-
Anordnung zur Regelung technisch-physikalischer Betriebsgrößen
Für
die Zwecke der Messung und Regelung werden häufig die Meß- und Regelgrößen in verhältnisgleiche
Ströme oder Spannungen umgeformt, da diese gegenüber den ursprünglichen Meßgrößen
Vorteile, wie die Möglichkeit der Fernübertragung und der Zusammenfassung, bieten.
Derartige Geräte, die als Meßwertumformer bezeichnet werden, arbeiten meist als
selbststeuernde Kompensatoren, indem sie den Strom, der über das Kompensationssystem
fließt, oder die an dieses System angelegte Spannung beeinflussen, bis die Wirkung
des Kompensationssystems gerade die Wirkung des Meßsystems aufwiegt. Ein derartiger
nach dem Kompensationsprinzip arbeitender Meßwertumformer, der mit einem Vergleich
der Drehmomente arbeitet, ist in Fig. I schematisch dargestellt. I ist ein Meßsystem,
das elektrischer oder mechanischer Art sein kann. Mit ihm durch eine Achse verbunden
ist das Kompensationssystem 2. Von dem Kompensationssystem wird das Einstellorgan
für den Kompensationsstrom, welches aus einem veränderlichen Widerstand 4 und einem
beweglichen Einstellglied für den Widerstand 3 bestrebt, beeinflußt. In Reihe mit
dem Kompensationssystem ist noch ein Instrument oder ein Stellmotor für Regelzwecke
5 geschaltet. Die Drehmomente des Meßsystems und des Kompensationssystems wirken
gegeneinander, daher stellt sich das Kompensationsgerät so ein, daß das Drehmoment
des Meßsystems das Drehmoment des Kompensationssystems aufwiegt. Der Kompensationsstrom
ist somit ein Maß für die Meß-oder Regelgröße und kann in einem Instrument
angezeigt
oder zur Einwirkung auf einen Stellmotor für Regelzwecke benutzt werden.
-
Auf weitere mit der gleichen Achse gekuppelte AIeßsysteme oder zusätzliche
Wicklungen des Meßsystems können weitere Drehmomente durch andere Meßgrößen ausgeübt
oder von Hand eingestellt werden, so daß der Strom des Kompensationssystems der
Summe oder der Differenz aller Drehmomente entspricht. Das zusätzlich eingestellte
Drehmoment kann beispielsweise bei einer Regelung dem Sollwert entsprechen, während
dem Meßsystem der Istwert der zu regelnden Größe zugeführt wird. Das Kompensationsgerät
liefert in diesem Fall einen der Abweichung zwischen Ist-und Sollwert verhältnisgleichen
Strom. Um für die Regelung auch Ströme mit wechselnder Richtung zu erhalten kann
beispielsweise die Rückleitung des Instrumentes oder Stellmotors 5 an eine Mittelanzapfung
des veränderlichen Widerstandes 4 gelegt werden, so daß mit Hilfe des Einstellgliedes
3 Spannungen positiven oder negativen Potentials eingestellt werden können. Nach
der Schaltung gemäß Fig. 2 kann der veränderliche NViderstand auch in einer Brückenschaltung
liegen, wobei ebenfalls bei entsprechender Abgleichung der Brücke Ströme beider
Richtungen gesteuert werden können.
-
Die Bezugszeichen in Fig. 2 zeigen die gleichen Schaltungselemente
an wie in Fig. I.
-
Derartige Geräte werden in Verbindung mit Regeleinrichtungen zur
Konstanthaltung bestimmter Regelgrößen verwendet. Bei Regelungen ist jedoch häufig
nicht eine einzige Regelgröße maßgebend, sondern es müssen gleichzeitig eine oder
mehrere weitere Größen beachtet werden, die im Verlauf der Regelung nicht über-
oder unterschritten werden sollen. Ein solcher Fall ist in Fig. 3 dargestellt. Ein
Generator G wird von einer Turbine T angetrieben. Über die Sammelschiene speist
der Generator die an die Leitung Lv angeschlossenen Verbraucher. Außerdem soll der
Generator eine bestimmte konstante oder nach Fahrplan veränderliche Leistung über
die Leitung Lü an das an diese Leitung angeschlossene Netz abgeben.
