Verfahren und Einrichtung zum Reduzieren der Größe der vorübergehenden
Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten Maschinen, insbesondere
von Wasserturbinen' Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zum
Reduzieren der Größe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten
Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen mit einem ein Integral-Glied (sog. I'-Glied)
aufweisenden Drehzahlregler. Derartige Abweichungen werden durch Laständerungen
der Maschine, z.B. der Turbine, verursacht. Das I-Glied z.B. eines PI-Reglers (proportional-integral
wirkender Regler) ist bei einem mechanischen Regler im allgemeinen als Ölbremse
mit Feder ausgebildet, wobei die Dämpfung der Ölbremse entsprechend der Auslegung
der gesamten Anlage auf einen bestimmten Wert einstellbar ist. Der Regler bewegt
die Stellorgane z.B. einer Wasserturbine in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahlabweichung-mit
einer durch die zulässigen Druckstöße in den Rohrleitungen begrenzten Maximalgeschwindigkeit.
Diese wird im Normalfall zwar bei großen Laständerungen erreicht, aber bei kleineren
Laständerungen infolge der Dämpfung des Reglers nicht mehr, so daß sich im letzteren
Fall die Drehzahl relativ stark ändert. In Anlagen mit sehr ungünstigen Verhältnissen,
z.B. mit sehr langen Rohrleitungen oder geringen Schwungmassen, muß der Regler extrem
stark gedämpft werden. Dies ist insbesondere im Leerlauf und im Inselbetrieb zur
Einhaltung der nötigen Stabilität erforderlich. Die Folge einer extrem hoch eingestellten
Dämpfung ist jedoch, daß selbst bei größeren Laständerungen die maximale Stellgeschwindigkeit
gar
nicht mehr erreicht wird und deshalb die vorübergehenden Drehzahlabweichungen zu
groß werden.Method and apparatus for reducing the size of the temporary
Deviations from the nominal speed of speed-controlled machines, in particular
of water turbines' The invention relates to a method and a device for
Reducing the size of the temporary deviations from the rated speed of variable-speed
Machines, especially of water turbines with an integral member (so-called I'-member)
having speed controller. Such deviations are caused by load changes
the machine, e.g. the turbine. The I element, e.g. of a PI controller (proportional-integral
acting regulator) is generally used as an oil brake in a mechanical regulator
designed with a spring, the damping of the oil brake according to the design
the entire system can be set to a certain value. The controller moves
the actuators, e.g. of a water turbine, depending on the respective speed deviation
a maximum speed limited by the permissible pressure surges in the pipelines.
This is normally achieved with large load changes, but with smaller ones
Load changes no longer due to the damping of the controller, so that in the latter
Case the speed changes relatively strongly. In systems with very unfavorable conditions,
E.g. with very long pipelines or low centrifugal masses, the controller must extremely
be strongly attenuated. This is particularly important when idling and in isolated operation
Compliance with the necessary stability is required. The result of an extremely high set
Damping is, however, that even with larger load changes the maximum adjustment speed
at all
is no longer achieved and therefore the temporary speed deviations increase
grow up.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung
zum Reduzieren der Größe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl bei
derartigen Maschinen anzugeben, bei welchen insbesondere bei auf Grund ungünstiger
Verhältnisse hoch eingestellter Dämpfung bei Laständerungen eine relativ gute Frequenzhaltung
gewährleistet sein soll. Zur Erfüllung dieser Forderungen wird nach der Erfindung
ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem die Dämpfung im I-Glied in Abhängigkeit
von sich während des Betriebes ändernden Betriebsdaten der Maschine verändert wird.
Vorzugsweise wird dabei die Dämpfung in Abhängigkeit von der .Änderung der Drehzahl
(Beschleunigung oder Verzögerung) der Maschine verändert. Es wird also nach dem
erfindungsgemässen Verfahren die Dämpfung des Reglers an die jeweiligen Betriebsverhältnisse
der Maschine während deren Betrieb derart angepasst, daß im Sinne einer möglichst
guten Frequenzhaltung bei jeder Art von Laständerung selbst bei extrem hoher maximaler
Dämpfung unerwünscht große vorübergehende Drehzahlabweichungen vermieden werden.
