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Lastwechselschutzeinrichtun für rotierende Maschinen
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lastwechselschutzeinrichtung
für rotierende Maschinen, insbesondere elektrische Generatoren, und hat die Aufgabe,
periodische Lastschwankungen, welche zu Schäden an den Maschinenteilen, wie Wellen
und Lager führen können, zu erfassen und die Anzahl dieser periodischen Lastschwankungen
r ^ ein zulässiges Maß zu begrenzen. Solche Lastschw>nkungen können beispielsweise
beim Betrieb elektrisclxer Generatoren mit einer Hochspannungsgleichstromübertragung
auftreten und bringen konventionelle, auf einen Maximalwert eingestellte Schutzeinrichtungen
nicht zum Ansprechen, wenn die Amplitude der Schwankungen kleiner ist als dieser
Maximalwert.
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Gelöst wird diese neue Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 angegebenen
Merkmale.
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Die Erfindung samt ihren Weiterbildungen, welche in Unteransprüchen
gekennzeichnet sind, soll im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert
werden.
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Figur 1 zeigt einen Generator G, welcher mechanisch mit einer Wasserturbine
1 gekuppelt ist und in ein mit N bezeichnetes Drehstromnetz einspeist. Eine im einzelnen
nicht näher dargestellte, Jedoch an sich bekannte Wirkleistungsmeßeinrichtung 2
erfaßt den Istwert P der von dem Generator G in das Netz abgegebenen Wirkleistung.
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Dieser Leistungsistwert P wird den Eingängen zweier Zweipunktverstärker
zugeführt, welche jeweils über einen Integrator 5 bzw. 6 gegengekoppelt- sind. Über
Integratoren gegengekoppelte Zweipunktverstärker sind an sich als
Sollwertumformer
bei drehzahlgeregelten Antrieben bekannt und dienen dazu, einen Sollwertsprung in
einen zeitlinear bis auf diesen Sollwert anwachsenden Ausgangswert umzuformen, wobei
die durch die Ausgangsspannung des Zweipunktverstärkers und die Integrierzeit des
ihm nachgeordneten Integrators bestimmte Steigung des rampenförmigen Ausgangssignals
üblicherweise für beide Sprungrichtungen die gleiche ist. Im Gegensatz zu diesen
bekannten Anwendungen sind jedoch bei der Anordnung der Fig. 1 die Ausgangsspannungen.der
Zweipunktverstärker 3 bzw. 4 in Verbindung mit den Integrierzeiten der Integratoren
5 und 6 so ausgelegt, daß sich in Abhängigkeit von der Polarität des auf die Zweipunktverstärker
3 bzw. 4 wirkenden Eingangssignals am Ausgang der Integratoren 5 bzw. 6 Signale
mit sehr unterschiedlicher Steilheit ergeben: So wird bei Veränderungen des Leistungsistwertes
P in positiver Richtung das Ausgangssignal AB des Integrators 5 diesen Veränderungen
praktisch unverzögert folgen können, während bei Veränderungen des Leistungsistwertes
P in negativer Richtung das Ausgangssignal des Integrators 5 infolge der nunmehr
reduzierten Ausgangsspannung des Zweipunktverstärkers 3, welche begleitet sein kann
von einer polaritätsabhängigen Reduzierung der Integrierzeit der Integratoren 5
bzw. 6,diese Veränderung des Istwertsignals P nicht mitmachen kann und demzufolge
hinter diesem zurückbleibt.
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Bei den Zweipunktverstärker 4 und dem ihm nachgeordneten Integrator
6 liegen die Verhältnisse genau umgekehrt, so daß durch Vergleich der Ausgangs signale
AB und AUF der Integratoren 5 bzw. 6 mit dem Leistungsistwert P in zwei Mischgliedern
7 und 8 festgestellt werden kann, ob eine ansteigende oder eine abfallende Flanke
des Leistungsistwertes P des Generators 2 vorliegt. Für den Fall, daß die Änderungsgeschwindigkeit
des Leistungsistwertes P gleich oder kleiner ist als die durch die jeweils kleinere
Ausgangs spannung der Zweipunktverstärker 3 bzw.4
und die Integrierzeit
der ihnen nachgeordneten Integratoren 5 bzw. 6 bestimmte Änderungsgeschwindigkeit
der Signale AB bzw. AUF verschwindet die Ausgangs spannung der Mischglieder 7 und
8 und ansteigende bzw. abfallende Flanken des Leistungsistwertes werden somit als
ungefährlich erkannt und nicht mehr erfaßt.
