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Verfahren zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen Bei Kraftmaschinen,
die bei schwankender Belastung mit konstanter Drehzahl laufen müssen, ist es üblich,
die Drehzahl durch eine Steuerung des Kraftmittelzuflusses zu regeln, wobei diese
Steuerung durch einen auf der Maschinenwelle angebrachten oder mit ihr verbundenen
Drehzahlregler, wie z. B. einen Fliehkraftregler, ausgeführt wird. Diese Art der
Steuerung ist allgemein üblich und bekannt.
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Vom Standpunkt der Erfindung aus gesehen haftet dieser Art der Drehzahlregelung
der Nachteil an, daß man hiermit die Drehzahl nur beschränkt konstant halten kann
und daß diese mittlere Drehzahl von Schwankungen überlagert ist, die durch die Natur
des Regelvorganges bedingt sind. Sie sind unter dem Ausdruck »Ungleichförmigkeitsgrad«
bekannt. Um sie auf einen tragbaren Betrag herabzudrücken, ist es in vielen Fällen
erforderlich, große und teure Schwungmassen an den Maschinen anzubringen. Trotzdem
erreicht der Ungleichförmigkeitsgrad immer noch den Betrag einiger Prozente der
Solldrehzahl.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen. Dies
geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß außer der Drehzahl der zu regelnden Kraftmaschine
die Differenz der abgegebenen und zugeführten Leistung zur Drehzahlregelung herangezogen
wird, indem aus der momentan abgegebenen Leistung der Maschine dividiert durch den
Wirkungsgrad der Maschine bei dieser Leistung
einerseits und aus
der momentan zugeführten Leistung, oder was dasselbe ist, aus dem Produkt von momentaner
Drehzahl und momentan zugeführtem Drehmoment oder aus der sekundlich zugeführten
Kraftstoffmenge andererseits mit Hilfe optischer, elektrischer oder mechanischer
Mittel je ein elektrischer Meßwert gebildet wird, deren Differenz in additiver Verbindung
mit einem aus der momentanen Drehzahl abgeleiteten elektrischen Meßwert in dem Sinne
zur Steuerung des Kraftstoffzuflusses benutzt wird, daß die Drehzahl der Maschine
konstant bleibt.
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Dadurch, daß man zur Regelung der Drehzahl der Kraftmaschine außer
der Drehzahl selbst die Differenz der zugeführten und abgegebenen Leistung heranzieht,
erhält man die Möglichkeit, die Ursache der Drehzahlschwankung zu erfassen, ehe
noch eine meßbare Drehzahländerung eingetreten ist. Solange nämlich bei einer bestimmten
Drehzahl die zugeführte Leistung, dargestellt durch das Produkt- aus Drehmoment
und Drehzahl, und die abgegebene Leistung unter Berücksichtigung des Maschinenwirkungsgrades
gleich groß sind, befindet sich das System im Gleichgewicht, und es besteht keine
Veranlassung zu einer Drehzahländerung: Eine Drehzahlschwankung tritt aber immer
dann ein, wenn das Gleichgewicht zwischen zugeführter und., abgegebener Leistung
gestört wird. Die Maschine sucht dieses Gleichgewicht unter Heranziehung des in
Form ihrer Rotationsenergie vorhandenen Energiereservoirs wiederherzustellen. Bei
diesem Vorgang wird die Rotationsenergie vergrößert oder verkleinert, und dies äußert
sich in einer Drehzahländerung. So betrachtet, ist die Drehzahländerung das Ergebnis
des gestörten Gleichgewichtes zwischen zugeführter und abgegebener Leistung. Je
größer das Trägheitsmoment der rotierenden Maschinenteile ist, um so langsamer wird
sich eine Drehzahländerung vollziehen, auch wenn ihre Ursache, nämlich die Störung
des Leistungsgleichgewichtes, plötzlich erfolgt.
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Dadurch, daß man erfindungsgemäß die Leistungsschwankungen zur Drehzahlregelung
heranzieht, kann man mit dem Regelvorgang bereits eingreifen, sobald das Leistungsgleichgewicht
gestört wird und noch bevor sich eine Drehzahländerung erkennen läßt.
