DE746744C - Einrichtung zur Frequenzregelung mittels elektrischen Reglers - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Frequenzregelung mittels elektrischen Reglers Die Zugkraft eines Elektromagneten oder das Drehmoment * eines Elektromotors sind beide abhängig vom Strom in ihren Wicklungen. Die Stromstärke in der Wicklung einer der genannten Vorrichtungen kann man dadurch -frequenzabhängig machen, daß man in ihrem Stromkreis entweder eine Selbstinduktion oder eine Kapazität einfügt, wobei Konstanz der Spannung vorausgesetzt wird. Im Falle der Kapazität- variiert dann der Strom proportional, im Falle der Selbstinduktion umgekehrt proportional der Frequenz. Fügt man Kapazität und Selbstinduktion in Reihenschaltung in den Stromkreis ein, so ist die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ein Maß für die Frequenz. Auf diesen Überlegungen beruht die Einrichtung zur Regelung einer Frequenz, die den Gegenstand der Erfindung bildet.
• Es sind nun bereits Vorrichtungen zur Regelung der Frequenz bekannt, bei denen das bewegliche Organ des Reglers vön einem Selbstinduktion und Kapazität enthaltenden Erregersystem beeinflußt wird. Stehen die beiden Selbstinduktion und Kapazität enthaltenden Stromkreise miteinander in Resonanz, so bleibt das Regelorgan in Ruhe; ist aber die Resonanz infolge Abweichung von der einzustellenden Frequenz aufgehoben, so schlägt das Regelorgan. aus, verstellt die zu regelnde Größe und verändert die Frequenz so lange, bis der Normalwert wieder erreicht ist. Ein solcher Frequenzregler arbeitet unter Umständen sehr genau, doch ist er nicht geeignet, größere Verstellkräfte auszuüben. Außerdem haftet Resonanzkreisen noch dadurch eine gewisse Unzuverlässigkeit an, weil außer dem Resonanzpunkt erster Ordnung noch weitere Resonanzpunkte höherer Ordnung bestehen.
• Für größere Verstellkräfte hat man daher ein Waagebalkenrelais mit zwei Zugspulen benutzt, deren eine einer Drosselspule und deren andere einem Kondensator parallel geschaltet war. Eine derartige Einrichtung eignet sich aber nicht für eine direkte Regelung. sondern lediglich als Kontaktapparat. Ferner hat man zur Verstellung des Wasserzuflusses einer Turbine ein Differentialgetriebe vorgeschlagen, dessen Planetenrad bei der gewollten Normalfrequenz in Ruhe ist; die beiden Sonnenräder werden in entgegengesetztem Sinne von zwei dauernd umlaufenden Asynchronmotoren angetrieben, deren Wicklungen Drosselspule bzw. Kondensator parallel geschaltet sind., I-s handelt sich hier also um eine besondere Maschinengruppe zur frequenzabhängigen Verstellung des Kraftmittelzuflus-@tS der Turbine.
• Demgegenüber ist der Frequenzregler nach der Erfnrhing ein Apparat, der im Gegensatz zu dein genannten Waagebalkenrelais vollhoniinen astatisch arbeitet, aber im Gegensatz zu den nach dem Resonanzprinzip arbeitenden Reglern trotzdem geeignet ist, bei vorziig1icher Eigendämpfung erhebliche Verstellkräfte hervorzubringen. Als Regler wird ein solcher mit beschränktem Winkelausschlag nach ci;m Drehfeldprinzip verwendet, der belcanntlich mit ein- oder mehrphasiger Spannung betrieben werden kann. Sein beweglicher Teil steht unter dem Einfluß zweier Wicklungssysteme, von denen das eine Selbstinduktion, das andere Kapazität enthält und die, ohne in Resonanz miteinander zu stehen, derart gegeneinander abgestimmt sind, daß die von ihnen auf das bewegliche Aeglerglied ausgeübten entgegengesetzten Drehmomente sich bei der normalen Frequenz aufheben.