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Die Ausgangssignale der Mischglieder 7 und 8 sind zwei Grenzwertmeldern
9 und 10 zugeführt, welche jeweils dann ansprechen, d.h. L-Signale abgeben, wenn
ihre Eingang spannung eine bestimmte Schwelle b überschreitet. Di Ausgangssignale
der Grenzwertmelder 9 und 10 beaufschlagen die dynamischen Eingänge einer bisfiaDilen
Kippstufe 11, deren einer Ausgang dem Zähleingang einer Zähleinrichtung 12 zugeführt
ist. Bei abwechselnder Beaufschlagung der dynamischen Eingänge der bistabilen Kippstufe
11 durch die Grenzwertmelder 9 und 10 erscheinen am Ausgang der bistabilen Kippstufe
11 Impulse, welche die Zähleinrichtung 12 bis zum Erreichen eines voreinstellbaren
Zählerstandes Z weiterzählen, woraufhin von der Zähleinrichtung das Ausgangssignal
AS ausgegeben wird. Damit kann dann in nicht weiter dargestellter Weise eine Abschaltung
des Generators G bzw. sonstwie geeignete Schutzmaßnahmen eingeleitet werden. Ein
derartiges Abschaltsignal AS wird also immer dann ausgegeben werden, wenn eine gewisse
Anzahl von als unzulässig steil erkannten Flanken des Leistungsistwertes aufgetreten
ist. Für den Fall, daß diese unzulässigen Anderungen des Leistungsistwertes P nur
sporadisch auftreten bzw. sich über einen längeren Zeitraum erstrecken, und deshalb
als solche im Hinblick auf eine Schädigung der Anlage noch hingenommen werden können,
ist es zweckmäBig, die Zeit, in welcher derartige Änderungen aufsummiert werden,
zu begrenzen. Dies geschieht durch ein monostabiles Kippglied 1* mit der Kippzeit
t1, welches vom Ausgangssignal des Grenzwertmelders 9 angestoßen
wird
und nach Ablauf seiner Kippzeit t1, welche der Uberwachungszeit entspricht, die
Zähleinrichtung 12 zurückgesetzt und damit den Beginn einer neuen Uberwachungszeit
festlegt.
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Figur 2 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten
Anordnung. Sie zeigt einen periodisch um den Wert Null schwankenden Verlauf des
Leistungsistwertes P. Mit E 10 und E 9 sind die Eingangssignale der Grenzwertmelder
9 bzw. 10 bezeichnet. Aufgrund der zuvor beschriebenen Dimensionierung der Zweipunktverstärker
3 und 4 kann das Ausgangs signal AUF des Integrators 6 dem Leistungsistwert P praktisch
unverzögert folgen, wenn dieser ihn erreicht und ihn zu unterschreiten versucht
während er ihm für den sich daran anschließenden Zeitraum bei Ansteigen des Leistungsistwertes
in positiver Richtung nicht mehr zu folgen vermag, sich von ihm löst und mit einer
weitaus geringeren, konstanten Änderungsgeschwindigkeit ansteigt.enn die Differenz
zwischen dem Signal AUF und dem Leistungsistwert P die Schwelle b überschreitet,
wird ein Zählimpuls erzeugt. Die gleichen Verhältnisse gelten analog für das Eingangssignal
E9 des Grenzwertmelders 9 und für die in umgekehrter Richtung verlaufenden Änderungen
des Leistungsistwertes.
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Sollte die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsistwertes
kleiner sein als die konstante Ander'ungsgeschwindigkeit der Signale AB und AUF,
dann folgen diese praktisch dem Verlauf des Leistungsistwertes und es tritt bis
auf einen sogenannten kleinen Schleppfehler keine Abweichung mehr auf zwischen den
Signalen P und AUF bzw. P und AB. Durch entsprechende Bemessung des Schwellwertes
b kann dafür gesorgt werden, daß dieser Schleppfehler sowie etwa verlagerte Oberwellen
unterdrückt werden, d.h. nicht zur Herbeiführung eines
Abschaltsignals
führen. Es kann somit das Auftreten unzulässig großer Änderungsgeschwindigkeiten
des Leistungsistwertes P eindeutig und sicher erfaßt werden.
