DE1601723A1 - Drehzahlabhaengige Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen,z.B.Turbinen - Google Patents

Description

Drehzahlabhängige Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen, z.B. Turbinen.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen, z.B. Turbinen, in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl, bei der ein Wechselstromsignal erzeugt wird, dessen Frequenz in direktem Verhältnis zur Umlaufgeschwindigkeit der Masohine steht. Die Erfindung ist vornehmlich, jedoch nicht ausschließlich, in einer elektronischen Regelschaltung zur Steuerung der Drehzahl einer hochtourigen Turbine zu sehen.

Gemäß der Erfindung werden in der Regeleinrichtung Kippimpulssignale synchron zu dem Wechselstromsignal erzeugt, wobei Mittel vorgesehen sind, die entsprechend dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulsen ein Steuersignal erzeugen, wenn das Zeitintervall innerhalb einer vorbestimmten Größe liegt.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulsen abhängigen Mittel aus einer Schaltung, in der für jeden Wechselstrom-Kippimpuls ein rechteckiger Wellenimpuls erzeugt wirdp dessen Dauer konstant ist und der kurz nach Beendigung des Kippimpulses einsetzt, wobei ein UND-Tor vorgesehen ist, dem die Rechteck- und die Kippimpulse zugeführt werden und

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das ein Steuersignal nur dann auslöst, wenn ein nachfolgender Kippimpuls vor dem Ende des Rechteckimpulses anlangt.

Bei einer Abänderungsform bestehen die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulssignalen abhängigen Mittel aus einer Schaltung zur Bildung eines Ana Logsignals, dessen Größe der Frequenz des Impulssignals entspricht, wobei ein Differentialverstärker vorgesehen ist, der das Analogsignal mit einem Bezugssignal vergleicht und in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz ein Steuersignal bildet. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Analogfe signals weist zweckmäßig eine Schaltung auf, die Rechteckimpulse von einer Frequenz, welche proportional zu derjenigen der Kippimpulse ist, und von konstanter Impulsdauer erzeugt. Ein Integrator ermittelt den Durchschnittswert des Rechtecksignals aus wenigstens zwei Impulsen, um das Analogsignal zu bilden.

In jedem Falle kann die Schaltung zur Bildung von Rechteckimpulsen aus einem monostabilen Multivibrator bestehen. Dieser Multivibrator weist einen ersten Transistor auf, bei dem die einkommenden Impulse beispielsweise seiner Basis zugeführt und die Ausgangsspannung vom Kollektor ab-. genommen wird, welcher über einen Widerstand mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor über einen Kondensator mit der Basis des ersten Transistors in Verbindung steht.

Bisher wurden die Schalter zur Drehzahlregelung an der Turbine im allgemeinen mittels mechanischer oder elektromechanischer Vorrichtungen betätigt. In diesen Fällen mußte der Drehzahlanzeiger auf der umlaufenden Turbinenwelle an einer Stelle vorgesehen sein, die in einem beträchtlichen Abstand vom Turbinenrad liegt, um in der lage zu sein,

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die Umlaufgeschwindigkeit mechanisch zur Anzeige zu bringen. Wenn nun die Welle zwischen dieser Beobachtungsstelle und dem Turbinenrad brach, wurde die Geschwindigkeit einer Welle beobachtet, deren Drehzahl absinkt mit der Folge, daß der Turbine ein falsches Regelsignal zugeführt wurde und die Turbine "durchging".

Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung weist die Gasturbine einen ortsfest angeordneten Magnetkopf auf, der Teil eines Magnetkreises ist und durch eine Luftspalt von einem umlaufenden Teil dieses Kreises getrennt ist, welcher den magnetischen Widerstand synchron zum *

Umlauf der Turbine verändert und so ein Wechselstromsignal erzeugt. Steht der Rotor der Turbine mit seiner Last durch eine Welle in Verbindung, so wird der Magnetkopf zv/eckmäiig an dem dem Turbinenrotor zugewandten Wellenende vorgesehen, so daß der vorerwähnte Nachteil vermieden ist.

Gemäß der Erfindung kann eine elektronische Schaltung geschaffen werden, die die Arbeitsweise der Gasturbine vom Start bis zum Überschreiten der Betriebsgeschwindigkeit steuert. Ein Regelvorgang kann erfolgen, wenn die Drehzahl der Turbine erst einen kleinen Bruchteil der normalen Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat, um in diesem Augenblick die Zufuhr von Brennstoff zur Turbine freizugeben. t Weiterhin kann ein Regelvorgang stattfinden, wenn eine Geschwindigkeit erreicht iat, die näher an die normale Betriebsgeechwindigkeit hsrangekommen ist. Es wird dann der Anlasser abgeschaltet. Ist eine Drehzahl erreicht, die nur wenig unterhalb der Betriebsgeschwindigkeit liegt, so kann eine weitere Regelung erfolgen, bei welcher die Turbine sich mit der. anzutreibenden Last kuppeln läßt. Schließlich kann, aus Sicherheitsgründen die Turbine vollständig abgeschaltet werden, wenn ihre Drehzahl aus irger.d-

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einem Grunde in gefährlicher Weise die Betriebsgeschwindigkeit überschreiten sollte. Zu diesem Zweck ist ein Regelvorgang vorgesehen, der vor sich geht, wenn die Turbinendrehzahl die normale Betriebsgeschwindigkeit etwas überschreitet, und der dann die Brennstoff-zufuhr abschaltet.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele der neuen Regeleinrichtung hervor.