-
Wird an die Obergabemeßstelle ein als Meßwertumformer wirkendes Kompensationsgerät
Ü angeschlossen und durch diesen der Regler R der Turbine beeinflußt, so sucht der
Regler ohne Rücksicht auf die Belastungsfähigkeit des Generators die Ubergabeleistung
konstant zu halten. Dadurch besteht die Gefahr einer Überlastung des Generators,
falls die der Leitung Lv entnommene Verbraucherleistung zu groß wird. Um also den
Maschinensatz nicht zu gefährden, muß die Höherregelung bei Erreichen der Maschinenrollast
oder der zulässigen Überlast unterbunden werden. Es ist daher bei der Regelung nicht
nur die tjbergabeleistung, sondern auch die Höhe der Maschinenbelastung zu berücksichtigen.
Zu fordern ist in einem solchen Fall eine Regelung nach der geknickten Kennlinie
gemäß Fig. 4, die man auch als Übergabeleistungsregelung mit Begrenzung durch die
Maschinenleistung oder als Maschinenleistungsregelung mit Begrenzung durch die Übergabeleistung
auffassen kann.
-
Ähnliche Regelaufgaben treten auf, wenn innerhalb gewisser Grenzen
bei einer Maschine eine bestimmte Übergabeleistung konstant gehalten werden soll,
während beim ueber oder Unterschreiten festgelegter Frequenzabweichungen die NIaschine
allein auf Frequenz geregelt werden soll. An Stelle der Forderung nach reiner Frequenzregelung
kann auch die Maschine bei zu großen Frequenzabweichungen nach einer bestimmten
Frequenzübergabeleistungskennlinie geregelt werden. In diesem Fall würden sich geknickte
Kennlinien ergeben, wie sie in Fig. 8 dargestellt sind. Es sind auch noch viele
andere Fälle möglich, bei denen die Aufgabe einer Regelung nach geknickten Kennlinien
bzw. mit Begrenzungen der Regelung auftritt.
-
Derartige Regelaufgaben kann man in der Weise lösen, daß man für
die zweite oder die weiteren noch zu berücksichtigenden Regelgrößen ein zweites
oder noch weiteres Kompensationsgerät vorsieht.
-
Gemäß der Erfindung sind diese zwei oder mehreren Kompensationsgeräte
so miteinander verbunden, daß der Kompensationsstrom bzw. die Kompensationsspannung
der jeweils relativ größten oder relativ kleinsten Regelgröße entspricht.
-
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Fall wird man noch ein zweites Kompensationsgerät
AT für die Maschinenleistung vorsehen, dessen Kompensationssystem und Einstellorgan
für den Kompensationsstrom so mit dem entsprechenden Kompensationssystem und dem
Einstellorgan des Kompensationsstromes des Kompensationsgerätes Ü welches durch
die Übergabeleistung beeinflußt wird, zusammengeschaltet wird, daß die Maschine
tiefer geregelt werden kann, wenn entweder der Sollwert der Übergabeleistung oder
der Sollwert der Maschinenleistung überschritten wird, daß jedoch die Maschine nur
dann höher geregelt werden kann, wenn beide Kompensationsgeräte dies zulassen. Gemäß
der weiteren Erfindung werden zu diesem Zweck die Kompensationssysteme der die Regelung
beeinflussenden Kompensationsgeräte in Reihe oder parallel geschaltet, und sie beeinflussen
entweder ein gemeinsames Einstellorgan für den Kompensationsstrom oder die Kompensationsspannung,
oder sie beeinflussen mehrere parallel geschaltete Einstell-Organe.
-
In den Fig. 5 bis Io sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt, an denen die Erfindung im einzelnen erläutert wird.
-
Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung, die eine Regelung nach der in Fig.
4 gezeigten Kennlinie ermöglicht. I ist das Meßsystem und 2 das Kompensationssystem
des ersten Kompensationsgerätes, durch welches beispielsweise ein der ttbergabeleistungsabweichung
proportionaler Strom eingestellt werden kann. 1 1 ist das Meßsystem und 12 das Kompensationssystem
des zweiten Kompensationsgerätes, durch welches beispielsweiseeinder Maschinenleistungsahweichung
proportionaler Strom eingestellt werden kann. Das in dem Meßsystem I wirksame Drehmoment
entspricht hierbei der Abweichung der Übergabeleistung von dem Ubergaiveleistungssollwert.
