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1Vlittels Flüssigkeitsservomotors wirkender elektrischer Spannungsregler
für Stromerzeuger. Die Erfindung bezieht sich auf die Regelung von elektrischen
Stromerzeugern,-- die von Turbinen angetrieben werden.
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Von elektrischen Stromerzeugern, welche der Versorgung vorn Licht-
oder Kraftbetrieben dienen, wird im allgemeinen verlangt, daß sowohl Drehzahl als
auch Klemmspannung des Generators innerhalb gewisser Grenzen konstant und unveränderlich
von der Belastung eingehalten werden. Dabei wird auch
verlangt,
daß selbst schnell vorübergehende Schwankungen der Drehzahl oder der Spannung möglichst
vermieden werden. Bisher pflegte man dieser Anforderung in der Weise gerecht zu
werden, daß man zunächst für die Geschwindigkeitsregelung des Generators bzw. der
Kraftmaschine, welche den Generator antreibt, einen möglichst genauen und schnell
wirkenden Geschwindigkeitsregler aufstellte. Damit läßt sich eine ausreichende Konstanthaltung
der Drehzahl ohne weitereserreichen. Der zweiten Forderung nach einer Konstanz der
Klemmungsspannung suchte man bisher meist in der Weise gerecht zu werden, daß. man
Generatoren mit möglichst geringem Eigenspannungsabfall ausführte und im übrigen
die Spannung des Generators von Hand,. beispielsweise durch Verstellung von Reguliert'
widerständen in dem Erregerkreis des Generators, nachregelte.
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Anforderungen, welche einerseits die Kurzschlußsicherheit der Generatoren
an die Konstruktion der Wicklung und Schaltanlage stellt, und anderseits der Wunsch,
hoch ausgenutzte und damit billige Maschinen zu verwenden, machen es jedoch sehr
schwer, Stromerzeuger zu verwenden, bei denen der Spannungsabfall, unveränderliche
Drehzahl vorausgesetzt, mäßige Werte einhält. Abgesehen von dieser Schwierigkeit
_ hat das geschilderte Regelungssystem überhaupt noch den Mangel, daß praktisch
die Anforderung an die Konstanz von Drehzahl und Spannung in den meisten Fällen
so geartet ist, daß eine genaue und schnell wirkende Konstanthaltung nur von der
Klemmspannung des Generators verlangt wird, während für die Konstanthaltung der
Drehzahl eine mehr oder weniger große. Toleranz ohne Schaden für die Verbrauchsapparate
zugelassen werden kann. Am empfindlichsten gegen Veränderungen elektrischer Größen
sind nämlich insbesondere elektrische. Beleuchtungsapparate. Diese reagieren jedoch,
nur auf die Spannung des Netzes, nicht auch auf die Frequenz. Elektromotorische
Antriebe, welche bei Wechselstromanlagen auch oder sogar hauptsächlich auf die Frequenz
des zugeführten Stromes und damit auf die Drehzahl der Generatoren reagieren, lassen
dagegen in. der Regel bezüglich der Größe der Drehzahl, eine gewisse Toleranz zu.
Um den meist scharfen Bedingungen an die Konstanz der Spannung, wie sie die Beleuchtungsapparate,
verlangen, gerecht zu werden, ist man daher meist genötigt, trotz des Vorhandenseins
schnell wirkender selbsttätiger Geschwindigkeitsregler auch.noch schnell wirkende
selbsttätige elektrische- Spannungsregler aufzustellen, welche in geeigneter Weise,
beispielsweise durch Verstellung der Erregerwiderstände der Generatoren, die Spannungen
konstant halten. Dieser Ausweg hat den Nachteil, daß verhältnismäßig hohe Aufwendungen
für die Aufstellung zweier schnell wirkende-- Regler gemacht werden müssen, und
daß unter Umständen die Anlage durch die Anwesenheit zweier solcher Regler verhältnismäßig
verwickelt gestaltet wird.
