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Notaggregat zur kurzzeitigen Lieferung elektrischen Stromes Die Erfindung
bezieht sich auf ein Notaggregat zur kurzzeitigen Strom-Lieferung an einen Verbraucher
und insbesondere auf Einrichtungen dieser Art, welsche ein zusätzliches hydraulisches
Energiesystem verwenden, In der USA-Patentschrift 3 283 165 ist das Grundkonzept
für die Benutzung hydraulischer Kraft in einem Notaggregat offenbart; In dieser
Patentschrift ist auch eine Diskussion der heute benutzten Notaggregate enthalten,
insbesondere der Systeme, welche in Schwungrädern gespeicherte mechanische Energie
verwenden, um eine vollständige Unterbrechung der Energielieferung zu verhindern,
wenn der Übergang von der normalen Energie zur Energie des Notaggregates eintritt.
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Obwohl die Verwendung von Schwungrädern im wesentlichen eine vollständige
Unterbrechung während des Überganges beseitigt hat, schafft sie unerwünschte
Schwankungen
in der Netzfrequenz und -spannung. Solche Schwankungen sind insbesondere unvorteilhaft,
wenn eine Last kritischer Natur während des Wechsels gespeist wird.
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Das hydraulische Grundsystem benutzt einen hydraulischen Motor, der
mit einem Druckspeicher verbunden sein kann, wenn eine unerwünschte Schwankung in
der normalen Energiezu£#,.r auftritt; Dieser hydraulische Motor ist mit einem Wechselstromgenerator
oder einem Motorgeneratorsatz verbunden, der bei Energieausfall durch eine Hilfsmaschine
angetrieben werden kann. Der hydraulische Motor hält einen konstanten Ausgang des
Wechselstromgenerators während der kurzen Zeitperiode aufrecht, die von der Hilfsmaschine
benötigt wird, um die passende Geschwindigkeit für den Betrieb des Wechselstromgenerators
zu erreichen. Eine mehr ins .Einzelne gehende Diskussion der erwünschter Eigenschaften
des hydraulischen Systems, das dem System mit Schwungrädern gegenübergestellt wird,
ist gleichfalls der obenerwähnten Patentschrift zu entnehmen.
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Eines der Probleme, welches beim Betrieb der bekannten Anlagen auftritt,
ist das Verfahren zur Steuerung der Geschwindigkeit des hydraulischen Motors. In
diesem System ist diese Geschwindigkeit hydraulisch durch ein Strömung`ssteuerventil
zwischen dem hydraulischen Motor und dem Druckspeicher geregelt. Wegen der extremen
hydraulischen Drücke, die verwendet werden," ist es schwierig, ein Ventil vorzusehen,
das in der Lage ist, genau die Rotationsfrequenz des hydraulischen Motors zu regeln
und zu gleicher Zeit
den sehr großen Stößen zu widerstehen, denen
es unterworfen wird. Deshalb können, wenn ein sehr kompaktes Ventil im System vorgesehen
ist, die Frequenzänderungen, obwohl sie größer als die Betriebseigenschaften des
Trägheitsschwungrades sind, oft oberhalb der zulässigen Grenzen der besonderen kritischen
Last liegen.
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Demgemäß ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Hilfsenergiesystem
für zeitweise Lieferung elektrischen Stromes an eine:Last zu schaffen bei unstabilem
Betrieb Gier normalen Kraftaiüage.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Hilfsenergiesystem
vorzusehen, worin die Steuerung des Betriebes der hydraulischen Einrichtung bewirkt
wird durch elektrishhe Mittel anstatt durch die hydraulische Einrichtung selbst.
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Die Erfindung ermöglicht einen augenblicklichen Übergang der Energie
auf eine Hilfseinheit mit einer geringfügigen Änderung in der Frequehz und in der
Spannung während eines solchen Überwechselns. Durch die Erfindung wird ferner ein
Notaggregat geschaffen, das eine elektrische Steuerung der Kupplung zwischdn der
Hilfsmaschine und dem Wechselstromgenerator besitzt, wodurch ein Eingriff der Kupplung
sichergestellt ist, nur wenn die Rotationsfrequenz der Maschine die gleiche ist
wie die Rotationsfrequenz des Wechselstromgenerators.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden.Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele.
Figur
1 ist eine schematische Darstellung des hydraulischen Grundsystems, das in der vorliegenden
Erfindung benutzt wird.
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Figur 2 zeigt das elektrische Steuersystem, das in Verbindung mit
dem hydraulischen System nach Fig.l verwendet wird und Figur 3 ist eine graphische
Darstellung der Wirkungsweise des Systems bezogen auf den Ausgang des Wechselstromgenerators.
