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Einrichtung zur Regelung von Kraftmaschinen zum Antrieb parallel arbeitender
Generatoren In elektrischen Kraftnetzen war es bisher üblich, die Frequenzhaltung
einem einzigen Kraftwerk zuzuweisen, während den übrigen Werken die Einhaltung einer
bestimmten Last, gegebenenfalls nach einem vorliegenden Fahrplan, vorgeschrieben
wurde. Mit zunehmender Vergrößerung der Netze macht jedoch dies sowohl in betriebstechnischer
als auch in wirtschaftlicher Hinsicht Schwierigkeiten, und man hat daher vorgeschlagen,
die Frequenzhaltung auf mehrere Kraftwerke zu verteilen.
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Da ein Parallelarbeiten mehrerer frequenzhaltender Kraftwerke nicht
ohne weiteres möglich ist, sind zu diesem Zwecke bereits besondere Regeleinrichtungen
vorgesehen «-orden, welche den Kraftmaschinenreglern zugeschaltet werden. Diese
sollen in der Weise arbeiten, daß die Spannungsvektoren der parallel arbeitenden
frequenzhaltenden U'erke gegenüber einem mit konstanter Frequenz umlaufenden Vektor
(Normalvektor) nur um einen verhältnismäßig gleichen Betrag nacheilen können. Die
so gewonnene, auf den Normalvektor bezogene Statik der parallel arbeitenden Regler
gewährleistet als-. dann, daß sich die anfallende Last auf die einzelnen Werke in
einem durch sonstige Maßnahmen gegebenen Verhältnis verteilt. Im Gegensatz dazu
wäre zwischen parallel arbeitenden Kraftwerken, in denen die Frequenz in der üblichen
Weise geregelt wird, infolge der unvermeidlichen Ungenauigkeiten der Regler dauernd
die Neigung zu einer zunehmenden gegenseitigen Lastverschiebung vorhanden.
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Anstatt den Normalvektor an einer einzigen Stelle zu erzeugen und
ihn zu den einzelnen Kraftwerken hinzuleiten, kann dieser auch in den betreffenden
Werken jeweilig selbständig erzeugt werden, sofern dafür gesorgt ist, daß ein genauer
Gleichlauf zwischen den einzelnen Normalvektoren besteht. Dies geschieht in bekannter
Weise dadurch, daß in den in Betracht kommenden Kraftwerken ein umlaufendes Organ
mit einer definierten Normaldrehzahl versehen und dieses mit einem an die Netzspannung
angeschlossenen Synchronmotor in differentieller ZVeise gekuppelt wird. Die erforderliche
Normaldrehzahl kann mit genügender gegenseitiger Übereinstimmung beispielsweise
dadurch gewonnen werden, daß das betreffende Organ durch L hrenmechanismen gesteuert
wird.
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Die auf diese Weise gebildete Differenz zwischen der Lage des jeweiligen
Netzvektors und des \Tormalvektors ergibt sich zu ja =Q-.l»do9#dt, wenn
d 0o = 0) - wo
und co = Kreisfrequenz des Netzvektors,
- Kreisfrequenz des Normalvektors, = die zwischengeschaltete, im nachfolgenden noch
näher erläuterte Übersetzung ist.
Infolge der obigen Beziehung soll
diese Art der Reglung mit Frequenzintegralreglung bezeichnet werden.
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Es besteht nun die Frage, mit welcher. Geschwindigkeit bzw. mit welcher
Über='''. setzung QO diese Regeleinrichtung mit Riieksicht auf die zugelassenen
Frequenzschwan-n kungen und die Stabilität des Betriebes arbeiten darf. Es liegen
zwar schon Angaben darüber vor, wobei in einem Fälle die Verwendung der synchronen
Differenzgeschwindigkeit selbst und im anderen Falle eine Drehzahl entsprechend
der Schwingungsfrequenz eines normalen Pendels vorgeschlagen wurde. Diese grundverschiedenen
Angaben für den Übersetzungsfaktor, die sich im VerhäVnis i : So bis i : iooo voneinander
unterscheiden, lassen erkennen, daß die theoretische Bedeutung dieser Bemessungsfrage
noch nicht klar erkannt ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eindeutige Bemessungsregel
für den Übersetzungsfaktor aus dem dynamischen Ablauf des Regelvorganges und nicht
aus sonstigen Zufälligkeiten heraus herzuleiten. Um bei der Betrachtung den üblichen
Weg einzuschlagen, sei angenommen, daß der Frequenzintegralregler in das Rückführungsgestänge
eines mittelbar wirkenden Reglers eingreife. Die dabei gewonnenen Ergebnisse lassen
sich dann sinngemäß auf dessen Eingreifen auch an anderer Stelle des Reglers übertragen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch
dargestellt, und zwar zeigt Abb. i eine Regelanordnung gemäß der Erfindung, Abb.
