DE948117C - Verfahren zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen

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DE948117C
DE948117C DEB16711A DEB0016711A DE948117C DE 948117 C DE948117 C DE 948117C DE B16711 A DEB16711 A DE B16711A DE B0016711 A DEB0016711 A DE B0016711A DE 948117 C DE948117 C DE 948117C
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DEB16711A
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English (en)
Inventor
Dr Hans Bender
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DR HANS BENDER
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DR HANS BENDER
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    • GPHYSICS
    • G05CONTROLLING; REGULATING
    • G05DSYSTEMS FOR CONTROLLING OR REGULATING NON-ELECTRIC VARIABLES
    • G05D13/00Control of linear speed; Control of angular speed; Control of acceleration or deceleration, e.g. of a prime mover

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden sei eine Schaltung angegeben, die dieser Aufgabe gerecht wird.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden soll an Hand der schematischen Zeichnungen das Regelverfahren an einigen Beispielen erläutert werden.
  • 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.
  • 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.

Claims (1)

  1. PATENTANSPRUCH: Verfahren zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Drehzahlabweichung der zu regelnden Kraftmaschine die Differenz der abgegebenen und zugeführten Leistung zur Drehzahlrege-Jung herangezogen wird, indem aus der momentan abgegebenen Leistung der Kraftmaschine unter Berücksichtigung des mechanischen Wirkungsgrades der Kraftmaschine bei dieser Leistung einerseits und aus der momentan der Kraftmaschine zugeführten Leistung, die aus der Drehzahl. und dem momentan zugeführten Drehmoment oder aus der sekundlich zugeführten Kraftmittelmenge feststellbar ist, andererseits, mit Hilfe optischer, elektrischer oder mechanischer Mittel je ein elektrischer Meßwert gebildet wird, deren Differenz unter Berücksichtigung eines aus der momentanen Drehzahl abgeleiteten elektrischen Meßwertes zur Steuerung des Kraftmittelzuflusses zur Kraftmaschine benutzt wird, so daß die Drehzahl der Kraftmaschine konstant bleibt. In Betracht gezogene Druckschriften: Dissertation von G r a n e r, »Beiträge zur Theorie der Netzregelung«. Technische Hochschule München (i938), Abschnitt III.
DEB16711A 1951-09-12 1951-09-12 Verfahren zur Drehzahlregelung von Kraftmaschinen Expired DE948117C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3717870A1 (de) * 1986-05-29 1987-12-03 Carrier Corp Verfahren zum steuern und begrenzen der ausgangsleistung eines drehzahlveraenderlichen motors

Non-Patent Citations (1)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3717870A1 (de) * 1986-05-29 1987-12-03 Carrier Corp Verfahren zum steuern und begrenzen der ausgangsleistung eines drehzahlveraenderlichen motors

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