• In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele für die Erfindung dargestellt, und zwar zeigen die Fig. i bis d. grundsätzliche Anordnungen; überall unterliegt das bewegliche Reglersystem dein gegensätzlichen Einfluß zweier Stromkreise, von denen der eine Selbstinduktion, der andere Kapazität enthält. Gemäß Fig. i und -2 wirken die Drehmomente zweier Erregersysteme und gemäß Fig. 3 und d. die Ströme zweier Erregerspulen einander entgegen. Fig.5 und 6 zeigen zwei Anwendungsbeispiele des neuen Frequenzreglers. In allen Beispielen ist ein Regler mit Drehsystem dargestellt, in Fig. 2 und 3 ein solcher mit Schaltkontakten zur Betätigung eines Servomotors, sonst -ein Regler mit Wälzsektor zur unmittelbaren Verstellung von Widerständen, die im Stromkreis eines elektrischen Antriebsmotors oder eines Verstellapparates für die Kraftmittelzufuhr einer beliebigen hraftinaschine liegen.
• Gemäß Fig. i ist der Regler an das Drehstromnetz it angeschlossen. Er .besteht aus zwei vollständigen Regelvorrichtungen, deren Dreh.systenie d, und d2 miteinander starr gekuppelt sind, während ihre Erregerfelder e, und e.. so geschaltet sind, daß die erzeugten Drehmomente einander entgegenwirken. Nun sind den Erregerwicklungen e, des einen Regelsystems Kondensatoren h, denen e2 des anderen Systems Drosselspulen i vorgeschaltet. Bei einer bestimmten Frequenz nehmen beide Systeme e, und e2 einen solchen Strom auf, daß die auf die Drehsysteme dl und d2 ausgeübten Drehmomente sich aufheben. Bei sinkender Frequenz werden Strom und Drehinoment des Systems e, dl kleiner und diejenigen des Systems e2 d2 größer, bei steigender Frequenz ist es umgekehrt. Der Normalwert der Frequenz, bei dem der Regler in Ruhe bleibt, kann. mit Hilfe des regelbaren Vorschaltwiderstandes in eingestellt werden. Schwankungen der Netzspannung sind auf die Einrichtung ohne Einfluß, da beide Svsteine an der gleichen Spannung liegen, deren Schwankungen sich infolgedessen auf beide Systeme in genau gleicher Weise auswirken. Das gleiche gilt für die Phasenverschiebung im \ etz und die Temperatur.
• Man kann den beiden l#--rreg-ersysteinen e, und e2 auch ein einziges, gemeinsames Drehsystem zuordnen, wie das in Fig. a veranschaulicht ist. Statt wie bei Fig. i einen Regler mit Widerstandsverstellung anzutreiben, kann das Drehsystem auch gemäß Fig. 2 lediglich Endkontakte schließen oder öffnen, die zweckmäßig als Schnappkontakte ausgebildet werden.
• Der neue Frequenzregler gemäß Fig. i und 2 besitzt große technische, bauliche und betriebliche Vorteile. Wie schon erwähnt, ist er vollkommen spannungs-, cos 99- und temperaturunempfindlich. Dagegen kann er äußerst empfindlich auf Frequenzänderungen gebaut werden, da er vollkommen astatischen Charakter aufweist. Da das eine System induktiven, das andere kapazitiven Strom aufnimmt, kompensiert sich die Stromaufnahme beider Systeme, und infolgedessen ist der Bedarf des Reglers an Scheinleistung äußerst gering. Schließlich ist der Verlauf des (--)resaintdrelimoinentes in Abhängigkeit von der Frequenz sehr günstig, da das Einzeldrehmoment jede Systems eine quadratische Funktion des Stro-, mes ist.
• Um die Ansprechgenauigkeit des neuen Reglers zu erhöhen, kann man auch den Frequenzregler nach dein Gegenschaltungsprinzip gemäß Fig. i oder 2 mit einem solchen der eingangs genannten bekannten Art kombinieren, der auf Resonanzabweichungen anspricht, indem man die Drehsysteme der beiden Regler miteinander kuppelt.
