DE4025168A1 - Drehzahlgeregeltes pumpensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein ein Pumpensystem mit einer drehzahlgeregelten Antriebseinheit, bestehend aus einem Frequenzumsetzer und einer umlaufenden elektrischen Ma­ schine, und mit einer hydraulischen Maschine (einer Pumpe, einer Pumpenturbine oder dergleichen), die durch die dreh­ zahlgeregelte Antriebseinheit mit geregelter Drehzahl be­ trieben wird und wenigstens eine Pumpenfunktion hat. Ins­ besondere betrifft die Erfindung ein Pumpensystem, das auf­ grund von externen Führungssignalen schnell durch drehzahl­ geregelte Steuerung betätigbar ist, die eine Verbesserung des Gleichgewichts zwischen Bedarf und Dargebot an elektri­ scher Energie eines Stromversorgungsnetzes bewirkt.

Bei konventionellen Speicherkraftwerken ist es bisher üblich, entweder im Erzeugungsbetrieb oder im Pumpbetrieb zu arbeiten, wobei die Drehzahl einer Pumpenturbine auf einen gemeinsamen Konstantwert festgelegt ist und während des Pumpbetriebs eine lineare Verstellung des Öffnungsgrads der Leitschaufeln der Pumpenturbine entsprechend einer vor­ bestimmten Funktion des Gefälles durchgeführt wird.

Diese konventionellen Kraftwerke nehmen jedoch während des Pumpbetriebs nur Lasten auf und haben vom Gesichtspunkt des elektrischen Energiesystems keinen Freiheitsgrad (sie sind nicht verstellbar), so daß keine Verstellung möglich ist, um das Gleichgewicht zwischen Bedarf und Dargebot an elek­ trischer Energie des Stromversorgungsnetzes zu verbessern.

Vor einiger Zeit wurden daher drehzahlgeregelte Pumpensy­ steme vorgeschlagen, bei denen die Drehzahl einer Pumpen­ turbine so regelbar ist, daß sie dem Stromversorgungsnetz während des Pumpbetriebs entspricht.

Die JP-OS 2 03 883/1984 beschreibt beispielsweise ein Be­ triebsverfahren, bei dem, wenn eine Anforderung des Systems zur Verringerung der Eingangsleistung einer Pumpe während des Pumpbetriebs vorliegt, die Drehzahl einer Pumpe ver­ ringert wird, ohne daß Schwingungen oder Geräusche erzeugt werden, indem der Öffnungsgrad der Leitschaufeln nur wäh­ rend der Verringerung der Eingangsleistung der Pumpe ver­ stellt wird, bevor eine Drehzahlregeleinrichtung eines Induktionsgenerator/Motors eine Drehzahlregelung durch­ führt.

Die JP-OS 1 28 886/1985 beschreibt ferner ein anderes Be­ triebsverfahren, bei dem, wenn eine Anforderung des Systems zur Erhöhung der Eingangsleistung einer Pumpe auftritt, während die Pumpe arbeitet, die Drehzahl der Pumpe ohne Schwingungs- oder Geräuscherzeugung erhöht wird, indem die Drehzahländerung eines Induktionsgenerator/Motors geregelt wird, bevor eine Drehzahländerung zum Öffnen der Leit­ schaufeln zur Einstellung der Wasserdurchflußmenge erfolgt, und zwar nur während einer Erhöhung der Eingangsleistung der Pumpe.

Diese beiden bekannten Betriebsverfahren haben jedoch pri­ mär das Ziel, den Betrieb einer Pumpe zu stabilisieren und die Drehzahl der Pumpe innerhalb des Bereichs, in dem die Pumpe stabil arbeitet, zu ändern, wodurch der Bedarf des Stromversorgungsnetzes gedeckt werden soll. Da hierdurch die Gesamtansprechzeit des Systems mehr als notwendig ver­ längert wird, kann ein schnelles Ansprechen auf schnellere Schwankungen des Netzes nicht erfolgen.

Um dieses Problem zu lösen, wurde nach der JP-OS 2 12 774/1988 eine Lösung vorgeschlagen mit dem technischen Konzept der Steuerung eines drehzahlgeregelten Pumpgenera­ tors, um so ein schnelles Ansprechen auf Netzschwankungen zu erreichen.

Das drehzahlgeregelte Pumpensystem gemäß der JP-OS 2 12 774/1988, das in Fig. 17 gezeigt ist, hat eine dreh­ zahlgeregelte Antriebseinheit aus einem Frequenzumsetzer 3 und einem Elektromotor 2, eine Pumpe 4, die von der dreh­ zahlgeregelten Antriebseinheit mit regelbarer Drehzahl be­ trieben wird, und ein Steuersystem zur Steuerung der dreh­ zahlgeregelten Antriebseinheit und der Pumpe 4.

Das Steuersystem dieses bekannten Pumpensystems weist einen Drehzahlregelkreis, einen Leistungsregelkreis und einen Leitschaufelregelkreis auf.

Der Drehzahlregelkreis hat einen Optimaldrehzahlfunktions­ geber 12, dem von außen ein Führungssignal P0 und ein statisches Gefälle HST (das nur eine Wasserspiegeldifferenz zwischen einem oberen und einem unteren Reservoir der Pumpe bezeichnet) zu diesem Zeitpunkt zugeführt werden und der aus diesen Eingangswerten eine Optimaldrehzahl NOPT zu die­ ser Zeit berechnet, ferner einen Addierer 18, der das Aus­ gangssignal NOPT des Funktionsgebers 12 mit einer Ist-Dreh­ zahl N vergleicht unter Bildung einer Gegenkopplungsschlei­ fe, und einen Leistungskorrektursignalgeber 16 mit wenig­ stens einem Integrationselement, um die Differenz zwischen dem Ausgangssignal NOPT und der Ist-Drehzahl N zu Null zu machen. Daher liefert der Drehzahlregelkreis ein Korrek­ tursignal ε.

Der Leistungsregelkreis hat einen Addierer 19 zur Addition eines Leistungsführungssignals P0 und seines Korrektursi­ gnals ε unter Bildung eines Summensignals P0+ε, und einen Addierer 20, der dieses Summensignal mit einem Ist-Ein­ gangssignal PM vergleicht und eine Gegenkopplungsschleife bildet, sowie einen Leistungsregler 7 mit wenigstens einem Integrierglied, um die Differenz zwischen dem Summensignal und dem Ist-Eingangssignal PM zu Null zu machen. Infolge­ dessen wird das Eingangssignal PM zum Elektromotor 2 von dem Frequenzumsetzer 3 bestimmt, der der abwechselnden Er­ regung dient, so daß es sich um ein Summensignal P0+ han­ delt.

Der Leitschaufelregelkreis hat einen Optimalleitschaufel­ öffnungsgrad-Signalgeber 13, dem von außen ein Lastfüh­ rungssignal P0 und ein statisches Gefälle HST zugeführt werden und der daraus einen optimalen Leitschaufelöffnungs­ grad YOPT zu diesem Zeitpunkt errechnet, einen Addierer 21, der das Ausgangssignal YOPT des Signalgebers 13 mit einem Ist-Leitschaufelöffnungsgrad Y vergleicht und eine Gegen­ kopplungsschleife bildet, und einen Leitschaufelregler 9, der die Differenz zwischen dem Ausgangssignal YOPT und dem Ist-Leitschaufelöffnungsgrad durch einen in den Regler 9 eingebauten Integrierer zu Null macht.

Bei diesem bekannten Steuersystem ist es möglich, im Gleichgewichtszustand N = NOPT vom Drehzahlregelkreis, normalerweise PM = P0+ε vom Leistungsregelkreis und nor­ malerweise Y = YOPT vom Leitschaufelregelkreis anzunehmen. Da die Differenz zwischen einer von der Pumpe angeforderten Eingangsleistung Pp und einer Ist-Eingangsleistung PM des Elektromotors durch die Integrationswirkung eines Träg­ heitsmoments GD² auf Null absorbiert wird, das normaler­ weise als eine Art von Integrierelement angesehen wird und im Elektromotor 2 und der Pumpe 4 vorhanden ist, ist PM = Pp. Wenn ferner Fehler der Funktionsgeber 12, 13 un­ berücksichtigt bleiben, gilt im wesentlichen YOPT = Y ent­ sprechend P0 und NOPT = N entsprechend P0. Daher wird die Beziehung P0 = Pp = PM = P0 + ε gebildet, so daß das Kor­ rektursignal ε für die Leistungsregelung Null ist. Bei dieser bekannten Technologie ist es daher möglich, die Ist- Eingangsleistung PM nach Maßgabe des externen Leistungs­ führungssignals P0 zu regeln. Dieses bekannte Verfahren ist an drehzahlgeregelte Pumpen des Typs angepaßt, bei denen die Eingangsleistung des Elektromotors auf die Schwankung des Stromnetzes langsam anspricht, und zwar speziell in solcher Weise, daß die Drehzahl und der Leitschaufelöff­ nungsgrad tatsächlich folgen können. Dieses bekannte Ver­ fahren kann aber nicht an drehzahlgeregelte Pumpen des Typs angepaßt werden, bei denen die Eingangsleistung des Elek­ tromotors so geregelt ist, daß sie auf die Stromnetzschwan­ kung schnell und insbesondere mit einer vernachlässigbar kleinen Zeitkonstanten anspricht gegenüber der Zeitkon­ stanten des von einem Trägheitsmoment beherrschten Rota­ tionssystems. Der Grund hierfür liegt darin, daß die Dif­ ferenz zwischen der sich schnell ändernden Eingangsleistung des Elektromotors und der Drehzahl der Pumpe sowie der ver­ änderlichen Geschwindigkeit des Leitschaufelöffnungsgrads, die beide dieser Eingangsleistung folgen, zu groß wird, so daß zwischen der Eingangsleistung des Elektromotors, der Drehzahl der Pumpe und dem Öffnungsgrad der Leitschaufeln eine Dissoziation auftritt.

Angenommen, daß die Drehzahl der Pumpe und die Ansprech­ geschwindigkeit für den Leitschaufelöffnungsgrad erhöht werden, um die Dissoziation zu vermeiden, so würde das Gleichgewicht zwischen der Drehzahl der Pumpe und dem Öff­ nungsgrad der Leitschaufeln verlorengehen, so daß die Pumpe möglicherweise in den Bereich einer teilweisen Gegenstrom­ charakteristik (Buckelcharakteristik hump characteristic) fallen würde.

