahl herabgesetzt. Dieser Vorgang wird mit Drehzahlabfall bezeichnet. Im vorbeschriebenen Beispiel wurde die Bezugsspannung konstant gehalten und die Drehzahl wurde entsprechend der Belastung eingestellt. Wird nun vorausgesetzt, daß die Kraftmaschine mit anderen Kraftmaschinen verbunden ist, entweder mechanisch oder elektrisch, dann sind ihre Drehzahlen für alle praktischen Zwecke festgelegt. Die Folge davon ist, daß keine Änderung des Drehzahlrückführungssignals erfolgt, wenn die Last aufgeschaltet wird. Ohne eine Vorkehrung für den Abfall im Regelungssystem, d. h. ohne die Rückführung der Stellung des Ventils, würde die Kraftmaschine eine Belastung außerhalb der vorbestimmten proportionalen Anteile der Gesamtbelastung aufnehmen. Die Kraftmaschine hat die Tendenz, in ihrer Drehzahl abzufallen, sobald Belastung aufgenommen wird, wie sehr sie sich auch bemüht, nicht den gesamten Zuwachs an Belastung auf einmal aufzunehmen, sondern nur Anteile der Belastung. Nach dem vorliegenden Regelungssystem kann aber die Belastung stufenweise aufgeschaltet werden durch das Anwachsen des Bezugsstromes. Dieser Zuwachs des Bezugsstromes wird ausgeglichen durch die zunehmende negative Stellungsrückführung des Ventils, wenn dieses geöffnet ist. Durch die Anwendung der vollen Beaufschlagung, wie im Vorhergehenden beschrieben wurde, kann die Last abschnittsweise bis zur Nennbelastung aufgeschaltet werden.

In F i g. 4 der Zeichnung wird eine abgeänderte Art des Beschleunigungsschaltkreises nach Fig. 2a wiedergegeben. Der rechte Teil der Schaltung ist mit dem Summierungspunkt 140 verbunden, was zum Zwecke der Klarheit hervorgehoben wird. Mit dieser Abänderung an Stelle eines motorgetriebenen Potentiometers für eine Einstellung wird der Bezugsstrom veranlaßt, über einen Verstärker 170 seinen Zuwachs zu regeln. Der Verstärker 170 kann ein Operatorverstärker sein, d.h. ein Gleichstromverstärker mit einer sehr hohen Leistung, und bei Anwendung eines negativen Rückkopplungskondensators 171 kann der Verstärker 170 als Integrator arbeiten derart, daß eine Ausgangsspannung geliefert wird, die als Produkt der Eingangsspannung und der Zeit, in der die Eingangsspannung wirksam ist, variiert. Der Eingang des Verstärkers 170 wird von einer Gleichspannungsquelle 172 über einen variablen Widerstand 173 und einen weiteren Widerstand 174 sowie über die Zuführungsleitung 175 gespeist. Da ein Verstärker dieser Art eine Umkehrung der Polarität erzeugt, wird die Gleichspannungsquelle als negativ gezeigt im Zusammenhang mit der Erzeugung eines positiven Bezugsstroms zum Summie-, rungspunkt 140. Die an den Ausgang des Verstärkers angelegte Spannung wird über die Leitung 176 zum Rückkopplungskondensator 171 zurückgeführt und von dort zur Eingangsseite des Verstärkers durch die Leitung 177. Die zeitabhängige Ausgangsspannung des Verstärkers verursacht einen Stromfluß durch den Widerstand 62 zum Summierungspunkt 140, wobei die letzten beiden Bezugsziffern analog auf die Schaltung in Fig. 2a hinweisen. Die gelieferte Eingangsspannung ist proportional zur Stellung des Gleitarmes am Einstellwiderstand oder Potentiometer 173, und es ist zu erkennen, daß der Änderungsbetrag des Ausganges proportional zur Stellung des Gleitarmes ist, wobei der Gleitarm ähnlich wie der Einstellknopf Sl in F i g. 2 a die Beschleunigungsgrenze festsetzt. Das Abtrennen der Eingangsspannung und die Vermeidung der Abweichungen wird durch einen Begrenzerschaltkreis ausgeführt, der einen Einstellwiderstand 178 enthält, der zwischen die Gleichstromquelle 179 und den Ausgang des Verstärkers 170 ίο geschaltet ist. Der Gleitann des Widerstandes 178 ist durch eine Diode 180 mit dem Verstärker 170 verbunden. Sobald die Ausgangsspannung einen Wert erreicht, der durch die Einstellung am variablen Widerstand 178 festgesetzt ist, fließt ein Strom durch die Diode 180 und trennt den Eingang ab. Diese Einstellung des Gleitarmes des Widerstandes 178 ist analog zum Einstellknopf 35 für die Enddrehzahl 35 in Fig. 2a.