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Figur 1 zeigt eine handelsübliche Standard-Energiequelle mit einem
elektrischen Steuersystem 11 und einem Wechselstromgeneretor 15, der den Verbraucher
13 speist; obwohl in der Beschreibung der Erfindung speaziell von der Verwendung
eines Wechselstromgenerators die Rede ist, ist es klar, daß die Erfindung in gleicher
Weise anwendbar ist bei einer Benutzung eines Motorgeneratorsatzes.
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Eine Hilfsmaschine 1?, welche ein Benzin- oder Dieselmotor sein kann,
ist
gekuppelt mit dem Generator 15 mittels einer Kupplung 19. Für das besondere, nachstehend
beschriebene Steuersystem ist die Verwendung einer Kupplung der Induktionstype vorzuziehen
wegen der Einfachheit der Steuerung mittels vorhandener elektrischer Parameter.
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Ein Starter 21 ist mit der Maschine 17 gekuppelt und wird gesteuert
durch das elektrische Regelsystem, wie sich aus der nachfolgenden Beschreibung im
Einzelnen ergibt.
Ein elektrischer Tourenzähler 65 ist gleichfalls
zwischen der Hilfsmaschine 17 und dem elektrischen Regelsystem 11 angeordnet; Zusätzlich
ist ein Frequenzmesser 71 mit dem Wechselstromgenerator 15 gekuppelt und liefert
ein kontinuierliches Ausgangssignal an das elektrische Steuersystem. Eine ausgeglichene
Energielieferung, deren Eingang zwischen dem Wechselstromgenerator und dem Verbraucher
liegt, ist vorgesehen, um eine konstante Ausgangsspannung für die Verwendung in
dem System zu liefern unabhängig von Schwankungen, die im Ausgang des Wechselstromgenerators
auftreten können. Dieses gesamte elektrische System wird im einzelnen in Verbindung
mit Figur 2 erläutert werden.
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Eine Leitung 29 verbindet den Flüssigkeitsbehälter 27. mit der Pumpe
45
| 4 |
| mittels der Leitung 31. Die Pump7vvird durch einen elektrischen
Motor 47 |
angetrieben und liefert Flüssigkeit unter Druck über ein Absperrventil 49, ein Filter
51 und eine Leitung 55 an den Druckspeicher 57. Ein Drucksehalter 59 kann verbunden
werden mit dem Druckspeicher über Leitungen 53 und 61, um den Motor 57 stromlos
zu machen, . wenn der Druck innerhalb des Speichers einen vorgegebenen Wert erreicht
hat.
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Ein Magnetventil 35 hat drei abwechselnde Eingänge; Die- Leitung 53
verbindet das Ventil mit dem Druckspeicher 57, und die Leitungen 32 und 37 verbinden
das Ventil mit dem Flüssigkeitsbehälter 27. Die Leitung 37 weist ein Reglerventil
35 auf, das zwischen dem Magnetventil und dem Flüssigkeitsbehälter eingefügt ist
für Zwecke, die in der nachfolgenden Beschreibung noch erläutert werden. Der Ausgang
des Magnetventils 35 ist mit dem
Eingang eines hydraulischen Motors
25 über die Leitung 39 verbunden, Der Ausgang des hydraulischen Motors ist wiederum
verbunden mit dem. Flüssigkeitsbehälter 27 über die Leiturg 43, Wenn sich das Magnetventil
35 in unbetäiigter Stellung. befindet, wird sein Eingang vom Behälter 27 her gespeist
mittels der Leitungen 29, 32 und 33, Der hydraulische Motor wird untätig mittels
der Kupplung 23 vom Wechselstromgenerator, so daß die hydraulische Flüssigkeit kontinuierlich
vom Flüssigkeitsbehälter zum hydraulischen Motor und zurück zum Flüssigkeitsbehälter
zirkuliert, Wenn das elektrische Regelsystem einen Netzausfall feststellt oder eine
extreme Änderung im Netz, wird das Magnetventil, betätigt, so daß die Leitung 53
mit dem Eingang eines Magnetventils 35 verbunden wird. Dies wiederum verbindet den
Druckspeicher 57 mit dem Eingang des hydraulischen Motors, so daß der hydraulische
Motor angetrieben wird und die Rotation des Wechselstromgenerators aufrechterhalten
bleibt.
