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Vorrichtung zur Regelung von Betriebsgrößen elektrischer Maschinen
In dem Hauptpatent ist eine Vorrichtung zur Regelung von Betriebsgrößen elektrischer
Maschinen vorgeschlagen worden, bei der durch Beeinflussung der Kraftmittelzufuhr
der 'Antriebsmaschinen mit Hilfe eines elektrischen Reglers insbesondere die Leistungsabgabe
oder Drehzahl von Wechselstromerzeugern geregelt werden kann. Von dem elektrischen
Regler wird bei einer Abweichung zwischen Istwert und Sollwert der zu regelnden
Betriebsgröße ein Regeleinfluß auf die Antriebsmotoren der Verstellorgane für die
Kraftmittelzufuhr gegeben, der die Verstellorgane um einen von der jeweiligen Lage
der Verstellorgane abhängigen Betrag verstellt.
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Dem Hauptpatent liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, daß es die Bauart
der bekannten Regler, insbesondere aber die Bauart der Ventile für die Kraftmittelzufuhr,
mit sich bringt, daß die Änderung, welche die zu regelnde Betriebsgröße erfährt,
nicht linear von dem von dem Verstellorgan zurückgelegten Weg abhängig ist. Bei
Kraftmaschinen mit Drehzahlregler ist z. B. die durch den Tourenverstellmotor herbeigeführte
Änderung der Leistungsabgabe nicht linear abhängig von der Zahl der Umdrehungen,
die der Tourenverstellmotor ausführt. Die Fig. r zeigt beispielsweise die Leistungsabgabe
N einer Dampfturbine in Abhängigkeit von der Zahl der Umdrehungen, die der Tourenverstellmotor
ausführt. Die Abweichungen der Reglercharakteristik von der geraden Linie sowie
die dadurch bedingte nicht lineare Abhängigkeit der Leistungsabgabe von der Stellung
des Tourenverstellmotors sowie die Verschiedenheit der Charakteristiken zwischen
den Reglern mehrerer Kraftmaschinen verureacht eine ungleichmäßige Belastungsverteilung
zwischen mehreren ein und dasselbe Energieverteilungsnetz speisenden gleich großen
Wechselstromerzeugern.
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In dem Hauptpatent wird die Abhängigkeit der bei einem Regelvorgang
bewirkten Verstellung des Verstellorgans der Kraftmittelzufuhr von der jeweiligen
Lage des Verstellorgans dadurch herbeigeführt, daß ein Regelmotor in die Schaltarme
eines Schaltrades für die Bewegung des Verstellorgans eingreift und die Entfernung
der Schaltarme voneinander verschieden groß bemessen ist. Bei dieser Lösung ist
ein besonderes Zwischengetriebe zwischen Verstellmotor und Verstellorgan notwendig,
welches aus dem Schaltrad mit den Schaltarmen und einem Schaltstift, der die Schaltarme
antreibt, besteht. Das Zwischengetriebe gibt keine feste Verbindung zwischen
Verstellmotor
und Verstellorgan und läßt damit die Möglichkeit offen, daß sich die Regelung nicht
mit der nötigen Genauigkeit abwickelt.
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Die Erfindung zeigt eine zweckmäßigere Ausbildung der Vorrichtung
gemäß dem Hauptpatent, bei der das aus Schaltrad und.Schaltarmen bestehende Zwischengetriebe
vermieden wird. Gemäß der Erfindung wird die Verstellgeschwindigkeit oder die Laufdauer
der Antriebsmotoren durch mit den Verstellorganen der Kraftmittelzufuhr gekuppelte
Hilfsglieder in Abhängigkeit von der jeweiligen Lage der Verstellorgane verändert.
Hierbei wird also unmittelbar auf die Antriebsmotoren eingewirkt, so daß diese mit
der Verstellvorrichtung in normaler Weise verbunden werden können.
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In den Fig.2, 3, 4. sind als Ausführungsbeispiele der Erfindung Regelungen
für die Frequenz und für die Drehzahl oder Leistungsabgabe von Stromerzeugern dargestellt.
Der Übersichtlichkeit halber ist nur je ein Maschinensatz gezeichnet, obwohl mehrere
Maschinensätze, die vorzugsweise mit gleichartig gebauten Reglern ausgerüstet sind,
auf ein gemeinsames Netz arbeiten können.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine stetige
indirekte Regelung einer Dampfturbine, die einen Wechselstromgenerator antreibt.
Mit i ist die Turbine bezeichnet; 2 ist der Generator, der auf die Sammelschiene
3 arbeitet. q. ist ein Drehzahlregler bekannter Bauart, der das Dampfventil 5 beeinflußt.