Ganz besonders vorteilhaft kommt die Erfindung dann zur Geltung, wenn die Dämpfung
bei eintretender, eine Abweichung von der Nenndrehzahl verursachender Beschleunigung
oder Verzögerung der Drehzahl zumindest wesentlich verringert, vorzugsweise praktisch
unwirksam gemacht wird und bei Erreichen des dieser verringerten bzw. unwirksamen
Dämpfung entsprechenden maximalen Drehzahlbereiches wieder auf einen höheren, vorzugsweise
den vorgegebenen Höchstwert gebracht wird. Die Folge dieses Verfahrens ist, daß
aufgrund der geringen oder sogar völlig unwirksamen Dämpfung sofort die maximale
Geschwindigkeit des Reglerstellorgans erreicht wird und sich z-.B. bei Entlastung
der Maschine nur eine relativ niedrige maximale vorübergehende Überdrehzahl einstellt.
In dem Augenblick, in dem der Bereich dieser maximalen Überdrehzahl erreicht ist,
wird die Dämpfung wieder voll wirksam, _d.h. sie wird wieder auf ihren ursprünglichen
Wert erhühL, so daB die Steuerbewegung des Stellorgans rechtzeitig verl@uijsa,m-t
wird, um ein Unterschwingen unter die Nenndrehzahl zu vermeiden.
@Durch
dieses rechtzeitige Erhöhen der Dämpfung wird also eine Gegenschwingung und damit
z.B. auch eine übermässige Beanspruchung der Druckölversorgung der Stellorgane vermieden.
In günstigen Fällen ist sogar ein aperiodisches Einlaufen in den neuen Beharrungszustand
erreichbar. Die Verringerung der Dämpfung geschieht z.'B. bei mechanischen PI-Reglern
am besten dadurch, dass die Ölbremse unwirksam gemacht wird: Zweckmässigerweise
wird die Dämpfung erst nach Überschreiten eines bestimmten Beschleunigungswertes
bzw. eines bestimmten Verzögerungswertes der Drehzahl«verringert oder unwirksam
gemacht und nach Unterschreiten eines jeweiligen bestimmten derartigen Wertes wieder
voll wirksam gemacht. Die Erfinder erkannten ferner, daß basierend auf dem Kurvenverlauf
der Drehzahländerung über der Zeit sich eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des
erfindungsgemässen Verfahrens dann ergibt, wenn eine von der zu regelnden Maschine
erzeugte drehzahlabhängige Meßspannung im Hinblick auf zu- oder abnehmende Drehzahl
elektrisch differenziert wird und die hierbei erhaltene Span- . nung als Steuerspannung
zur Erteilung von durch Abweichungen von der Nenndrehzahl nach oben oder nach unten
beeinflussten Steuerbefehlen zur Veränderung der Dämpfung verwendet wird, derart,
daß die Dämpfung dann verringert oder außer Wirksamkeit gebracht wird, wenn gleichzeitig
die Bedingungen entweder Beschleunigung und Übernenndrehzahl oder Verzögerung und
Unternenndrehzahl erfüllt sind. Bei der elektrischen Differenzierung entsteht nur
dann eine Steuerspannung, wenn die Tangente an der Drehzahlkurve in dem entsprechenden
Betriebspunkt oberhalb der Nenndrehzahl eine positive Ableitung hat, d.h. wenn
> 0 ist oder wenn sie unterhalb der Nenndrehzahl eine negative
Ableitung hat, d.h. wenn < O.ist.
Wenn die maximale Drehzahl erreicht ixt oder auch kurz zuvor und diese nur noch
wenig oder gar nicht mehr zunimmt, d.h. wenn
ist und dann sogar negativ wird, wird die Steuerspannung zunächst Null und geht
dann in den negativen Bereich über. Damit. ist eine der beiden notwendigen Bedingungen
für das Verringern bzw. Unwirksammachen der Dämpfung nIoht mehr erfüllt, d.h. die
volle Dämpfung wird wieder wirksam.