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Wenn der hydraulische Motor eine Rotationsfrequenz größer als die
gewünschte erreicht, liefert der Frequenzfühler 71 ein Signal an glas elektrische
Regelsystem, welches das Magnetventil. bewegt, so daß es gegenüber der Leitung 33
geöffnet ist über ein Regelventil 35 und eine Leitung 37, Dies veranlaßt den hydraulischen
Motor, gegen einen Druck zu arbeiten, der durch das Regelventil-geschaffen wird,
wodurch die Rotation des-Motors verlangsamt wird;
Aus Sicherheitsgründen
ist das übliche Überdruckventil 62 und das handbetätigte Entlastungsventil 63 zwischen
der Hochdruckleitung 53 und der Rückleitung 43 angeordnet, In dem in Figur 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel wird das elektrische System reit den verschiedenen Schaltern
in einer Lage gezeigt, in der der Wechselstromgenerator von einer normalen Quelle
gespeist ist und seinerseits die Last 13 speist. Obgleich das übliche Überwachungsgerät
von der Art sein kann, bei der die Spannung geprüft wird, ist es vorzuziehen, daß
es auf die Amplitude. Phase und Frequenz des üblichen Stromes anspricht, um Schwankungen
bei einem dieser möglichen Variablen festzustellen. Die Leitung 32 verbindet mit
dem Überwachungsgerät. Bei der Detektierung unstabiler Bedingungen in der üblichen
Energiezufuhr betätigt das Überwachungsgerät 81 das Relais 84 Ober die Leitungen
83. Das Relais 84 stet den Betrieb des Starters 87 ein über die Verbindung
89 und gleichzeitig schließt sie den Schalter 98" welcher in dem besonderen dargestellten
Augenblick über die Leitung 89 den Pluspol an den Differenzverstärker 99 legt. Das
Relais 91 wird gleichzeitig betätigt mit dem Relais 84, so daß die Maschine
17 in Betrieb gesetzt wird. In Figur 2 ist die Maschine 17 dargestellt
als eine Brenakraftmaschine mit einem Relais 98, welches den Schalter 93 über die
Verbindung 95 schließt, so daß die notwendige Energie zur Maschine geleitet
wird. Wenn eine Dieselmaschine verwendet wird, würde das Relais
91 die Brennstoffzufuhr
zur Maschine regeln. Das Relais 21 öffnet auch den
Hauptschalter 86,
so daß. die übliche Energiezufuhr vom Wechselstromgenerator
15 getrennt wird.
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Bekanntlich ist eine bestimmte Zeitperiode erforderlich für die Maschine
17,
um die passende Geschwindigkeit zu erreichen, bevor sie mit dem Wechselstromgenerator
für dessen Betrieb in Einstellverbindung kommt, Bei einer kritischen Belastung befindet
sich eine solche Zeitverzögerung nicht Innerhalb der zulässigen Grenzen der Last.
Das vorliegende System ist ausgelegt, um die Rotation des Wechselstromgenerators
während dieser Übergangsperiode konstant zu halten.
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Als ein Beispiel sei angenommeia, daß ein totaler Ausfall der Hauptenergielieferung
aufgetreten ist. Fast unmittelbar darauf beginnen die Drehzahl des Wechselstromgenerators
15 und daher dessen Frequenz abzunehmen. Diese Veränderung wird durch den Frequenzmesser
71 erfaßt, der seinerseits ein Eingangssignal, über die Leitung 101 an den Differenzverstärker
liefert. Das andere Eingangesignal für den Differenzverstärker wird mittels des
Regelwiderstandes 103 eingespeist, der mit der regierten Energiequelle verbunden
ist. Der Regelwiderstand ist auf einen passenden Wert eingestellt und solange kein
Unterschied zwischen den Eingangssignalen vom Frequenzmesser und dem Regelwiderstand
besteht, liefert der Differenzverstärker 99 kein Ausgangssignal. Wenn jedoch das
Ausgangssignal vom Frequenzmesser abnimmt infolge einer abnehmenden Drehzahl der
Wechselstrommaschine 15, dann tritt ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers
auf, welches den Leistungsschalter 113 betätigt, indem über die Leitung 117
die
Wicklung 115 erregt wird: Die Erregung der Wicklung 115 bewirkt .eine Verstellung
des Ventils 35 mittels der Verbindung 1199 so daß der Eingang zur Zeitung 53 verbunden
ist Da die Leitung 53 mit dem Druck-Speicher verbunden ist. wird der Flüssigkeitsdruck
auf den hydraulischen Motor über die Leitung 39 übertragen und kehrt über die Leitung
43 zum Flüssigkeitsbehälter zurück; Wenn der Wechselstromgenerator 15 die gewünschte
Drehzahl überschreitet durch den hydraulischen Motor 25. liefert der Frequenzmesser
71 . ein Ausgangssignal, welches größer ist als die an den Differenzverstärker vom
Regelwiderstand 113 gelieferte .Spann"g; Daraus ergibt sich ein Ausgangssignal des
Differenzverstärkers zum Leistungsschalter 121 zur Erregung der Wicklung 123 über
die Leitring 125 und eine Verstellung des Ventils 35 in eine Lage, in der ein Eingang
zum Ventil besteht von der Leitung 37 und dem Regelventil 35.' Da der hydraulische
Motor dann Flüssigkeit durch das Regelventil treiben muß, entsteht eine wirksame
Dämpfung des hydraulischen Motors in Richtung auf eine Verlangsamung bis auf einen
Grad, der abhängt von der Einstellung des Regelventils: Dieses beschriebene System
schafft ein Mittel für die Aufrechterhaltung . eines sehr stabilen Betribbes des
Wechselstromgenerators 166'
Um eine Einstellverbindung der Maschine 17 zum
Wechselstromgenerator 15 nur zu einer Zeit sicherzustellen. in der die Drehzahl
beider Elemente identisch ist, wird ein elektrisches System zum Vergleich der .
