DE1601766C

DE1601766C - Device for reducing the amount of temporary deviations from the nominal speed of speed-controlled machines, in particular of water turbines

Info

Publication number: DE1601766C
Application number: DE19671601766
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. 7800 Freiburg; Hasenmaier Kurt 7920 Heidenheim Lein
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1967-02-24
Filing date: 1967-02-24
Publication date: 1973-05-10

Description

3030th

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren der Höhe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen mit einem ein Integralglied (sogenanntes I-Glied) aufweisenden Drehzahlregler.The invention relates to a device for reducing the level of temporary deviations on the rated speed of speed-controlled machines, especially water turbines with a speed controller having an integral element (so-called I element).

Derartige Abweichungen werden durch Laständerungen der Maschine, z. B. der Turbine, verursacht. Das I-Glied z. B. eines PI-Reglers (proportionalintegral 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.Such deviations are caused by changes in the load of the machine, e.g. B. the turbine caused. The I-link z. B. a PI controller (proportional integral acting controller) is with a mechanical Regulator generally designed as an oil brake with a spring, the damping of the oil brake accordingly the design of the entire system can be set to a certain value. The regulator moves the actuators z. B. a water turbine depending on the respective speed deviation with a maximum speed limited by the permissible pressure surges in the pipelines. This is normally achieved with large load changes, but with smaller load changes no longer due to the damping of the controller, so that in the latter case the speed is relative changes greatly.

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 Slellgeschwindigkeit gar nicht mehr erreicht wird und deshalb die vorübergehenden Drehzahlabweichungen zu groß werden.In systems with very unfavorable conditions, e.g. B. with very long pipelines or small ones Centrifugal masses, the controller must be dampened extremely strongly. This is especially true when idling and in isolated operation are required to maintain the necessary stability. The consequence of an extremely high The damping set is, however, that even with larger load changes the maximum slell speed is no longer achieved and therefore the temporary speed deviations are too large will.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung 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 seinThe invention is based on the object of specifying a device for reducing the size of the temporary deviations from the nominal speed in machines of this type, in which a relatively good frequency maintenance is guaranteed, especially when the damping is set high due to unfavorable conditions in the event of load changes

Zur Erfüllung dieser Forderungen wird nach der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher ein mit der Welle der zu regelnden Maschine gekoppelter Meßgenerator elektrisch über ein Differenzierglied, z. B. ein Widerstands-Kapazitätsglied (RC-Glied), über ein durch Beschleunigung bzw. Verzögerung der Drehzahl zu beeinflussendes Schaltglied und ferner über ein auf über- oder Unternenndrehzahl ansprechendes drehzahlabhängiges Schaltelement mi t einem das Dämpfungsglied beeinflussenden Schaltglied, z. B. einem Magnetventil, verbunden ist.To meet these requirements, a device is proposed according to the invention, in which a measuring generator coupled to the shaft of the machine to be controlled electrically via a differentiating element, for. B. a resistance-capacitance element (RC element), via a switching element to be influenced by acceleration or deceleration of the speed and also via a speed-dependent switching element that is responsive to over- or lower-speed switching element with a switching element influencing the attenuator, e.g. B. a solenoid valve connected.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, basierend auf dem Kurvenverlauf der Drehzahländerung über der Zeit die von der zu regelnden Maschine erzeugte drehzahlabhängige Meßspannung im Hinblick auf zu- oder abnehmende Drehzahl elektrisch zu differenzieren und die hierbei erhaltene Spannung als Steuerspannung zur Erteilung von durch Abweichungen von der Nenndrehzahl nach oben oder nach unten beeinflußten Steuerbefehlen zur Veränderung der Dämpfung zu verwenden, 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. Auf Grund 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. wennBy means of the device according to the invention, it is possible, based on the curve shape of the Speed change over time the speed-dependent measuring voltage generated by the machine to be controlled to differentiate electrically with regard to increasing or decreasing speed and the here voltage received as control voltage for the issuance of deviations from the rated speed to use control commands influenced upwards or downwards to change the damping, such that attenuation is reduced or disabled when simultaneously the conditions either acceleration and base speed or deceleration and base speed are fulfilled. Due to the electrical differentiation, a control voltage is only created if the tangent to the speed curve in the corresponding operating point is above the Rated speed has a positive derivative, d. H. if

-p > 0 ist oder wenn sie unterhalb der Nenndrehzahl eine negative Ableitung hat, d. h. wenn -r- < 0 ir.t.-p> 0 or if it is below the rated speed has a negative derivative, d. H. if -r- <0 ir.t.