2 einen Einzelteil des Reglers.
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In der Abb. i ist i ein Tachometer, dessen Muffe 2 eine der Drehzahl
des Tachometers entsprechende Stellung einnimmt und das Gestänge 3 verstellt. Die
Verstellung des Punktes 2 sei mit y und die verhältnismäßige Verstellung, d. h.
das Verhältnis von y zu den größtmöglichen y, d. h. y.", sei mit 1c bezeichnet.
Diese Verstellung ist aber auch infolge. der Wirkungsweise des Tachometers gleich
der verhältnismäßigen Frequenzänderung, d. h. gleich dem Quotienten aus der bestehenden
Frequenzabweichung gegenüber der einzuregelnden Frequenz zu der zum ganzen Muffenhub
gehörigen Frequenzabweichung. Also ist auch
Das Gestänge 3 verstellt einerseits den Punkt 4. und damit den Steuerkolben 5. Der
Steuerkolben 5 ist in der sog. Decklage dargestellt, in der die beiden Druckölzuführungen
zu dem Servomotor mit dem Motorkolben 6 abgedeckt sind. Die Abweichung des Punktes
.4 und damit des Steuerkolbens 5 von der Mittellage sei mit s und die verhältnismäßige
Ab-
weichung mit ß bezeichnet. Die Stellung des #'lIotorkolbens sei mit in
und die verhältnismäßigeStellung finit,ec bezeichnet. Der Motorkolben 6 steuert
einerseits den Kraftzufluß zur Maschine durch den Leitapparat 7 und anderseits über
den Punkt 8 und den festen Drehpunkt 9 den verstellbar angeordneten Punkt io. Das
dadurch einstellbare Verhältnis . der Bewegungsgeschwindigkeiten des Punktes io
zu der des Punktes 8 sei als Rückführungsübersetzung ß bezeichnet. Durch den Punkt
io wird der Punkt 12, der den zweiten Endpunkt des Gestänges 3 bildet, gesteuert.
Die Verstellung des Punktes 12 sei mit ,s, die verhältnismäßige Verstellung mit
@ bezeichnet. Zwischen den Punkten io und 12 ist nun noch ein verstellbares Glied
gedacht, welches aus der Spindel i i und der in einer Gabel drehbar gelagerten Mutter
13 mit der Scheibe 14 besteht. Die Scheibe 14. steht beispielsweise durch Reibung
oder Zahnrad mit dem Zylinder 15 im Eingriff, so daß sie sich längs der Mantellinie
des Zylinders 15 bewegen kann. Der Zylinder 15 läuft proportional der Winkelgeschwindigkeit
d w um, wobei A co gleich der Differenz zwischen Kreisfrequenz des Spannungsvektors
und derjenigen coo des Normalvektors ist. Diese Differenz kann z. B. durch zwei
Motoren, die miteinander durch ein Differentialgetriebe gekuppelt sind, oder durch
einen doppelt gespeisten Motor gebildet werden, wobei der eine Motor bzw. der Stator
mit der Kreisfrequenz m und der andere Motor bzw. Rotor des doppelt gespeisten Motors
von einer Einrichtung gespeist wird, welche die gewünschte Normalfrequenz cuo erzeugt.
Bei den im folgenden aufgestellten Bewegungsgleichungen ist also angenommen, daß
die Bildung der Differenz und die Reglung nicht etwa intermittierend, sondern stetig
erfolgt. Sieht man von anderen Bewegungen mit dem beschriebenen Regelgestänge ab,
so ergibt sich infolge der Rotation des Zylinders 15 eine Relativbewegung des Punktes
12 gegenüber der Spindel ii. Bezeichnet man weiterhin diese Verstellung mit n und
die verhältnismäßige Verstellung, d. h: den Betrag der Relativverstellung zu der
größtmöglichsten Verstellung Z"""x des Rückführpunktes 12, mit v, so ergibt sich
w ei *t e rhin
worin 9 das Cbersetzungsverhältnis zwischen
der Frequenzdifferenz
d w und der tatsächlich erfolgten Relativverstellung des PunkteS 12, multipliziert
mit der Längeneinheit, darstellt.
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Durch Division der Gleichung (i) mit Z,n" ergibt sich
wenn mit ö co. erweitert wird.
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Für den auf der rechten Seite der Gleichung stehenden ersten und zweiten
Faktor kann nun gesetzt werden:
oder 2 # b«). # Tf = Z.",.
Die letztere Gleichung besagt, daß Tf eine
Zeit, und zwar diejenige Zeit darstellt, in welcher Z"", durchlaufen wird, wenn
sich die Mutter 12 mit der größten Geschwindigkeit O # ö # oo"Z bewegt.