Figur 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine mit der neuen Einrichtung regelbare Gasturbine.

Figur 2 zeigt das Block-Schaltbild einer Ausführungsform der neuen Regeleinrichtung.

Figur 3 ist das Schaltschema des in Figur 2 angedeuteten Spannungsreglers.

Figur 4 ist das Schaltschema des in Figur 2 angedeuteten Signalverstärkers.

Figur 5 ist das Schaltschema einer Ausführungsform des in Figur 2 angedeuteten monostabilen Kippschalters.

Figur 1 zeigt das Block-Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der neuen Regeleinrichtung.

Figur 1 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung auf eine Gasturbine der in der USA-Patentschrift 3.163.003 behandelten Bauart. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.

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Die Gasturbine hat ein Turbinenrad 10, das mit der Turbinenwelle 11 aus einem Stück besteht. Diese Welle ist mittels zweier Kugellager 12 im Turbinengehäuse gelagert» An ihrem linken Ende weist die Welle 11 eine innere Feder bzw. Ένώ 13 auf,die mit einer äußeren Feder bzw. Nui? 14 einer Achse 15 in Eingriff steht. Diese Achse trägt Verdichterschaufeln 16 und 17 sowie ein Schwungrad 18. Mittels einer nicht dargestellten Kupplung kann die Leistung der Maschine über das Schwungrad 18 an eine Verbrauchsstelle abgegeben werden. Ein von einem nicht dargestellten elektrischen Anlasser angetriebenes Ritzel 20 greift in die Verzahnung des Schwungrades 18 ein. Um die Einrichtung gemäß der Erfindung bei der in Figur 1 veran- ™ schauliohten Gasturbine zur Anwendung bringen zu können, ist diese mit einem elektronischen Drehzahlmesser, ausgestattet. Dieser elektronische Drehzahlmesser weist beispielsweise einen am Turbinengehäuse dicht an der Turbinenwelle 11 zwischen den Kugellagern 12 angeordneten Magnetkopf 21 auf. Dieser Magnetkopf ist beispielsweise mit einem kleinen Hufeisenmagneten ausgestattet, der eine Aufnahmespule trägt, mit deren Hilfe Änderungen des Magnetfeldes empfangen werden können. Dementsprechend trägt die Welle 11 eine Vorrichtung zur Änderung des Magnetflusses zum Magnetkopf entsprechend der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit der Welle. Diese Vorrichtung lenn beispiels- ä weise darin bestehen, daß das die beiden Kugellager 12 im Abstand voneinander haltende Abstandstück 22 eine sechseckige Querschnittsform 23 erhält. Das Abstandstück 22 besteht aus magnetischem Material und ist auf der Welle fest aufgekeilt, so daß es mit ihr umläuft. Wie Figur 1 zeigt, kann der elektronische Drehzahlmesser sehr dicht am Turbinenrad 10 angeordnet sein. Wenn also die Welle 11 brechen sollte, so wird sie nicht gerade zwischen dem Drehzahlmesser und dem Turbinenrad brechen. Der Drehzahlmesser wird also immer die wahre Geschwindigkeit des Turbi-

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nenrades anzeigen.

Beim Umlauf der Welle 11 werden die Ecken des sechseckigen Abstandstückes 23 näher an dem Magnetkopf vorbei gelangen, als seine flachen Abschnitte. Auf diese Weise wird das Magnetfeld verändert und in der Aufnahmespule des Magnetkopfes ein Strom induziert. Da das Magnetfeld bei einem Wellenumlauf sechsmal verstärkt und abgeschwächt wird, wird der induzierte Strom ein Wechselstrom sein bzw. ein alternierendes Signal bilden, bei welchem je sechs Wechsel einer Wellenumdrehung entsprechen. Über Leitungen 24 wird das Wechselstromsignal der in Figur 2 in Blockform dargestellten Schaltung zugeführt und mit einer Uhr oder einem Zeitsignal vergleichen, so daß eine genaue Anzeige der Drehzahl der Turbine stattfindet.

Wie das Blockschaltbild nach Figur 2 zeigt, wird die Schaltung von· einer Batterie 26, beispielsweise einer 2ö-7olt-Batterie, mit Strom versorgt. Die Batterie 26 kann außerdem den Anlaßmotor der Turbine mit Strom versorgen. La der Anlaßmotor der Batterie verhältnismäßig viel Strom entnimmt, kann die Klemmspannung der Batterie 26 zwischen 10 und 28 Volt schwanken. Trotzdem muß der Stromkreis für die Drehzahlregelung einwandfrei arbeiten. Au3 diesem Grunde ist ein Spannungsbegrenzer 27 vorgesehen, der dafür sorgt, daß an einer Leitung 28 eine Spannung von 12 Volt zur Verfügung steht, solange die Klemmspannung der Batterie 12 Volt od-er mehr beträgt. (Dieser Spannungsbegrenzer wird weiter unten bei Erläuterung der Figur 3 näher beschrieben.) . Die vom Spannungsbegrenzer 27 zur Verfügung gestellte 12-Volt-Spannung wird benutzt, um verschiedene mit 12 Volt arbeitende, nachstehend noch zu erläuternde Heiais zu speisen.