Frequenz der Rotation sowohl der Maschine als auch des .Wechaeletrom. generators
vorgesehen; _ in -diesem System ist der Ausgang des Frequenzmessers
71
mit dem Eingang einen weiteren Differenzverstärkers 107
über
die Leitung 105 verbunden; Der zweite Eingang zum Differenzverstärker
107 ist mit einem elektrischen Tourenzähler 65 über die Leitung
69
verbünden; Der elektrische Tourenzähler seinerseits ist über die
Leitung 67
in bekannter Weise mit der Maschine 17 verbunden
Es ist vorteilhaft, eine elektromagnetische Kupplung 19 in dem
System zu verwenden, wegen
der Tatsache, daß mittels einer
solchen Kupplung eine sehr harte Steuerung
aufrechterhalten
werden kann. Der Differenzverstärker 107 ist in einer solchen
Weise verbunden, daß - solange wie eine Differedz zwischen
dem
Ausgangssignal des Frequenzmessers und dem Ausgangssignal
des Tacho-
meters 65 besteht - kein Ausgangssignal des Verstärkers
107 auftritt.
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Wenn jedoch
diese beiden Ausgangssignale gleich
sind, d ann liefert
der
Differenzverstärker 107 ein Ausgangssignal
zum Leistungsschalter
127,
welcher
seinerseits Strom liefert
zur Kupplung 19 über die
Leitung 129,
wodurch die Maschine
17 mit dem Wechselstromgenerator
15 in Einstellverbindung
kommt. An diesen Punkt des Betriebes liefert das Hilfsaggregat
die notwendige
Antriebskraft für den Wechselstromgenerator, der den
Verbraucher
speist. Da eine kritische
Last eingeschlossen sein soll,
ist
es auch wichtig,
daß das Hilfsaggregat
in Betrieb
gehalten. wird,
bis die
übliche
Energie sich
der Ausgangsenergie
des Wechselstromgenerators
| anpaßt, so daß keine plötzliche Änderung im Eingang zur
kritischen «tr-..-q_e J |
| auftritt. Zu diesem Zweck wird ein synchroner GleichheitsprVer
1 °° 9 ter- |
wendet, der Eingangssignale
vom Frequenzmesser
71 ü,er
den Leiter 111
und von der Hauptenergiequelle über
die Leiter 82
erhält, Solinge
wie
eine Veränderung im Ausgang- des Frequenzmessers
und der Hauptenergieapeisung -auftritt, betätigt der -synchrone Gleichheitsprüfer
109 da(3 Re-
lais 131, das Ober die Verbindung 133 den Schalter 135- schließt.
Der Schalter
137 erhält die Energielieferung zum Relais
91, mittels
des- Leiters 13? aufrecht: Deshalb bleibt der Hauptschalter 86, selbst wenn die
normale
Speisung stabil
und annehmbar
für das übliche Überwachungsgerät
_ zu sein scheint, geöffnet, wenn der synchrone Gleichheitsprüfer eine Änderung
feststellt. Demgemäß ist eine stabile Energiespeisung an die kritische Belastung
sichergestellt nicht nur beim Überschalten auf das Hilfsaggregat,
sondern
während
der Zeit, in
der eine Rückkehr zur- normalen. Energiespeisung
stattfindet.
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Figur 3 zeigt eine graphische Darstellung in stark übertriebener Weise,
aus der sich die vorstehend erörterte Arbeitsweise des Systems ergibt. Die
Ausgangsfrequenz des Wechselstromgenerators bleibt stabil bis der Punkt A erreicht
ist, der.einen Energieausfall oder eine Schwankung oberhalb zulässiger Grenzen darstellt.