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Dieser Mangel wird dadurch beseitigt, daß man einen selbsttätigen
Spannungsschnellregler aufstellt, welcher jedoch gar nicht oder nicht ausschließlich
in der bisher üblichen Weise auf die Erregung der Generatoren einwirkt, sondern
erfindungsgemäß in erster Linie die Steuerung der Antriebsmaschine des Generators
mit Hilfe eines öldruckservomotors beeinflußt. Jede elektrische Maschine hat nämlich
die Eigenschaft, auch wenn man konstante Erregung voraussetzt, bei höherer Drehzahl
eine höhere Spannung einzustellen. Wenn man daher die Erregung einer derartigen
Maschine fest auf einen angemessenen Mittelwert einstellt, kann man sehr wohl durch
mäßige Veränderungen der Drehzahl die Spannung des Generators bei allen Belastungsverhältnissen
auf den vorgeschriebenen konstanten Wert einstellen. Es ist daher möglich, einen
Spannungsregler aufzustellen, welcher nicht oder nicht ausschließlich die Erregerwiderstände
b.eeinflußt, sondern der die Drehzahl der Maschine beherrscht und damit gewissermaßen
indirekt die Spannung der Stromerzeuger auf den gewünschten Wert einstellt.
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Von bekannten Vorrichtungen, bei welchen u in liontaktvoltmeter einen
elektrischen Hifsmotor anläßt, der seinerseits die Steuerung der Antriebsmaschinen
beeinflußt, unterscheidet sich die vorliegende Erfindung dadurch, daß ein schnell
wirkender öldruckregler mit direkter elektrischer Steuerung verwendet wird. Die
Regelung mit Hilfe eines der soeben beschriebezten Kontaktregler ergibt nämlich
nur eine, langsam wirkende, sogenannte träge Regelung, welche keine zuverlässige
und genügend genaue Konstanthaltung der zu, regelnden elektrischen Größen gestattet.
Erfindungsgemäß wird nun eine vollkommene und schnelle Regelung dadurch erzielt,
daß ein, elektrisch gesteuerter, schnell wirkender öldrwckregler unmittelbar die,
Steuerung der Antriebsmaschine verstellt, wodurch eine schnell wirkende und genaue
Regelung in der gleichen Weise erzielt wird, wie sie sonst bei der Geschwindigkeitsregelung
derartiger Maschinen üblich ist, jedoch mit dem erfindungsgemäßen sehr wesentlichen
Vorteil, daß in der oben allgemein auseinandergesetzten Weise nicht die Drehzahl
der Maschine konstant gehalten wird, sondern unmittelbar durch Schnellregelung der
mechanischen Steuerung der Antriebsmaschinen -des Generators die Spannung oder sonst
eine zu
regelnde Größe unveränderlich oder in bestimmter Abhängigkeit
von der Belastung o. dgl. gehalten wird, während die Nachstellung der Frequenz entweder
nur gelegentlich von Hand vorgenommen wird, oder einer anderen Vorrichtung überlassen
bleiben kann, an deren Schnelligkeit und Genauigkeit selbstverständlich geringere
Anforderungen gestellt werden können. Es wird daher durch die vorliegende Erfindung
ein Weg gewiesen, um unter Ersparnis eines der sonst üblichen, schnell wirkenden
Regler eine vollkommene Regelung eines Maschinennetzes zu erzielen, was gegenüber
der üblichen Bauweise eine wesentliche Vervollkommnung darstellt.
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Die erfindungsgemäße Regelung dadurch, daß der Regler zum Zweck einer
Konstanthaltung der Spannung unmittelbar auf die, Kraftzufuhr der Antriebsmaschine
wirkt, hat den weiteren Vorteil einer besseren Ausnutzung der zum Antrieb benutzten
Energie auch bei schwächerer Belastung. Bei schwacher Belastung ist im Gegensatz
dazu bei der Spannungsregelung allein durch den Feldwiderstand der Wirkungsgrad
häufig sehr schlecht.
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Bei der Verwendung eines derartigen selbsttätigen Reglers können jedoch
Trägheitserscheinungen noch Ursache einer zu langsamen Regelung sein. Zur Vermeidung
des schädlichen Einflusses solcher Trägheitserscheinungen wird nach dem weiteren
Gegenstand der Erfindung der Regler mit einer stetig wirkenden Rückführung oder
rückwirkenden Kompensation ausgerüstet, welche die Arbeit des Reglers in unmittelbare
Abhängigkeit bringt von der Stellung der Kraftmaschinensteuerung, die ihrerseits
die Zufuhr des Kraftmittels zu der Antriebsmaschine bestimmt. Gegenüber den sonst
etwa gebräuchlichen Stelleinrichtungen unterscheidet sich die vorliegende Rückführung
oder Kompensation dadurch, daß sie in stetiger Form unmittelbar auf das elektrische
Steuerorgan oder die damit zusammenhängenden Steuerungsteile des Spannungsreglers
einwirkt, derart, daß eine zwangläufige Verknüpfung der mechanischen Reguliervorgänge
und der elektrischen Steuerung des Reglers erzielt wird. Nur auf diese Weise ist
es nämlich möglich,, die bereits obenerwähnten schädlichen Einflüsse der Trägheit
so zu kompensieren, daß, eine schnelle und genauere Regelung ermöglicht wird. -Sowohl
die Trägheit von Massen als auch magnetische Trägheit kommen als Ursache für derartige
schädliche Einflüsse in Betracht, die durch Einführung der Rückführung überwunden
werden. Turbinenbetriebene Stramerzeuger, auf deren Regelung sich die Erfindung
bezieht, weisen ganz besonders eigenartigc. häufig dem Betrag nach sehr große, im
übrigen ihrer Größe nach sehr schwankende Massenträgheiten auf, nämlich die Trägheiten
der bewegten Massen des Betriebsmittels für die Turbinen.