Wenn die maximale Drehzahl erreicht ist oder auch kurz zuvor und diese nur noch wenig oder gar nichtWhen the maximum speed is reached or shortly before and this only a little or not at all

mehr zunimmt, d. h. wenn -7— ~ 0 ist und dannincreases more, d. H. if -7- ~ 0 and then

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 nicht mehr erfüllt, d. h., die volle Dämpfung wird wieder wirksam.even becomes negative, the control voltage first becomes zero and then goes into the negative range. This is one of the two necessary conditions for reducing or deactivating the Attenuation no longer fulfilled, d. that is, the full damping becomes effective again.

Die Tangente wird über das sogenannte flC-Glied gemessen. Solange eine Drehzahländerung stattfindet,The tangent is via the so-called flC member measured. As long as there is a speed change,

d. h. solange £ ψ 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.ie as long as £ ψ 0, a charging current flows through the resistor to the capacitance, and as long as a charging current flows, a control voltage is generated across 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.

Es kann also durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Dämpfung des Reglers an die jeweiligen Betriebsverhältnisse der Maschine während deren Betrieb derart angepaßt werden, daß im Sinne einer möglichst guten Frequenzhaltung bei jeder Art von Laständerung selbst bei extrem hoher maximaler Dämpfung unerwünscht große vorübergehende Dreh-The device according to the invention can therefore reduce the damping of the controller to the respective Operating conditions of the machine can be adapted during its operation in such a way that in the sense of a The best possible frequency retention for any type of load change, even at an extremely high maximum Attenuation undesirably large temporary turning

Zahlabweichungen vermieden werden. Dabei wird die Dämpfung bei eintretender, eine Abweichung von der Nenndrehzahl verursachender Beschleunigung oder Verzögerung der Drehzahl zumindest wesentlich verringert, vorzugsweise praktisch unwirksam ge- macht und bei Erreichen des dieser verringerten bzw. ^ unwirksamen Dämpfung entsprechenden maximalen Drehzahlbereiches wieder auf einen höheren, vorzugsweise den vorgegebenen Höchstwert gebracht. Die Folge hienun ist, daß auf Grund der geringen oder sogar völlig unwirksamen Dämpfung sofort die maxi- '° male Geschwindigkeit des Reglerstellorgans erreicht wird und sich ?.. 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 erhöht, so daß die Steuerbewegung des Stellorgans rechtzeitig verlangsamt 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 Druckölversoreuna 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 ersl nach überschreiten eines bestimmten Beschleunigungswerlcs bzw. eines bestimmten Verzögerungswertes der Drehzahl verringert oder unwirksam gemacht und nach Unterschreiten eines jeweiligen bestimmten derartigen Wertes wieder voll wirksam gemacht.Deviations in numbers are avoided. The attenuation becomes a deviation when it occurs from the nominal speed causing acceleration or deceleration of the speed at least substantially reduced, preferably made practically ineffective and upon reaching this reduced or ^ ineffective damping corresponding maximum speed range again to a higher, preferably brought the specified maximum value. The consequence here is that due to the small or even completely ineffective damping immediately reaches the maximum speed of the regulator actuator will and? .. B. when relieving the machine only a relatively low maximum temporary overspeed adjusts. At the moment when the range of this maximum overspeed is reached, the damping becomes fully effective again, d. i.e., it is increased back to its original value, so that the control movement of the actuator is slowed down in time to avoid an undershoot to avoid falling below the rated speed. This timely increase in attenuation thus becomes a Counter vibration and thus z. B. also excessive stress on the Druckölversoreuna Actuators avoided. In favorable cases "there is even an aperiodic run-in into the new steady state available. The reduction in attenuation occurs, for. B. best with mechanical PI controllers in that the oil brake is made ineffective. The attenuation is expediently after exceeding a certain acceleration value or a certain deceleration value the speed is reduced or made ineffective and after falling below a respective certain of such a value made fully effective again.

Die Erfindung ist im folgenden am Beispiel einer Wasserturbine an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsmöglichkeiten näher erläutert. Durin istThe invention is illustrated below using the example of a water turbine on the basis of two shown in the drawing Execution options explained in more detail. Durin is

F i g. 1 ein Diagramm, welches die Drehzahländerung über der Zeit für verschiedene Dämpfungsverhältnisse bei Entlastung im Inselbetrieb zeigt, F i g. 1 is a diagram showing the change in speed over time for different damping ratios with relief in isolated operation,

F i g. 2 ein entsprechendes Diagramm bei Belastung im Inselbetrieb,F i g. 2 a corresponding diagram with load in isolated operation,

F i g. 3 ein Schaltschema für eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung undF i g. 3 a circuit diagram for one possible embodiment the device according to the invention and

F i g. 4 ein modifiziertes derartiges Schaltschema.F i g. 4 shows a modified circuit diagram of this type.

