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Regeleinrichtung für Kraftmaschinen Bei der Leistungsregelung von
Kraftmaschinen wird je nach den Bedingungen, die einzuhalten sind, entweder nach
einer bestimmten Frequenzleistungsstati.k oder frequenzunabhängig auf konstante
Übergabe- oder Maschinenleistung geregelt.
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Zunächst wurden zur Leistungsregelung Regler verwendet, welche sekundär
auf Drehza'hlverstellmotoren von primären Drehzahlreglern der Kraftmaschinen einwirken.
Bei der Frequenzleistungsregelung brauchte man dann einen Frßquenzregler, einen
Leistungsregler und einen Drehzahlregler. Beim Übergang zu Leistungsreglern, die
wie ein Drehzahlregler primär auf die Hauptsteuerung der Kraftmaschine einwirken,
versuchte man nun mit zwei statt drei Reglern nach einer Frequenzleistungsstatik
zu steuern, indem man den primären Drehzahlrealer als Freuueiizrealer benutzte,
so daß als weiterer Regler nur noch ein Leistungsregler nötig war.
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Die Herstellung einer Frequenzleistungsstatik durch einen primären
Drehzahlregler in Zusammenarbeit mit einem primären Leistungsregler bereitet aber
erhebliche Schwierigkeiten. Der Drehzahlregler soll den Servomotor statisch steuern,
d. h. die Rückführung des Servomotors soll jeder Belastung der Kraftmaschine eine
abweichende Solldrehzahl zuordnen. Dies ist notwendig, um die Kraftmaschine mit
andern parallel arbeiten. zii lassen. Die Aufrec'hter'haltung einer solchen Statik
kann auch aus Stabilitätsgründen notwendig sein. Wenn. diese Forderung auch meist
entfällt, solangle der Leistungsregler in Betrieb ist, weil letzterer die Wirkung
einer Statik ersetzt, so muß doch in Stärungsfällen, der Drehzahlregler ohne Hilfe
des
Leistungsreglers: die stabile Regelung der Maschine aus Sichenheitsgründen
allein übernehmen können. Mit Rücksicht auf Störungsfälle muß also der Drehzahlregler
zur Wahrung der Stabilität und des Parallelbetriebes. eine Statik haben, d. h. jeder
Belastung der Maschine muß eine andere Solldrehzahl entsprechen.
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Eine solche Statik verunmöglicht aber die Einhaltung eines Frequenzleistungsgesetzes,
d. h. einer eindeutigen, von, der Belastung unabhängigen Zuordnung von Drehzahl'.
,und Leistung, wenn. der Drehzahlregler und der Leistungsregler zusammen auf .den.
gleichen statischen, Servomotor einwirken. Da bei einer bestimmten geregelten Stilleistung
jeder Belastung der Kraftmasehine eine andere Drehzahl zugeordnet ist, wird dieser
Solleistung je nach: der Belastung eine andere -Drehzahl zugeordnet, das Frequenzleistungsgesetz
also verfälscht.
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Um jeder Drehzahl eine bestimmte Leistung, unabhängig von der Belastung
der Kraftmaschine, zuzuordnen, muß:te man deshalb bisher die Rückführung des, Servomotors
unwirksam machen, um die Statik des. Servomotors aufzuheben. Ein, astatischer Servomotor
ist aber in Störungsfällen, in denen der Drehzahlregler allein den, Servomotor steuert,
wie schon erwähnt, nicht imstande, den Parallelbetrieb und die Stabilität sicherzustellen.
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Aber auch solange der Leistungsregler in. Betrieb ist, 'hat ein astatischer
Servomotor, der vom Leistungsregler und Drehzahlregler gleichzeitig gesteuert wird.,
bedeutende Nachteile. Die Frequenzleistungsstatik läßt sich nämlich in einem solchen
Fall nur dadurch verändern, daß das Einwirkungsverhältnis beider Regler auf die
Steuerung verschoben wird. Um im Bedarfsfalle gänzlich frequenzumabhängig auf' konstante
Leistung zu regeln, müß.te man, dann die Wirkung des Dre'hza'hlreglers auf Null
heruntersetzen, was einer unendlich großen Statik .des Drehzahlreglers entspricht.