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Die aus den unsymmetrischen Zweipunktverstärkern 3 bzw. 4 samt den
ihnen nachgeordneten Integratoren 5 und 6 bestehenden Flankendetektoren sind so
ausgebildet, daß sich je nach Polarität ihres Eingangssignales einmal ein Ausgangssignal
mit sehr großer Steigung und das andere Mal ein Ausgangssignal mit sehr kleiner
Steigung ergibt. Fisfi Fälle, in denen dieses Steigungsverhältnis sehr großc Werte
annehmen muß, zeigt Figur 3 eine vorteilhafte Ausführungsform, deren Grundgedanke
darin bestent, dieses große Steigungsverhältnis gleichzeitig mittels polaritätsabhängiger
Umschaltung der Ausgangsspannung des Zweipunktverstärkers und einer entsprechenden
in gleicher Richtung wirkenden Veränderung der Integrierzeit des ihm nachgeschalteten
Integrators zu erreichen. Der in Figur 3 dargestellte Flankendetektor enthält einen
mit 14 bezeichneten Addierverstärker, in dem das Eingangssignal P mit dem Ausgangs
signal AUF des Flankendetektors verglichen wird. Der Ausgang des Verstärkers 14
ist mit dem Eingang eines Operationsverstärkers 15 verbunden, welcher über zwei
entgegengesetzt in Reihe geschalteten Zenerdioden Z1 und Z2 gegengekoppelt ist und
dem in Figur 1 dargestellten Zweipunktverstärker 4 entspricht. Das Verhältnis der
Durchbruchspannungen der Zenerdioden Z1 und Z2 beträgt z.B. Z1/Z2= 1/2. Die Ausgangsspannung
des Verstärkers 15 wird einem kapazitiv gegengekoppelten Operationsverstärker 16
zugeführt, wobei mittels entgegengesetzt geschalteter Dioden D1 und D2 je nach Polarität
der Ausgangsspannung des Verstärkers 15 entweder der Widerstand R1 oder der Widerstand
R2 als Eingangswiderstand zur Wirkung gebracht ist. Es wirkt jeweils bei größerer
Ausgangsspannung des Verstärkers 15 der kleinere Widerstand (R2) und bei kleinerer
Ausgangsspannung der größere Widerstand (R1). Beträgt z.B. das
Widerstandsverhältnis
R2/R1 = 1/200, dann ist mit der angegebenen Schaltung ein Steigungsverhältnis von
1/400 möglich.
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Während die in Figur 1 dargestellte Anordnung praktisch die Änderungsgeschwindigkeit
des Leistungsistwertes in der Umgebung seiner Extrema auswertet, ist in der Figur
4 eine Anordnung dargestellt, welche die Flankensteilheit des Leistungsistwertverlaufes
jeweils in der Nähe seiner Nulldurchgänge erfaßt und bei unzulässig großem Anstieg
des Leistungsistwertes solche Nulldurchgänge zählt. Es wird also der Istwertverlauf
in dem Bereich erfaßt, in welchem er normalerweise seine größte Steigung aufweist,
zum anderen kann der Einfluß von etwaigen Oberwellen bei der Auswertung noch besser
unterdrückt werden.
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In der Figur 4 ist der Leistungsistwert P über taktgesteuerte, vorzugsweise
elektronisch ausgebildete Schalter 17 und 18 zwei Analogwertspeichern zugeführt,
welche im wesentlichen aus zwei Speicherkondensatoren 19 und 20 sowie zwei als Impedanz-Umsetzer
beschaltete Operationsverstärker 21 und 22 bestehen. Die Schalter 17 und 18 werden
von den Ausgängen eines bistabilen Kippgliedes 23 im Takt T der von einem Impulsgenerator
mit konstanter Frequenz 1 / t2 gelieferten Impulse betätigt. Jeweils im zeitlichen
Abstand t2 werden abwechselnd der Schalter 17 geschlossen und der Schalter 18 geöffnet
und umgekehrt, so daß an den Ausgängen des Verstärkers 21 jeweils der zum Zeitpunkt
des letzten Taktimpulses abgetastete Wert des Leistungsistwertes P anliegt und die
Ausgangsspannung des Verstärkers 22 jeweils den ein Taktintervall zuvor abgetasteten
Leistungsistwert P aufweist. Die Werte P1 und P2 werden zusammen mit einer konstanten
Spannung S über Mischglieder 24 und 25 den Eingängen zweier Grenzwertmeldern 26
und 27 so zugeführt, daß am Ausgang des Grenzwertmelders 26 dann ein Signal entsteht,
wenn die Bedingung gilt
P2 - P1 < - 5 und am Ausgang des Grenzwertmelders
27 dann ein Signal auftritt, wenn die Bedingung gilt P2 P1 > 5.