Zur Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung dient zweckmässigerweise eine Einrichtung, in welcher-ein von
der Welle der zu regelnden Maschine angetriebener Meßgenerator elektrisch über ein
Widerstands-Kapazitätsglied (RC-Glied) als Differenzierglied, über ein durch Beschleunigung
oder Verzögerung der Drehzahl zu beeinflussendes Schaltglied und ferner über ein
auf Über- oder Unternenndrehzahl ansprechendes drehzahlabhängiges Schaltelement
mit einem das Dämpfungsglied beeinflussenden Schaltglied, z.B. einem Magnetventil
verbunden ist. Die Tangente wird also über das sogenannte RC-Glied gemessen. Solange
eine Drehzahländerung stattfindet, d.h. solange
+ 0 ist, fließt bekanntlich ein Ladestrom über den Widerstand zur@Kapazität, und
solange ein Ladestrom fließt, entsteht am Widerstand R eine Steuerspannung. Die
Schaltung muß dann so getroffen sein, daß das das Dämpfungsglied beeinflussende
Schaltglied auf Grund dieser Steuerspannung einen Schaltimpuls nur dann erhält,
wenn die erwähnten jeweiligen zwei Bedingungen erfüllt sind. Die Erfindung ist im
folgenden am Beispiel einer Wasserturbine anhand zweier in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsmöglichkeiten näher erläutert. Darin ist Figur 1 ein Diagramm, welches
die Drehzahländerung über der Zeit für verschiedene Dä.mpfungsverhältnisse bei Entlastung
im Inselbetrieb zeigt, Figur 2 ein entsprechendes Diagramm bei Belastung im Inselbetrieb,
Figur 3 ein Schaltschema für eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemässen
Einrichtung und Figur ¢ ein modifiziertes derartiges Schaltschema. In den beiden
Diagrammen der Figuren 1 und 2 sind die Abweichungen von der Nenndrehzahl n. über
der Zeit t aufgetragen, und zwar in Figur 1 bei Entlastung der. Turbine und in Figur
2 bei Belastung.
Die gestrichelt dargestellten Kurven 5 bzw. 5'
zeigen den Drehzahlverlauf bei sehr hoher und stets wirksamer Dämpfung. Das Verhalten
ist sehr stabil, aber die Drehzahl steigt im Falle einer Entlastung der Turbine
auf einen unerwünscht hohen Wert nmax an bzw. sinkt im Falle einer Belastung auf
einen entsprechenden niedrigen Wert n min ab. Bei sehr kleiner Dämpfung gemäß der
strichpunktiert dargestellten Kurve 6 bzw. 6' steigt bzw. sinkt die Drehzahl zwar
nicht auf extreme Werte, aber das Verhalten Wird instabil. In Figur 1 z.B. steigt
die Drehzahl zunächst auf einen Maximalwert über der Nenndrehzahl an, sinkt dann
aber auf einen entsprechenden Wert unterhalb der Nenndrehzahl, um dann wieder zu
steigen usw. Die entsprechende Belastungskurve 6° in Figur 2 verläuft hierzu spiegelbildlich:
Die voll ausgezogenen Kurven 7 bzw. 7' gelten für ein Regelverfahren nach der Erfindung.