Der Übersichtlichkeit halber sind die bei derartigen Reglern gebräuchlichen Hilfsvorrichtungen,
z. B. Rückführgestänge usw., nicht dargestellt. 6 ist der Tourenverstellmotor. 7
ist ein Frequenzrnesser, der auf den Tourenverstellmotor 6 einwirkt. Bei dem in
Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt der Frequenzmesser unmittelbar auf
den beweglichen Kontakt 8 des Spannungsteilers 9 ein. Bei praktischen Ausführungen
wird man zwischen diesen beiden Teilen eine geeignete Kraftverstärkervorrichtung
setzen. Der Anker des Tourenverstellmotors 6 ist zwischen den Kontakthebel 8 und
den Mittelpunkt der Batterie io angeschlossen. Wenn die Frequenz des Netzes mit
der Sollfrequenz übereinstimmt, so nimmt der Kontakthebel 8 die dargestellte Lage
ein. Dem Anker des Tourenverstellmotors 6 wird dann keine Spannung zugeführt. Weicht
dagegen die Frequenz vom Sollwert ab, so verschiebt sich der Berührungspunkt zwischen
dem Kontakthebel 8 und dem Spannungsteilerwiderstand 9, so daß dem Anker des Tourenverstellmotors
6 eine Spannung zugeführt wird. Die Richtung der Spannung und damit die Drehrichtung
des Motors ist davon abhängig, ob die Frequenz unter- oder oberhalb der Sollfrequenz
liegt. Die Höhe der Spannung ist abhängig von der Größe der Differenz zwischen der
Soll- und Istfrequenz. Um die Laufgeschwindigkeit des Tourenverstellmotors 6 von
dem Arbeitsbereich des Reglers auf seiner Charakteristik abhängig zu machen, ist
der Erregerstrom für das Feld des Tourenverstellmotors 6 von der Lage des Drehpunktes
ii des Reglergestänges abhängig gemacht. Da die Lage dieses Drehpunktes in einer
festen Beziehung zu der Lage des Ankers des Tourenverstellmotors steht, so ist der
Erregerstrom des Tourenverstellmotors abhängig von der jeweiligen Lage seines Ankers.
Die Abhängigkeit des Erregerstromes wird mit Hilfe des im Erregerstromkreis liegenden
Regelwiderstandes i2 erreicht, dessen Kontakt von der Kurvenscheibe 13 gesteuert
wird. Diese Kurvenscheibe ist starr mit der den Drehpunkt ii tragenden Stange 18
verbunden. Die Kurvenscheibe kann natürlich auch mit Hilfe des Übersetzungsgetriebes
(Hebel, Schneckengetriebe u. dgl.) beeinflußt werden. Die Form der Kurvenscheibe
kann auf Grund der Kenntnis der in Fig, i dargestellten Kurven des Reglers so gewählt
werden, daß die Geschwindigkeit, mit der sich die Leistungsabgabe der Turbine i
ändert, proportional der Umlaufgeschwindigkeit des Ankers des Tourenverstellmotors
6 ist. Solange diese Umdrehungsgeschwindigkeit konstant ist, ist auch die Leistungsänderung
konstant.
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Die Wirkungsweise der Einrichtung nach Fig. i ist ohne weiteres zu
erkennen. Sobald die Frequenz vom Sollwert abweicht, erhält der Anker des Tourenverstellmotors
Strom. Die Stärke des Erregerfeldes ist abhängig von der Lage der Kurvenscheibe
13, die mit dem Reglergestänge fest verbunden ist.
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Da der Arbeitspunkt der Reglercharakteristik in einem bekannten Zusammenhang
mit der Energieabgabe bzw. der Stellung-des Dampfventils steht, so kann man die
Lage der Kurvenscheibe auch von der Stellung des Dampfventils oder der Leistungsabgabe
abhängig machen. Man kann beispielsweise in die Zuleitung zum Generator 2 einen
Leistungsmesser 1q. einschalten und in Abhängigkeit von der von diesem Leistungsmesser
gemessenen Leistung die Kurvenscheibe Z3 verstellen, die dann vom Reglergestänge
entkuppelt sein muß. Die gestrichelte Linie 15 deutet an, daß in diesem Falle der
Leistungsmesser 1q. auf die Kurvenscheibe 13 einwirkt.