Der Stand der Technik enthält keine Angabe bzw. keinen Hinweis auf die Grundprinzipien des Systems, bei dem die Eingangsleistung des Elektromotors mit einer vernachlässig­ bar kleinen Zeitkonstanten gegenüber der Zeitkonstanten des Rotationssystems geregelt und die oben angesprochene Dis­ soziation auf ein Minimum reduziert wird, um jede teilweise Gegenstromcharakteristik der Pumpe zu vermeiden. Mit ande­ ren Worten gibt es keinen Hinweis bzw. keine Offenbarung der Grundprinzipien der Vermeidung der Gegenstromcharak­ teristiken und der Verringerung der Führungszeitkonstanten der Eingangsleistung des Motors auf ein Minimum.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung eines drehzahlgeregelten Pumpensystems, das auf die Leistungs­ erhöhungs- bzw. -verminderungsanforderung eines Stromver­ sorgungsnetzes schnell anspricht und die oben beschriebene Dissoziation vermindert, um zu verhindern, daß der Pumpen­ betrieb in den Bereich der Buckelcharakteristik mit teil­ weisem Gegenstrom fällt, um dadurch einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein drehzahl­ geregeltes Pumpensystem angegeben mit: einer hydraulischen Maschine, die Strömungseinstellmittel und wenigstens eine Pumpenfunktion hat; einer umlaufenden Maschine, die mit der hydraulischen Maschine betriebsmäßig verbunden ist und wenigstens eine Motorfunktion zum Drehantrieb der hydrauli­ schen Maschine hat; einem Frequenzumsetzer zum Antrieb der umlaufenden Maschine; und einem Steuersystem zur Steuerung des drehzahlgeregelten Betriebs der umlaufenden Maschine nach Maßgabe eines Führungssignals von einer externen Ein­ heit oder eines dem Führungssignal entsprechenden Signals, wobei das Steuersystem aufweist:

• 1) eine Leistungsregel­ einrichtung zur Regelung der Ausgangsleistung der umlau­ fenden Maschine in Übereinstimmung mit dem Führungssignal,
• 2) eine Drehzahlregeleinrichtung, die an die Leistungsre­ geleinrichtung ein Korrektursignal in solcher Weise lie­ fert, daß die hydraulische Maschine mit einer in bezug auf das Führungssignal korrekten Drehzahl umläuft, und
• 3) eine Strömungsregeleinrichtung zur Regelung der Strömungsein­ stellmittel der hydraulischen Maschine in solcher Weise, daß der Öffnungsgrad der Strömungseinstellmittel dem Füh­ rungssignal entspricht;

wobei die Leistungsregeleinrichtung eine kleine Zeitkonstante hat, die im Vergleich mit der Zeitkonstanten der Drehzahlregeleinrichtung vernachlässigbar ist; und wobei die Strömungsregeleinrichtung und/oder die Drehzahlregeleinrichtung Mittel aufweisen, um eine Übertragungsfunktion in solcher Weise vorzugeben, daß eine mechanische Last der hydraulischen Maschine bei zunehmender Drehzahl derselben nicht verringert wird, und daß die mechanische Last bei abnehmender Drehzahl nicht erhöht wird.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein drehzahl­ geregeltes Pumpensystem angegeben mit: einer hydraulischen Maschine, die Strömungseinstellmittel und wenigstens eine Pumpenfunktion hat; einer umlaufenden Maschine, die mit der hydraulischen Maschine betriebsmäßig verbunden ist und wenigstens eine Motorfunktion zum Dreh­ antrieb der hydraulischen Maschine hat; einem Frequenzumsetzer zum Antrieb der umlaufenden Maschine; und einem Steuersystem zur Steuerung des drehzahlgeregelten Betriebs der umlaufenden Maschine nach Maßgabe eines Führungssignals von einer externen Einheit oder eines dem Führungssignal entsprechenden Signals, wobei das Steuersystem aufweist:

• 1) eine Leistungsregeleinrichtung zur Regelung der Ausgangs­ leistung der umlaufenden Maschine in Übereinstimmung mit dem Führungssignal,
• 2) eine Drehzahlregeleinrichtung, die an die Leistungsregeleinrichtung ein Korrektursignal in solcher Weise liefert, daß die hydraulische Maschine mit einer in bezug auf das Führungssignal korrekten Drehzahl umläuft, und
• 3) eine Strömungsregeleinrichtung zur Verstel­ lung der Strömungseinstellmittel der hydraulischen Maschine in solcher Weise, daß der Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel dem Führungssignal entspricht;

wobei die Leistungsregeleinrichtung eine kleine Zeitkonstante hat, die im Vergleich mit der Zeitkonstanten der Drehzahlregelein­ richtung vernachlässigbar ist; und wobei ein Ansprechver­ halten (∂y/∂t) der Strömungsregeleinrichtung und ein An­ sprechverhalten (∂n/∂t) der Drehzahlregeleinrichtung in solcher Weise vorgegeben sind, daß wenigstens eine der fol­ genden Ungleichungen gilt:

wobei y ein dimensionsloser Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel, n eine dimensionslose Drehzahl der hydrauli­ schen Maschine, Pp eine dimensionslose Eingangsgröße der hydraulischen Maschine und h ein dimensionsloses dynami­ sches Gesamtgefälle ist.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein drehzahl­ geregeltes Pumpensystem angegeben, bei dem ein Ansprech­ verhalten (∂y/∂t) der Strömungseinstelleinrichtung und ein Ansprechverhalten (∂n/∂t) der Drehzahlregeleinrichtung in solcher Weise vorgegeben ist, daß die folgende Ungleichung gilt:

Die Drehzahlregeleinrichtung gibt ein korrektes Drehzahl­ führungssignal in bezug auf ein externes Führungssignal oder ein dem Führungssignal entsprechendes Signal vor, bildet dann eine Differenz zwischen dem korrekten Drehzahl­ führungssignal und einer Ist-Drehzahl und liefert ein Kor­ rektursignal, um die Differenz zu Null zu machen.

Zu diesem Zweck umfaßt die Drehzahlregeleinrichtung bevor­ zugt einen Funktionsgeber, der einen Sollwert der optimalen Drehzahl entsprechend einem Führungssignal für die elek­ trische Leistung und einem statischen Gefälle liefert, und ferner ein Verzögerungselement, das den Sollwert mit einer Zeitkonstanten verzögert, die dem Betriebszustand ent­ spricht, und den verzögerten Sollwert als Drehzahlführungs­ signal ausgibt.

Das Verzögerungselement kann ein Umschaltelement aufweisen, so daß eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erhalten wird, wenn die Drehzahl erhöht werden soll, und eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit erhalten wird, wenn die Drehzahl verringert werden soll.

Das Korrektursignal zur Korrektur der Drehzahl kann auf­ grund einer Differenz zwischen der Drehzahl des vom Ver­ zögerungselement ausgegebenen Führungswerts und einer Ist- Drehzahl gebildet werden.

Bevorzugt sind die Strömungseinstellmittel Leitschaufeln.

Die Strömungsregeleinrichtung umfaßt bevorzugt: ein Funktionsgeber, der einen Sollwert eines Führungssignals für einen optimalen Leitschaufelöffnungsgrad als externes Füh­ rungssignal, ein Leistungsführungssignal und ein statisches Gefälle liefert; und ein Verzögerungselement, das den Soll­ wert mit einer Zeitkonstanten verzögert, die dem Betriebs­ zustand entspricht, und den verzögerten Sollwert als Füh­ rungssignal des Leitschaufelöffnungsgrads ausgibt.

Das Verzögerungselement kann ein Umschaltelement aufweisen, so daß eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit erhalten wird, wenn der Leitschaufelöffnungsgrad vergrößert werden soll, und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erhalten wird, wenn das Führungssignal für den Leitschaufelöffnungsgrad ver­ kleinert werden soll.

Die hydraulische Maschine kann eine Pumpe, eine Pumpentur­ bine oder dergleichen sein, und die umlaufende Maschine kann ein Elektromotor, ein Generator-Motor oder dergleichen sein.

Bei der Erfindung wird der Leitschaufelöffnungsgrad auf der Grundlage einer Differenz zwischen dem als Führungsgröße vorgegebenen Leitschaufelöffnungsgrad und einem Ist-Leit­ schaufelöffnungsgrad geregelt.

Bei dem Steuersystem für ein Stromversorgungsnetz nach der Erfindung kann die Ausgangsleistung des Elektromotors schnell so geändert werden, daß sie dem Bedarf des Strom­ netzes folgt. Dabei kann durch Vorgabe des individuellen Ansprechverhaltens der Drehzahlregeleinrichtung und der Strömungsregeleinrichtung entsprechend den oben beschrie­ benen Bedingungen die Eingangsleistung zum Elektromotor schnell ansprechen.

Mit anderen Worten wird die Dissoziation, die zwischen der Eingangsleistung des Elektromotors, der Drehzahl der Pumpe und dem Leitschaufelöffnungsgrad in einem Übergangszustand auftritt, auf ein Minimum reduziert, so daß die teilweise Gegenstromcharakteristik der Pumpe vermieden wird.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand der Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des drehzahlgeregelten Pumpensystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm, das das Ansprechver­ halten verschiedener Signale in dem Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 1 zeigt;

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das die Betriebsanalyse des drehzahlgeregelten Pumpensystems zeigt;

Fig. 4 ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwi­ schen dem dynamischen Gesamtgefälle einer Pum­ pe und der Strömungsmenge der Pumpe zeigt;

Fig. 5 ein Diagramm, das die Korrektur und Verstel­ lung von Leitschaufeln bei konstanter Drehzahl zeigt;

Fig. 6 und 7 Diagramme, die die Bewegungen von Betriebs­ punkten zeigen, während die Eingangsleistung einer Pumpe erhöht bzw. verringert wird;

Fig. 8 ein weiteres Diagramm, das die Beziehung zwi­ schen dem dynamischen Gesamtgefälle und der Strömungsmenge einer Pumpe zeigt;

Fig. 9, 10, 11 Blockschaltbilder, die verschiedene Beispiele eines Drehzahlfunktionsgebers zeigen;

Fig. 12, 13, 14 Blockschaltbilder, die verschiedene Beispiele von Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgebern zeigen;

Fig. 15 ein Blockschaltbild eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels, wobei ein drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach der Erfindung in Verbindung mit einem Pumpspeicherwerk eingesetzt wird;

Fig. 16 ein der Fig. 15 ähnliches Blockschaltbild, das ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 17 ein Blockschaltbild eines bekannten drehzahl­ geregelten Pumpensystems; und

Fig. 18 ein Blockschaltbild, das ein Beispiel von Hardware für ein Rechnersystem zeigt, das zweckmäßig bei einem Steuersystem des dreh­ zahlgeregelten Pumpensystems nach der Erfin­ dung anwendbar ist.

In der folgenden Beschreibung sind gleiche Teile mit glei­ chen Bezugszeichen versehen, und der Klarheit halber sind Wiederholungen in der Beschreibung weggelassen.

Die Prinzipien der Erfindung sind besonders vorteilhaft anwendbar, wenn sie in einem drehzahlgeregelten Pumpen­ system verwirklicht sind, dessen Funktionen in Fig. 1 ge­ zeigt sind.

Das drehzahlgeregelte Pumpensystem nach Fig. 1 hat eine drehzahlgeregelte Antriebseinheit 30 mit einem Generator- Motor 2 und einem Frequenzumsetzer 3, eine Pumpenturbine 4 und deren Steuereinrichtungen. Die Pumpenturbine 4 ist beispielsweise eine Francisturbine und kann eine Pumpe sein.

Der Frequenzumsetzer 3 umfaßt beispielsweise einen zykli­ schen Umsetzer und ist zwischen ein Stromversorgungsnetz (in Fig. 1 nicht gezeigt) und den Generator-Motor 2 ge­ schaltet und führt die Frequenzumsetzung der elektrischen Energie zwischen beiden durch.

Ein Wechselstrom-Erregerkreis für die Leistungssteuerung steht nicht in direktem Zusammenhang mit dem Ausführungs­ beispiel und wird daher nicht im einzelnen erläutert.