In dem Bereich zwischen den Punkten I und II bzw. I' und II' ist die Dämpfung unwirksam
und wird beim'Maximalpunkt II bzw. Minimalpunkt II.# wieder wirksam, worauf der
Regler die Drehzahl zwischen den Punkten II und III bzw. II' und III' aperiodisch
wieder auf die Nenndrehzahl nn einregelt.The invention is based on the object of specifying a method and a device for reducing the size of the temporary deviations from the nominal speed in such machines, in which a relatively good frequency maintenance is to be ensured, especially when the damping is set high due to unfavorable conditions during load changes. To meet these requirements, the invention proposes a method in which the damping in the I-element is changed as a function of the operating data of the machine that change during operation. The damping is preferably changed as a function of the change in the speed (acceleration or deceleration) of the machine. According to the method according to the invention, the damping of the controller is adapted to the respective operating conditions of the machine during its operation in such a way that undesirably large temporary speed deviations are avoided in the sense of the best possible frequency maintenance with every type of load change, even with extremely high maximum damping. The invention is particularly advantageous when the damping is at least substantially reduced, preferably made practically ineffective, when the acceleration or deceleration occurs, which causes a deviation from the nominal speed, and again when the maximum speed range corresponding to this reduced or ineffective damping is reached is brought to a higher, preferably the predetermined maximum value. The consequence of this method is that, due to the low or even completely ineffective damping, the maximum speed of the regulator actuator is reached immediately and z-.B. only sets a relatively low maximum temporary overspeed when the machine is unloaded. The moment the range of this maximum overspeed is reached, the damping is fully effective again, i.e. it is increased again to its original value so that the control movement of the actuator is lost in time to avoid undershooting below the nominal speed. @By increasing the damping in a timely manner, a counter-oscillation and thus, for example, excessive stress on the pressure oil supply to the actuating elements is avoided. In favorable cases, an aperiodic run-in into the new steady state can even be achieved. The damping is reduced, for example. In the case of mechanical PI controllers, the best way to do this is to make the oil brake ineffective: the damping is expediently reduced or made ineffective only after a certain acceleration value or a certain deceleration value of the speed has been exceeded and made fully effective again after a certain value of this type has been fallen below . The inventors also recognized that, based on the curve profile of the change in speed over time, a very advantageous development of the method according to the invention results when a speed-dependent measurement voltage generated by the machine to be controlled is electrically differentiated with regard to increasing or decreasing speed preserved chip. tion is used as a control voltage to issue control commands that are influenced by deviations from the nominal speed upwards or downwards to change the damping, in such a way that the damping is then reduced or made ineffective if the conditions either acceleration and over-speed or deceleration and under-speed at the same time are fulfilled. With electrical differentiation, a control voltage only arises if the tangent to the speed curve at the corresponding operating point has a positive derivative above the nominal speed, ie if > 0 or if it is negative below the nominal speed Has derivative, i.e. if <O. is. When the maximum speed is reached ixt or shortly before and this increases only slightly or not at all, ie when and then even becomes negative, the control voltage first becomes zero and then goes into the negative range. In order to. one of the two necessary conditions for reducing or deactivating the damping is no longer fulfilled, ie the full damping becomes effective again. To carry out the method according to the invention, a device is expediently used in which a measuring generator driven by the shaft of the machine to be controlled is electrically operated via a resistance-capacitance element (RC element) as a differentiating element, via a switching element which can be influenced by acceleration or deceleration of the speed and furthermore, via a speed-dependent switching element that responds to over- or under-speed, it is connected to a switching element influencing the damping element, for example a solenoid valve. The tangent is thus measured via the so-called RC element. As long as there is a change in speed, that is, as long as + 0, a charging current flows through the resistor to the @ capacitance, and as long as a charging current flows, a control voltage is generated at the resistor R. The circuit must then be designed in such a way that the switching element influencing the attenuator receives a switching pulse on the basis of this control voltage only when the aforementioned two conditions are met. The invention is explained in more detail below using the example of a water turbine using two possible embodiments shown in the drawing. FIG. 1 is a diagram showing the change in speed over time for various damping ratios with relief in isolated operation, FIG. 2 a corresponding diagram with load in isolated operation, FIG. 3 a circuit diagram for an embodiment of the device according to the invention and FIG Circuit diagram. In the two diagrams of FIGS. 1 and 2, the deviations from the nominal speed n are plotted over time t, specifically in FIG. 1 when the load is relieved. Turbine and in Figure 2 under load. The curves 5 and 5 'shown in dashed lines show the speed curve with very high and always effective damping. The behavior is very stable, but the rotational speed increases to an undesirably high value nmax when the turbine is unloaded or decreases to a correspondingly low value n min when there is a load. In the case of very low damping according to curve 6 or 6 'shown in dash-dotted lines, the speed does not increase or decrease to extreme values, but the behavior becomes unstable. In Figure 1, for example, the speed initially rises to a maximum value above the nominal speed, but then drops to a corresponding value below the nominal speed and then increases again, etc. The corresponding load curve 6 ° in Figure 2 is a mirror image of this: the full curves 7 and 7 'apply to a control method according to the invention. In the area between points I and II or I 'and II', the damping is ineffective and becomes effective again at 'maximum point II or minimum point II. #, Whereupon the controller adjusts the speed between points II and III or II' and III 'aperiodically adjusts to the nominal speed nn again.