Tf sei daher mit der Integralzeit bezeichnet. Für den dritten Faktor in Gleichung
(2) sei nach der schon oben gegebenen Erklärung eingesetzt:
Alsdann ergibt sich
Betrachtet man nun die aus der Darstellung des Punktes io und aus der Relativverschiebung
der Mutter 12 gegenüber der Spindel ii sich ergebende Gesamtverschiebung des Punktes
12, so ergibt sich diese aus der Differenz der beiden ersteren. Die Gleichung hierfür
lautet, wenn sie mit dem verhältnismäßigen Wert angeschrieben wird: S
= ß - y-v. (4)
Durch Differentiation dieser Gleichung erhält
man
oder mit Gleichung (3) und mit Tf multipliziert
In dieser Gleichung sei noch eine Umformung vorgenommen. Infolge der starren Verbindung
der Punkte i2-2-4 durch die Reglerstange 3 ist einerseits ii = t -f- 6, anderseits
besteht zu ß und ,u die aus der Reglertechnik bekannte Beziehung
wenn Ts eine Zeitgröße, und zwar die sog. Schlußzeit des Reglers, bezeichnet. Hiermit
wird zunächst
und nach Einsetzen dieses Ausdrucks in Gleichung (5')
Durch diese Rückführungseinrichtung ist das Verhalten des mit einem Frequenzintegralindikator
verbundenen mittelbar wirkenden Reglers auf dasjenige eines mit einer Isodromvorrichtung
versehenen Reglers zurückgeführt, sofern von der Massenwirkung des Frequenzintegralindikators
einerseits und der Isodromvorrichtung anderseits der Einfachheit halber abgesehen
wird. Die Rückführungsgleichung eines Isodromreglers lautet nämlich
Durch Koeffizientenvergleich ergibt sich, daß an Stelle der Isodromzeit Ti die Integralzeit
Tf und an Stelle der Rückführungsübersetzung ß die reduzierte Übersetzung weise
des Frequenzintegralreglers maßgeben-
tritt. Die für die Arbeitsden Größen für die Integralzeit Tf und die reduzierte
Rückführungsübersetzung ßf unterliegen also den gleichen Bedingungen wie die entsprechenden
Größen für die Isodromzeit Ti und die Rückführungsübersetzung ß eines Isodromreglers,
wenn die übrigen . Betriebsbedingungen in beiden Fällen die gleichen sind.
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Gemäß der Erfindung wird daher der Frequenzintegralregler derart ausgeführt,
daß zwischen dem Frequenzintegralindikator und dem Eingriffspunkt in die Regelanordnung
eine solche Übersetzung O eingeschaltet ist, daß sich für die Integralzeit Tf ein
Wert ergibt, welcher gleich der unter sonst gleichen Umständen günstigsten Isodromzeit
Ti ist. Ferner wird zweckmäßig das übersetzungsverhältnis der Rückführung ß gegenüber
einem sonst gleichen Isodromregler um die Größe vergrößert. In solchen Fällen, in
denen
mit verhältnismäßig großen Schlußzeiten T, zu rechnen ist und sich infolgedessen
eine zu große Rückführungsübersetzung ergeben würde, kann es zweckmäßig sein, die
Integralzeit um ein entsprechendes Maß zu vergrößern.
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Die Dimensionierungsfrage sei an Hand eines einfachen Beispiels näher
erläutert. Es sei dabei angenommen, daß der Frequenzintegralindikator eine Drehbewegung
mit der
Kreisfrequenz ausführt, die statt durch die Übersetzung,
die in der Abb. i durch die Teile 13, 14, i5 gebildet wird, durch eine Zahnstangenübersetzung
in die Rückführungsanordnung eingeschaltet wird. Das in die Zahnstange eingreifende
Zahnrad habe den Radius r, und es sei ein Übersetzungsgetriebe mit dem Übersetzungsverhältnis
ü zwischen Frequenzintegralindikator und Zahnrad eingeschaltet. Dann ergibt sich
die Verstellgeschwindigkeit des Rückführungspunktes durch den Frequenzintegralindikator
zu
wenn O = ü # y ist.
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Es sei nun ein Kraftmaschinenregler mit einem Frequenzintegralindikator
auszurüsten, für welchen folgende Daten ermittelt sind: Günstigste Integralzeit
Tf- i Sekunde. Maximale ' Geschwindigkeitsschwankung
Maximale Rückführungsabweichung Zmax = 5 cm.
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Alsdann ergibt sich für die Übersetzung
oder bei Annahme eines Zahnrades mit dem Radius y = i cm
Es ist also zwischen Frequenzintegralindikator und Zahnstangenrad eine Übersetzung
von ü - 1 : 2,5 einzuschalten.