Diese Ausführungsform der Schaltung für die Beschleunigungsregeiung benutzt einen Verstärker 170, wie in Fig. 4 gezeigt, und kann eine Bezugsspannung mit einer vorbestimmten Änderungsgeschwindigkeit an den Summierungspunkt 140 liefern. Diese kann am Eingangspotentiometer 173 festgesetzt werden. Die Größe der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung des Verstärkers 170 ist abhängig von der Höhe der Eingangsspannung. Die abgeänderte Schaltung nach Fig: 4 liefert somit eine ansteigende Bezugsspannung, die einen Stromfluß durch den Widerstand 62 zum Summierungspunkt 140 auslöst in der Art, wie die Beschleunigungbegrenzung nach der Schaltung in Fig. 2a durchgeführt wurde. Die Unfähigkeit der Schaltung nach Fig. 4, einen Verzögerungsbetrag zu erzeugen, hat nur geringe praktische Bedeutung, weil die Trägheit der Kraftmaschine mit Sicherheit einen Verzögerungsbetrag automatisch liefert. Dagegen ist ihre Fähigkeit zur Wiedereinstellung des Nullwertes, wenn der Strom ausbleibt, ein Sicherheitsmerkmal, das die Möglichkeiten von unkontrollierten Beschleunigungen reduziert, wobei noch hinzukommt, daß durch die mechanischen Anordnungen ungenaue Wirkungen durch die Schaltung aufgehoben werden können.

Das vorher beschriebene elektrische Regelungssystern enthält eine Anzahl von wirkungsvollen Vorteilen, die in anderen Regelungssystemen nicht enthalten sind. Vor allem ist zu bemerken, daß ein Regler mit so großem Bereich eine Drehzahlregelung erzeugt, die in den Grenzen von Drehzahlen nahe bei null bis zur Nenndrehzahl liegen. Die vorliegende Schaltung kann ohne Mühe Drehzahlen mit nur ± 15 % Abweichungen über einen Bereich von 5 bis 112 % der Nenndrehzahl halten. Ein weiterer Vorteil der Schaltung für die Beschleunigungsregelung nach dem vorgeschlagenen Regelsystem ist die Beschleunigungseinstellung mit einstellbarer Geschwindigkeit auf eine vorbestimmte Enddrehzahl. Das System ermöglicht eine kontinuierliche Einstellung der Größe der Änderungsgeschwindigkeit der Drehzahl von 1 % der Nenndrehzahl pro Minute bis zu 20 % der Nenndrehzahl pro Minute. Das ist insbesondere für die dargestellten Dampfturbinen wichtig, wo die Beschleunigung der Einheit allmählich erfolgen kann, und zwar bei voller Beaufschlagung, so daß übermäßige thermisehe Gradienten im Turbinengehäuse vermieden werden. Die Dampfeinführung erfolgt durch ein Bypassventil, das im Schnellschlußventil angeordnet ist, während die nacheinander wirksamen Regelventile

voll geöffnet sind. Ein geregelter Beschleunigungszuwachs ist für viele Zwecke wünschenswert, weil auf diese Weise Schwingungen in der Turbine und zeitliche Verzögerungen eliminiert werden können.

Die Anwendung von gesättigten Drosselspulen der Schaltung für die Beschleunigungsregelung für den Antrieb eines Gleichstrommotors weist Vorteile hinsichtlich der Änderung der Bezugsspannung auf, weil dadurch Überregelungen der Enddrehzahl der Kraftmaschine beherrscht werden können.

Durch den Einsatz des Schalters 41 wird eine Fernsteuerung der Drehzahl ermöglicht. Zu jeder Zeit kann die den Motor 43 antreibende Bezugsspannung durch die Wirkung des Schalters 41 abgeschaltet werden, so daß die Drehzahl der Kraftmaschine von Hand einstellbar ist. Über den Schalter 59 werden die entsprechenden Mittel zur Handbetätigung freigegeben, was bei Bedarf einer Synchronisierung eines Generators von Vorteil ist.