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Mit anderen Worten wird jeweils dann am Ausgang eines der Grenzwertmelder
26 bzw. 27 ein L-Signal auftreten, wenn der Betrag des zeitlichen Differentialquotienten
des Leistungsistwertes größer ist als der durch den Quotienten aus der konstanten
Spannung S und der Pe:iodendauer t2 der Taktimpulse T bestimmten er". oerschreitet
also der Betrag der Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsistwertes diesen Grenzwert,
dann treten im Wechsel am Ausgang der Grenzwertmelder 26 bzw. 27 L-Signale auf,
von denen das von dem Grenzwertmelder 27 erzeugte dem dynamischen Eingang eines
bistabilen Kippgliedes 28 direkt und das Ausgangs signal des Grenzwertmelders 26
dem anderen Eingang des bistabilen Kippgliedes 28 über ein UND-Glied 29 zugeführt
ist, an dessen zweiten Eingang das invertierte Ausgangssignal eines weiteren Grenzwertmelders
30 angesclossen ist, welcher vom Ausgangssignal P2 des Verstärkers 21 beaufschlag
ist. Das Ausgangssignal dieses Grenzwertmelders ist außerdem noch mit dem einen
eingang eines UND-Gliedes 31 verbunden, an dessen zweiten Eingang der Ausgang des
bistabilen Kippgliedes 28 angeschlossen ist.
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Das Ausgangssignal des UND-Gliedes 31 liefert schließlich die für
die Zähleinrichtung 12 bestimmten Zähl-Impulse, welche in gleicher Weise wie die
in Figur 1 dargestellte Zähleinrichtung bei Erreichen eines vorbestimmten Zählerstandes
Z das Abschaltsignal für den Generator auslöst. Die in Figur 4 dargestellte Einrichtung
wirkt so, daß mit einem Ausgangssignal des Grenzwertmelders 27 das bistabile Kippglied
zwar gesetzt
wird, dieser Impuls jedoch grundsätzlich nur dann
als Zählimpuls über das UND-Glied 51 weitergegeben werden kann, wenn der zuletzt
abgetastete Wert des Leistungsistwertes P yon positiver Polarität ist, andererseits
-das bistabile UND-Glied 28 nur dann rückgesetzt, d.h.
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in-seine andere Lage gebracht werden kann, wenn der zuletzt abgetastete
Wert des Leistungsistwertes P2 einen negativen Wert besitzt, wobei stets Voraussetzung
ist, daß zu den Zeitpunkten des Nulldurchganges des Leistungsistwertes der Betrag
seiner Änderungsgeschwindigkeit so groß gewesen ist, daß die Grenzwertmelder 26
und 27, wie bereits zuvor dargetan, zum Ansprechen gebracht worden sind. Die in
Figur 4 dargestellte Variante des Flankendetektors kann im übrigen recht gut auch
mittels eines Mikroprozessors implementiert werden.
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Die Anwendung der Erfindung ist selbstverständlich nicht nur auf Generatoren
beschränkt, sie kann vielmehr bei jedem Antrieb eingesetzt werden, welcher vor Zerstörung
durch periodische Lastwechsel geschützt werden soll. ns muß nur ein geeignetes Glied
zur Erfassung der Leistung bzw. des Lastmoments zur Verfügung gestellt werden. Für
den Fall, daß die Welle eines Antriebs vor Torsionsmomentwechsel geschützt werden
soll, könnte das Leistungsmeßglied z.B. aus zwei oder vier auf der Welle angebrachten
Dehnungsmeßstreifen bestehen, welche in an sich bekannter Weise in Zweigen einer
Meßbrücke angeordnet sind und einen dem Torsionsmoment proportionalen Meßwert liefern,
welcher dann einer Anordnung gemäß Figur 1 oder 4 anstelle des Ausgangssignals des
Wirkleistungsmessers 2 als Eingangswert P zuzuführen wäre.
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4 Figuren 9 Patentansprüche