Abgesehen davon, daß die Regeleinrichtung in Störungsfällen vollkommen unbrauchbar
würde, weil der Drehzafilregler dann überhaupt keine Wirkung mehr auf die Kraftmaschine
ausübt, muß. aus Stabilitätsgründen auch bei Betrieb des Leistungsreglers eine Statik
des Drehzahlreglers eingehalten -,vordem, die kleiner oder gleich ist wie die Statik
der parallel laufenden .Drehzahlregler des Netzes.
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Um im Beharrungszustand auf eine Solleistung zu regeln, die unabhängig
von der Frequenz konstant bleibt, muß man deshalb zur Sicherung der Stabilität den
Drehzahlregler vorübergehend mit einer bestimmten Statik mitarbeiten lassen:. Dies
ließ sich bisher nur erreichen, indem man das Leistungs-frequenz.gesetz, d.'h. den
Verhältniswert der Änderungen von Solleistung und Frequenz, nicht auf Null heruntersetzte,
sondern eine gewisse minimale Leistungsfrequenzstatik zuließ. Nur so konnte man
ein Unendlichwerden der Drehzahl-. statik verhindern, worauf es aus Stabilitätsgründen
allein; ankommt. Aus mangelnder Erkenntnis .dieser Zusammenhänge wurde der Fehlschluß
gezogen, daß es aus Stabilitätsgründen notwendig sei, eine gewisse Leistungsfrequenzstatik
aufrechtzuerhalten.
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Eine Regelung auf konstante, von der Frequenz unabhängige Leistung
ist stabil durchführbar, wenn es gelingt, die Wirkung des Drehzahlreglers vorübergehend
aufrechtzuerhalten. Eine frequenzunabhängi:ge Regelung der Leistung ist ins:beson.-dere
in Netzen unentbehrlich, die so groß sind und Frequenzscnwankungen von so hohem
Maß aufweisen, .daß die leistungsgeregelte Maschine nicht groß genug ist, um diese
großen Frequenzschwankungen auszugleichen. Hierfür sind die bisherigen Anordnungen
unbrauchbar.
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Die bisher übliche Aufhebung der Statik des Servomotors hat aber noch
den weiteren Nachteil, daß schon bei der kleinsten: Abweichung vom Sollwert das
Steuerorgan die Servomotorbewegumg mit voller Verstellgeschwindigkeit einsetzen:
läßt, weil sie nicht durch die Rückführung .aufgehalten wird. Zur Sicherung der
Stabilität kann es dagegen zweckmäßig sein, den Leistungsregler mit einer mit der
Abweichung vom Sollwert ansteigenden Verstellgeschwimdigkeit arbeiten zu lassen.
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Die erwähnten Übelstände lassen; sich beheben, und ferner läßt sieh
eine bis zur vollem Frequenzunabhängigkeit einstellbare Leistungsfrequenzstatik
herstellen:, wenn gemäß ,der Erfindung zwischen den Leistungsregler und den Servomotor
ein Steuerglied eingeschaltet ist, welches eine Statik des Dre'hza'hlreglers bei
verschiedenem Belastungen der Kraftmaschine aufrechtzuerhalten, und ferner eine
Statik zwischen der Drehzahl und der Solleistung herzustellen gestattet, ohne daß
Änderungen der Belastung auf den Sollwert der geregelten Leistung zurückwirken.
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In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen des Erfindungsgegenstands
in verein'fachter Darstellungsweise veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. i eine
Ausführungsform mit einer Kompensationsvorrichtung zur Aufhebung der Belastungsunabhängigkeit
der Leistungsregelung und Fig.2 eine Ausführungsform mit einer astatischen, hydraulisch
betätigten Vorsteuerung.