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Es kann erwünscht sein, die Verstellgeschwindigkeit des Tourenverstellmotors
6 zusätzlich auch noch von anderen Größen, z. B. den jeweiligen Frequenzfehlern
(für die Regelung von Synchronuhren) der zeitlichen Frequenzänderung o. dgl., abhängig
zu machen. Dies kann beispielsweise in der Weise geschehen, daß man die dem Tourenverstellmotor
6 zugeführte Spannung in Abhängigkeit von diesen Größen ändert. Man kann beispielsweise
den Anschlußpunkt des
Erregerstromkreises an die Batterie 16 von
einer dieser Größen, z. B. Frequenzänderung, beeinflussen. Man hat zu diesem Zweck
nur notwendig, den Anzapfpunkt an der Batterie durch einen Indikator 17 für diese
Größe, z. B. Frequenzänderung, zu beeinflussen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird nicht die Laufgeschwindigkeit
des Tourenverstellmotors, sondern die Laufdauer beeinflußt. Die mit Fig. 2 übereinstimmenden
Teile tragen. die gleichen Bezugszeichen. Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Kommandos zur Veränderung der Leistungsabgabe von dem an sich bekannten
Fallbügelgerät Z9 gegeben. Es sei angenommen, daß der Ausschlag des Zeigers des
Fallbügelgeräts der Frequenz proportional ist. Der Fallbügel 2o wird periodisch
durch den Elektromagneten 21 gegen die Kontaktbahn 22 gedrückt. Sofern die Frequenz
vom Sollwert um einen bestimmten Betrag abweicht, kommt der Zeiger unter dem Einfluß
des Fallbügels 2o mit einem der Kontakte 23 oder 24 in Berührung. Der Zeiger ist
an dem Pluspol der Batterie angeschlossen. Die Kontakte 23 und 24 sind mit den Wicklungen
der Relais 25, 26 verbunden. Diese Relais sind mit den Selbsthaltekontakten 27,
28 ausgerüstet, die im .Stromkreis des Kontaktes des Relais 29 liegen. Die Relais
tragen ferner die Ruhekontakte 30 und 31, die den Stromkreis des Zeitrelais
32 steuern. Die Kontakte 33 und 34 der Relais sind mit den Enden der beiden Wicklungshälften
des Tourenverstellmotors 6 verbunden. Das Zeitrelais 32 enthält das Kontaktorgan
35, das normalerweise von dem Elektromagneten 36 in der dargestellten Lage gehalten
wird. Wird der Stromkreis dieses Elektromagneten durch Öffnen der Kontakte 3o oder
31 unterbrochen, so bewegt sich das Kontaktorgan 35 unter dem Einfluß der Feder
37 und der Luftbremse 38 langsam in Richtung des Pfeiles 39 und dem Gegenkontakt
40 zu. Die Lage des Kontaktes 40 ist in der gleichen Weise wie der Kontakt 12 in
Fig. 2 von der Kurvenscheibe 13 abhängig gemacht. Die Zeitdauer, die das
Kontaktglied 35 benötigt, um den Gegenkontakt zu erreichen und damit das Relais
29 zu erregen, ist also von der Lage der Kurvenscheibe 13 und somit von dem Arbeitspunkt
auf der Reglercharakteristik abhängig. Die Kurvenscheibe 13 kann natürlich auch,
wie in Fig. 2 bereits angedeutet, von der Leistungsabgabe des Generators 2 abhängig
sein.
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Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Es sei angenommen, daß die
Frequenz über dem Normalwert liegt und daher der Zeiger 41 des Fallbügelgerätes
z9 über dem Kontakt 22 liegt. Sobald der Zeiger gegen diesen Kontakt unter dem Einfluß
des Fallbügehnagnets 21 gedrückt wird, wird der Stromkreis der Erregerwicklung des
Relais 26 geschlossen. Nach dem Lüften des Fallbügels hält sich dieses Relais über
den Selbsthaltekontakt 28, in dessen Stromkreis die Kontakte des Relais 29 liegen.
Wenn das Relais 26 erregt ist, wird der Kontakt 3z, geöffnet und damit das Zeitrelais
32 zum Anlaaf gebracht. Es wird ferner der Kontakt 34 geschlossen, so daß der Tourenverstellmotor
6 Strom erhält, wobei er durch die obere Feldwicklungshälfte erregt wird. Er verstellt
nun den Regler im Sinne einer Verminderung der Frequenz bzw. der Leistungsabgabe.
Je nach der jeweiligen Lage der Kurvenscheibe 13 erreicht das Kontaktorgan 35 des
Zeitrelais 32 nach einer kürzeren oder längeren Zeit bzw. nach z bis 3 Sek. den
Gegenkontakt 40. Dadurch wird das Relais 29 erregt und öffnet seinen Kontakt. Das
hat zur Folge, daß der Selbsthaltestromkreis des Relais 26 unterbrochen wird und
der Anker dieses Relais in die Ruhelage zurückkehrt. Dadurch wird der Magnet 36
des Zeitrelais 32 erregt und bringt das Kontaktorgan 35 in seine Ruhelage. Außerdem
wird der Stromkreis des Tourenverstellmotors 6 unterbrochen. Wenn die dadurch herbeigeführte
Änderung der Frequenz oder Leistung nicht ausreicht, so wiederholt sich dasselbe
Spiel erneut, sobald der Fallbügel 29 das nächste Mal in Tätigkeit tritt. Bei Frequenzabweichungen
im umgekehrten Sinne, als ursprünglich angenommen, wiederholt sich das beschriebene
Spiel ähnlich, nur mit dem Unterschied, daß dann das Relais 25 erregt wird und der
Tourenverstellmotor 6 über die untere Wicklungshälfte Strom erhält. Er läuft daher
in umgekehrter Richtung.