Sinkt die Klemmspannung der Batterie unter 12 Volt, so ist

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auch die Spannung an der Leitung 2ö genau so hoch wie diese Klemmenspannung, d.h. sie kann unter 12 Volt absinken. Aus diesem Grunde muß die Spannung zusätzlich geregelt werden, um ein zuverlässiges Arbeiten der elektronischen Einzelteile zu gewährleisten. Die zugeführte 12-Volt-Spannung wird mittels eines Spannungsreglers 29 auf eine Spannung von 6 Volt eingeregelt. Diese 6 Volt werden vom Regler 29 den verschiedenen Stromkreisen zugeführt, so daß diese mit Strom versorgt werden.

Die Regelschaltung nach Figur 2 arbeitet wie folgtt

Wird der (nicht dargestellte) Startschalter geschlossen, so werden der Anlasser und die nicht dargestellte Brennstoff-Zündvorrichtung der Turbine mit Strom versorgt. Durch eine nicht dargestellte Schaltung wird erreicht, daß der Startschalter geschlossen bleibt. Wenn das Anlasserritzel das Schwungrad Id in Drehung versetzt, drehen sich auch das Turbinenrad 10 und die Turbinenwelle 11. Der umlaufende sechseckige Teil 23 der Turbinenwelle 11 und der Magnetkopf 21 erzeugen ein Wechselstromsignal. Dieses Signal wird über ein Tiefpaßfilter 36 einem Verstärker bzw. Signalwandler 30 zugeführt. Das Tiefpaßfilter 36 dient dazu, Hochfrequenzgeräusche (z.B. über 50000 Wechsel pro Sekunde) abzufangen. Der Signalverstärker verwandelt das " Wechselstromsignal in ein binäres Signal, das heißt bei jedem Wechsel des einkommenden Wechselstromsignals wird ein binäres Signal erzeugt. Während die Amplitude des einkommenden Wecheelstromsignals sich mit der Umlaufgeschwindigkeit des Turbinenrades ändert, erzeugt der Verstärker Binärsignale bzw. Kippimpulse gleichbleibender Amplitude unabhängig von der jeweiligen Drehzahl. Die Binärsignale gelangen vom Verstärker 30 zu vier monostabilen Kippschaltern bzw. Multivibratoren 31 bis 34. Jeder Multivibrator

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erzeugt einen Rechteckimpuls konstanter Amplitude und. Impulsbreite je ein/^kommendem Kippimpuls. Das von einem Multivibrator erzeugte rechteckige Signal hat eine zeitliche Dauer, die von derjenigen der anderen Rechtecksignale abweicht, wie noch näher erläutert wird. Jedes von einem der Multivibratoren erzeugte Rechtecksignal wird einem von vier Integrator-Stromkreisen zugeführt, von denen jeder eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Mittelwert des Rechtecksignals entspricht und daher proportional zur Wechselfrequenz der binären Kippsignale ist, die die Multivibratoren betätigten. Die vier Integrator- ^ Stromkreise 41 bis 44 sind vier Differentialverstärkern 46 bis 49 vorgeschaltet. Erreicht die Ausgangsspannung eines Integrators einen vorbestimmten Wert, so wird ein von vier Steuerrelais 51 bis 54 durch den zugeordneten .Differentialverstärker in Wirkung gesetzt und einer der diesen Steuerrelais zugeordneten Relaisschalter 56, 57, 5Ö oder.59 betätigt.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2 ist der Multivibrator 31 so eingestellt, daß er einen Rechteckimpuls von einer solchen zeitlichen Länge erzeugt, das - wenn der Anlasser das Turbinenrad mit 5 $> der normalen Arbeitsgeschwindigkeit in Drehung versetzt - die Ausgangsspannung ψ des Integrators 41 ausreicht, um den Differentialverstärker 46 zu veranlassen, das Steuerrelais 51 zu betätigen. Las Steuerrelais 51 erdet das eine Ende eines Solenoids 61, dessen anderes Ende an die 12-Volt-Leitung 28 angeschlos-' sen ist. Damit wird der Schalter 56 geschlossen. Ist der Schalter 56 geschlossen, so wird die 12-Volt-Spannung an ein die Brennstoffzufuhr beeinflussendes (auf der Zeichnung nicht dargestelltes) Solenoid angelegt, so daß der Turbine Brennstoff zuströmt. Der Anlaßmotor bleibt .unter Strom, um die Beschleunigung der Turbine auf die Betriebs-

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geschwindigkeit zu unterstützen.

Der Multivibrator 32 ist im Vergleich zu dem Multivibrator 31 so eingestellt, daß er Impulse kürzerer Zeitdauer erzeugt als letzterer, und zwar derart, daß beim Erreichen von 50 io der normalen Arbeitsgeschwindigkeit der Turbine die Ausgangsspannung des Integrators 42 ausreicht, um zu .bewirken, daß der Differentialverstärker 47 das Steuerrelais 52 betätigt. Dieses Relais erdet das eine Ende eines Solenoids 6la, dessen anderes Ende, wie, beim Solenoid 61, an die 12-Volt-Leitung angeschlossen ist. Der Relaisschalter 57 wird geschlossen, so daß ein Solenoid ä unter Strom gesetzt wird, das den (nicht dargestellten) Schalter für den Anlasser öffnet. Der Anlasser wird nicht mehr benötigt, da die Turbine jetzt von allein bis zur normalert Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt, vorausgesetzt, daß die Turbine nicht belastet ist.