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Bei einer Wasserturbine beispielsweise, die von einem hochgelegenen
Staubehälter aus gespeist wird, ist die Trägheit der bewegten Wassermassen beträchtlich,
verglichen mit der Trägheit der rotierenden Massen des Generators. Der erstgenannte
Teil der Trägheit ist außerdem stark veränderlich. Er hängt nicht nur bei gleichartig
gebauten Stromerzeugern von dem Querschnitt und der Druckhöhe des Flüssigkeitsvorrates
ab, er hängt bei ein und demselben Stromerzeuger von dem veränderlichen Druckwasserbedarf
in der ganzen Zeit ab, die das Wasser zum Durchströmen der Zuflußrohre braucht.
Um selbst unter für die Schnelligkeit der Regelung ungünstigsten Verhältnissen hohe
Reguliergeschwindigkeiten ohne Pendelung zu erzwingen, findet eben nach der Erfindung
aus den vorgenannten Gründen eine stetig wirkende Rückführung Verwendung.
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Es ist bekannt, stetig wirkende Rückführungen bei rein elektrischen
Reglern anzuwenden. Bei elektrischen Reglern hat jedoch die Rückführung eine untergeordnete
Bedeutung insofern, als der Regler auch ohne Rückführung arbeitet, wenn keine allzu
große Reguliergeschwindigkeit verlangt wird. Insbesondere jedoch braucht eine derartige
Rückführung in der Nähe der Beharrungslage des Reglers nicht spielfrei zu sein,
weil bei einem elektrischen Regler einerseits die Neigung der Pendelerscheinungen
geringer ist als bei dem vom Erfinder in die Praxis eingeführten elektrischen Turbinenregler,
und weil anderseits mäßige Pendelerscheinungen, d. h. fortwährendes Hinundhergehen
der Regulierorgane, soweit es sich um eine elektrische Regelung handelt, nicht als
Nachteil empfunden wird, ja sogar durch besondere Anordnungen unter Umständen noch
künstlich angestrebt wird. Bei der elektrischen Turbinenreglung ist dagegen die
Erzielung einer schwingungsfreien Regelung wichtig, weil etwaige Unruhe der Regelung
sich hier auch auf die Drehzahlen der Turbine erstreckt und meist sehr große Unruhen
der Drehzahl und der Generatorspannung bedingt.
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In gewissen Fällen ist es zweckmäßig, außer der durch die Stellung
der Kraftma.schinensteuerung bewirkten Rückführung eine Rückführung von einem Tachometer
vorzusehen, dessen Stellung von der Umlaufzahl des Stromerzeugers abhängt. Anstatt
dessen kann an dem Regler auch ein anderes frequentempfindliches Organ oder eine
frequenzempfindliche Zusatzanordnung für Rückführungszwecke
mit
dem gleichen Erfolge vorgesehen werden.
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In vielen Fällen wird die bei der varb,eschriebenen Schaltung eines
elektrischen Spannungsreglers notwendige Veränderung der Drehzahl des Stromerzeugers
die zulässigen Werte der Frequenz oder Drehzahlschwankung nicht übersteigen. Werden
auch an die Unveränderlichkeit der Drehzahl hohe Anforderungen gestellt, so ist
es .in der bereits angegebenen Weise möglich, eine Abminderung der Drehzahlschwankungen
dadurch zu erhalten, daß man dem selbsttätigen Spannungsregler gleichzeitig und
neben der Einwirkung auf die Steuerung der Antriebsmaschine des Generators noch
eine unmittelbare Einwirkung auf den Stromerzeuger einräumt, beispielsweise dadurch,
daß man den Spannungsregler gleichzeitig die Steuerung der Antriebsmaschine des
Generators und der Regulierwiderstände im Erregerkreis des Stromerzeugers verstellen
läßt.