Ein solcher Ausfall resultiert in der Öffnung des Hauptschalters 86 und in der Abnahme
der Rotationsfrequenz des Wächselstromgenerators 15. Wenn die Frequenz bis zum Punkt
B abnimmt, betätigt das Ausgangssignal des Differenzverstärkers die Wicklung 115
und verbindet das Ventil 35 mit dem Druckspeicher. Der hydraulische Motor 25 übernimmt
dann unmittelbar den Antrieb des Wechselstromgenerators und bringt die Frequenz
zurück auf den Punkt C, welches die gewünschte Betriebsfrequenz ist. Wie erläutert,
wird auch
die Maschine 17 zum Zeitpunkt A gestartet und ihre Rotationsfrequenz
beginnt auf die passende Betriebsgeschwindigkeit zu steigen. ' Wenn der Wechselstromgenerator
eine genügend starke Last speist, wirkt diese Last selbst ein wenig als eine Unterbrechung
zur Verhinderung einer Überschwingung in der Frequenz des Wechselstromgenerators.
Unter diesen Bedingungen wird der hydraulische Motor abwechselnd verbunden mit dem
Speicher und folgt durch die ausgezogene Linie den dargestellten Schwankungen, bis
der Punkt E erreicht ist, zu welchem Zeitpunkt die Maschine die passende Geschwindigkeit
für eine Verbindung mit dem Wechselstromgenerator erreicht hat.
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Bei sehr geringer Last oder bei Lehrlauf wird der Wechselstromgenerator
die Tendenz haben, die Geschwindigkeit über die gewünschte Frequenz hinaus zu erhöhen,
wie es durch die punktierten Linien dargestellt ist.
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Die Frequenz erhöht sich bis zum Punkt D, zu welcher Zeit das Ausgangs-Signal
des Frequenzmessers ausreichend ist, um ein Ausgangssignal vom Differenzverstärker
99 zu verursachen, der wiederum den Schalter 121 und die Wicklung 123 betätigt zur
Verstellung des Eingangs des Ventils 35 zur Leitung 37. Der erhöhte Widerstand durch
das Regelventil 35 schafft eine Belastung für den hydraulischen Motor, die bewirkt,
daß seine Rotationsfrequenz und die des Wechselstromgenerators 15 herabgesetzt werden.
Dieser Betrieb setzt sich fort, wie es durch die punktierten Linien in Verbindung
mit den ausgezogenen Linien gezeigt ist, und zwar bis zum Punkt E.
Der
oben beschriebene Betrieb hat sich als äußerst vorteilhaft erwiesen für-die Steuerung
der Energiespeisung eines Verbrauchers, und zwar innerhalb von Grenzen, die weiter
sind als bei durchschnittlichen handelsüblichen Kraftanlagen. Wie in der graphischen
Darstellung angegeben ist, kann die Frequenzänderung erhalten werden innerhalb 0,
2 Peris der gewünschten Betriebsfrequenz; Die obenerwähnten Systeme; die Schwungräder
benutzen, sind nicht in der Lage, die Frequenz auch nur annähernd so stabil zu halten,
wie es mit der Erfindung möglich ist, und zwar wegen der Tatsache, daß den bekannten
Schwungradsystemen Trägheit innewohnt. Ferner ist wegen der Schwierigkeiten, die
bei der Benutzung von Flüssigkeits-Steuerventilen in Anordnung nach dem amerikanischen
Patent 3 283 165 auftreten, eine genaue Regelung der Frequenzänderung nicht möglich,
obwohl solche Systeme einen Fortschritt gegenüber den vorerwähnten Systemen aufweisen,
die mit Schwungrädern oder dergl. arbeiten. I3a eine große Anzahl elektrischer,
heute benutzter Anlagen sehr enge Toleranzen erfordern mit Rücksicht auf. das kritische
Verhalten der Verbraucher, könnte ein Fehler in der Aufrechterhaltung einer stabilen
Energiespeisung dasselbe Ergebnis haben, wie ein -totaler Energieausfall. _ obgleich
ein bestimmtes vollständiges Notaggregat dargestellt und beschriebon ist, sind das
hydraulische Hilfssystem, und die Steuerungen der Erfindung leicht au. bestehende
Hilfsaggregate anzupassen,, bei denen es erwünscht ist,. irgendwelche Änderungen
in der Spannung uridloder Frequenz . oberhalb zulässiger Grenzen zu vermeiden. Ferner
ist ersichtlich, dmß im nehmen der Erfindung zahlreiche Einzelheiten durch äquivalente
Elemente ersetzt werden können.