In den beiden Diagrammen der F i g. 1 und 2 sind die Abweichungen von der Nenndrehzahl n„ über der Zeit t aufgetragen, und zwar in F i g 1 bei Entlastung der Turbine und in F i g. 2 bei Belastung. Die gestrichelt dargestellten Kurven 5 bzw. 5' zeigen den Drehzahlverlauf bei sehr hoher und stets wirksamer Dämpfung. Das Verhallen ist sehr stabil, aber die Drehzahl steigt im Falle einer Entlastung der Turbine auf einen unerwünscht hohen Wert n_max an bzw. sinkt im Falle einer Belastung auf einen entsprechenden niedrigen Wert n_mi„ ab. Bei sehr kleiner Dämpfung gemäß der strichpunktiert dargestellten Kurve 6 bzw. 6' steigt bzw. sinkt die Drehzahl zwar r_l0 nicht auf extreme Werte, aber das Verhalten wird instabil. In F i g. I z. B. steigt die Drehzahl zunächst auf einen Maximalwert über der Nenndrehzahl an, sink! dann aber auf einen entsprechenden Wert unterhalb der Nenndrehzahl, um dann wieder zu steigen usw. Die entsprechende Belastungskurve 6' in F i g. 2 verläuft hierzu spiegelbildlich.In the two diagrams in FIG. 1 and 2, the deviations from the nominal speed n "are plotted over time t , namely in FIG. 1 when the turbine is relieved and in FIG. 2 under load. The curves 5 and 5 'shown in broken lines show the speed curve with very high and always effective damping. The reverberation is very stable, but the rotational speed increases to an undesirably high value n _max when the turbine is unloaded or decreases to a correspondingly low value n _mi “ in the case of a load. In the case of very low damping according to curve 6 or 6 'shown in _{dash-dotted lines} , the speed r l0 does not increase or decrease to extreme values, but the behavior becomes unstable. In Fig. I z. B. the speed initially increases to a maximum value above the nominal speed, sink! but then to a corresponding value below the nominal speed in order to then increase again, etc. The corresponding load curve 6 'in FIG. 2 is a mirror image of this.

Die voll ausgezogenen Kurven 7 bzw.7' gelten für ein Regelverfahren nach der Erfindung. In dem Bereich zwischen den Punkten I und II bzw. Γ und IV 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. IV und UV aperiodisch wieder auf die Nenndrehzahl n„ einregelt.The solid curves 7 and 7 'apply to a control method according to the invention. In the area between points I and II or Γ and IV the damping is ineffective and becomes effective again at maximum point II or minimum point II ', whereupon the controller aperiodically increases the speed between points II and III or IV and UV the nominal speed n " regulates.

In der in F i g. 3 dargestellten Einrichtung wird die von dem drehzahlabhängigen, von der Turbinen welle 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, Fig. 1), und infolge der Spannungsänderung entsteht ein Kondensatorladestrom 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 + η oberhalb der Nenndrehzahl n„ abspielt, schließt das an sich bekannte drehzahlabhängige Schaltglied 12 den Kontakt 13, und das Magnetventil 14 wird damit erregt. Es öffnet das Ventil 15 in der Umgehungsleitung 16 der Ölbremse 17 und macht damit dieIn the in F i g. 3 device shown, the voltage generated by the speed-dependent, driven by the turbine shaft 8 measuring generator 9 is supplied to the differentiating element consisting of a capacitance C and a resistor R. FIG. If now z. B. as a result of a relief, an increase in speed (acceleration), then ^ - positive (curve area I-II, Fig. 1), and as a result of the voltage change, a capacitor charging current and thus a voltage with a certain polarity across the resistor R, causing a response the switching relay 10 caused and the contact 11 is closed. Since the process takes place in the range + η above the nominal speed n " , the speed-dependent switching element 12, which is known per se, closes the contact 13, and the solenoid valve 14 is thus excited. It opens the valve 15 in the bypass line 16 of the oil brake 17 and thus makes the

Ölbremse unwirksam. Wird die Beschleunigung -^- Oil brake ineffective. Will the acceleration - ^ -

wieder Null (etwa im Punkt II 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 n„ ein, die sie im Punkt III der Kurve 7 erreicht. Bei nunmehr konstanter Drehzahl, alsoagain zero (approximately at point II of curve 7), then the charging current and thus the voltage across the resistor R will be 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 n " , which it reaches at point III of curve 7. At a constant speed now, that is

^j₁ = 0, 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.^ j ₁ = 0, the voltage at the resistor R and thus at the switching relay 10 is zero. The solenoid valve 14 remains de-energized and thus the bypass line 16 is closed; full damping remains in effect.