In dem NIeßsystem I wird also
Einfluß zur Verschiebung der Kennlinie
proportional ist. Der zusätzliche Einfluß ist erforderlich, da der schräge Teil
der Kennlinie, auf den gemäß einem tSbergabeleistungs- und einem Frequenzeinfluß
geregelt werden soll, nicht in dem Punkt einsetzt, in dem sowohl die Frequenz als
auch die Ubergabeleistung ihren Normalwert haben, sondern in einem Punkt, in dem
die Frequenz um einen bestimmten Wert von ihrem Normalwert abweicht. Den beiden
Meßsystemen I und II wirken die Kompensationssysteme 2 und I2 entgegen; durch sie
werden wieder die Einstellglieder 3 und I3 verstellt, welche die Widerstände 4 und
14 verändern. Die Kompensationsgeräte werden so geschaltet, daß immer dasjenige
Kompensationsgerät auskompensiert, bei dem das Drehmoment des Meßsystems größer
ist als das Drehmoment des Kompensationssystems, d. h. also bei dem die Tendenz
zu einer Tieferregelung vorliegt. Im Sinne einer Höherregelung können die beiden
Kompensationsgeräte nur dann wirken, wenn beide es zulassen bzw. bei beiden die
gleiche Tendenz vorliegt. Dieser Teil der Anordnung regelt den rechten Teil der
Kennlinie aus.
-
Der resultierende Einfluß, welcher durch den Kompensationsstrom gegeben
ist, wird nun nicht einem Stellmotor zugeführt, sondern dem Meßsystem 21 eines dritten
Kompensationsgerätes. Mit diesem Kompensationsgerät in Reihe ist ein weiteres Kompensationsgerät
geschaltet, dessen Meßsystem ein Drehmoment ausübt, welches der Summe der Abweichung
der tffbergabeleistung vom Sollwert, der Frequenz vom Sollwert sowie einem Verschiehungseinfluß
für die Parallelverschiebung der Kennlinie proportional ist. Der Verschiebungseinfluß
wirkt in diesem Fall entgegengesetzt dem Verschiebungseinfluß, der auf das Meßsystem
II einwirkt, da der Ansatzpunkt des schrägen Teiles der Kennlinie von dem PunktF
normal aus um den gleichen Wert in der entgegengesetzten Richtung verschoben ist
wie der Ansatzpunkt des zuerst erwähnten schrägen Teiles der Kennlinie. Den Drehmomenten
der Meßsysteme 2I, 31 entgegen wirken die Drehmomente der Kompensationssysteme 22,
32, welche die Einstellglieder 23, 33 für die Widerstünde24, 34 verstellen. In Reihe
mit den Kompensationswicklungen liegt der Stellmotor 5. Die Kompensationsgeräte
der zweiten Gruppe sind nun so geschaltet, daß immer das Kompensationsgerät voll
auskompensiert ist, bei dem das Drehmoment des Kompensationssystems überwiegt, d.
h. also bei dem die Tendenz zu einer Höherregelung vorliegt.
-
Dies läßt sich durch eine Umpolung der Kompensationsgeräte erreichen.
Im Sinne einer Tieferregelung können die beiden Kompensationsgeräte nur wirken,
wenn beide es zulassen bzw. bei beiden die gleiche Tendenz vorliegt. Durch diesen
zweiten Teil der Anordnung wird der linke Teil der Kennlinie mit dem linken Knick
ausgeregelt.
-
Es ist auch möglich, bei dieser Regelanordnung die Steilheit der
schrägen Teile der Kennlinie dadurch einzustellen, daß parallel zu dem Leistungssystem
des kombinierten Frequenzleistungssystems ein Widerstand angeordnet wird, durch
den der Leistungseinfluß mehr oder weniger kurzgeschlossen wird. Bei völliger Kurzschließung
des Leistungseinflusses würde sich eine Kennlinie ergeben, bei der innerhalb eines
bestimmten Frequenzbereiches auf Übergabeleistung und nach Überschreiten des Bereiches
auf Frequenz geregelt wird.