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In noch einfacherer Weise läßt sich erfindungsgemäß eine Einschränkung
der Drehzahlschwankungen erreichen, wenn man für die Erregung der Stromerzeuger
,eine direkt gekuppelte oder synchron laufende Erregermaschine verwendet. Bei einer
derartigen Erregermaschine wird nämlich bei Erhöhung der Drehzahl des Generators
die Erregerspannung steigen, wodurch der Einfuß der Drehzahländerungen auf die Spannung
des Generators verstärkt wird. Eine weitere Verstärkung ist möglich, wenn man die
Erregermaschine nicht aus einer konstanten Stromquelle erregt, sondern sie mit Selbsterr%-ung
betreibt, oder aber zu ihrer Erregung gleichfalls synchron laufende Hilfserregermaschinen
verwendet. Dieses Mittel läßt sich durch beliebig weitgehende Hintereinanderschaltung
derartiger Maschinen steigern, daß selbst sehr geringe Drehzahlschwankungen genügen;
um eine Konstanz der Spannung des Hauptstromerzeugers zu erzielen.
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Die vorbeschriebene Einrichtung hat noch den Mangel, daß bei irgendeiner
Störung der elektrischen Maschine, z. B. beim Ausbleiben des Erregerstromes, der
selbsttätige Spannungsregler die Drehzahl der Antriebsmaschine auf ihren höchsten
Wert steigert, wodurch bei gewissen Gattungen von Antriebsmaschinen eine Schädigung
der Maschinenanlage bedingt sein könnte.. Erfindungsgemäß wird dieser Mangel dadurch
beseitigt, daß neben dem Spannungsregler noch ein einfacher Sicherheitsregler aufgestellt
wird, welcher bei Überschreitungen einer gewissen zulässigen Drehzahl eingreift
und die Drehzahl der Antriebsmaschine beschränkt, wobei er nötigenfalls seine Arbeit
auch unter Ausnutzung der Servomotoren des selbsttätigen Spannungsreglers ausüben
kann. Der Sicherheitsregler kann im übrigen auch so, eingelichtet werden, daß er
wie ein gewöhnlicher Regler arbeitet und bei Überschreitung einer gewissen Drehzahl
des Stromerzeugers die Drehzahl unveränderlich auf diesem höchst zugelassenen Werte
hält, bis die notwendige Erregung für den Stromerzeuger eintrifft. Sobald dann die
Spannung des Stromerzeugers den Sollwert erreicht hat, kann der Spannungsregler
wieder eingreifen und die Drehzahl des Aggregats so weit erniedrigen, daß die vorgeschriebene
Spannung nicht überschnitten wird. Diesem Zweck, bei überschreitung einer gewissen
Höchstdrehzahl des Stromerzeugers in. die Steuerung einzugreifen, kann auch die
vorerwähnte tachometrische Vorrichtung dienen.
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Die nähere Untersuchung der vorliegenden reguliertechnischen Aufgabe
zeigt, daß es zweckmäßig sein. kann, den hier erfindungsgemäß erforderlichen Spannungsregler
so einzurichten; daß seine Arbeit in gewisser Weis von der Höhe der Drehzahl. des
Aggregats beeinflußt wird, auch dann, wenn die Drehzahl des Aggregats den zugelassenen
Höchstwert nicht erreicht. Diese Einwirkung der Drehzahl auf den Spannungsregler
kann auch in. de- Weise geschehen, daß sie vorübergehender Natur ist, wodurch gewissermaßen
eine nachwirkende Kompensation, dem Wesen nach ähnlich der im Patent 264 669 beschriebenen,
entsteht.
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In ,gleicher Weise, kann die vorgeschriebene Regelungseinrichtung
verwendet werden, wenn an Stelle der Spannung eine Stromstärke oder eine andere
elektrische Größe ähnlicher Art geregelt werden soll. Besondere Vorteile bietet
die vorbeschriebene Regelungseinrichtung bei Gleichstromanlagen, weil. ja bei diesen.
die Drehzahl der Stromerzeuger für die Vorgänge im Netz keine Bedeutung haben.