Hat die Turbine annähernd ihre Betriebsgeschwindigkeit, d.h. beispielsweise 95 $> dieser Geschwindigkeit erreicht, so daß sie nun belastet werden kann, so wird dies durch den Multivibrator 33 angezeigt; er erzeugt Rechteckimpulse einer solchen zeitlichen Dauer, daß beim Erreichen von 95 # der Turbinenbetriebsgeschwindigkeit die Ausgangsspan- * nung des Integrators 43 einen solchen Wert annimmt» daß der Verstärker 48 veranlaßt wird, das Steuerrelais 53 zu betätigen. Auch dieses Relais setzt - ähnlich wie die Relais 51 und 52 - ein Solenoid 61b unter Spannung, das einen Schalter 58 schließt. Beim Schließen dieses Schalters 58 wird ein (nicht dargestelltes) Solenoid mit Strom versorgt, das eine (nicht dargestellte) Kupplung betätigt, welche mit dem Sehwungrad 18 zusammenwirkt und die Turbine an einen Verbraucher ankuppelt. Da die Turbine nahezu ihre Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat, wird sie durch den

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Verbraucher nicht abgebremst, kann vielmehr bis auf die volle Betriebsgeschwindigkeit beschleunigen.

Sollte aus irgendwelchen Gründen die Drehzahl der Turbine über die normale Betriebsgeschwindigkeit ansteigen, so ist die in Figur 2 veranschaulichte Schaltung in der Lage, auch diesen Betriebszustand zu erkennen und die Turbine zu drosseln. Beträgt die zulässige Maximalgeschwindigkeit z.B. 110 $ der normalen Betriebsgeschwindigkeit, so spricht der Multivibrator 34 an, der Rechteckimpulse einer solchen zeitlichen Dauer erzeugt, daß beim Erreichen von 110 i» der Betriebsgeschwindigkeit die Ausgangs spannung des Integrators 44 einen solchen Wert annimmt, daß der Differentialverstärker 49 das Steuerrelais 54 in Gang setzt. Das Relais speist dann - ähnlich wie die Relais 51 bis 53 ein Solenoid 6lc, das den Anker 59a eines Schalters 59 derart bewegt, daß der Behälter mit einem mit dem Relais verbundenen Kontakt 59b in Berührung und mit einem Kon« takt 59c außer Eingriff kommt. Der Kontakt 59c liegt in dem Stromkreis der Schalter 56, 57 und 58» so daß beim Offnen des Kontaktes 59c die Schalter stromlos werden, die Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird und die Turbine zum Stillstand kommt. Der Relaisschalter 59 ist verriegelt, wenn er unter Spannung steht, da der Kontakt 59b die 12-Volt-" Leitung mit dem Steuerrelais 54 verbindet. Die Turbine kann daher so lange nicht erneut gestartet werden, bis nicht diese Verriegelung aufgehoben ist. Dies bedeutet eine besondere Sicherheitsmaßnahme.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2 sind die vier Rechtecksignale von unterschiedlicher Zeitdauer. Dies erfordert das Vorhandensein einer Standardspannung (6 Volt), mit der die Ausgangsspannungen der vier Integratoren 31 bis 34 verglichen werden. Stünden jedoch vier Standardspannungen

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zur Verfügung, se würden nur ein Multivibrator und ein integrator benötigt werden. Die Ausgangsspannung des Integrators würde vier verschiedenen Differentialverstärkfern zugeführt, an denen je eine der vier Standardspannungen liegen würde. Venn dann die Turbine anläuft und die Ausiiav.göspannung des Integrators mit der niedrigsten btandaraspannung verglichen wird, so würde einer der Differ»ntialverstärker ein Regelsignal erzeugen. Wird die Aus- _:;an₍ ^T.s3pannur.g des Integrators mit der nächst höheren Standard spannung verglichen, so würde der nächste Diffe-"s?nt,i al verstärker ein Signal produzieren und so fort.

Jema? verstehender Beschreibung wird für jedes Binärsignal eir. Hecr.teckimpuls erzeugt. Es kann aber auch so verfahren veraer., dai ein Rechteckimpuls für je eine Gruppe von Binärs i trnalen erzeugt wird, vorausgesetzt, daß die Zahl der 3:r.ärsignale je Gruppe für die betreffende Anlage festliegt, d.h. die Frequenz der Rechteckimpulse ist zur Frequenz der Binärsignale direkt proportional.

Nachdem die allgemeine.Betriebsweise der Anlage beschrieben werden ist, sollen nunmehr die einzelnen Schaltungsr. näher erläutert werden.