-
Mit Hilfe einer derartigen Anordnung können Kennlinien mit beliebig
vielen Knickpunkten eingeregelt werden. Es ist hierzu lediglich eine entsprechende
Fortsetzung der in Fig. 7 gezeigten Reihenschaltung erforderlich, wobei bei jedem
neuen Glied der Reihenschaltung ein Kompensationsgerät vorgesehen wird, dem der
Kompensationsstrom des vorangehenden Gliedes der Reihenschaltung zugeführt wird.
Es ist auch noch zu beachten, daß der bevorzugte Regelsinn im Verlauf der einzelnen
Glieder der Reihenschaltung abwechseln muß, d. h. wenn bei dem ersten Glied der
Reihenschaltung die Tieferregelung bevorzugt ist, indem jedes Kompensationsgerät
tiefer regeln kann, jedoch nur dann höher regeln kann, wenn auch die anderen Kompensationsgeräte
dies zulassen, so muß bei dem nachfolgenden Glied der Reihenschaltung der entgegengesetzte
Regel sinn, also dieHöherregelung, bevorzugt werden, während bei dem dritten Glied
der Reihenschaltung wieder der erste Regelsinn zu bevorzugen wäre.
-
Es ist für die Anordnung gemäß der Erfindung ohne Bedeutung, nach
welchem Kompensationsverfahren die Kompensationsgeräte arbeiten. Dies zeigen die
Fig. g und I0, bei denen nach verschiedenen Kompensationsverfahren arbeitende Kompensationsgeräte
verwendet werden.
-
In der Fig. g werden Kompensationsgeräte verwendet, welche das Gitter
einer als Hochfrequenzgenerator geschalteten Röhre beeinflussen. Mit 1 und II sind
die beiden Meßsysteme der Kompensationsgeräte, mit 2 und 12 die Kompensationssysteme
der gleichen Geräte bezeichnet. An der Achse des ersten Kompensationsgerätes ist
eine Fahne 3, an der Achse des zweiten Kompensationsgerätes eine Fahne I3 befestigt.
4 ist eine als Hochfrequenzgenerator geschaltete Röhre, bei der die Intensität der
hochfrequenten Schwingungen durch Änderung der Rückkopplung gesteuert wird, indem
die Fahnen 3 und I3 die Gitterspule gegen die Rückkopplungsspule abschirmen. Auf
diese Weise wird auch der durch die Röhre fließende Anodengleichstrom gesteuert.
Maßgebend für die Größe des Kompensationsstromes ist nur das Kompensationsgerät,
welches die größere Abschirmung der Gitterspule gegen die Rückkopplungsspule herbeiführt.
Das andere Kompensationsgerät zieht seine Fahne aus dem Spalt zwischen den Spulen
heraus und ist daher ohne Einfluß auf die Einstellung des Kompensationsstromes.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. g sind die Kompensationssysteme 2 und 12 parallel
geschaltet im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5, bei dem eine Reihenschaltung
verwendet wurde; beide Schaltungen sind gleichwertig. Das Ergebnis der Schaltung
nach Fig. g kann auch erreicht werden, wenn zwei unabhängige Kompensationssysteme
bereits
der Sollwert der Ubergabeleistung mit dem Istwert der Übergabeleistung vergliche
n. Das Drehmoment des Meßsystems II entspricht der Abweichung der Maschinenleistung
von der maximalen Maschinenleistung, welche in diesem Fall als Sollwert der Maschinenleistung
angesetzt wird. In dem Meßsystem ii wird also bereits die maximale Maschinenleistung
mit der tatsächlich vorhandenen Maschinenleistung verglichen. Jedes der beiden Kompensationssysteme
steuert unabhängig von dem anderen ein Einstellglied 3 bzw. I3, welches einen Teil
des Widerstandes 4 kurzschließt. Der Widerstand 4 ist der veränderliche Widerstand
einer Brückenschaltung. In dem einen Diagonalzweig der Brückenschaltung liegen die
Kompensationssysteme 2 und I2 und der Stellmotor 5 in Reihe. Das Drehmoment der
Meßsysteme und das Drehmoment der Kompensationssysteme wirken einander entgegen.