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In Fig. i bezeichnet i eine Kraftmaschine, die einen Generator 2 antreibt.
Durch' eine Leitung 3 speist dieser ein Netz q., an das ein weiterer Stromerzeuger
5 und Verbraucher 6 angeschlossen sind. An die Leitung 7 ist ein Leistungsregler
8 angeschlossen, der zusammen mit einem Drehzahlregler 9 über einen Steuerschieber
io und, einen Servomotor i i ein den Zufluß zur Kraftmaschine i beherrschendes Organ
12 steuert. Eine Pumpe 13
dient der Ölversorgung des Servomotors i i und einer
Vorsteuerung 14. mit Steuerschieber 15. Der Steuerungsein:fluß .der Vorsteuerung
i¢ ist nach oben und unten durch den Hub ihres Kolbens 16 begrenzt. Solange eine
Stromspule 17, z. B. bei abgeschalteter Leitung 7, stromlos ist, zieht eine Feder
i8, das. Gestänge i9 nach oben. Die Kraft der Feder 18 und damit die Solleistung
läßt sich durch ein Handrad 181 einstellen. Der Kolben 16 wird( bei diesen Betriebszuständen
in die untere
Grenzlage gedrückt; die Steuerpunkte 2o und 21 sind
dann in Ruhe, und der Drehzahlregler 9. beherrscht allein die Kraftmaschine i, indem
er über die Steuerpunkte 22, 23, 24 den Steuerschieber io betätigt. Durch eine Rückführung
26 wird über Steuerpunkt 27 die für Parallelbetrieb mit andern Stromerzeugern und
die Stabilität notwendige Statik des Dre'hza'hlreglers 9 hergestellt, indem jeder
Belastung der Kraftmaschine i eine andere Stellung des Drehzahlreglers g, also eine
andere Drehzahl zugeordnet ist.
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Ohne diese notwendige Statik zu zerstören, wird durch eine Kompensationseinrichtung
28 erreicht, daß Belastungsänderungen der Kraftmaschine i den jeweils in. Betrieb
befindlichen Leistungsregler 8 nicht beeinflussen. Diese Kompensationseinrichtung
28 hat einen Kompensationspunkt 29, der im Beharrungszustand in Ruhe bleibt, solange
der Drehzahlregler 9, also der Steuerpunkt 22, unverändert bleibt und auch eine
Drehzahlverstellvorrichtung 33 nicht betätigt wird'. Dies ist der Fall, wenn sich
die Frequenz und damit die Stellung des Drehzahlreglers g nicht verändern. Angenommen
nun, -es habe sich nach einer Belastungsänderung der Kraftmaschine der Kolben des,
Servomotors i i so bewegt, daß der Steuerpunkt 27 nach 271 gewandert ist. Dies erfolgt,
nachdem durch Ansprechen der Vorsteuerung 14 eine Verstellung der Steuerpunkte 24,
23, 24 32, 20, 3'i bis in die gestrichelt eingezeichneten( Lagen 241, 231,211, 321,
201, 311 stattgefunden hat. Dabei verschiebt sich aber auch der Steuerpunkt
3o der Kompensationseinrichtung 28 nach 301, so daß der Kompensationspunkt 29 seine
Stellung beibehält. Eine Zugfeder 34 greift am Gestänge ig an einem Punkt'35 an,
und zwar mit einem Hebelarm in bezug auf den Drehpunkt 36, wobei sich dieser Hebelarm
durch eine Stellschraube 37 verändern läßt. Die Vorsteuerung 14 ist immer dann in
Ruhe, wenn sich der Steuerschieber 15 in der gezeichneten Mittellage befindet. Im
Beharrungszustand befinden sich also die Steuerpunkte 38 und 35 immer in der gleichen
Lage. Da der Kompensationspunkt 29 bei allen Belastungen der Kraftmaschine i ebenfalls
immer seine Lage beibehält, ist somit jede Belastungseinwirkung auf den Leistungsregler
8 kompensiert.