In der in Figur 3 dargestellten Einrichtung wird die von dem drehzahlabhängigen,
von der Turbinenwelle,8 angetriebenen Meßgenerator 9 erzeugte Spannung dem aus einer
Kapazität C und einem Widerstand R bestehenden Differenzierglied zugeführt. Erfolgt
nun z.B. infolge einer Entlastung eine Drehzahlerhöhung (Beschleunigung),-so wird
positiv (Kurvenbereich I - II, Figur 1), und'infolge der Spannungsänderung entsteht
ein Kondensator-Zadestrom und damit über dem Widerstand R eine Spannung mit einer
bestimmten Polarität, wodurch: ein Ansprechen des Schaltrelais 10 verursacht und
der Kontakt 11 geschlossen wird. Da sich der Vorgang im Bereich +n oberhalb der
Nenndrehzahl nn abspielt, schließt das an eich bekannte drehzahlabhängige Schaltglied
12 den Kontakt 13 und das Magnetve,#ntil 14 wird dam:.t erregt. Es öffnet das Ventil
15 in der Umgehungen leitung 16 der Ölbremse 17 und macht damit die Ölbremse unwirksam.
Wird die Beschleunigung wieder Null (etwa im Punkt Il der Kurve 7), dann
wird auch der
Ladestrom und damit die Spannung über
dem Widerstand R wieder Null.
Der Kontakt 11 öffnet, wodurch das Magnetventil wieder entregt und die Umgehungsleitung
16 wieder geschlossen wird. Die volle Dämpfung der Ölbremse 17 wird wieder wirksam.
Die Drehzahl regelt sich gedämpft auf die Nenndrehzahl nn ein, die sie im Punkt
III der Kurve 7 erreicht. Bei nunmehr konstanter Drehzahl, also
wird am Widerstand R und damit am Schaltrelais 10 die Spannung Null: Das Magnetventil
14 bleibt stromlos und damit die Umgehungsleitung 16 geschlossen; die volle Dämpfung
bleibt wirksam. Bei Belastung der Turbine (Kurve 7', Figur 2) findet eine Verzögerung
der Drehzahl statt, d.h.
wird negativ (Kurvenbereich I' - II'). Aufgrund der hierdurch über dem Widerstand
R entstehenden negativen Spannung schließt das Schaltrelais 10 den Kontakt 18, und
auf Grund der Unternenndrehzahl schließt das Schaltglied 12 den Kontakt 19. Das
Magnetventil 14 spricht wieder an und-öffnet in gleicher Weise die Umgehungsleitung
16, wodurch die Dämpfung der Ölbremse 17 wirkungslos wird. Bei Erreichen des Punktes
II' wird
Null, wodurch der Kontakt 18 öffnet und das Mägnetventil wieder stromlos und die
Dämpfung wieder voll wirksam wird. In dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 sind
anstatt den Schaltrelais 10 zwei an sich bekannte sogenannte Schmitt-Trigger oder
Impulsformer 20 und 21 verwendet, die an einer Batteriespannung 22 liegen. Im übrigen
sind für die gleichen Teile wieder die gleichen Bezugsziffern wie für die Einrichtung
nach Figur 3 gewählt worden. Bei den Schmitt-Triggern handelt es sich um elektronische
Schalter, die sich bei einer genau festgelegten ansteigenden Spannung mit entsprechender
Polarität aehlieasen und bei abfallender Spannung bei gleicher Polarität öffnen.