Fi^ur 5 zeigt schematisch das Schaltbild des Spannungsbegrör.zers 27. Die dargestellte Schaltung hat den Vorteil, besonders wirksam zu sein. Die Batterie 2b wird von einem Widerstand o3 und einer in Reihe geschalteten Zenerdiode überbrückt. Die Verbin-dung zwischen Widerstand 63 und Diode o& ist mit der Basis eines NPK-Transistors 65 verbunden, dessen Kollektor an die positive Klemme der Batterie 2o angeschlossen ist. Eine Zenerspannung wird über die Senerdiode erzeugt, jedoch begrenzt der "Widerstand 63 den Strom durch die Zenerdiode auf einen verhältnismäßig niedrigen VTert. Da die Zenerspannung der Basis des Transistors

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zugeführt wird, entspricht die Spannung am Emitter der Zenerspannung multipliziert mit dem Faktor des Transistors. Da die zugeführte 28-Volt-Spannung zwischen etwa 10 und 28 Volt schwanken kann, wird auch der durch die Diode hindurchgehende Strom schwanken. Die Zenerspannung der Diode ändert sich jedoch nicht, solange der Strom über dem Zenerstrom liegt. Bei dieser Ausführung findet ein Widerstand 63 von 400 Ohm Anwendung, so daß· der Maximalstrom durch die Zenerdiode geringer ist als 0,1 Ampere, was besagt, daß durch die Diode 64 nur verhältnismäßig wenig Energie verbraucht ist.

Eine ähnliche Schaltung wird in dem 6-Volt-Spannungsbegrenzer 29 verwendet.

Figur 4 zeigt das Schaltbild des Signalverstärkers 30, in dem Kippimpulse erzeugt werden. Ein Merkmal dieser Schaltung liegt darin, daß für jeden Wechsel des einkommenden WechselBtromsignals ein negativer Spitzenimpuls erzeugt wird, der das Binärsignal darstellt und einen konstanten Wert hat, und zwar unabhängig von der Frequenz und der Amplitude des Wechselstromeignais, vorausgesetzt, daß diese Amplitude über einem Minimum bzw. Schwellwert liegt. Der Verstärker 30 besteht aus einem Widerstand 62 und einem w gesteuerten Siliziumgleiohrichter bzw. Thyristor 66, die in Reihe geschaltet an einer 6-Volt-Spannung liegen. Der Thyristor ist für gewöhnlich wirkungslos, wird jedoch wirksam, wenn der einer Einlaßleituhg 67 zugeführte Wechselstrom positiv ist und ein Schwellwert, beispielsweise 1 Volt, übersteigt. Die Einlaßleitung ist an die Verbindung zweier Widerstände 68 und 69 angeschlossen, die in Reihe geschaltet zwischen dem Kipp-Thyristor und Erde liegen. Die Verbindung von Widerstand 62 und Thyristor 66 (d.h. seiner Anode) liegt über einen Kondensator 71 an einer Ausgangsklemme 70, die über einen Widerstand 72 geerdet ist. Wenn

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der Thyristor nichtleitend ist, ist der Kondensator 71 mit 6 Volt aufgeladen. Überschreitet das positive Potential des durch die Leitung 67 zugeführten Wechselstrom-Signals den Schwellwert, so wird der Thyristor leitend und sein Anodenpotential sinkt fast auf Erdpotential. Der Kondensator 71 entlädt sich über den Widerstand 72, so daß die Spannung an der Klemme 70 plötzlich auf einen negativen Wert absinkt, z.B. bis fast auf minus 6 Volt, um dann rasch wieder auf Erdpotential anzusteigen. Sobald der Wert des Wechselstromes unter den Schwellwert absinkt, beendet der Thyristor die Leitfähigkeit, da der Widerstand den Stromschluß unterhalb jenes Wertes hält, der benötigt wird, um den Thyristor leitend zu halten. Der positive I

Impuls an der Ausgangsklemme 70 beim Abschalten des Thyristors ist wesentlich kleiner als der negative Impuls beim Einschalten des Thyristors, da der Wert des Widerstandes 62 größer ist als der des Widerstandes 72, beispielsweise zehnmal so groß. Infolgedessen entlädt sich der Kondensator über den Widerstand 72 sehr viel rascher als er sich über die beiden Widerstände 62 und 72 wieder auflädt.

Figur 5 zeigt das Schaubild einer der monostabilen Kippschaltungen bzw. eines monostabilen Multivibrators, z.B. des Multivibrators 51. (j

Zwei Reihenschaltungen liegen parallel zueinander über der 6-Volt-Eingangsspannung. Die eine Reihenschaltung weist einen Widerstand 74 auf, der an den Kollektor eines ITPN-Transistors 75 angeschlossen ist. In dem anderen Stromkreis liegt ein Widerstand 76, der mit dem Kollektor eines liPU-Transistors 77 verbunden ist. Die Basis des Transistors 75 steht über eine Sperrdiode 79 mit einer Zuführungsleitung 78 und zugleich über einen Kondensator 80 mit dem Kollektor des Transistors 77 sowie über einen Widerstand und einen variablen Widerstand 84 mit der positiven Eingangsklemme in Verbindung. Die Baals des Transistors 77

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iat über einen Widerstand 82 geerdet und über einen 'Widerstand 81 mit dem Kollektor des Transistors 75 verbunden, der mit einer Ausgangsklemme 85 in Verbindung steht.