-
Überwiegt in einem der Kompensationsgeräte das Drehmoment des Meßsystems,
so bewegt sich dessen Einstellglied 3 bzw. I3 nach oben. Maßgebend für den Kompensationsstrom
ist stets nur das höher stehende Einstellglied, da es den größeren Teil des Widerstandes
4 kurzschließt. Die Stellung des tiefer stehenden Einstellgliedes ist ohne Einfluß.
-
Der eingestellte Kompensationsstrom entspricht somit stets nur der
größeren Regelgröße, welche somit auch das höhere Drehmoment erzeugt. Das andere
Kompensationsgerät wird in diesem Fall sein Einstellglied ganz nach unten drehen,
da bei ihm das Drehmoment des Kompensationssystems überwiegt. Wenn also bei einem
der beiden Meßsysteme der Istwert der zu regelnden Größe größer ist als der Sollwert,
so führt das Kompensationsgerät einen Strom herbei, der eine Tieferregelung zur
Folge hat. Eine Höherregelung kann jedoch nur dann erfolgen, wenn beide Kompensationsgeräte
dies zulassen; d. h. also, dasjenige Kompensationsgerät, dessen Einstellglied den
größeren Teil des Widerstandes 4 kurzschließt, kann so lange den kurzgeschlossenen
Anteil verringern, bis es genau den gleichen Anteil am Widerstand kurzschließt wie
das Einstellglied des zweiten Kompensationsgerätes. Von diesem Punkt an ist eine
weitere Höherregulierung und damit gleichbedeutend eine Verringerung des kurzgeschlossenen
Widerstandsteiles nur möglich, wenn sich beide Einstellglieder gleichzeitig an dieser
Verringerung beteiligen.
-
Es ist nicht erforderlich, daß die Einstellglieder der beiden Kompensationsgeräte
den gleichen Widerstand beeinflussen. Es ist auch möglich, die Kompensationsgeräte
so zu schalten, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Bei dieser Schaltung beeinflussen
die Kompensationsgeräte eigene Widerstände, die jedoch parallel geschaltet sind.
Auf diese Weise erreicht man, daß die Geräte vollkommen getrennt voneinander angeordnet
und die normalen Geräte benutzt werden können. In der Fig. 6 sind wieder mit I,
II und 21 dieMeßsystemedreierKompensationsgeräte bezeichnet. 2, I2 und 22 sind die
Kompensationssysteme dieser Geräte. 3, I3 und 23 sind die Einstellglieder und 4,
14 und 24 die veränderlichen Widerstände. Die veränderlichen Widerstände bilden
wiederum einen Teil je einer Brükkenschaftung, wobei sämtliche Brücken parallel
geschaltet sind. Bei den Brüclienschaltungen können die in der Zeichnung strichliniert
dargestellten Teile fortfallen, so daß nur eine Brückenschaltung mit festen und
veränderlichen Widerständen vorhanden ist und nur die veränderlichen Widerstände
mehrerer Kompensationsgeräte parallel geschaltet werden. Die Kompensationssysteme
2, I2 und 22 können auch statt in Reihenschaltung in Parallel schaltung angebracht
werden.
-
Die Fig. 6 zeigt, daß es auch möglich ist, mehrere Begrenzungseinilüsse
auf eine Regelung zur Einwirkung zu bringen, indem mehrere Kompensationsgeräte zusammengeschaltet
werden. Bei mehrfachen Begrenzungen entstehen bei der graphischen Darstellung aus
den geknickten Regelkennlinien winklig aneinander anschließende Regelflächen, die
sich jedoch bei mehr als drei Regeleinflüssen nicht mehr in einem dreiachsigen Koordinatensystem
darstellen lassen.
-
Die bisher erläuterten Regeleinflüsse, durch die bestimmte andere
Regeleinflüsse begrenzt werden können, wirken nur im Sinne einer einseitigen Begrenzung
in der Art, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist. Bei diesem Beispiel handelt es sich
darum, daß eine Übergabeleistung konstant gehalten wird, bis eine maximale Maschinenleistung
erreicht ist. Es ist nun auch möglich, noch eine zweite Begrenzung in der Weise
einzuführen, daß die Ubergabeleistung nur in dem Bereiche zwischen einer festgelegten
minimalen und einer festgelegten maximalen Maschinenleistung eingeregelt wird, während
bei Erreichen der minimalen Maschinenleistung die Maschine auf diese minimale Leistung
und bei Erreichen der maximalen Maschinenleistung nur auf maximale Maschinenleistung
eingeregelt wird.