Bei Belastung der Turbine (Kurve 7', F i g. 2) findet eine Verzögerung der Drehzahl statt, d. h„When the turbine is loaded (curve 7 ', FIG. 2), the speed is decelerated; H"

j" wird negativ (Kurvenbereich V-W). Auf Grund 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.j "becomes negative (curve area VW). Due to the negative voltage generated 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 in in the same way the bypass line 16, whereby the damping of the oil brake 17 is ineffective.

Bei Erreichen des Punktes IΓ wird -j'- O, wodurch der Kontakt 18 öffnet und das Magnetventil wieder stromlos und die Dämpfung wieder voll wirksam wird. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind anstatt des 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 Tür die Einrichtung nach F i g. 3 gewählt worden. Bei den Schmitt-Triggern handelt es sich um elektronische Schalter, die sich bei einer genau festgelegten ansteigenden Spannung mit entsprechender Polarität schließen und bei abfallender Spannung bei gleicher PolaritätWhen the point IΓ is reached -j'- O, whereby the contact 18 opens and the solenoid valve is de-energized again and the damping is fully effective again. In the embodiment according to FIG. 4 instead of the switching relay 10 are two known per se so-called Schmitt trigger or pulse shapers 20 and 21 are used, which are connected to a battery voltage 22 lie. Otherwise, the same reference numerals as the door are used for the same parts according to FIG. 3 has been elected. The Schmitt triggers are electronic switches, which close at a precisely defined rising voltage with the corresponding polarity and when the voltage drops with the same polarity

öffnen. Die Ansprech- und Abfall-Spannungsschwelle ist einsteilbar, so daß die Möglichkeil besteht, die Ein- und Ausschaltung der Dämpfung von dem über- bzw. Unterschreiten gewisser Grenzwerte abhängig zu machen. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 20 und 21 wirken in gleicher Weise auf das Magnetventil 14 wie das Kontaktrelais 10 des Ausfuhrungsbeispieles nach F i g. 3. Auch die Steuerung der Umgehungsleitung 16 der Ölbremse erfolgt in gleicher Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel.to open. The response and dropout voltage threshold can be set so that there is a possibility that Switching the damping on and off depends on whether certain limit values are exceeded or not reached close. The outputs of the Schmitt trigger 20 and 21 act in the same way on the solenoid valve 14 like the contact relay 10 of the exemplary embodiment according to FIG. 3. Also controlling the Bypass line 16 of the oil brake takes place in the same way as in the previous example.

Die Drehzahlkontakte 13 und 19 können ebenfalls als drehzahlabhängige elektronische Schaltelemente ausgebildet werden.The speed contacts 13 and 19 can also be used as speed-dependent electronic switching elements be formed.

Anstatt der dargestellten Ölbremse für einen mechanischen PI-Regler kann die Erfindung im gleichen Sinn auch bei elektrischen Reglern angewendet werden, bei welchen 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 be used in the same way Sense can also be applied to electrical regulators, in which z. B. the control voltage of the differentiator according to the invention, the electric attenuator of the fully electric controller as a voltage can be superposed. As with the mechanical PI controller, this can reduce the damping in each case made ineffective.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for reducing the amount of temporary deviations from the rated speed of speed-controlled machines, in particular of water turbines with a speed controller having an integral member, thereby characterized in that one connected to the shaft (8) of the machine to be controlled ίο coupled measurement generator (9) electrically via a differentiator, e.g. B. a resistance-capacitance element (ÄC-GIied), about a through acceleration or delay of the speed to be influenced switching element (10) and also via a Speed-dependent switching element (12) with a the switching element influencing the attenuator,

z. B. a solenoid valve (14) connected.

2. Device according to claim 1 with an i? C-G! Ied as a differentiating element, characterized in that that two Schmitt triggers (20, 21) serve as switching element to be influenced by acceleration or deceleration of the speed, which are applied to the output voltage of the resistor of the ÄC-GIiedes.