Die Werte der Widerstände sind so gewählt, daß der Transistor 75 für gewöhnlich stromleitend ist. Infolgedessen ist der Transistor 77 nichtstromieitend, da seine Basis auf Erdpotential liegt. Tritt an der Eingangsklemme Ίο ein negativer Impuls auf, so wird der Transistor 75 abgeschaltet, so daß das Potential seines Kollektors und damit dasjenige der Basis des Transistors 77 positiv werden. Damit wird der Transistor 77 wirksam. Der Kollektor des Transistors 77 fällt auf Erdpotential. Damit lädt sich der Kondensator 80 über den Widerstand 83 und den variablen Widerstand 84 auf und das Spannungspotential der Basis des Kollektors 75 wächst mit einer bestimmten Zeitkonstante, die durch die Größe der Widerstände Ö3 und 84 und dem Kapazitätswert des Kondensators oj festgelegt ist. Steigt das Potential der Basis des Transistors genügend, so tritt der Transistor 75 in Wirkung und der Transistor 77 schaltet ab. Die Wellenform der Spannung am Kollektor des Transistors 75 und an der Ausgangsklemme 65 ist rechteckig, wie auf der Zeichnung angezeigt. Die Zeitdauer, während der das Potential an der Klemme 85 hoch, ist, wird vom variablen Widerstand 84 bestimmt und kann durch Erhöhung dieses Widerstandes verlängert werden.

Es kann also die Wellenform an der Ausgangsklemme 85 integriert und durch einen der Integrator-Schaltkreise 31 bis 34 in eine Spannung verwandelt werden, deren Wert durch die (frequenz der Wellenform bestimmt wird. Die umgewandelte Spannung wird dann mittels eines der Differentialverstärker 46 bis 49 mit einer Standardspannung verglichen, die einer Standardfrequenz entspricht. Sind die Spannungswerte gleich, so entspricht die Frequenz des Wechselstrom-

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signals äer Standardfrequenz. Überschreitet die gemessene Jpannunfc den Standardwert, so wird durch den in Betracht kommenden Differentialveretärker 46 bis 49 ein Signal erzeugt; damit wird - wie oben beschrieben - ein bestimmter Arbeitsvorgang ausgelöst.

In der beschriebenen Anlage wird eine Analog-Information (Frequenz) in eine Digital-Information umgewandelt, um ,'eden Fehler auszuschließen, der durch Amplituden- und SpannungsSchwankungen in den Stromkreisen verursacht werden könnte, öle Digitalinformation wird dann in eine Analogspannung zurückverwandelt und mit einer Standardspannung * verglichen. Der Vorteil, der dadurch erzielt wird, daß die Information in eine Analoginformation zurückverwandelt wird, besteht darin, daß vorübergehend in der Anlage entstehende Geräusche ale ein Binäraignal erscheinen können. Durch Rückverwandlung in den Analogwert hat das Geräuschsignal sehr geringen Einfluß auf die Genauigkeit des Regelkreises. In einem relativ geräuschfreien System, in dem keine Fremdimpulse auftreten, die als Digitalsignal gewertet werden könnten» kann die Digitalinformation unmittelbar mit einem Standardsignal verglichen werden. Dadurch werden beim Ablesen äer Analoginformation vorhandene Ungenauigkeiten vermieden*

Figur b zeigt eine weitere Ausführungsform eines solchen Systems im Blockschaltbild* Eine Stromquelle, z.B. die in Figur 2 veranschaulichte Batterie 26, ist an einen Spannungsregler 26 angeschlossen, der die Spannung auf 6 Volt begrenzt, mit denen ein Signalverstärker ö7, ein binärer Sählkreis 88 und vier monostabile Kippschaltungen bzw. Multivibratoren 89a, 89b, 89c und 89d gespeiet werden, die über Yerzögerungsschaltungen 90 Bowie UND-Tore 95a, 95b, 95c und O5d an vier Riegel-Schaltkreise 91 bis 94 ange-

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schlossen sind.

Der üignalverstärker 87 entspricht etwa dem in Figur 2 dargestellten Signalverstärker 30, jedoch mit dem Unterschied, daß der Verstärker von jedem Wechsel des einkommenden Signals positive Kippimpulse bildet. Die vier Multivibratoren &9a bis 89d arbeiten ähnlich wie die vier Multivibratoren 31 bis 34. Die Aufgabe der Multivibratoren 69a bis 89d besteht jedoch darin, eine Zeitnormale bereitzustellen, mit der die Frequenz der Kippimpulse 'verglichen werden kann. Zweck des binären Zählkreises ist es, jedes andere binäre Signal vom Signalverstärker * den vier Multivibratoren 89a bis 89d zuzuführen. Der binäre Zählkreis 88 wird bei der Ausführungsform nach Figur nicht benötigt. Die vier Regelschaltkreise 91 bis 94 stellen an ihren Ausgangsklemmen immer dann eine positive Spannung zur Verfügung, wenn ihren Eingangsklemmen ein positives Potential zugeführt wird, und sie halten die positive Spannung aufrecht bis den zugehörigen Rückstell-Eingangsklemmen ein positives Potential zugeführt wird.