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Schaltet man in den Fluß der abgegebenen Leistung ein beliebiges,
geeignetes Leistungsmeßgerät ein, so berücksichtigt man nur die von der Maschine
abgegebene Nutzleistung. Da aber auch in der Maschine Leistung in Form von Wärme,
Reibungsarbeit usw. verbraucht wird, die auf der Antriebsseite aufgebracht werden
muß, ist- es erforderlich, auch diesen Teil zu erfassen. Der Anteil der in der Maschine
verlorengehenden Leistung findet seinen Ausdruck in dem Wirkungsgrad der Maschine,
der für alle Leistungen und Drehzahlen bekannt ist. Dividiert man also die Angaben
des soeben erwähnten Leistungsmessers durch den Wirkungsgrad der Maschine, so erhält
man die antriebsseitig aufzubringende Leistung. Auf der anderen Seite ist man in
der Lage, die tatsächlich aufgebrachte Antriebsleistung zu bestimmen. Für den Fall,
daß es sich um eine mechanische Antriebsleistung handelt, erhält man sie durch die
Messung der Drehzahl und des aufgebrachten Drehmoments aus dem Produkt dieser beiden
Zahlen. Beide Werte können nach bekannten Verfahren gemessen werden. Handelt es
sich bei der Kraftmaschine um einen Elektromotor, so mißt man die zugeführte Leistung
mit einem elektrischen Wattmeter. Durch Anbringung elektrischer Abgriffe an den
Meßinstrumenten ist man in der Lage, sowohl für die aufgebrachte als auch für die
abgegebene Leistung je einen elektrischen Meßwert zu bilden. Sind beide Meßwerte
gleich groß, so befindet sich die Maschine im Gleichgewicht, eine Drehzahländerung
kann also nicht auftreten, und eine Regelung ist nicht erforderlich. Umgekehrt ist
immer dann die Notwendigkeit eines Regeleingriffs in die Kraftmittelzufuhr gegeben,
wenn die beiden Leistungsmeßwerte voneinander verschieden sind. Dieses läßt sich
dadurch erreichen, daß man die Differenz der beiden genannten Meßwerte auf einen
elektrischen Kommandogeber gibt, der den Kraftmittelzufluß direkt oder über ein
Servogerät in stetiger oder unstetiger Weise der erwähnten Differenz nach Größe
und Vorzeichnung proportional regelt. _ In weiterer Fortführung der Erfindung kann
eine weitere wesentliche Verbesserung der Feinfühligkeit und Gleichmäßigkeit der
Steuerung erreicht werden, wenn man zur Bildung der Regelgröße nicht nur die Drehzahl
und das Drehmoment bzw. die Leistung, sondern auch die Differentialquotienten dieser
Werte heranzieht. Die Bildung dieser Werte und ihre erforderliche Mischung mit den
Meßwerten selbst läßt sich prinzipiell immer in bekannter Weise durch elektrische
oder mechanische Differentiationsglieder erreichen.
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Die Regelung würde der gestellten Aufgabe nicht gerecht werden, wenn
man nur das Leistungsgleichgewicht betrachten würde, da eine bestimmte Leistung
bei verschiedenen Drehzahlen erreicht werden kann, wenn man nur das Drehmoment geeignet
wählt. Um diese Unbestimmtheit zu beseitigen, muß die Solldrehzahl selbst in den
Regelvorgang eingeführt werden.
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Der Regelwert, der die Beeinflussung des Kraftmittelzuflusses steuert,
darf also nicht nur -allein durch den Differenzwert der zu- und abgeführten Leistung
und dessen Differentialquotienten gebildet werden, sondern außerdem muß er noch
von der Drehzahlabweichung der Maschine von ihrem Sollwert beeinflußt werden. Immerhin
spielt dieser letzte Einfluß bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Regelung nicht
mehr die Rolle wie bei der bisher üblichen Art, bei der die Drehzahlabweichung allein
für die Regelung verantwortlich war. Bei dem vorliegendenRegelprinzip wird die Hauptaufgabe,
nämlich eine schnelle und kräftige Abhilfe gegen,die Lastschwankungen, durch die
Heranziehung der Leistungsdifferenz erreicht. Die Drehzahl wird hierdurch weitgehend
konstant gehalten.