Die Ausprech- und Abfall-Spannungsschwelle ist einstellbar, so daß die Möglichkeit
besteht, die Ein-und Ausschaltung der Dämpfung von dem Über- bzw. Unterechreiten
gewisser'Grenzwerte abhängig zu machen. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 20 und
21 wirken in,gleicher Weise auf das Magnetventil 14 wie das Kontaktrelai® 10
des Ausführungebeiapielee nach Figur 3. Auch die Steuerung der Umgehungoleitung
16 der ölbremee erfolgt in gleicher Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel.
Die--Drehzahlkontakte
13 und 19 können ebenfalls als drehzahlabhängige elektronische Schaltelemente ausgebildet
werden.In the device shown in FIG. 3, the voltage generated by the speed-dependent measuring generator 9 driven by the turbine shaft 8 is fed to the differentiating element consisting of a capacitance C and a resistor R. If, for example, an increase in speed (acceleration) occurs as a result of relieving the load, - then positive (curve area I - II, Figure 1), and as a result of the voltage change, a capacitor Zadestrom and thus a voltage with a certain polarity across the resistor R, which: causes the switching relay 10 to respond and the contact 11 is closed. Since the process takes place in the range + n above the nominal speed nn, the speed-dependent switching element 12, which is known from calibration, closes the contact 13 and the magnet valve 14 is then excited. It opens the valve 15 in the bypass line 16 of the oil brake 17 and thus makes the oil brake ineffective. If the acceleration is zero again (for example at point II of curve 7), then the Charging current and thus the voltage across resistor R zero again. The contact 11 opens, whereby the solenoid valve is de-energized again and the bypass line 16 is closed again. The full damping of the oil brake 17 is effective again. The speed is regulated in a damped manner to the nominal speed nn, which it reaches at point III of curve 7. At a constant speed now, that is the voltage is zero at the resistor R and thus at the switching relay 10: the solenoid valve 14 remains de-energized and thus the bypass line 16 is closed; full damping remains in effect. When the turbine is loaded (curve 7 ', FIG. 2), the speed is decelerated, ie becomes negative (curve area I '- II'). Due to the resulting negative voltage across the resistor R, the switching relay 10 closes the contact 18, and due to the lower speed, the switching element 12 closes the contact 19. The solenoid valve 14 responds again and opens the bypass line 16 in the same way, whereby the attenuation the oil brake 17 becomes ineffective. When the point II 'is reached Zero, whereby the contact 18 opens and the magnetic valve is de-energized again and the damping is fully effective again. In the exemplary embodiment according to FIG. 4, instead of the switching relays 10, two so-called Schmitt triggers or pulse shapers 20 and 21, which are known per se and which are connected to a battery voltage 22, are used. Otherwise, the same reference numerals as for the device according to FIG. 3 have been chosen for the same parts. The Schmitt triggers are electronic switches that release when a precisely defined rising voltage is reached with the corresponding polarity and open when the voltage drops with the same polarity. The Ausprech- and waste-voltage threshold is adjustable, so that the possibility of the on-and off to make the damping of the over- or Unterechreiten gewisser'Grenzwerte dependent. The outputs of the Schmitt trigger 20 and 21 act in the same way on the solenoid valve 14 as the Kontaktrelai® 10 of the embodiment according to FIG. 3. The bypass line 16 of the oil brake is also controlled in the same way as in the previous example. The - speed contacts 13 and 19 can also be designed as speed-dependent electronic switching elements.
Anstatt der dargestellten Ölbremse für .einen mechanischen PI-Regler
kann die Erfindung im gleichen Sinn auch bei elektrischen Reglern angewendet werden,
bei weichen z.B. die Steuerspannung des Differenziergliedes nach der Erfindung dem
elektrischen Dämpfungsglied des voll elektrischen Reglers als Spannung superponiert
werden kann. Es kann hierdurch, ebenso wie. bei dem mechanischen PI-Regler, die
Dämpfung jeweils unwirksam gemacht werden.Instead of the illustrated oil brake for a mechanical PI controller
the invention can also be applied in the same sense to electrical regulators,
at soft, for example, the control voltage of the differentiating element according to the invention
electric attenuator of the fully electric controller superimposed as a voltage
can be. It can through this, as well as. with the mechanical PI controller that
Attenuation can be made ineffective.