Die Regeleinrichtungen des drehzahlgeregelten Pumpensystems sind eine Leistungsregeleinrichtung 32 zur Regelung des Antriebs des Generator-Motors 2, eine Drehzahlregeleinrich­ tung 31 zur Regelung der Drehzahl der Pumpenturbine und, als Regeleinrichtung zur Regelung einer Strömungseinstell­ einheit, die die Strömungseinstellung der Pumpenturbine durchführt, eine Strömungsregeleinrichtung 33, die den Öffnungsgrad von Leitschaufeln 9a steuert.

Die Drehzahlregeleinrichtung 31 besteht aus einem Drehzahl­ funktionsgeber 50, der eine optimale Drehzahl Na als Funk­ tion eines externen Leistungsführungssignals P0 und eines einfachen Gefälles zwischen dem oberen und dem unteren Reservoir der Pumpenturbine zu diesem Zeitpunkt, d. h. einen statischen Gefälles HG, berechnet, ferner aus einem Addierer 18, der die Ist-Drehzahl N mit einer vom Funk­ tionsgeber 50 gelieferten optimalen Drehzahl Na vergleicht unter Bildung einer Differenz, und einem Leistungskorrek­ tursignalgeber 16, der ein Korrektursignal ε aufgrund des Additionsresultats des Addierers 18 erzeugt.

Der Leistungskorrektursignalgeber 16 umfaßt ein Integra­ tionselement, das die Differenz zwischen der optimalen Drehzahl Na und der Ist-Drehzahl N zu Null macht.

Ein Drehzahlsignal N, das von einem umlaufenden System mit einem Trägheitsmoment GD² geliefert wird, wird zur Dreh­ zahlregeleinrichtung unter Bildung einer Gegenkopplungs­ schleife rückgeführt. Die Drehzahl N soll als die Ist-Dreh­ zahl des umlaufenden Systems, d. h. des Generator-Motors 2 und der Pumpenturbine 4, gebildet werden und wird von einem nicht gezeigten Drehzahlsensor aufgenommen.

Das Trägheitsmoment GD² repräsentiert äquivalent als eine Funktion die Wirkung des Trägheitsmoments des umlaufenden Systems, d. h. des Generator-Motors 2 und der Pumpenturbine 4, und bedeutet keine tatsächliche Einrichtung. Der Addie­ rer Ad, der die Ausgangsleistung PM des Generator-Motors 2 mit der mechanischen Eingangsleistung Pp der Pumpenturbine 4 addiert, bedeutet äquivalent, daß die Differenz zwischen beiden als die Änderung der Energie durch das Trägheits­ moment GD² absorbiert wird. Der Addierer Ad ist kein echter Addierer.

Die Leistungsregeleinrichtung 32 umfaßt einen Addierer 19, der ein externes Leistungsführungssignal P0 zu einem Kor­ rektursignal ε addiert, einen Addierer 20, der das Aus­ gangssignal des Addierers 19 zu einem echten Ausgangssignal PM des Generator-Motors 2 addiert, wobei letzteres von einem nicht gezeigten Sensor und einem Leistungsregler 7 aufgenommen wird, und liefert ein Leistungsregelsignal an den Frequemzumsetzer 3. Die Leistungsregeleinrichtung 32 addiert ein Detektiersignal der Generator-Motor-Ausgangs­ leistung PM als negatives Signal an den Addierer 20 unter Bildung einer Gegenkopplungsschleife.

Der Leistungsregler 7 enthält ein Integrationselement, das normalerweise die Differenz zwischen dem Additionsresultat (P + ε) des Addierers 19 und der Ist-Ausgangsleistung des Generator-Motors zu Null macht.

Die Strömungsregeleinrichtung 33 umfaßt einen Leitschaufel­ öffnungsgrad-Funktionsgeber 60, der einen optimalen Öff­ nungsgrad der Leitschaufeln 9a berechnet, wenn ihm das Lei­ stungsführungssignal P0 und das statische Gefälle HG zuge­ führt werden, einen Addierer 21, der ein Ausgangssignal Ya des Funktionsgebers 60 mit einem Ist-Öffnungsgrad Y der Leitschaufeln 9a vergleicht, der von einem nicht gezeigten Sensor aufgenommen wird, und die Differenz zwischen beiden berechnet, und eine Leitschaufelstelleinheit 9 zur Verstel­ lung der Leitschaufeln 9a der Pumpenturbine 4. Diese Strö­ mungsregeleinrichtung 33 führt ein Detektiersignal des Ist-Öffnungsgrads Y der Leitschaufeln 9a als negatives Signal dem Addierer 21 unter Bildung einer Gegenkopplungsschleife zu.

Die Leitschaufeln 9a werden von einem nicht gezeigten Ser­ vomotor geöffnet und geschlossen und nehmen entsprechend dem Führungssignal eine geeignete Offenstellung ein. Die Strömungsregeleinrichtung 33 hat ferner einen nicht gezeig­ ten Sensor, der diesen Öffnungsgrad der Leitschaufeln 9a aufnimmt.

Die Leitschaufelstelleinheit 9 umfaßt ein Integrations­ element, das die Differenz zwischen dem Ausgangssignal Ya des Funktionsgebers 60 und dem Ist-Öffnungsgrad Y der Leitschaufeln 9a zu Null macht. Diese Leitschaufelstell­ einheit 9 hat ferner einen Teil zur Ausgabe eines Stell­ signals und einen Leitschaufel-Servomotor, der die Leit­ schaufeln 9a bei Empfang des Stellsignals öffnet bzw. schließt. Ferner kann ein Sensor zur Aufnahme des Öffnungs­ grads der Leitschaufeln 9a vorgesehen sein.

Bei dem drehzahlgeregelten Pumpensystem gemäß diesem Aus­ führungsbeispiel werden unter Normalbedingungen oder im Gleichgewichtszustand N = Na und PM = (P0 + ε) und Y = Ya durch die Drehzahlregeleinrichtung 31 bzw. die Leistungs­ regeleinrichtung 32 bzw. die Strömungsregeleinrichtung 33 bestimmt.

Die Differenz zwischen der mechanischen Eingangsleistung Pp der Pumpenturbine 4 und der elektrischen Ist-Ausgangslei­ stung PM des Generator-Motors 2 wird einem kombinierten Trägheitsmoment (GD²) des Generator-Motors 2 und der Pum­ penturbine 4 zugeführt. Das Trägheitsmoment kann als eine Art Integrationselement betrachtet werden. Da, wie oben erläutert, die Drehzahlregeleinrichtung 31 eine Gegenkopp­ lungsschleife bildet, ist die Steuerung der Regeleinrich­ tung 31 derart, daß die Differenz zwischen PM und Pp Null ist. Das heißt also, daß unter Normalbedingungen, wenn PM = Pp oder wenn der Fehler des Funktionsgebers 60 auf einen extrem kleinen Wert reduziert werden kann, Ya im wesentlichen gleich Y entsprechend P0 ist und Pp auf ur­ sprünglich im wesentlichen P0 geregelt wird, also Pp = P0. Daher gilt

P₀= P_P=P_M=P₀+ε,

und das Leistungskorrektursignal ε wird schließlich zu Null gemacht.

Bei der obigen Auslegung dieses Ausführungsbeispiels ist es möglich, eine Ist-Eingangsleistung PM entsprechend einem externen Leistungssteuersignal P0 zu regeln.

Der Drehzahlfunktionsgeber 50 von Fig. 1, wie er beispiels­ weise in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigt ist, kann mit einer Art Verzögerungselement ausgestattet sein.

Die Ausbildung nach Fig. 9 hat einen Funktionsgeber 51 zur Erzeugung und Ausgabe eines Sollwerts Na′ eines optimalen Drehzahlführungssignals entsprechend dem Leistungsführungs­ signal P0 und dem statischen Gefälle HG sowie ein Verzöge­ rungselement.

Als Verzögerungselement kann ein Verzögerungselement erster Ordnung verwendet werden. Das Verzögerungselement sollte aber keinesfalls auf ein Verzögerungselement erster Ordnung beschränkt sein, sondern es können andere Verzögerungsele­ mente wie etwa ein Verzögerungselement zweiter Ordnung als Verzögerungselement eingesetzt werden.

Dieses Verzögerungselement umfaßt einen Vergleichsteil 52 zum Vergleich des Sollwerts Na′ des Drehzahlführungssignals mit dem schließlich ausgegebenen Drehzahlführungssignal Na und zur Detektierung der Differenz zwischen beiden, einen Sättigungselementteil 56, der dem Ausgangssignal des Ver­ gleichsteils Sättigungscharakteristiken verleiht, und einen Integrationselementteil 58 zur Integration des Ausgangs­ signals des Sättigungselementteils 56.

In dem Drehzahlfunktionsgeber 50 hat der Sättigungselement­ teil 56 eine solche Sättigungscharakteristik, daß die zu­ nehmende Drehzahl des optimalen Drehzahlführungssignals Na durch einen Sättigungswert β11 begrenzt ist, während die abnehmende Drehzahl durch einen sehr kleinen Sättigungswert β12 begrenzt ist. Daher ermöglicht das Drehzahlführungs­ signal Na eine Erhöhung der zunehmenden Drehzahl auf einen Absolutwert | β11 · KN|, ermöglicht aber eine Erhöhung der abnehmenden Drehzahl nur auf einen Absolutwert | β12 · KN|, so daß die regelbare Drehzahl asymmetrisch geregelt wird.

Um die oben erwähnte Dissoziation zu vermeiden, sollten die Absolutwerte von β11 und β12 bevorzugt möglichst groß und nicht weit voneinander entfernt sein.

zwischen der änderbaren Geschwindigkeit des optimalen Dreh­ zahlführungssignals Na und der änderbaren Geschwindigkeit des optimalen Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignals Ya vom Funktionsgeber 60 besteht die folgende Beziehung:
Bei Erhöhung des Leistungsführungssignals P0 ist die zunehmende Geschwindigkeit MAX von Na größer als die zunehmende Geschwindigkeit MAX von Ya.
Bei Verringerung des Leistungsführungssignals P0 ist die abnehmende Geschwindigkeit MAX von Na niedriger als die abnehmende Geschwindigkeit MAX von Ya.

Während einer Übergangszeit, in der entweder P0 erhöht oder verringert wird, wird dadurch, daß das Drehzahlführungs­ signal Na an einen Sollwert unter Normalbedingungen von seiner höheren Seite angenähert wird, verhindert, daß die Pumpe in die Buckelcharakteristiken mit teilweisem Gegen­ strom fällt.

Der Übergangswert des Sollwerts Na′ des Drehzahlführungs­ signals ist als optimaler Soll-Betriebspunktwert bzw. höher als dieser Wert vorgegeben, der dem sich jeden Augenblick ändernden Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignal Ya ent­ spricht oder höher als dieses ist.

Nachstehend wird der Drehzahlfunktionsgeber 50 von Fig. 10 erläutert. Dieser Funktionsgeber 50 hat einen Funktions­ geberteil 51, einen Leistungsführungssignal-Bestimmungsteil 59, der eine Erhöhung oder Verringerung des Leistungsfüh­ rungssignals P0 zur Steuerung der Umschaltung eines Um­ schaltteils 55 bestimmt, wie noch beschrieben wird, und ein Verzögerungselement.