Da aber letzten Endes jede Messung mit einem
gewissen Fehler behaftet ist, wird die alte Drehzahl nicht exakt wieder erreicht.
Der neue Wert wird zwar nur wenig, aber doch von ihr abweichen. Im Laufe der Zeit
kann dieser Fehler anwachsen und schließlich einen Wert erreichen, der von einem
normalen Drehzahlmesser bekannter Bauart meßbar ist. Sobald dieser Zustand erreicht
wird, muß der Drehzahlmesser einen Regelwert liefern, der den Fehler beseitigt,
ohne daß zum Schluß das Leistungsgleichgewicht gestört wird.
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Im folgenden sei eine Schaltung angegeben, die dieser Aufgabe gerecht
wird.
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Vier ohmsche Widerstände sind zu einem Ring zusammengeschaltet. Sie
seien in der Reihenfolge ihrer Verbindung mit R1, R2, R3 und R4 benannt: Es ist
also das Ende von R1 mit dem Anfang von R2, dessen Ende mit dem Anfang von R3, das
Ende von R3 mit dem Anfang von R4 und schließlich dessen Ende mit dem Anfang von
R1 verbunden: Des weiteren sei der Einfachheit halber vorausgesetzt, daß R1 = R3
und R., = R4 sei. Auf jedem Widerstand sei ein beweglicher Abgriff angebracht. Sie
seien sinngemäß mit S1, S2, S3 und S4 bezeichnet. Die Abgriffe S1 und S3 werden
durch den Drehzahlmesser gesteuert und befinden sich auf der elektrischen Mitte
ihrer Widerstände, wenn die Maschine mit ihrer Solldrehzahl läuft. Bei einer Drehzahländerung
bewegen sie sich um einen der Abweichung proportionalen Betrag im gleichen Sinne
von der Mitte ihres Widerstandes fort, also z. B. S1 in Richtung auf das Ende von
R1 und S3 auf das Ende von R3 zu. Der Abgriff S2 wird gesteuert von dem Meßgerät,
welches die zugeführte Leistung mißt und entsprechend S4 von dem Instrument, welches
unter Berücksichtigung des Maschinenwirkungsgrades il die abgegebene Leistung anzeigt.
Sind beide Leistungen gleich, befinden sich S2 und S4 an elektrisch gleichen Stellen
ihrer Widerstände. Ferner sind S1 und S3 mit den Polen einer elektrischen Spannungsquelle
verbunden. Zwischen S2 und S4 soll die Regelspannung zur Steuerung des Kraftmittelflusses
abgegriffen werden.
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Läuft die Maschine bei Leistungsgleichgewicht mit ihrer Solldrehzahl,
tritt, wie leicht einzusehen ist, zwischen R2 und R4 keine Regelspannung auf. Wird
aber z. B. die abgegebene Leistung geändert, so läuft der Abgriff S4 zu einer anderen
Stellung, und zwischen S2 und S4 tritt eine Regelspannung auf, deren Größe der Leistungsdifferenz
proportional ist. Damit wird der Kraftmittelzufluß geändert. Die dadurch sich ändernde
zugeführte Leistung läßt den Abgriff S, so lange nachlaufen, bis die Regelspannung
wieder Null geworden ist. Ist aber während des Regelvorganges eine Drehzahländerung
um einen meßbaren Betrag eingetreten, so werden sich auch die Schleifer S1 und S3
aus ihrer Ruhelage herausbewegen und das Brückengleichgewicht zusätzlich im gewünschten
Sinne stören, so daß eine weitere Vergrößerung der Regelspannung eintritt. Im Verlauf
des Regelvorganges gehen, wie bereits oben erwähnt, die Schleifer S2 und S4 auf
elektrisch gleiche Stellungen, wenn die Leistungsdifferenz wieder unter den kleinsten
meßbaren Wert gesunken ist. Ist aber eine Drehzahländerung zurückgeblieben, so befinden
sich die Schleifer S1 und S3 noch immer außerhalb ihrer Ruhelagen, und deshalb ist
auch zwischen den Schleifern S2 und S4 noch eine kleine Regelspannung wirksam. Dies
hat zur Folge, daß immer noch der Kraftmittelzufluß etwas beeinflußt wird, und zwar
so lange, bis auch die letzte Drehzahlabweichung beseitigt ist. Dann sind auch S1
und S3 wieder in ihren Nullstellungen angelangt, und die Brücke befindet sich wieder
im ungestörten Gleichgewicht, d. h. aber, der Regelvorgang ist beendet, und die
Maschine läuft unter Anpassung an die neue Leistungsabgabe bei Leistungsgleichgewicht
wieder mit ihrer Solldrehzahl.