• Eine weitere Abart des Erfindungsgedankens wird durch den Regler nach Fig. 3 verkörpert. Sein Drehsystem d wird von drei Spulen o, p, q beeinflußt, die wieder derart gespeist werden, daß die .Ströme in ihnen dann ein Drehfeld- erzeugen, wenn die Frequenz von der normalen abweicht. Zu diesem Zweck ist die Spule o des Reglers an die Spannung zwischen zwei Phasen des Spannungswandlers t angeschlossen, während di; beiden Spulen p und q zwischen der dritten Phase und dem Nullpunkt des Wandlers liegen. Der Kreis der Spule p enthält den Kondensator la, der Kreis der Spule q die Drosselspule i nebst Einstellwiderstand na. Kapazität und Selbstinduktion in den Kreisen der Spulen p und q werden nun so abgeglichen, daß sich die in ihnen erzeugten Felder bei N orinalfrequenz genau aufheben .und daher kein Drehmoment auf das Drehsystem d ausgeübt wird. Weicht die Frequenz vom Normalwert ab, so nimmt der Strom z. B. in der Spule p zu und zugleich der um i8o° verschobene Strom in der Spule q ab, und der resultierende, Strorn erzeugt ein Feld, das mit dem um 9o° verschobenen der Spule o ein Drehnioment ergibt.
• Es ist natürlich nicht nötig, daß die Phasenverschiebung zur Erzeugung des Drehmomentes 9o° beträgt. Ferner kann man den resultierenden Strom zur Speisung des Reglers auch in einem besonderen Stromwandler erzeugen, wie das-in Fig. 4 dargestellt ist. Hier sitzen die beiden von der gleichen Netzphase. finit 18o° phasenverschobenen Strömen gespeisten Wicklungen p und q auf dem Eisenkern eines Stromwandlers w. Bei Abweichung der Frequenz vom Normalwert speist dessen dritte Wicklung r die Spule s des Reglers, . dessen zweite Wicklung o von einer anderen Phase des Netzes n erregt wird.
• Der Regler nach Fig. 3 und 4 besitzt ähnliche Eigenschaften wie derjenige nach Fig. i und 2." Auch er läßt sich zwecks Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit mit einem solchen nach dem Resonanzprinzip kuppeln.
• # Im folgenden seien noch zwei wichtige Anwendungsgebiete des neuen Reglers an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
• Fig. 5 zeigt die Regelung der Belastungsverteilung auf die vier Generatoren I bis IV einer elektrischen Kraftstation. Jeder Generator werde von einer Wasserturbine angetrieben, deren Beaufschlagung in üblicher Weise von einem Vervomotor i geregelt wird. Dessen Regelventil wird von einem elektrischen Leitungsregler z verstellt, dgr eine Spannungs-, eine Strom- und eine Steuerwicklung j besitzt, vori denen die letzten beiden an die gleiche Netzphase angeschlossen sind und einander entgegenwirken. Die Steuerwicklung j wird von einem Frequenzregler nach der Erfindung beeinflußt, dessen Drehsystem d entsprechend der Zahl der zu regelnden Generatoren vier Wälzsektoren auf ihren Widerständen gleichzeitig verstellt. Jedem Generator I bis IV sind ein Sektor des Drehsystems d und eine Steuerspule j zugeordnet, welch letztere den Servomotor i der zugehörigen Turbine k beeinflußt. Die Turbinen k, Sert-omotorend und Verstellreglef z sind der Übersichtlichkeit wegen nur bei einem der vier Generatoren I .bis IV dargestellt; nur die vier Steuerspulen j sind vollständig eingezeichnet. In den Stromkreisen dieser Spulen liegen noch Handregler y, die dazu dienen, den Belastungsanteil- jedes Generators individuell nach Bedarf von Hand einzustellen. Auf diese Weise können die Belastungsverhältnisse des Kraftwerks von einer Stelle aus beherrscht werden.