-
In diesem Fall ergibt sich also je eine untere und eine obere Begrenzung
bzw. eine doppelt geknickte Kennlinie. Auch derartige Kennlinien können mit Hilfe
der angegebenen Anordnung eingeregelt werden, wenn sie in der Weise abgeändert werden,
wie dies Fig. 7 zeigt.
-
Zu der Schaltung nach Fig. 7 sei angenommen, daß eine doppelt geknickte
Kennlinie eingeregelt werden soll, wie sie in Fig. 8 dargestellt ist. Dabei soll
die Regelung so durchgeführt werden, daß innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches
eine Übergabeleistung konstant gehalten werden soll.
-
Überschreitet die Frequenz nach oben oder nach unten einen bestimmten
Grenzwert, so wird nicht auf Ubergabeleistung, sondern kombiniert auf Frequenz und
Ubergabeleistung eingeregelt.
-
Bei der Schaltung nach Fig. 7 stellt I das Meßsystem dar, welches
ein der Abweichung der Übergabeleistung vom Sollwert proportionales Drehmoment ausübt.
Das Meßsystem enthält also zwei Meßeinflüsse, von denen der eine von dem Sollwert
und der andere von dem Istwert der Übergabeleistung gebildet wird. Das Meßsystem
II entwickelt ein Drehmoment, welches der Summe aus der Abweichung der Übergabeleistung
und der Abweichung der Frequenz sowie einem zusätzlichen
in der
in Fig. 6 angegebenen Weise geschaltet werden, wobei jedes Kompensationsgerät seine
eigene Röhre steuert. Durch entsprechende Polung der Meßsysteme und Kompensationssysteme
kann man eine Begrenzung des einzuregelnden Wertes nach oben oder unten bzw. die
Lage des Knickes der Kennlinie bestimmen.
-
Fig. IO zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem an Stelle der bisher
gezeigten Kompensationsgeräte mit Drehmomentkompensation solche mit Drehzahlkompensation
verwendet werden. Die Meßsysteme I und II der beiden Kompensationsgeräte besitzen
umlaufende Meßwerke oder, wenn sie an eine Fernmeßeinrichtung angeschlossen sind,
Fortschaltwerke. Fest mit den Meßsystemen sind die umlaufenden Bürsten 3 bzw. I3
verbunden, welche als Einstellorgan für den Kompensationsstrom dienen.
-
Die Kompensationssysteme sind in diesem Fall die Gleichstromzähler
2 bzw. 12. Auf der Achse der Zähler sind die Regelwiderstände 4 bzw. 14 angebracht.
Wie aus der Schaltung ohne weiteres hervorgeht, regeln sich die Gleichstromzähler
selbsttätig auf die gleiche Drehgeschwindigkeit ein, welche die Meßsysteme haben.
Da die Kompensationssysteme parallel geschaltet sind, ist für die Drehzahl der Kompensationssysteme
stets das schneller laufende Meßwerk maßgebend. Bei dem langsamer laufenden Meßwerk
läuft das Kompensationssystem schneller als das Meßwerk, da es die Geschwindigkeit
des schneller laufenden Meßsystems und des zu diesem gehörigen Kompensationssystems
annimmt. Die Bürste 3 bzw. I3 des langsamer laufenden Meßsystems bleibt in diesem
Fall zurück und legt sich schließlich gegen den Anschlag 6 bzw. I6. Dabei kann dann
entweder das betreffende Meßsystem durch den Anschlag und die Bürste mitgenommen
werden, oder es kann eine gleitende Kupplung zwischen Meßsystem und Bürste vorgesehen
werden. Die Regelung erfolgt wiederum durch den Stellmotor 5 gemäß der in Fig. 4
gezeigten geknickten Kennlinie. Man kann auch bei dieser Anordnung die beiden Kompensationssysteme
in der Weise zusammenfassen, daß die Bürsten 3 bzw. I3 beider Meßsysteme auf einem
gemeinsamen Regelwiderstand schleifen.