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Zur Kompensierung der Schleppzeiten der Meßinstrumente und zum schwingungsfreien
Einspielen des Regelvorganges ist es in der Regeltechnik üblich, zur Steuerung eines
Vorganges nicht nur die entsprechenden Meßwerte selbst, sondern auch deren Differentialquotienten
in geeigneter Mischung mit den Meßwerten selbst heranzuziehen. Die Differentialquotienten
werden dabei in bekannter Weise durch elektrische oder mechanische Differentiatoren
gebildet. Dieses Verfahren kann naturgemäß auch bei dem hier vorliegenden Regelproblem
angewendet werden.
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Im folgenden soll an Hand der schematischen Zeichnungen das Regelverfahren
an einigen Beispielen erläutert werden.
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In Fig. r treibt ein Elektromotor M über eine lange Übertragungswelle
W einen elektrischen Generator G an. Der Generator gibt die erzeugte elektrische
Leistung an den Verbraucher V ab. In die Zuleitungen zum Motor ist ein Regelglied
Rg eingeschaltet. Auf der Übertragungswelle ist ein Drehmomentenmesser Dr
M und ein Drehzahlmesser Dr Z angebracht. Zwischen Generator und Verbraucher
ist ein Leistungsmesser WM eingeschaltet. Die dem Generator G zugeführte
mechanische Leistung wird bestimmt durch den Wert des Drehmomentes M und die Drehzahl
n. Das Produkt bestimmt die zugeführte Leistung NZ. Dieser Wert IV, wird mit dem
Wert X./77 (77 = Wirkungsgrad des Generators) kombiniert und daraus die Leistungsdifferenz
d 11 -' gebildet. Aus diesem Wert und der vom Drehzahlmesser gelieferten Abweichung
d n der Drehzahl vom Sollwert n wird dann schließlich der Regelwert R gebildet.
Dieser Regelwert R regelt über den Servomotox SM das Regelglied Rg in der Stromzuführung
des Elektromotors.
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In Fig. a ist ein aus Elektromotor und Generator bestehender Einankerumformer
gezeigt. Die zugeführte Leistung wird mit dem Wattmeter WM1, die abgegebene mit
dem Wattmeter WM2 gemessen. Aus den beiden Werten N, und N"/77 wird wieder die Leistungsdifferenz
d N gebildet. Diese mit der Drehzahlabweichung d 7a kombiniert ergibt wieder den
Regelwert R, der über den Servomotor SAT die Stromzufuhr zum Motor regelt,
In
Fig. 3 ist schließlich ein rein mechanisches Beispiel gezeigt. Eine Turbine treibt
über eine lange Übertragungswelle einen mechanischen- Verbraucher Tue, wie z. B.
eine Schiffsschraube, an. Der in gleicher Weise wie im Beispiel i mit Hilfe eines
Drehmomentenmessers und eines Drehzahlmessers gebildete Wert der abgegebenen Leistung
Nalq wird jetzt mit der Stellung der Drosselklappe Rg in der Dampfzufuhr verglichen,
die in diesem Fall ein Maß für die zugeführte Leistung sein muß. Man erhält somit
wieder eine Leistungsdifferenz und kann daraus mit Hilfe derDrehzahlabweichung
An den Regelwert R bilden. R steuert den Servomotor zur Regelung von Rg.