Das Verzögerungselement umfaßt einen Vergleichsteil 52, Verstärkungselementteile 53, 54 zur Regelung der Verstär­ kung von Eingangssignalen auf vorbestimmte Werte, einen Umschaltteil 55 zur Ansteuerung eines der Ausgänge der Ver­ stärkungselementteils 53, 54 und einen Integrationselement­ teil 57.

Die Verstärkungselementteile 53, 54 sind einander parallel­ geschaltet, wobei die Verstärkung KN1 des ersteren größer als die Verstärkung KN2 des letzteren ist. Entsprechend der Bestimmung durch den Leistungsführungssignal-Bestimmungs­ teil 59 wird bei Erhöhung des Leistungsführungssignals P0 der Verstärkungselementteil 53 vom Umschaltteil 55 ange­ steuert, und die Verstärkung KN1 wird angewandt. Bei Ver­ ringerung des Leistungsführungssignals P0 wird dagegen der Verstärkungselementteil 54 vom Umschaltteil 55 angesteuert, und die Verstärkung KN2 wird angewandt.

Um die eingangs erwähnte Dissoziation zu vermeiden, sind die Absolutwerte von KN1 und KN2 bevorzugt möglichst groß und nicht weit voneinander entfernt.

Bei dieser Anordnung ist die Zeitkonstante des Verzöge­ rungselements, das den Vergleichsteil 52, die Verstärkungs­ elementteile 53, 54, den Umschaltteil 55, den Integrations­ elementteil 57 und die Gegenkopplungsbahn des Drehzahlfüh­ rungssignals Na umfaßt, bei Erhöhung des Leistungssignals P0 1/KN1 und ist 1/KN2 bei Verringerung des Leistungsfüh­ rungssignals P0. Das heißt, daß erstere klein ist, während letztere groß ist.

Durch Umschalten der Zeitkonstanten einer Art des primären Verzögerungselements, das dem Funktionsgeber 51 zur Erzeu­ gung des Sollwerts Na′ des Drehzahlführungssignals nachge­ schaltet ist, kann sich bei dem Drehzahlfunktionsgeber 50 nach Fig. 10 im Übergangszustand das optimale Drehzahlfüh­ rungssignal Na dem Sollwert Na′ von seiner höheren Seite nähern. Dieses Beispiel, bei dem die Zeitkonstante umge­ schaltet wird, unterscheidet sich von dem Beispiel von Fig. 9, bei dem die änderbare Geschwindigkeit des Drehzahlfüh­ rungssignals Na begrenzt ist.

Das Beispiel von Fig. 11 ist eine Kombination der Beispiele der Fig. 9 und 10; dem Funktionsgeber 51 zur Erzeugung des Sollwerts Na′ des Drehzahlführungssignals ist ein als eine Art Verzögerungsglied wirkendes Glied nachgeschaltet, um die änderbare Rate der Geschwindigkeit zu begrenzen und die Zeitkonstante gleichzeitig umzuschalten.

Dieser Drehzahlfunktionsgeber 50 umfaßt also den Funktions­ geberteil 51, den Leistungsführungssignal-Bestimmungsteil 59 und das Verzögerungselement.

Das Verzögerungselement umfaßt den Vergleichsteil 52, die Verstärkungselementteile 53, 54, die einander parallelge­ schaltet sind, den Umschaltteil 55, den Sättigungselement­ teil 56, den Integrationselementteil 57 und den Gegenkopp­ lungsweg des Drehzahlführungssignals Na.

Dieses Beispiel arbeitet mit einer Kombination der Verzö­ gerungselemente der Fig. 9 und 10.

Bei den Beispielen der Fig. 9, 10 und 11 ist dem Drehzahl­ funktionsgeber 50 eine Art Verzögerungselement hinzugefügt, das eine automatische Umschaltung der Ansprechgeschwindig­ keit ermöglicht, und ebenso ist dem Leitschaufelöffnungs­ grad-Funktionsgeber 60 eine Art Verzögerungselement hinzu­ gefügt, das eine automatische Umschaltung der Ansprechge­ schwindigkeit ermöglicht. Der Drehzahlfunktionsgeber 50 kann ein spezielles Verzögerungselement ohne Umschaltfunk­ tion aufweisen. Selbstverständlich kann sowohl dem Dreh­ zahlfunktionsgeber 50 als auch dem Leitschaufelöffnungs­ grad-Funktionsgeber 60 ein Verzögerungsglied hinzugefügt sein, das eine automatische Umschaltung der Ansprechge­ schwindigkeit ermöglicht.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 12, 13 und 14 werden nun ver­ schiedene Beispiele des Leitschaufelöffnungsgrad-Funktions­ gebers 60 erläutert.

Der Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgeber 60 von Fig. 12 hat einen Funktionsgeberteil 61 und ein primäres Verzöge­ rungselement. Das primäre Verzögerungselement umfaßt einen Vergleichsteil 62, einen Sättigungselementteil 66, ein Integrationselement 68 und den Gegenkopplungsweg des Leit­ schaufelöffnungsgrad-Führungssignals Ya. Das primäre Ver­ zögerungselement ist dem Funktionsgeberteil 61 nachgeschal­ tet.

Bei diesem Beispiel liefert der Funktionsgeberteil 61 den Sollwert Ya′ des optimalen Leitschaufelöffnungsgrad-Füh­ rungssignals entsprechend dem Leistungsführungssignal P0 und dem statischen Gefälle HG, und dieser Sollwert wird dem vorgenannten Verzögerungselement zugeführt. Ferner ist der Sättigungselementteil 66 so ausgelegt, daß er die zuneh­ mende Geschwindigkeit MAX und die abnehmende Geschwindig­ keit MAX des Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignals Ya auf |β21 · KY| bzw. |β22 · KY| regelt. Der Sättigungswert β22 ist so vorgegeben, daß sein Absolutwert größer als der Sättigungswert β21 ist.

Um die eingangs erläuterte Dissoziation zu vermeiden, sind die Absolutwerte von β21 und β22 bevorzugt möglichst groß und nicht so weit voneinander entfernt. Somit wird die folgende Beziehung erhalten:
Bei Erhöhung des Leistungsführungssignals P0 ist die zunehmende Geschwindigkeit MAX von Ya niedriger als die zunehmende Geschwindigkeit MAX von Na.
Bei Verringerung des Leistungsführungssignals P0 ist die abnehmende Geschwindigkeit MAX von Ya höher als die abnehmende Geschwindigkeit MAX von Na.

Während einer Übergangszeit, in der P0 entweder erhöht oder verringert wird, wird dadurch, daß das Leitschaufelöff­ nungsgrad-Führungssignal Ya sich Ya′, das einen Sollwert unter Normalbedingungen bezeichnet, von der niedrigeren Seite nähert, verhindert, daß die Pumpe in den Bereich von Buckelcharakteristiken mit teilweisem Gegenstrom fällt.

Anders als bei dem Beispiel von Fig. 12, bei dem Ya an Ya′ von seiner niedrigeren Seite durch Begrenzung der änder­ baren Geschwindigkeit angenähert wird, ist der Leitschau­ felöffnungsgrad-Funktionsgeber 60 von Fig. 13 darauf abge­ stellt, das gleiche Ergebnis durch Umschaltung der Zeit­ konstanten des Verzögerungselements hinter Ya′ zu errei­ chen.

Der Funktionsgeber 60 hat einen Funktionsgeberteil 61, einen Leistungsführungssignal-Bestimmungsteil 69, der die Erhöhung und Verringerung des Leistungsführungssignals P0 bestimmt, um die Umschaltung des Umschaltteils 65 zu steuern, und ein primäres Verzögerungselement.

Das Verzögerungselement umfaßt einen Vergleichsteil 62, Verstärkungselementteile 63, 64, einen Umschaltteil 65, einen Integrationselementteil 67 und einen Gegenkopplungs­ weg des Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignals Ya.

Der Betrieb der einzelnen Teile des Funktionsgebers 60 entspricht im wesentlichen Fig. 10. Die Verstärkung KY2 ist größer als KY1 vorgegeben. Um die erwähnte Dissoziation zu vermeiden, sollten die Absolutwerte von KY1 und KY2 bevor­ zugt möglichst groß und nicht weit voneinander entfernt sein.

Das Beispiel von Fig. 14 ist eine Kombination der Beispiele von Fig. 12 und 13; dem Funktionsgeberteil 61 zur Erzeugung des Sollwerts Ya′ des Leitschaufelöffnungsgrad-Führungs­ signals ist ein als eine Art Verzögerungsglied wirkendes Glied nachgeschaltet, das die Änderungsrate der Geschwin­ digkeit begrenzt und die Zeitkonstante gleichzeitig um­ schaltet.

Dieser Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgeber 60 umfaßt also den Funktionsgeberteil 61, den Leistungsführungssi­ gnal-Bestimmungsteil 69 und das Verzögerungselement.

Das Verzögerungselement umfaßt den Vergleichsteil 62, die Verstärkungselementteile 63, 64, die einander parallelge­ schaltet sind, den Umschaltteil 65, den Sättigungselement­ teil 66, den Integrationselementteil 67 und den Gegenkopp­ lungsweg des Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignals Ya.

Der Betrieb dieses Beispiels erfolgt durch die Kombination der Verzögerungselemente der Fig. 12 und 13.

Bei jedem der Beispiele der Fig. 10, 11, 13 und 14 wird die Umschaltung der Verstärkungselementteile vor dem Integra­ tionselement durchgeführt, weil das Drehzahlführungssignal Na und das Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignal Ya der Endstufe durch Umschaltung der Verstärkungsfaktoren an einem plötzlichen Sprung gehindert werden.

Bei den Funktionsgebern 50, 60 der Fig. 9-14 ist die Vor­ gabe der Zeitkonstanten derart, daß die zeitliche Änderung der Drehzahl N und die zeitliche Änderung des Leitschaufel­ öffnungsgrads den nachstehend beschriebenen Diskriminanten (1) und (2) genügen.

Die Funktionsgeber 50, 60 können aus einem Rechner beste­ hen, der wenigstens noch weitere Addierglieder 18, 19, 20, 21 und den Leistungskorrektursignalgeber 16 aufweist. Selbstverständlich kann nur ein Teil dieser Elemente oder Schaltkreise computerisiert sein.

Wie Fig. 18 zeigt, umfaßt die Hardware eines Computersy­ stems für die Steuerung des drehzahlregelbaren Pumpensy­ stems insbesondere beispielsweise eine Eingabeschnittstelle 101 zur Eingabe von Signalen nach außen, eine Ausgabe­ schnittstelle 106 zur Ausgabe von Signalen von außen, eine CPU 102 zur Durchführung von Datenoperationen, einen Spei­ cher 103 zur Speicherung eines Programms und von Daten einschließlich eines Algorithmus zur Realisierung der Funk­ tionen verschiedener Teile der CPU 102, eine Anzeigeeinheit 104 zur Datenanzeige, einen Drucker 105 usw. In jedem Funk­ tionsgeber 50, 60 wird das Verzögerungselement als Einrich­ tung zur Vorgabe einer Zeitkonstanten genützt. Selbstver­ ständlich ist die Erfindung keinesfalls auf dieses speziel­ le Beispiel beschränkt.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen sind der Funk­ tionsgeberteil und der Zeitkonstantenvorgabeteil funktions­ mäßig voneinander getrennt. Sie können aber als einzige Funktion betrieben werden.