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Trotzdem bewirkt jede Drehzahländerung eine Änderung der geregelten
Solleistung, wodurch ein von der Belastung unabhängiges Leistungsfrequenzgesetz
eingehalten werden kann. Eine Verschiebung des Punktes 22 in senkrechter Richtung
bedingt nämlich nach Ansprechen der Vorsteuerung 14 eine entsprechende Verschiebung
des Kompensationspunktes 29 und wegen einer Veränderung der Spannung der Zugfeder
34 auch eine veränderte Kraft, welcher der Leistungsregler 8 das Gleichgewicht zu
halten hat.
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Die Vorsteuerung 14 gestattet also zusammen mit der 28 als Zwischenglied
zwischen Leistungsregler 8 und Servomotor i i die Statik zwischen Dre'hza'hl und
Solleistung aufrechtzuerhalten, ohne daß Änderungen der Belastung auf den Sollwert
der geregelten Leistung zurückwirken, und dies bei voller Aufrechterhaltung der
Statik des Drehzahlreglers bei verschiedenen Belastungen. Der Hub des Kolbens 16
der Vorsteuerung 14 läßt sich so bemessen., daß der Kolben 16 bei Drehzahländerungen,
die ein bestimmtes Maß übersteigen, durch die entsprechenden Hübe des; Steuerpunktes
22 in eine seiner Grenzlagen. gedrückt wird, so daß der Drehzahlregler 9 sofort
die Kraftmaschine i allein beherrscht. Seine Statik bleibt nach wie vor voll erhalten,
was ohne irgendwelche Umstelleingriffe Parallelbetrieb und Stabilität sicherstellt.
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Die Sicherung der Stabilität bei gleichzeitigem Betrieb des Leistungsreglers
8 wird dadurch erleichtert, daß, ganz unabhängig von der Verstellgeschwindigkeit
-des Servomotors i i, der meist mit konstanter, sehr hoher Verstellgeschwindigkeit
arbeiten wird, der Leistungsregler 8 mit mäßigen, von der Öffnung des Steuerschiebers
15 stark abhängigen Verstellgeschwindigkeiten arbeiten kann. Diese mit der Abweichung
der geregelten Werte vom Sollwert stärk anwachsenden Verstellgeschwindigkeiten werden
vom Servomotor i i vermöge der statischen Wirkung seiner Rückführung 26 wie durch
ein festes Gestänge auf das Zuflußorgan 12 übertragen.
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Da .die Statik .des Drehzahlreglers 9 immer er-'halten bleibt, ist
es ohne Gefährdung der Stabilität zulässig, die Leistungsfrequenzstatik auf Null
zu stellen, indem man durch die Stellschraube 37 den Angriffspunkt 35 bis unter
den Drehpunkt 36 verschiebt. Da dann die Zugfeder 34, weil kein Hebelarm vorhanden
ist, auch bei. Drehzahländerungen, also Stellungsänderungen des Drehzahlreglers
9, nicht auf den Leistungsregler 8 zurückwirkt, bleibt die Leistung unabhängig von
der Frequenz konstant. Im Gegensatz zur bisherigen Lösung, bei der man die Wirkung
des Drehzahlreglers. vollständig ausschalten mußte, blieibt die Stabilität erhalten,
weil der Drehzahlregler g vorübergehend stabilisierend wirkt, wobei seine Verstellwirkung
durch die nun vollkommen astatische Vorsteuerung 14 wieder aufgehoben wird, ähnlich
wie bei der vorübergehenden Statik einer Isodromrückführung. Bei Bedarf läßt sich
die Leistungs.frequenzstatik bis auf negative Werte verstellen, indem man den Angriffspunkt
35 über den Drehpunkt 3,6 hinaus nach links verschiebt.