Die Schaltung nach Figur 6 arbeitet wie folgt:

Soll die Turbine angelassen werden, eofwird ein (nicht dar-' --iestellter) Startknopf gedrückt, so daß beim Riegelschaltkreis 91 eine positive Spannung zugeführt wird. Der Anlaflmotor der Turbine und die Brennstoffzündvorrichtung werden damit in Betrieb gesetzt. Sobald sich das Turbinenrad 10 und die Welle 11 drehen, liefert der Magnetkopf ein Wechselstromsignal, das dem Signalverstärker 87 zugeführt wird. Dieser bildet für jede Schwingung des Wechselstromsignals einen Impuls. Diese vom Verstärker erzeugten Impulse werden dem binären Zählkreis 88 sowie je einem der zwei Klemmen eines jeden der vier ÜND-Tore

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95a bis 95 d zugeführt. Diese Tore liefern ein positives Ausgangspotential nur, wenn beide .Eingangsklemmen an positivem Potential liegen. Liegt eine oder liegen beide Eingangsklemmen nicht auf positivem Potential, so hat die Ausgängsklemme des betreffenden UND-Tores Erdpotential. Die an der Ausgangsklemme des binären Zählkreises 88 vorhandenen positiven Impulse werden den Eingangsklemmen der vier Multivibratoren 89a bis 89d zugeführt, die ähnlich wie die Multivibratoren 31 bis 34 arbeiten. Die Dauer des positiven Rechteckimpulses der Welle des Multivibrators 89a entspricht der Schwingungsperiode des Wechselstromsignals, wenn das Turbinenrad 10 mit 5 $ seiner Betriebsgeschwindigkeit umläuft. Da die Schwingungsdauer des Wechselstromsignals mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt, wird die Dauer des von jedem der anderen Multivibratoren 89b bis 89d erzeugten positiven Rechteckimpulses absatzweise kleiner, entsprechend 50 $, 95 $ und 110 $ der normalen Betriebsdrehzahl des Turbinenrades. Die rechteckige Welle, die an der Ausgangsklemme eines jeden der Multivibratoren entsteht, wird für einen kurzen Augenblick, z.B. zehn MikroSekunden, durch den zugeordneten Verzögerungsstromkreis 90 verzögert, um sicherzustellen, daß die vordere Kante des Rechteckimpulses bei dem zugehörigen UND-Tor nicht zu der gleichen Zeit eintrifft wie der ihn erzeugende Kippimpuls. Beispielsweise wird der erste Kippimpuls vom Signalverstärker 87 dem UND-Tor 95a zugeleitet und gelangt durch den binären Zählkreis 88, um im Multivibrator 89a das erste Rechtecksignal auszulösen. Da das Rechtecksignal durch den Verzögerungsschaltkreis zurückgehalten wurde, kommt seine vordere Kante am UND-Tor 95a erst an, nachdem der erste Kippimpuls bereits bei dem UND-Tor angelangt ist. Die Ausgangsklemme des UND-Tores 95a verbleibt also auf Erdpotential. Solange die Drehzahl des Turbinenrades unterhalb von 5 $ der Betriebsgeschwindigkeit liegt, trifft das zweite Kippsignal, vom

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Verstärker ü'7 ausgehend, beim UND-Tor 95a erst nach der hinteren Kante des Rechteckimpulses an. Infolgedessen verbleibt die Ausgangsklemme des UND-Tores 95a weiterhin auf Erdpotential. Der zweite Impuls wird durch, den binären Zählschaltkreis daran gehindert, ein weiteres Rechtecksignal zu bilden. Übersteigt andererseits die Drehzahl des Turbinenrades den Wert von 5 $ der Betriebsgeschwindigkeit, so trifft der zweite Kippimpuls vor der hinteren Kante des Rechteckimpulses am UND-Tor 95a ein und gelangt durch das UND-Tor 95a, um den Riegelstromkreis 92 einzuschalten und damit zu bewirken, daß der Turbine Brennstoff zugeführt wird.

Der Multivibrator 89b und das UND-Tor 95b dienen dazu, festzustellen, wann die Drehzahl aer Turbine 50 $ der normalen Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat. Diese Teile arbeiten ähnlich wie die für die 5 i» Geschwindigkeit vorgesehenen Teile. Wenn jedoch der zweite Kippimpuls durch das UND-Tor 95b hindurch gelangt, wird der Riegelstromkreis 91 zurückgeschaltet und der Anlasser gestoppt. Hat die Turbine 95 i° ihrer Betriebsgeschwindigkeit erreicht, so lassen der Multivibrator 89c sowie das UND-Tor 95c den zweiten Kippimpula durch das UND-Tor 95c hindruch, so daß die Turbine nun mit der Last gekuppelt werden kann. Läuft die Turbine zu rasch und erreicht sie eine Drehzahl, die 110 $ der normalen Betriebsgeschwindigkeit beträgt, so läßt das UHD-Tor 95d den zweiten Kippimpuls hindurch, um den Riegelschaltkreis 94 zu betätigen. Dieser Riegelschaltkreis schaltet dann die Riegelschaltkreise 92 und 93 zurück, so daß die Turbine zum Stillstand kommt. Der Riegelschaltkreis 94 bleibt zweckmäßig so lange in seiner Riegelstellung, bis die Störung an der Turbine erkannt und beseitigt worden ist.