Die obige computerisierte Anordnung kann an andere Steuer­ einrichtungen wie etwa die Strömungsregeleinrichtung ebenso wie an die Drehzahlregeleinrichtung angepaßt werden. In diesem Fall kann das Hardwaresystem gemeinsam benützt werden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 wird der Betrieb des Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgebers 60 und insbeson­ dere des Funktionsgeberteils 61 beschrieben.

Die Ordinate H von Fig. 4 bezeichnet das gesamte dynamische Gefälle (die Summe eines statischen Gefälles HG und eines auf Leitungsverluste zurückgehenden Wassergefälles), wäh­ rend die Abszisse die Strömungsmenge Q bezeichnet.

Der Leitschaufelöffnungsgrad ist derart, daß Y0<Y2<Y1, während die Eingangsleistung der Pumpe derart ist, daß Pp2<Pp1<Pp3.

Angenommen, daß, bei konstanter Drehzahl N, H von H1 auf H0 erhöht wird, liefert der Funktionsgeberteil 61 einen Soll­ wert des Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignals in sol­ cher Weise, daß der Pumpenwirkungsgrad η maximal (bzw. geeignet) unter H zu diesem Zeitpunkt liegt und daß der Öffnungsgrad Y der Leitschaufeln von Y1 auf Y0 reduziert wird. Daraufhin wird die Eingangsleistung der Pumpe von Pp1 auf Pp0 verringert; wenn sich H in einem größeren Bereich ändert, wird die Eingangsleistung der Pumpe entlang einer Strichlinienhüllkurve von Fig. 5 verstellt.

In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß die Dreh­ zahl N konstant ist. Wie Fig. 1 zeigt, ist es in der Praxis im Fall eines drehzahlregelbaren Pumpensystems normal, daß die Drehzahl automatisch auf eine geeignete Drehzahl ent­ sprechend dem statischen Gefälle H0 geregelt wird.

Nachstehend wird der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels erläutert.

Zuerst wird in Verbindung mit Fig. 2 die Art und Weise erläutert, in der das einzelne Element bzw. der einzelne Abschnitt dieses Ausführungsbeispiels auf die Eingangsgröße anspricht.

Wie das Diagramm in Fig. 2a) zeigt, sind die Ansprechver­ läufe der einzelnen Teile bei zeitlich schrittweiser Erhö­ hung des Leistungsführungssignals P0 von außen so, wie die Diagramme b), c), d), e), f) und g) zeigen.

Die Ausgangsleistung PM des Elektromotors erhöht sich zuerst mit geringer Verzögerung, wie Fig. 2g) zeigt.

Das Ausgangssignal Ya des Leitschaufelöffnungsgrad-Funk­ tionsgebers 60 und das Ausgangssignal Na des Drehzahlfunk­ tionsgebers 50 sprechen mit den speziellen Zeitkonstanten der jeweiligen Funktionsgeber und/oder den speziell gege­ benen zusätzlichen Zeitkonstanten an, wie die Fig. 2b) und 2c) zeigen.

Der Ansprechverlauf des Ist-Öffnungsgrads Y der Leitschau­ feln in bezug auf Ya von Fig. 2b) entspricht Fig. 2d). Der gerade Abschnitt dieses Ansprechverlaufs zeigt, daß die Leitschaufeln durch die Begrenzung der Öffnungsgeschwindig­ keit des Leitschaufel-Servomotors begrenzt sind (z. B. ist diese Beschränkung durch die Hubbegrenzung eines Verteiler­ ventils für den Leitschaufel-Servomotor vorgegeben). Die Drehzahl N der Pumpenturbine 4 wird durch die Differenz zwischen der Motorausgangsleistung PM von Fig. 2g) und der Pumpeneingangsleistung (oder der mechanischen Last) Pp von Fig. 2e) erhöht, steigt entsprechend Fig. 2f) an und been­ det schließlich den Anstieg, wenn N den Wert von Na er­ reicht.

Die Pumpeneingangsleistung Pp steigt entsprechend Fig. 2e) als das Inkrement aufgrund der Erhöhung des Öffnungsgrads Y der Leitschaufeln und der Erhöhung der Drehzahl N an.

Nach Fig. 2f) ist der Verlauf der Drehzahl N stabil, da er der adäquaten Dämpfungswirkung des Leistungskorrektursi­ gnalgebers 16 unterliegt. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem der Leistungskorrektursignalgeber 16 aus einem Parallelkreis eines Proportional- und eines Integral­ glieds gebildet wird und geeignete Verstärkungsgrade dieser Elemente gewählt werden.

Es wird nun der Betrieb des drehzahlregelbaren Pumpensy­ stems im einzelnen zusammen mit einer Betriebsanalyse des Pumpmodus dieses Kraftwerks erläutert. In der nachstehenden Beschreibung ist jede Variable ein dimensionsloser regu­ lärer Wert und durch einen Kleinbuchstaben bezeichnet, um eine Unterscheidung von einer Einheitsvariablen in Groß­ buchstaben zu erhalten.

Das Blockschaltbild von Fig. 3 zeigt die Analyse des Pump­ betriebs des Systems von Fig. 1. Fig. 3 zeigt dabei nur die Systemansprechverläufe als den Signalfluß in bezug auf die Drehzahl n zur Analyse des Betriebs dieses Ausführungsbei­ spiels, und es können gegenüber dem tatsächlichen Signal­ fluß im System gewisse Widersprüchlichkeiten vorhanden sein. In Fig. 3 bezeichnet eine Teildifferenz in jedem der Blöcke A301 A304, A303, A307, A306, A310, A311, A312 nur die Verstärkung anstatt der gesamten Übertragungsfunktion des einzelnen Blocks.

In Fig. 3 repräsentieren die Blöcke A301 und A302 bzw. eine Gruppe der Blöcke A304-A314 die Pumpenturbine 4 von Fig. 1 und die Pumpeneingangsleistung Pp sowie das Signalübertra­ gungselement, das aus einer Schleife des Trägheitsmoments GD² und der Drehzahl N gebildet und der Pumpenturbine 4 eigen ist.

Die Blöcke A303 und A315 repräsentieren andere Regelein­ richtungen, d. h. die Leistungsregeleinrichtung, die Dreh­ zahlregeleinrichtung und die Strömungsregeleinrichtung.

Der Block A301 bezeichnet eine spezielle Charakteristik der Pumpe, d. h. eine Proportionalverstärkung der Änderung der Pumpeneingangsleistung Pp zu der Änderung der Drehzahl n, wobei diese Verstärkung (∂Pp/∂n) ist.

Der Block A303 bezeichnet die Änderung des Öffnungsgrads y der Leitschaufeln relativ zu der Änderung von n; d. h. der Block A303 bedeutet (∂y/∂n). Dies ist gleich (∂y/∂t)(∂t/∂n) und ist daher gleich dem Produkt des Ansprechens (∂y/∂t) des Öffnungsgrads der Leitschaufeln, die eine Strömungs­ regeleinrichtung sind, und der umgekehrten Ansprechzahl (∂n/∂t) der Drehzahlregeleinrichtung. Es handelt sich also um ein Ansprechen als eine zusammengesetzte Funktion aus (∂y/∂t) und (∂n/∂t), und zwar unabhängig von der Konstruk­ tion dieser beiden Regeleinrichtungen.

Block A304 repräsentiert die Änderung von Pp in bezug auf die Änderung von y und ist eine der Pumpenturbine 4 eigene Charakteristik. Ihre Verstärkung ist (∂Pp/∂y).

Block A307 repräsentiert die Änderung des gesamten dynami­ schen Gefälles h in bezug auf die Änderung von y und ist eine der Pumpe eigene Charakteristik. In diesem Fall wird ferner der Einfluß von Wasserschlag in den Leitungen be­ rücksichtigt. Die Verstärkung ist (∂q/∂y)/(∂q/∂h) oder (∂h/∂y). Block A306 bezeichnet die Änderung von h in bezug auf die Änderung von n, wobei die spezielle Charakteristik der Pumpe und der Einfluß von Wasserschlag berücksichtigt sind.

Block A310 ist eine Simulation entsprechend der Theorie der starren Säulen (rigid column theory) an einem Teil, an dem sich das dynamische Gesamtgefälle h zu der Strömung q ändert. Die Verstärkung ist (∂q/∂h).

Block A312 ist eine Simulation des Teils, an dem die Pum­ peneingangsleistung Pp infolge des Anstiegs (der Verminde­ rung) des dynamischen Gesamtgefälles h verringert (erhöht) wird. Die Verstärkung ist (∂Pp/∂h).

Block A302 summiert den Ausgang von Block A301 und den Aus­ gang von Block A304; d. h. die direkte Änderung von Pp in bezug auf die Änderung von n wird mit der Änderung von Pp aufgrund der Änderung von y verknüpft.

Block A305 addiert das Additionsergebnis von Block A302 zu­ dem Ausgang von Block A312, und zwar wird die direkte Ände­ rung von Pp in bezug auf die Änderung von n, die Änderung von Pp in bezug auf die Änderung von y und die Änderung von Pp aufgrund der Änderung des dynamischen Gesamtgefälles zusammengefaßt, so daß die Pumpeneingangsleistung der Pum­ penturbine 4 erhalten werden kann.

Die Pumpeneingangsleistung Pp wird mit der Ausgangsleistung PM des Generator-Motors 2 durch den Addierteil A313 ver­ glichen, und die Differenz wird zur Drehzahl n über den Block A314, der die Integrationsoperation aufgrund des Trägheitseffekts (GD²) repräsentiert.

Die Blöcke A302, A305, A308 und A309 repräsentieren reine Additionsteile.

Auch wenn in Fig. 3 die im Block A315 enthaltene Regelein­ richtung korrigiert wird, wird die Stabilität des Gesamt­ steuersystems beeinträchtigt, wenn die Pumpe, die eine zu steuernde Einheit ist, bei Empfang des Einflusses einer teilweisen Gegenstromcharakteristik eine übergangsweise unerwünschte Charakteristik aufweist.

Wenn die Ansprechzeitkonstante der Ist-Eingangsleistung der Pumpe erheblich größer als die Ansprechzeitkonstante der Ausgangsleistung in bezug auf das Ausgangsleistungsfüh­ rungssignal ist, wobei diese Zeitkonstante für die Erfin­ dung sehr wesentlich ist, bedeutet das, daß die Drehzahl n sich unmittelbar nach dem Führungssignal schnell ändert. Da das dynamische Gesamtgefälle h sich im Übergangszustand ebenfalls stark ändert, besteht die Gefahr, daß die Pumpe aus dem nachstehend erläuterten Grund in den Bereich der teilweisen Gegenstromcharakteristik fällt.

Wenn die Pumpe in die teilweise Gegenstromcharakteristik fällt, werden einige der Pumpe eigene Charakteristiken im Blockschaltbild von Fig. 3 umgekehrt, so daß eine stabile Steuerung nicht mehr möglich ist. Das führt zu starken Schwingungen und beeinflußt auch die Sicherheit des Systems nachteilig.

Bei der Erfindung erfolgt die Pumpenregelung, die zu keinen nachteiligen Einflüssen führt, insbesondere die Einstellung der Leitschaufeln y, in bezug auf Pp und n. Dies ist die Regel nicht nur für y, sondern auch für n.