Das zweistufige Verstärkungssystem zeigt verschiedene Merkmale. Der Steuerstrom ist mit Hilfe von Magnetverstärkern zeitabhängig verstärkt, und über Siliciumgleichrichter wird ein Schraubgewindemotor 114 angetrieben. Durch Einstellung eines Totzeit-Rheostaten können alle vier Verstärker während eines Regelungsvorganges arbeiten, so daß eine höhere Verstärkerleistung in der Nähe des Nullpunktes der graphischen Darstellung nach Fig. 3 erlangt werden kann. Für den Antrieb des Gleichstrommotors 114 kann ein zusätzlicher Impuls zur Überwindung des Anlaufmomentes erzeugt werden. Ähnlich wie die Einstellung am Totzeit-Rheostaten eine entgegengesetzte Richtung in der Wirkungsweise aller vier Magnetverstärker erzeugt, arbeiten auch die Transformatoren 90 oder 93 in der Nähe des Nullpunktes. Das ist besonders wichtig, wenn im System die Einführung einer Totzeit-Verstärkung gewünscht wird, so daß die

ίο Änderung des Steuerstromes keine oder nur eine geringe Ausgangsspannung produziert derart, daß eine ständig wachsende Laststabilisierung während der Regelungsvorgänge in parallelgeschalteten größen Regelungssystemen erreicht wird.

Die Anwendung einer Drehzahlrückführung und einer Ventilstellungsrückführung erzeugt einen Regelungsablauf mit Vorhalt. Der Filterschaltkreis bei der Drehzahlrückführung kompensiert Verzögerungen und verbessert die Drehzahleinstellung. Die Ventil-

ao Stellungsrückführung ermöglicht eine genaue Regelung, wenn die Kraftmaschine im Verband mit anderen Kraftmaschinen arbeitet. Der Grad der Regelung kann mit einem einfachen Potentiometer eingestellt werden. Die Anwendung eines Differentialtransformators für die Ventilstellungsrückführung weist Vorteile gegenüber einem Potentiometer auf, weil keine bewegten Teile vorhanden sind, die der Abnutzung unterliegen, wie der Gleitarm eines Potentiometers.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Regelsystem für Kraftmaschinen zum Antrieb einer Last, deren Arbeitsmitteleinströmung über ein Steuerventil erfolgt, zur Einstellung des Ventils und mit Drehzahlregelung über einem weiten Drehzahlbereich der kraftmaschine und Belastungsregelung in einem begrenzten Bereich der Drehzahl der Kraftmaschine mit Begrenzung der Beschleunigung, mit variabler Vorgabe des Drehzahlsollwertes und mit Ventilstellungsrückkopplung und Drehzahlrückkopplung, dadurch gekennzeichnet, daß das variable Drehzahlsollwertsignal an den Steuereingang einer Schaltung (3, 4, S, 6) (170) für die Beschleunigungsregelung gekoppelt ist, die eine variable Einstellvorrichtung (5) (173) zur selektiven Steuerung der zeitlichen Änderung ihres Ausgangssignals besitzt.

2. Regelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (3, 4, 5, 6) zur Beschleunigungsregelung einen Magnetverstärker

(3) (36) besitzt, der elektrisch mit einem Motor

(4) (43) verbunden ist, welcher mechanisch gekoppelt ist über ein variables Getriebe (5) mit einer Potentiorhetereinheit (6) zur Erzeugung eines zeitlich variablen Ausgangssignals und mit einem Potentiometer (31) zur Erzeugung eines Rückkopplungssignals an den Magnetverstärker (3) (36).

3. Regelsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (4) (43) ein Umkehrmotor ist und eine Einrichtung zur wahlweisen Zuschaltung einer Kraftquelle zu diesem Motor vorgesehen ist zur Handsteuerung des von dem Potentiometer (6) erzeugten Bezugspotentials und damit der Drehzahl der Kraftmaschine.

4. Regelsystem nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung für die Beschleunigungsregelung einen als Integrator geschalteten Operatorverstärker (170) umfaßt und als variable Einstellvorrichtung ein Potentiometer (173) am Eingang des Operatorverstärkers (170) vorgesehen, ist, welches mit der Quelle (172) des Drehzahlsollwertsignals verbunden ist.