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Ein beispielsweises Schema einer erfindungsgemäßen Regelungsanlage
ist durch die Abbildung dargestellt. i ist beispielsweise ein Drehstromgenerator,
der beispielsweise durch die direkt ;gekuppelte Erregermaschine 2 erregt wird. Angetrieben
wird das Stromerzen gungsaggregat durch eine Kraftmaschine, beispielsweise das Turbinenrad
3, welches nach Art der Pelton-Turbinen durch die Düse 4 mit der Nadel 5 aus der
Rohrleitung 6 mit Wasser beaufschlagt wird. Die Betätigung der Kraftsteuerung der
Kraftmaschine, in diesem Fall die Nadel 5, geschieht durch den Servomotorzylinder
7. Der Servomotorzylinder wird durch Preßöl betrieben, welches von der Pumpe 8 geliefert
wird und durch das Steuerventil 9 in bekannter Weise verteilt wird. Das Steuerventil9
wird durch den Magnetkern i o, der in der stromdurchflossenen Spule i i liegt,
betätigt.
Die Spule i i ist unter Vorschaltung eines Widerstandes i a durch die von Generator
i erzeugte Spannung gelegt. Die Wirkungsweise dieser Regelungseinrichtung ist folgende
Solange die Spannung des Generators zu klein ist, wird der Magnetkern i o durch
die Schwerkraft nach unten bewegt, so daß Preßöl aus der Pumpe i in die linke Seite
des Servamotorzylinders 7 eingeleitet wird, was eine Öffnung der Düse q. bewirkt.
Hierdurch wird die Beaufschlagung des Turbinenrades 3 verstärkt und die Drehzahl
des Stromerzeugungsaggregats erhöht. Sobald nun die Generatorspannung gestiegen
ist, wird der Strom in der Spule i i eine vermehrte Anziehungskraft auf den Kern
io ausüben und denselben allmählich anheben. Hierdurch wird die Preßölzufuhr zur
linken Seite des Servomotorzylinders 7 unterbrochen und bei weiterem Steigen des
Kernes io, wie es durch ein größeres Ansteigen der Generatorspannung bedingt wird,
auf die andere, d. h. die rechte Seite des Servomotorzylinders 7 umgeschaltet, wodurch
die Kraftmittelzufuhr zur Turbine und damit die Drehzahl des Stromerzeugeraggregats
ermäßigt wird.
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Diese Regelungseinrichtung allein würde jedicb an dem grundsätzlichen
Mangel der Instabilitätleiden. DerVersuchergibt, daßaußerordentlich heftige Pendelerscheinungen
auftreten im Gegensatz zu der gewöhnlichen Spannungsregelung mittels hydraulischer
Servomotoren. Es erlöschen diese Pendelungserscheinungen, auch dann nicht, wenn
man einen langsam wirkenden Regler anwendet, d. h. die Liefermenge der Pumpe 8 auf
geringe Werte beschränkt, so daß nur langsame Regulierbewegungen ausgelöst werden
können. Schon hieraus ergibt sich ein wesentlicher dynamischer Unterschied gegenüber
der gewöhnlichen Spannungsreglung. Nach der Erfindung ist eine mechanische Beeinflussung
des steuern den Spannungsmessers durch den Servomotor hergestellt. Die hierzu benötigte
Verbindung zwischen Servomotor und Spannungsmesser geschieht beispielsweise folgendermaßen:
Auf die Kolbenstange 13 des Servomotors ist ein. Keil i q. befestigt, welcher
eine Stange 15 auf und ab bewegt. Diese betätigt zum Unterschied von einer
bekannten Anordnung spielfrei eine an dem Magnetkern io befestigte Blattfeder 16
zwecks stetiger Rückführung. Um die dauernde Einwirkung dieser Einrichtung auszuschließen,
ist noch eine Ölbremse 17 in das Gestänge 15 eingeschaltet.
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Daß es sich hier nicht bloß um eine aus Analogien ohne weiteres gegebene
Anwendung bekannter Rückführung von Turbinenreglern handelt, ergibt sich aus der
Tatsache, daß wesentlich andere Wirkungen als mit der gewöhnlichen Geschwindigkeitsregelung
erzielbar sind. Z. B. ist es möglich, mit der geschilderten Einrichtung Stromerzeugungsag,
gregate ohne nennenswerte Schwungmassen einwandfrei zu regeln, und dies sogar auch
dann, wenn bei den zum Betriebe dienenden Wasserturbinen lange Rohrleitungen vorhanden
sind. Bekanntermaßen bereitet es bei der gewöhnlichen Turbinenregelung aus den früher
genannten Gründen besonders große Schwierigkeiten, Kraftmaschinen ohne Schwungräder
zu regeln, insbesondere werden, bei langen Rohrleitungen besonders große Schwungräder
gefordert.