Wenn n in bezug auf Pp und n erhöht (verringert) wird, wird y so vorgegeben, daß der folgenden Diskriminanten (1) genügt ist, um die Pumpeneingangsleistung Pp gleichmäßig zu erhöhen (zu verringern).

Damit die gleichmäßige Erhöhung (Verringerung) von Pp we­ nigstens am Additionsteil A302 durch die Erhöhung (Verrin­ gerung) von n erhalten bleibt, wird also y so vorgegeben, daß es der folgenden Diskriminanten (3) genügt.

Davon abgesehen wird ebenfalls im Additionsteil A308 y so vorgegeben, daß es der folgenden Diskriminanten (3) genügt.

Die Diskriminanten (1), (2) und (3) sollten zwar letztend­ lich nur der Diskriminanten (1) genügen, sie sollten aber als Voraussetzung der Diskriminanten (2) und (3) genügen. Ferner kann die Aufgabe der Erfindung nur gelöst werden, indem y so vorgegeben wird, daß es wenigstens einer der Diskriminanten (2) und (3) genügt.

Der Grund hierfür ist, daß die Diskriminanten (2) und (3) einen gemeinsamen Faktor (∂y/∂n) aufweisen und im Betrieb des Systems eng miteinander verbunden sind. Unter Anwendung der Bedingungen der Lage des echten Pumpspeicherkraftwerks wurden von den Erfindern Versuche unter der Annahme durch­ geführt, daß das drehzahlgeregelte Pumpensystem dieses Aus­ führungsbeispiels an diese Bedingungen angepaßt wird, und dabei wurde gefunden, daß dann, wenn einer der Diskriminan­ ten (2) und (3) genügt wurde, der Diskriminanten (1) genügt war. Daher kann y und/oder n so gesteuert werden, daß es wenigstens einer der Diskriminanten (2) und (3) genügt.

Diese Diskriminanten können aus den Bedingungen von Grenz­ werten, mit denen das System stabil betrieben werden kann, gemäß dem Analyseverlauf von Fig. 3 erhalten werden.

Wenn y und/oder n so gesteuert werden, daß sie wenigstens einer der Diskriminanten (2) oder (3) und bevorzugt der Diskriminanten (1) genügen, kann ein stabiler Betrieb er­ reicht werden, und zwar ungeachtet der der Pumpe eigenen teilweisen Gegenstromcharakteristiken.

Damit kann also der stabile Betrieb erreicht werden, indem das Ansprechverhalten (∂y/∂t) der Strömungsregeleinrichtung und das Ansprechverhalten (∂n/∂t) der Drehzahlregelein­ richtung so vorgegeben wird, daß den obigen Diskriminanten genügt ist.

Nach Fig. 6 wird die Ausgangsleistung des Elektromotors von Pp0 auf Pp3 unter dem dynamischen Gesamtgefälle H0 erhöht (Leitungsverluste sind der Klarheit halber nicht berück­ sichtigt).

Der Betriebspunkt verlagert sich von A0 nach A3. Wenn er sich entlang der Bahn RB verlagert, wird zu diesem Zeit­ punkt die Pumpeneingangsleistung vorübergehend unter Pp0 verringert, was der Diskriminanten (1) nicht genügt, so daß die Stabilität des Systems mit hoher Wahrscheinlichkeit durch die Gegenstromcharakteristik der Pumpe beeinträchtigt wird.

Dagegen kann Betriebssicherheit erreicht werden, wenn sich der Betriebspunkt entlang der Bahn RA verlagert.

Die Ausgangsleistung des Elektromotors wird von Pp0 zu Pp3 erhöht, wenn n ansteigt; und dann wird der Öffnungsgrad Y der Leitschaufeln von Y0 zu Y3 vergrößert, um eine richtige Einstellung zu erreichen.

Die vorstehende Beschreibung des Betriebs wird in Verbin­ dung mit Fig. 8 im einzelnen erläutert.

G80 zeigt die Beziehung zwischen H und Q unter den Bedin­ gungen der Drehzahl N0 und des Öffnungsgrads Y0 der Leit­ schaufeln entsprechend der Pumpeneingangsleistung Pp0. G81 zeigt die Beziehung zwischen H und Q unter den Bedingungen der Drehzahl N0 und des Leitschaufelöffnungsgrads Y3 (über­ mäßig viel größer als der optimale Öffnungsgrad Y0 bei einer Drehzahl N0). Wenn im Fall von G81 das dynamische Gesamtgefälle H = H0, ist Y zu weit geöffnet, so daß die Pumpe in die Gegenstromcharakteristik (um den Spitzenwert herum) fällt und die Strömungsmenge deutlich von Q0 auf Q0′ abfällt.

Es wird erneut auf Fig. 6 Bezug genommen. Wenn die Verla­ gerung auf der Bahn RB erfolgt, werden die Leitschaufeln beim Öffnen übermäßig weit geöffnet, so daß die Gefahr be­ steht, daß die Pumpe in die Gegenstromcharakteristik fällt. Sowohl auf der Bahn RA als auch auf der Bahn RB ist während der Verlagerung H<H0. Dies zeigt, daß ein übergangsweiser Anstieg von H aufgrund von Wasserschlagen in den Leitungen vorliegt.

Fig. 7 zeigt die entgegengesetzte Verlagerung des Betriebs­ punkts von A3 zu A0. Im Fall der Bahn RC gibt es keine zu weite Bewegung. Im Fall der Bahn RD wird die Verringerung des Leitschaufelöffnungsgrads gegenüber der Verringerung der Drehzahl verzögert, so daß auf dieser Bahn eine zu weite Bewegung stattfindet. Auch in diesem Fall besteht die hohe Wahrscheinlichkeit, daß sich der Betriebspunkt der Gegenstromcharakteristik nähert bzw. in sie fällt, was nachteilig ist.

Bei der Verringerung der Pumpeneingangsleistung wird die Strömungsmenge verringert, so daß H durch Wasserschlagen natürlich vermindert wird. D. h., während der Verlagerung des Betriebspunkts ist H < H0.

Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine drehzahlgeregelte Pumpe des Typs, bei dem die Motoraus­ gangsleistung mit sehr hohem Ansprechverlauf gemäß dem Bedarf des Stromversorgungsnetzes gesteuert wird. In diesem Fall muß die Ausgangsleistung des Motors mit hoher Ge­ schwindigkeit ungeachtet des wahren Betriebszustands (N oder Y) der Pumpe gesteuert werden. Wie Fig. 1 zeigt, wird daher die Ist-Motorausgangsleistung PM erfaßt und muß dem Motorausgangsleistungsführungssignal (P0 + ε) direkt folgen (wobei sich ε wegen der großen Zeitkonstanten im Drehzahl­ funktionsgeber 50 langsam ändert und zu Beginn der Änderung nahezu Null ist). Ferner muß die Ansprechzeitkonstante der Leistungsregeleinrichtung 32 für den Motor erheblich klei­ ner gegenüber der Ansprechzeitkonstanten der N- oder Y-Regeleinrichtung sein.

Bei dieser Art von Pumpensystem, bei dem PM vor jedem ande­ ren Regelvorgang geregelt wird, wird das Drehzahlführungs­ signal Na oder das Leitschaufelöffnungsgrad-Führungssignal Ya vom Funktionsgeber berechnet, dem das Ausgangsleistungs­ führungssignal P0, die Ist-Ausgangsleistung PM oder deren äquivalente Signale zugeführt werden.

Wie oben beschrieben, muß für die Erhöhung von PM die N-Erhöhungsansprechgeschwindigkeit höher als die Y-Erhö­ hungsansprechgeschwindigkeit sein. Bei der Verringerung von PM muß die Y-Verringerungsansprechgeschwindigkeit höher als die N-Verringerungsansprechgeschwindigkeit sein. Infolge­ dessen ist ein System, bei dem eine Regelung, also die Y-Regelung und die N-Regelung, einander folgen wie eine Nebensteuerung, die einer Hauptsteuerung folgt, ungeeignet.

Angenommen, das Ausgangsleistungsführungssignal P0 wird wiederholt schnell erhöht und veringert, so sollte weder das N- noch das Y-Ansprechverhalten langsam sein, wie das beim Stand der Technik der Fall ist. Sonst weicht der Ar­ beitspunkt allmählich vom richtigen Arbeitspunkt ab. Ins­ besondere besteht diese Gefahr dann, wenn die Differenz zwischen der Erhöhungs- und der Verringerungsansprechge­ schwindigkeit von Y zu groß ist.

Zu diesem Zweck ist bei der Erfindung der Grenzwert für die Regelung der Drehzahl N und des Öffnungsgrads Y der Leit­ schaufeln so vorgegeben, daß diese Gefahr nicht eintreten kann. Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wird dieser Grenzwert durch die Funktionsgeber 50, 60 der Fig. 9-14 vorgegeben.

Dadurch, daß durch das theoretische Verfahren vermieden wird, daß die Pumpe in den Bereich der Gegenstromcharak­ teristik fällt, kann die Leitschaufelöffnungsgeschwindig­ keit bei einer Erhöhung der Eingangsleistung der Pumpe auf den maximal möglichen Grenzwert erhöht werden, und die Drehzahl-Verringerungsgeschwindigkeit bei Verringerung der Pumpeneingangsleistung kann ebenfalls auf den maximal mög­ lichen Grenzwert erhöht werden.

Infolgedessen wird das Phänomen einer Dissoziation vermie­ den, so daß ein drehzahlgeregelter Pumpenbetrieb erreicht wird, der das Stromversorgungsnetz mit höchstem Ansprech­ verhalten bedient.

Fig. 15 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Pump­ speicherkraftwerks mit einem drehzahlgeregelten Pumpen­ system, wobei ein Schleifringläufermotor 2a als Generator- Motor verwendet wird. Der Schleifringläufermotor 2a treibt die Pumpenturbine 4 zum Pumpbetrieb an. Dabei sind gleiche Teile oder Elemente wie im vorhergehenden Ausführungsbei­ spiel mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Schleifringläufermotor 2a ist primärseitig mit dem Stromversorgungsnetz 1 und sekundärseitig mit dem Frequenz­ umsetzer 3 verbunden. Die Eingangsleistung des Schleifring­ läufermotors 2a wird entsprechend dem Phasenführungssignal des Erregerdrehstroms durch den Frequenzumsetzer 3 erhöht bzw. verringert. Die Ist-Eingangsleistung PM wird vom Lei­ stungsdetektor 6 erfaßt und dem Addierer 20 zugeführt, und die Ist-Drehzahl N wird vom Drehzahldetektor 5 erfaßt und dem Addierer 18 zugeführt.

Das Steuersystem umfaßt: die Drehzahlregeleinrichtung 31 mit dem Drehzahl­ funktionsgeber 50, dem Addierer 18 und dem Leistungskorrektursignalgeber 16; die Leistungsregeleinrichtung 32 mit den Addierern 19, 20 und dem Leistungsregler 7; und die Strömungsregeleinrichtung 33 mit dem Leit­ schaufelöffnungsgrad-Funktionsgeber 60 und der Leitschau­ felstelleinheit 9. Fig. 15 zeigt keine Rückführung eines Signals, das den Ist-Leitschaufelöffnungsgrad bezeichnet, dies schließt aber eine Rückführung nicht aus. Das gleiche trifft auf die Strömungsregeleinrichtung 33 von Fig. 16 zu.