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Die Belastungsunlabhängigkeit des Leistungsreglers 8 läßt sich auch
durch andersartige Kompensation erreichen. So kann man z. B. mit einer Vorsteuerung
arbeiten, die durch eine Feder auf einer Seite des Kolbens 16 oder am Steuerschieber
15 eine Statik erhält, die dann wiederum in Abhängigkeit vorn der Verstellbewegung
.des Servomotors. i i zu kompensieren ist.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform bezeichnet 39 eine Kraftmaschine
mit Zuflußorgan. 4o, Servomotor 41, Steuerschieber 42 und Rückführung 43. Ferner
bezeichnet 44 einen Drehzahlregler mit Drehzahlverstellung 45, und 46 bezeichnet
eine Vorsteuerung mit Kolben 47 und Steuerschieber 48 für einen Leistungsregler
49 mit Zugfeder 5o, Einstellhandrac
15o' und Leistungsspule5i. Ein
Gestänge 52 hat einen Angriffspunkt 53, dessen. Hebelarm sich einem Drehpunkt 54
gegenüber durch ein Handrad 55 verschieben läßt. Ein Steuerpunkt 56 ist durch eine
Druckfeder 57 mit einer Membran 58 verbunden, die einen Steuerstift 59 gegen, eine
Ausflußöffnung 6o drückt. Der von der Membran 58 umschlossene Raum ist durch eine
Leitung 61 mit einem von einer Membran 6-2 umschlossenen Raum verbunden. Die Membran
62 wirkt über eine Feder 63 auf den erwähnten Angriffspunkt 53 ein. Eine Ölpumpe
64 speist außer den Steuerschiebern, 42 und 48 über eine Blende 65 auch das - Mernbransystem
58,6:2 mit Drucköl..
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Durch den Steuerstift 59 wird der Ausfluß aus Öffnung 6o so
geregelt, daß jeder Drehzahl der Kraftmaschine, also jeder Stellung des Drehzahlreglers,
44, entsprechend der -Spannung der Druckfeder 57 ein bestimmter Öldruck in den Membranen
58 und 62 zugeordnet ist und damit auch eine bestimmte Spannung der Druckfeder 63.
Die Wirkung ist also die gleiche, wie wenn die Feder 63 unmittelbar am Steuerpunkt
56 angreifen würde. Die hydraulische Übertragung hat aber den Vorteil, daß die Verbindung
des Leistungsreglers 49 mit der übrigen Steuerung nur durch Rohrleitungen 61, 66,
67 erfolgen kann, was die örtliche Trennung und die Montage erleichtert.
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Der Steuerschieber 48, regelt die Vorsteuerung 46 vollkommen astatisch,
solange die Drehzahl konstant bleibt. Denn, bei festliegendem Steuerpunkt 56 üben
weder die Bewegungen des Koibens.47 der Vorsteuerung 46 noch des Servomotors 41
Rückwirkungen auf den Steuerschieber 48 aus. Dagegen bewirkt jede Änderung, der
Drehzahl, also jede Verschiebung des Steuerpunktes 56, eine Änderung .der von Feder
63 ausgeübten Druckkraft, was eine Verschiebung der Solleistung des Leistungsregler
s, 49 bedingt.. Es wird also wiederum eine Leistungsfrequenzstatik hergestellt,
ohne Abhängigkeit von der Belastung und ohne die -Statik zwischen Belastung und
Drehzahl- aufzuheben.
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Statt durch Gestänge und Einstellvorrichtungen, die Spannung von Federn
und Änderung von Hebelarmem, kanw die Verbindung zwischen Reglern und. Steuerorganen
in bekannter Weise auch durch elektrische Rückführungen, verstellbare Widerstände
und elektrische Brückenschaltungen erfolgen, die durch Stromspulen Stehkräfte auf
den Leistungsregler ausüben.
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Die beschriebenen Regeleinrichtungen lassen sich nicht nur verwenden,
wenn die Übergabeleistung zwischen Verbundnetzen- konstant zu halten ist, sondern
sie eignen sich auch für Fälle, wo die Leistung einer Kraftmaschine, mit oder ohne
Abhängigkeit von der Frequenz, konstant zu halten ist.