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Wenn man die Geschwindigkeit, mit der die zu regelnde Größe, z. B.
die Leistung, verstellt wird, zusätzlich abhängig von anderen Größen, z. B. zeitlichen
Frequenzänderungen, machen _ will, so kann man in den Stromkreis des Tourenverstellmotors
6 den Widerstand 42 einschalten. Der Kontakt 43 dieses Widerstandes wird dann in
Abhängigkeit von dem Indikator für die Frequenzänderung bzw. die Größe, von der
die Regelgeschwindigkeit abhängig sein soll, gesteuert. Dieser Indikator ist in
Fig. 3 mit 44 bezeichnet. Wenn es sich darum handelt, die Regelgeschwindigkeit von
der Frequenzänderung abhängig zu machen, so kann dieser Indikator an die Sammelschiene
3 angeschlossen sein.
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Eine ähnliche Wirkung erhält man, wenn man die Häufigkeit, mit der
der Zeiger 41 durch den Fallbügel 2o gegen die Kontaktpaare 22 gedrückt wird, abhängig
von einer weiteren Größe, .z. B. der Frequenzänderung oder des Frequenzfehlers,
macht.
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Eine zusätzliche Abhängigkeit der mittleren Verstellgeschwindigkeit
kann man auch erhalten, wenn man als Indikator, z. B. für die Frequenz, eine Vergleichsanordnung
verwendet, wie sie
in Fig. 4 dargestellt ist. Die in dieser Figur
dargestellte Anordnung kann an Stelle des in Fig.3 gestrichelt umrahmten Fallbügelgerätes
benutzt werden. Die Vergleichsanordnung bekannter Bauart enthält ein Triebsystem
45, das den Kontaktarm 46 antreibt. Die Umlaufgeschwindigkeit dieses Kontaktarms
ist dann mit dem Istwert der zu regelnden Größe, z. B. der Frequenz, proportional.
Man kann beispielsweise als Triebwerk einen selbst anlaufenden Synchronmotor verwenden.
Der Kontaktarm 46 spielt zwischen der Kontaktgabel 47, die über die magnetische
Kupplung 48 vom Triebwerk 49 angetrieben wird. Ihre Umlaufgeschwindigkeit ist so
eingestellt, daß sie dem Sollwert der zu regelnden Größe entspricht. Die magnetische
Kupplung wird jedesmal gelöst, wenn der Arm 46 mit einem Kontakt des Hebels 47 in
Berührung kommt und dadurch ein Stromimpuls einem der Relais 25 oder 26 zugeleitet
wird. Die Kupplung kann ferner in bekannter Weise nach bestimmten Zeitabständen
periodisch gelüftet werden. Da der Kontaktarm 46 um so häufiger mit den Kontakten
des Hebels 47 in Berührung kommt, je größer der Geschwindigkeitsunterschied zwischen
den beiden Teilen, d. h. je größer die Differenz zwischen Ist- und Sollwert ist,
so wird die Häufigkeit, mit der der Tourenverstellmotor in Gang gesetzt wird, ebenfalls
abhängig von der Differenz zwischen Ist- und Sollwert. Damit wird auch die mittlere
Regelgeschwindigkeit von dieser Differenz abhängig.
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Bei mehreren parallel arbeitenden Stromerzeugern hat man @s durch
Wahl der Impulsdauer auch in der Hand, Einfluß auf die gewünschte relative Beteiligung
verschieden großer Maschinen an den Reguliervorgang zu nehmen.
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Anstatt bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung die Drehgeschwindigkeit
des Tourenverstellmotors zusätzlich von weiteren Größen, z. B. der Frequenzänderung,
zu beeinflussen, kann man auch die Laufdauer zusätzlich von einer solchen Größe
verändern, indem man beispielsweise die Laufdauer des Zeitrelais 32 von derartigen
Größen abhängig macht. Bei Verwendung einer Wirbelstrombremse für das Zeitrelais
kann man beispielsweise das Magnetfeld dieser Bremse von der Frequenzänderung abhängig
machen.
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Die in Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen die
Regelung einer Turbine in Abhängigkeit von der Frequenz. Wenn man an Stelle der
Frequenzmesser Leistungsmesser oder andere Meßinstrumente setzt, kann man die Leistungsabgabe
der Maschine natürlich auch von einer Leistung, z. B. der Übergabeleistung zwischen
zwei Kraftwerken, abhängig machen.