Das Pumpspeicherkraftwerk dieses Ausführungsbeispiels hat eine erste Betriebsart, in der bei Zuführung von Strom aus dem Stromversorgungsnetz 1 die Pumpenturbine 4 von der Schleifringläufermaschine 2a als Pumpe angetrieben wird und als Verbraucher wirkt, der den Strom aus dem Stromversorgungsnetz 1 verbraucht, und eine zweite Betriebsart, in der umgekehrt die Schleifringläufermaschine als Generator von der Turbine 4 angetrieben wird und das Stromversor­ gungsnetz 1 speist.

In der ersten Betriebsart wird bei Zuführung von Strom einer im wesentlichen konstanten Frequenz aus dem Stromver­ sorgungsnetz 1 der Schleifringläufermotor 2a von der Dreh­ zahlregeleinrichtung 31 so beeinflußt, daß die Drehzahl sich je nach dem Betriebszustand ändert. Ferner wird die Strömungsmenge der Pumpenturbine 4 von der Strömungsregel­ einrichtung 33 geregelt. Die Pumpenturbine 4 wird von der Schleifringläufermaschine 2a angetrieben. Wenn die Aus­ gangsleistung der Schleifringläufermaschine 2a durch das Leistungsführungssignal von außen erhöht wird, wird in diesem Fall der Maximalwert der Erhöhungsgeschwindigkeit des Strömungserhöhungs-Führungssignals in der Strömungs­ regeleinrichtung 33 kleiner vorgegeben im Vergleich mit dem Maximalwert der Erhöhungsgeschwindigkeit des Drehzahler­ höhungs-Führungssignals in der Drehzahlregeleinrichtung 31. Wenn die Ausgangsleistung der Schleifringläufermaschine 2a durch das externe Leistungsführungssignal verringert wird, wird der Maximalwert der Verringerungsgeschwindigkeit des Drehzahlverringerungs-Führungssignals in der Drehzahlregel­ einrichtung 31 kleiner vorgegeben im Vergleich mit dem Maximalwert der Verringerungsgeschwindigkeit des Strömungs­ verringerungs-Führungssignals in der Strömungsregeleinrich­ tung 33.

Durch die oben erläuterten Regelvorgänge kann der Elektro­ motor der Schleifringläufermaschine 2a in stabiler Weise so betrieben werden, daß er der Erhöhung und Verringerung des Leistungsführungssignals folgt.

Fig. 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem eine Synchronmaschine als Generator-Motor in einem Pump­ speicherkraftwerk mit einem drehzahlgeregelten Pumpensystem verwendet wird.

Dabei ist der Frequenzumsetzer 17 zwischen dem Stromver­ sorgungsnetz 1 und der Synchronmaschine 10 angeordnet, die Synchronmaschine 10 läuft als Generator-Motor zum Antrieb der Pumpenturbine 4, so daß Pumpspeicherbetrieb stattfin­ det. Auch in diesem Fall sind gleiche Teile wie vorher mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Dieses Ausführungsbeispiel hat ferner einen Phasendetektor 11 zur Anpassung an das Phasenführungssignal des Frequenz­ umsetzers 17. Aufgrund des Detektiersignals dieses Phasen­ detektors 11 treibt der Frequenzumsetzer 17 die Synchron­ maschine 10 an. Die Ist-Eingangsleistung PM wird vom Lei­ stungsdetektor 6 erfaßt und dem Addierer 20 zugeführt, und die Ist-Drehzahl N wird vom Drehzahldetektor 5 erfaßt und dem Addierer 18 zugeführt.

Die übrigen Operationen gleichen dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 15 und werden daher nicht nochmals erläutert.

Die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen keine Einschränkung der Erfindung dar.

Beispielsweise wird bei jedem dieser Ausführungsbeispiele das Übergangskorrektur-Ansprechverhalten sowohl im Dreh­ zahlfunktionsgeber als auch im Leitschaufelöffnungsgrad- Funktionsgeber gesteuert; alternativ kann diese Steuerung nur in einem dieser beiden Funktionsgeber durchgeführt wer­ den. Ferner werden bei diesen Ausführungsbeispielen das Leistungsführungssignal P0 und das statische Gefälle HG als Eingangsgrößen der Funktionsgeber genützt. Es können aber auch dem Leistungsführungssignal und dem statischen Gefälle äquivalente andere Signale wie etwa Ist-Ausgangsleistungs­ signale eines Elektromotors genützt werden.

Ferner wird bei diesen Ausführungsbeispielen das Übergangs­ korrektur-Ansprechverhalten im Drehzahlfunktionsgeber und im Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgeber gesteuert. Dieses Ansprechverhalten kann aber auch in einem anderen geeigneten Teil der Drehzahlregeleinrichtung und einem anderen geeigneten Teil der Strömungsregeleinrichtung gesteuert werden.

Bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen wird als hydrau­ lische Maschine eine Pumpenturbine verwendet. Alternativ kann auch eine Pumpe verwendet werden.

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß es mit jedem ein­ zelnen Ausführungsbeispiel möglich ist, den Bereich der teilweisen Gegenstromcharakteristik der Pumpe zu vermeiden und ein schnelles Ansprechen auf den Bedarf des Stromver­ sorgungsnetzes zu erreichen, wobei gleichzeitig ein stabi­ ler Betrieb gewährleistet und das Gleichgewicht zwischen Energiebedarf und Energiedargebot verbessert wird.

Claims (20)

1. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem mit:

• a) einer hydraulischen Maschine (4), die Strömungsein­ stellmittel und wenigstens eine Pumpenfunktion hat;
• b) einer umlaufenden Maschine (2), die mit der hydrauli­ schen Maschine betriebsmäßig verbunden ist und wenigstens eine Motorfunktion zum Drehantrieb der hydraulischen Ma­ schine hat;
• c) einem Frequenzumsetzer (3) zum Antrieb der umlaufenden Maschine; und
• d) einem Steuersystem zur Steuerung des drehzahlgeregelten Betriebs der umlaufenden Maschine nach Maßgabe eines Füh­ rungssignals von einer externen Einheit oder eines dem Füh­ rungssignal entsprechenden Signals, dadurch gekennzeichnet,
• e) daß das Steuersystem aufweist:
  • 1) eine Leistungsregeleinrichtung (32) zur Regelung der Ausgangsleistung der umlaufenden Maschine in Überein­ stimmung mit dem Führungssignal,
  • 2) eine Drehzahlregeleinrichtung (31), die an die Lei­ stungsregeleinrichtung ein Korrektursignal in solcher Weise liefert, daß die hydraulische Maschine (4) mit einer in bezug auf das Führungssignal korrekten Drehzahl umläuft, und
  • 3) eine Strömungsregeleinrichtung (33) zur Regelung der Strömungseinstellmittel (9a) der hydraulischen Maschine in solcher Weise, daß der Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel dem Führungssignal entspricht;
• f) daß die Leistungsregeleinrichtung (32) eine kleine Zeitkonstante hat, die im Vergleich mit der Zeitkonstanten der Drehzahlregeleinrichtung (31) vernachlässigbar ist; und
• g) daß die Strömungsregeleinrichtung (33) und/oder die Drehzahlregeleinrichtung (31) Mittel aufweisen, um eine Übertragungsfunktion in solcher Weise vorzugeben, daß eine mechanische Last der hydraulischen Maschine bei zunehmender Drehzahl derselben nicht verringert wird, und daß die mechanische Last bei abnehmender Drehzahl nicht erhöht wird.

2. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem mit:

• a) einer hydraulischen Maschine (4), die Strömungsein­ stellmittel und wenigstens eine Pumpenfunktion hat;
• b) einer umlaufenden Maschine (2), die mit der hydrauli­ schen Maschine betriebsmäßig verbunden ist und wenigstens eine Motorfunktion zum Drehantrieb der hydraulischen Ma­ schine hat;
• c) einem Frequenzumsetzer (3) zum Antrieb der umlaufenden Maschine; und
• d) einem Steuersystem zur Steuerung des drehzahlgeregelten Betriebs der umlaufenden Maschine nach Maßgabe eines Füh­ rungssignals von einer externen Einheit oder eines dem Füh­ rungssignal entsprechenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aufweist:
  • 1) eine Leistungsregeleinrichtung (32) zur Regelung der Ausgangsleistung der umlaufenden Maschine in Überein­ stimmung mit dem Führungssignal,
  • 2) eine Drehzahlregeleinrichtung (31), die an die Lei­ stungsregeleinrichtung ein Korrektursignal in solcher Weise liefert, daß die hydraulische Maschine (4) mit einer in bezug auf das Führungssignal korrekten Drehzahl umläuft, und
  • 3) eine Strömungsregeleinrichtung (33) zur Verstellung der Strömungseinstellmittel (9a) der hydraulischen Maschine in solcher Weise, daß der Öffnungsgrad der Strömungs­ einstellmittel dem Führungssignal entspricht;
• e) daß die Leistungsregeleinrichtung (32) eine kleine Zeitkonstante hat, die im Vergleich mit der Zeitkonstanten der Drehzahlregeleinrichtung (31) vernachlässigbar ist; und
• f) daß ein Ansprechverhalten (y/t) der Strömungsregel­ einrichtung (33) und ein Ansprechverhalten (n/t) der Drehzahlregeleinrichtung (31) in solcher Weise vorgegeben sind, daß wenigstens eine der folgenden Ungleichungen gilt: wobei y ein dimensionsloser Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel, n eine dimensionslose Drehzahl der hydrauli­ schen Maschine, pp eine dimensionslose Eingangsgröße der hydraulischen Maschine und h ein dimensionsloses dynami­ sches Gesamtgefälle ist.

3. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem mit:

• a) einer hydraulischen Maschine (4), die Strömungsein­ stellmittel und wenigstens eine Pumpenfunktion hat;
• b) einer umlaufenden Maschine (2), die mit der hydrauli­ schen Maschine betriebsmäßig verbunden ist und wenigstens eine Motorfunktion zum Drehantrieb der hydraulischen Ma­ schine hat;
• c) einem Frequenzumsetzer (3) zum Antrieb der umlaufenden Maschine; und
• d) einem Steuersystem zur Steuerung des drehzahlgeregelten Betriebs der umlaufenden Maschine nach Maßgabe eines Füh­ rungssignals von einer externen Einheit oder eines dem Füh­ rungssignal entsprechenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuersystem aufweist:
  • 1) eine Leistungsregeleinrichtung (32) zur Regelung der Ausgangsleistung der umlaufenden Maschine in Überein­ stimmung mit dem Führungssignal,
  • 2) eine Drehzahlregeleinrichtung (31), die an die Lei­ stungsregeleinrichtung ein Korrektursignal in solcher Weise liefert, daß die hydraulische Maschine (4) mit einer in bezug auf das Führungssignal korrekten Drehzahl umläuft, und
  • 3) eine Strömungsregeleinrichtung (33) zur Verstellung der Strömungseinstellmittel (9a) der hydraulischen Maschine in solcher Weise, daß der Öffnungsgrad der Strömungs­ einstellmittel dem Führungssignal entspricht;
• e) daß die Leistungsregeleinrichtung (32) eine kleine Zeitkonstante hat, die im Vergleich mit der Zeitkonstanten der Drehzahlregeleinrichtung (31) vernachlässigbar ist; und
• f) daß ein Ansprechverhalten (y/t) der Strömungsregel­ einrichtung (33) und ein Ansprechverhalten (n/t) der Drehzahlregeleinrichtung (31) so vorgegeben sind, daß die folgende Ungleichung gilt: wobei y ein dimensionsloser Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel, n eine dimensionslose Drehzahl der hydrauli­ schen Maschine, pp eine dimensionslose Eingangsgröße der hydraulischen Maschine und h ein dimensionsloses dynami­ sches Gesamtgefälle ist.