• Statt der einzelnen Generatoren eines Kraftwerks können natürlich auch die Einzelwerke einer Gruppe von zusammengeschlossenen Kraftwerken in ihrer Belastungsverteilung beliebig von einem- Zentralpunkt beeinflußt werden. Auch kann man die Widerstän;le y selbsttätig, etwa nach einem gegebenen Fahrplan oder Verteilungsschlüssel, verstellen lassen. -Als weiteres Beispiel für die Anwendung des neuen Frequenzreglers kann der Mehrmotorenantrieb einer Papiermaschine dienen. Bekanntlich hängt das Papiergewicht pro laufenden Meter bzw. die Dicke des Papiers von der Geschwindigkeit der Papiermaschine ab. @Vill man gleichmäßiges Papier haben, so muß man die Maschine mit ebenso gleichmäßiger Geschwindigkeit laufen lassen; diese muß daher ständig an Hand von Probemessungen nachreguliert werden. Verwendet man aber den Frequenzmesser nach der Erfindung, so kann die Geschwindigkeit selbsttätig genau konstant gehalten werden. Fig.6 zeigt schematisch den Mehrmotorenantrieb einer Papiermaschine mit den Motoren i, 2, 3 usw., die von der Leonarddynamo x aus gespeist werden. Der relative Gleichlauf aller Motoren i, 2, 3 usw. wird durch Differentialreg-ler v gewährleistet, deren Leitfrequenz von einem kleinen Synchrongenerator as geliefert wird. Dessen Frequenz wird nun von einem Frequenzregler d, e nach der Erfindung jeweils konstant gehalten, welcher auf die Drehzahl des die Maschine u treibenden Motors einwirkt. Statt dessen könnte der Frequenzregler natürlich auch auf die Spannung der Leonarddynamo x bzw. ihrer Erregermaschine einwirken. Dies hat den Erfolg, daß die Leitfrequenz, geliefert von der Maschine u, genau konstant bleibt, unabhängig von äußeren oderinneren Einflüssen, wie Schwankungen der Frequenz des Hauptnetzes za, Temperatureinflüssen usw. Will man andere Papierstärken erzeugen, so verstellt man gleichzeitig mit der Spannung der Leonarddynamo auch die Leit-e Frequenz durch andere Abstimmung der induktiven Verhältnisse der Erregerkreise des Frequenzreglers.
• Selbstverständlich sind mit den genannten Beispielen die Anwendungsgebiete des neuen Reglers nicht erschöpft. Unter anderem ist er z. B. in vielen Fällen geeignet, in Verbindung mit einem kleinen Wechselstromerzeue r als einfacher Drehzahlregler den gewöhnlichen Fliehkraftpendelregler zu ersetzen. Diesem elektrischen Drehzahlregler kann man in einfachster Weise alle die verschiedenen Charakteristiken geben, die ein Pendelregler haben kann: man kann Ungleichförinigkeitsgrad und Statik durch Dämpfung und Federung des Drelrsystenis beeinflussen. Auch kann man den neuen Regler als Leistungs-oder als Isodromregler ausbilden.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Einrichtung zur Frequenzregelung mittels elektrischen Reglers, dessen Erregerstromkreise aufeinander abgestimmte Selbstinduktion und Kapazität enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler als Drehfeldregler mit beschränktem Winkelausschlag ausgebildet ist, dessen beweglicher Teil unter der Wirkung zweier Wicklungssysteme steht, die unter Verineidung von Stromkreisen mit beim Sollwert der Frequenz auftretender Resonanz entgegengesetzte Drehmomente erzeugen, wobei der Strom in der einen Wicklung durch Selbstindulztion, der Strom in der anderen durch Kapazität bestimmt ist, die derart gegeneinander abgeglichen sind, daß die von ihnen auf den beweglichen Reglerteil ausgeübten. Drehmomente sich beider Normalfrequenz aufheben. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Systeme zweier Regler miteinander fest verbunden sind. ,;. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß beide Erregersysteme des Reglers auf einen getiieinsatneti Anl;.:r einwirken. a. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler mit drei Erregerspulen ausgerüstet ist, von denen eine über Selbstinduktion, die zweite über Kapazität und diese beiden init etwa iSo° Phasenverschiebung von der gleichen Netzphase gespeist werden, wä@irend die dritte Spule von einem gegenüber den beiden erstgenannten, zweckmäßig um 991 phasenverschobenen Strom gespeist wird. Einrichtung nach Anspruch .1, dadurch gekennzeichnet, daß der restiltierende Strom aus den beiden um i8o° phasenverschobenen Strömen in einem besonderen Stromwandler gebildet und einer Spule des Reglers zugeführt wird, der außerdem nur noch eine weitere den phasenverschobenen Strom führende Spule besitzt. 6. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche System eines Reglers nach Anspruch i mit dein beweglichen System eines an sich bekannten, auf Resonanzabweichungen ansprechenden Frequenzreglers starr gekuppelt ist, zum Ziveck, die Ansprechgenauigkeit des Reglers zu erhöhen. 7. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Reglersystem mehrere Stromkreise beeinflußt. B. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche System des Reglers mit Wälzsektoren gekuppelt ist, die sich auf einer feinstufigen Kontaktbahn abwälzen. g. Einrichtung nach Anspruch 7 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehsystem des Reglers mehrere Wälzsektoren verstellt, die in verschiedenen Stromkreisen liegen. io. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Selbstinduktion oder die Kapazität oder beide regelbar sind, zum Zweck, den einzuregelnden Frequenzwert einzustellen. i i. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzregler als Ersatz des Fliehkraftpendelreglers einer Kraftmaschine dient. 12. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch i und 7 für den Zweck der Lastverteilung auf die Generatoren oder Generatorgruppen eines Elektrizitätswerkes oder auf die verschiedenen Werke eines Netzes. 13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der den Generatoren bzw. Werken zugeordnete gemeinsame Frequenzregler auf den elektrischen L eistungsregler der zu beeinflussenden Maschinen einwirkt, welcher unmittelbar oder üb;r einen Kraftvernielirer (Servomotor) die Beaufschlagung der Maschine einstellt. i.1. Einrichtunb nach Anspruch g untl 12, dadurch gekennzeichnet, daß den von einem gemeinsamen Frequenzregler beeinflußten Generatoren. Gruppen oder Werken je ein vom Regler verstelltes Regelorgan zugeordnet ist und daß jeder ein Rügelorgan enthaltende Stromkreis mit einem von Hand einstellbaren Regelwiderstand versehen ist. , 15. Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 für die Konstanthaltung der Drehzahl von elektrisch betriebenen Papiermaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzregler aus dem Netz gespeist wird, welches die Leitfrequenz für den relativen Gleichlauf der Motoren liefert. 16. -Anwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 für die Konstanthaltung der Drehzahl von in Leonardschaltung betriebenen Motoren, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselstrom zur Speisung des-Frequenzreglers einem kleinen, vorn Gleichstrom der Leonarddynämo aus angetriebenen Synchrongenerator entnommen wird, und daß der Frequenzregler auf die Erregung der Leonarddynamo einwirkt. Zur Abgrenzung des Anmeldungsgegenstandes vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: deutsche Patentschriften ... Nr. q_49 749, 455122, 465 984 477 557, 496 178, 552 619, 547 9213 576 778, 588 371; österreichische Patentschriften Nr. 127 313, 134 099 schweizerische Patentschriften Nr. 135 054 146 095; französische Patentschrift ... Nr. 718 323; USA.-Patentschrift . . . . . . . . Nr. 848 925; Archiv für techn. Messen (1931), 1 12, V 3612-1.