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Claims (16)

Patentansprüche t

1. Einrichtung zur Regelung von mit hoher Geschwindig-Keit umlaufenden Maschinen in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung eines Wechselstromsignals, dessen Frequenz direkt abhängig ist von der Umlaufgeschwindigkeit der Maschine, wobei die Regelung mittels mit dem Wechselstromsignal synchroner Kippimpulssignale erfolgt und eine auf den Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulssir.nalen ansprechende Schaltung vorgesehen ist, die ein steuersignal erzeugt, wenn der erwähnte Zeitintervall innerhalb einer vorbestimmten Größe liegt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kiprimpulssignalen abhängige Schaltung für jeden Wechselstrom-Kippimpuls einen Rechteckimpuls erzeugt, dessen Dauer konstant ist und der kurz nach Beendigung des Kippimpulses entsteht, wobei ein UND-Tor vorgesehen ist, dem die Rechteckimpulse und die Kippimpulse zugeführt werden und das ein Steuersignal nur dann auslöst, wenn ein nachfolgender Kippimpuls vor dem Ende des Rechteckimpulses anlangt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulssignalen abhängige Schaltung die Bildung eines Analogsignals ermöglicht, dessen Größe der Frequenz des Impulssignals entspricht, und dass ein Differentialverstärker vorgesehen ist, der das Analogsignal mit einem Bezugssignal vergleicht, um in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz ein Steuersignal zu bilden.

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4·. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die das Analogsignal "bildende Schaltung Rechteckimpulse von einer Frequenz erzeugt, die proportional derjenigen der Kippimpulse und von konstanter Impulsdauer sind, wobei ein Integrator den Durchschnittswert des Rechtecksignals aus wenigstens zwei Impulsen ermittelt, um das Analogsignal zu bilden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bildung von Rechteckimpulsen mit einer Frequenz, die derjenigen

| des Kippsignals entspricht, und mit konstanter Impulsdauer einen monostabilen Multivibrator aufweist, dessen erstem Transistor die Eingangsimpulse der Transistorbasis zugeführt, während die Ausgangsspannung dessen Kollektor abgenommen wird, der seinerseits über einen Widerstand mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor über einen Kondensator mit der Basis des ersten Transistors in Verbindung steht.

6. Einrichtung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeugung der Kippimpulee einen Widerstand aufweist, der

" über eine Gleichstromquelle mit einem Feststoffschalter (solid state switching device) in Serie geschaltet ist, der sich dadurch auszeichnet, daß ihn eine über einem vorbestimmten Wert liegende Spannung leitfähig macht, eine geringere Spannung jedoch nicht, und daß eine Widerstand-Kondensator-Schaltung vorgesehen ist, deren Kondensator parallel zu dem erwähnten Schalter liegt (Figur 4).

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Kippimpulse über dem Widerstand einer Widerstand-Kondensator-Schaltung erzeugt werden, der parallel zu einem Thyristor geschaltet ist und über einen Serienwiderstand mit einer Gleichstromquelle in Reihe liegt, wobei die Verhältnisse so gewählt sind, daß, wenn der Thyristor leitet, sich der Kondensator über diesen entlädt, worauf jedoch der Serienwiderstand den Strom soweit begrenzt, daß der Thyristor aufhört leitfähig zu sein.

8. Einrichtung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Schaltungen aus einer Batterie über einen Gleichstromregler gespeist werden.

9* Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstromregler einen Transistor aufweist, der über eine Gleichstromquelle mit der Belastung in Reihe geschaltet ist, wobei über die Gleichstromquelle auch eine Zenerdiode und ein Widerstand in Reihe liegen, deren Verbindung an die Basis des Transistors angeschlossen ist.

10. Umlaufende Maschine mit einer in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl wirksamen Regelungseinrichtung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche.

11. Gasturbine als umlaufende Maschine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen ortsfest angeordneten Magnetkopf, der einen Teil eines Magnetkreises bildet und durch einen Luftspalt von dessen umlaufenden Teil getrennt ist, der den Magnetfluß in dem Luftspalt synchron zur Umlaufbewegung der Turbine verändert, um so das Weohselstromsignal zu erzeugen.

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12. Maschine nach Anspruch 11, deren Turbinenrotor mit seiner Last über eine Welle gekuppelt ist, an deren dem Rotor zugewandten Ende der Magnetkopf vorgesehen ist.

13. Maschine nach einem der Ansprüche lü bis 12 mit einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis j, , die beim Erreichen eines geringen Bruchteils der normalen Betriebsgeschwindigkeit der Maschine in Yfirkung tritt und die Zufuhr von Brennstoff zur Maschine, z.B. einer Turbine, freigibt.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die beim Erreichen eines wesentlichen Teils der normalen Betriebsgeschwindigkeit der Maschine deren Anlaßmotor abschaltet.

15. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14 mit einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» die kurz vor dem Erreichen der normalen Betriebsgeschwindigkeit das Ankuppeln der Maschine z.B. Turbine, an die Last ermöglicht.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 15 mit einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die bei geringem Überschreiten der normalen Betriebsgeschwindigkeit die Abschaltung der Brennstoffzufuhr bewirkt.

17· Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 16 mit einem unmittelbar aus einer Batterie gespeisten Anlasser, gekennzeichnet durch ein oder mehrere für die Regel-

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organe vorgesehene Steuerrelais, die aus der Batterie über einen ersten Regler gespeist werden, wobei Regelschaltkreise gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen sind, die über den ersten Regler und auch über einen mit ihm in Kaskade geschalteten zweiten Regler gespeist werden.

Ib. Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, da/3 der zweite Regler aus einem Regler gemäß Anspruch 9 besteht.

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