4. Drehzahlfunktionsgeber für eine drehzahlgeregelte Pumpe, gekennzeichnet durch

• a) einen Funktionsgeberteil (51) zur Ausgabe eines Soll­ werts der optimalen Drehzahl nach Maßgabe eines Lei­ stungsführungssignals und eines statischen Gefälles; und
• b) ein Verzögerungselement, das den Sollwert mit einer dem Betriebszustand entsprechenden Zeitkonstanten verzögert und den verzögerten Sollwert als Drehzahlführungssignal ausgibt, wobei das Verzögerungselement ein Umschalt­ element aufweist, das bei zu erhöhender Drehzahl eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und bei zu verrin­ gernder Drehzahl eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit liefert.

5. Leitschaufelöffnungsgrad-Funktionsgeber für eine dreh­ zahlgeregelte Pumpe, gekennzeichnet durch

• a) einen Funktionsgeberteil (61) zur Ausgabe eines Soll­ werts eines optimalen Leitschaufelöffnungsgrad-Füh­ rungssignals nach Maßgabe eines Leistungsführungssi­ gnals und eines statischen Gefälles; und
• b) ein Verzögerungselement, das den Sollwert mit einer dem Betriebszustand entsprechenden Zeitkonstanten verzögert und den verzögerten Sollwert als Leitschaufelöffnungs­ grad-Führungssignal ausgibt, wobei das Verzögerungs­ element ein Umschaltelement aufweist, das bei zu vergrößerndem Leitschaufelöffnungsgrad eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit oder eine große Ansprechzeit und bei zu verkleinerndem Leitschaufelöffnungsgrad eine hohe Ansprechgeschwindigkeit oder eine kleine Ansprech­ zeit liefert.

6. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahlregeleinrichtung (31) aufweist:

• a) einen Funktionsgeberteil (51), der einen Sollwert des optimalen Drehzahlführungssignals nach Maßgabe eines Leistungsführungssignals und eines statischen Gefälles­ als externes Führungssignal liefert; und
• b) ein Verzögerungselement, das den Sollwert mit einer dem Betriebszustand entsprechenden Zeitkonstanten verzögert und den verzögerten Sollwert als Drehzahlführungssignal ausgibt, wobei das Verzögerungselement ein Umschalt­ element aufweist, das bei zu erhöhender Drehzahl eine hohe Ansprechgeschwindigkeit und bei zu vermin­ dernder Drehzahl eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit liefert, so daß das Drehzahlkorrektursignal aufgrund einer Differenz zwischen der vom Verzögerungselement gelieferten Führungsdrehzahl und einer Ist-Drehzahl ausgegeben wird.

7. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 1, wobei die Strömungseinstellmittel Leitschaufeln (9a) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsregeleinrichtung (33) aufweist:

• a) einen Funktionsgeberteil (61) zur Ausgabe eines Soll­ werts des optimalen Leitschaufelöffnungsgrad-Führungs­ signals nach Maßgabe eines elektrischen Leistungsfüh­ rungssignals und eines statischen Gefälles als externes Führungssignal; und
• b) ein Verzögerungselement, das den Sollwert mit einer dem Betriebszustand entsprechenden Zeitkonstanten verzögert und den verzögerten Sollwert als Leitschaufelöffnungs­ grad-Führungssignal ausgibt, wobei das Verzögerungs­ element ein Umschaltelement aufweist, das bei zu vergrößerndem Leitschaufelöffnungsgrad eine niedrige Ansprechgeschwindigkeit und bei zu vergrößerndem Leit­ schaufelöffnungsgrad eine hohe Ansprechgeschwindigkeit liefert, so daß das Leitschaufelöffnungsgrad-Korrektur­ signal aufgrund einer Differenz zwischen dem Führungs- Leitschaufelöffnungsgrad und einem Ist-Leitschaufel­ öffnungsgrad einstellbar ist.

8. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktions-Vorgabeeinrichtung eine Über­ tragungsfunktion derart vorgibt, daß ein Ansprechverhalten (y/t) der Strömungsregeleinrichtung und ein Ansprechver­ halten (n/t) der Drehzahlregeleinrichtung so vorgegeben sind, daß wenigstens eine der folgenden Ungleichungen gilt: wobei y ein dimensionsloser Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel, n eine dimensionslose Drehzahl der hydrauli­ schen Maschine, pp eine dimensionslose Eingangsgröße der hydraulischen Maschine und h ein dimensionsloses dynami­ sches Gesamtgefälle ist.

9. Drehzahlregelbares Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsfunktions-Vorgabeeinrichtung eine Über­ tragungsfunktion derart vorgibt, daß ein Ansprechverhalten (y/t) der Strömungsregeleinrichtung und ein Ansprechver­ halten (n/t) der Drehzahlregeleinrichtung so vorgegeben sind, daß die folgende Ungleichung gilt: wobei y ein dimensionsloser Öffnungsgrad der Strömungsein­ stellmittel, n eine dimensionslose Drehzahl der hydrauli­ schen Maschine, pp eine dimensionslose Eingangsgröße der hydraulischen Maschine und h ein dimensionsloses dynami­ sches Gesamtgefälle ist.

10. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

11. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

12. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

13. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

14. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

15. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

16. Drehzahlgeregeltes Pumpensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die umlaufende Maschine ein Generator-Motor (2) und die hydraulische Maschine eine Pumpenturbine (4) ist.

17. Verfahren zum Betrieb eines drehzahlgeregelten Pumpen­ systems mit einem Elektromotor, der durch elektrische Energie eines Stromversorgungsnetzes antreibbar ist, mit einer von dem Elektromotor antreibbaren Pumpe, mit einer Drehzahlregeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Elektromotors und der Pumpe und mit einer Strömungsregel­ einrichtung zur Verstellung einer Strömungsmenge der Pumpe, dadurch gekennzeichnet,

• a) daß, wenn die Ausgangsleistung des Elektromotors durch ein Leistungsführungssignal von einer externen Einheit erhöht wird, ein Maximalwert einer Erhöhungsgeschwin­ digkeit eines Strömungserhöhungs-Führungssignals in der Strömungsregeleinrichtung kleiner als der Maximalwert der Drehzahlerhöhung eines Drehzahlerhöhungs-Führungs­ signals in der Drehzahlregeleinrichtung vorgegeben wird;
• b) daß, wenn die Ausgangsleistung des Elektromotors durch ein Leistungsführungssignal von einer externen Einheit verringert wird, ein Maximalwert einer Verringerungs­ geschwindigkeit eines Drehzahlverringerungs-Führungs­ signals in der Drehzahlregeleinrichtung kleiner als der Maximalwert der Verringerungsgeschwindigkeit eines Strömungsverminderungs-Führungssignals in der Strö­ mungsregeleinrichtung vorgegeben wird; und
• c) daß eine Betriebsart des Elektromotors vorgesehen ist, in der er der Zunahme und Abnahme des elektrischen Leistungsführungssignals folgt.

18. Pumpspeicherwerk mit einem drehzahlgeregelten Pumpen­ system, bestehend aus einem Generator-Motor (2), der von elektrischer Energie eines Stromversorgungsnetzes antreib­ bar ist, einer Pumpenturbine (4), die von dem Generator- Motor (2) antreibbar ist, einer Drehzahlregeleinrichtung (31) zur Regelung der Drehzahl des Generator-Motors und der Pumpenturbine und einer Strömungsregeleinrichtung (33) zur Verstellung einer Strömungsmenge der Pumpenturbine, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsregeleinrichtung (33) eine Funktion auf­ weist, um bei Erhöhung der Ausgangsleistung des Generator- Motors durch ein elektrisches Leistungsführungssignal von einer externen Einheit einen Maximalwert einer zunehmenden Geschwindigkeit eines Strömungserhöhungs-Führungssignals kleiner als den Maximalwert der Erhöhungsgeschwindigkeit eines Drehzahlerhöhungs-Führungssignals in der Drehzahl­ regeleinrichtung vorzugeben, und
daß die Drehzahlregeleinrichtung eine Funktion aufweist, um bei Verringerung der Ausgangsleistung des Generator-Motors durch ein elektrisches Leistungsführungssignal von einer externen Einheit einen Maximalwert der Verringerungsge­ schwindigkeit eines Strömungsverringerungs-Führungssignals in der Strömungsregeleinrichtung größer als den Maximalwert der Verringerungsgeschwindigkeit eines Drehzahlverringe­ rungs-Führungssignals in der Drehzahlregeleinrichtung vor­ zugeben, so
daß der Generator-Motor so betreibbar ist, daß er der Zunahme und Abnahme des elektrischen Leistungsführungssi­ gnals folgt.

19. Pumpspeicherwerk mit einem drehzahlregelbaren Pumpen­ system, bestehend aus einem durch elektrische Energie eines Stromversorgungsnetzes antreibbaren Generator-Motor, einer vom Generator-Motor antreibbaren Pumpenturbine, einer Dreh­ zahlregeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Genera­ tor-Motors und der Pumpenturbine und einer Strömungsregel­ einrichtung zur Verstellung einer Strömungsmenge der Pum­ penturbine, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strömungsregeleinrichtung (33) eine Funktion hat, um bei Erhöhung der Ausgangsleistung des Generator-Motors (2) durch ein elektrisches Leistungsführungssignal von einer externen Einheit einen Maximalwert eines Strömungs­ erhöhungs-Führungssignals kleiner als den Maximalwert der Erhöhungsgeschwindigkeit eines Drehzahlerhöhungs-Führungs­ signals in der Drehzahlregeleinrichtung vorzugeben, so
daß der Generator-Motor so betreibbar ist, daß er der Erhöhung und Verringerung des elektrischen Leistungsfüh­ rungssignals folgt.

20. Pumpspeicherkraftwerk mit einem drehzahlregelbaren Pumpensystem, bestehend aus einem Generator-Motor, der durch elektrische Energie von einem Stromversorgungsnetz antreibbar ist, einer vom Generator-Motor antreibbaren Pumpenturbine, einer Drehzahlregeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Generator-Motors und der Pumpenturbine und einer Strömungsregeleinrichtung zur Verstellung einer Strö­ mungsmenge der Pumpenturbine, dadurch gekennzeichnet,
daß die Drehzahlregeleinrichtung eine Funktion hat, um bei Verringerung der Ausgangsleistung des Generator-Motors durch ein elektrisches Leistungsführungssignal von einer externen Einheit einen Maximalwert der Verringerungsge­ schwindigkeit eines Strömungsverringerungs-Führungssignals in der Strömungsregeleinrichtung vorzugeben, so
daß der Generator-Motor so betreibbar ist, daß er der Erhöhung und Verringerung des Leistungsführungssignals folgt.