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Verfahren zur elektrischen Steuerung der Senkgeschwindigkeit von Fallschützen
in Wasserkraftwerken Bei dem Betrieb von Wasserkraftanlagen besteht häufig, insbesondere
in Schadensfällen, bei Durchgehgefahr der Turbinen oder bei Rohrbruch von Druckrohrleitungen,
die Notwendigkeit, den Wasserzutritt schnellstens zu sperren. Dazu dienen die sogenannten
Fallschütze, in senkrechter Ebene bewegliche Verschlußteile, die in der Regel als
Stahlkonstruktion ausgeführt sind. Das Hochziehen der Fallschütze erfolgt mit einem
Hubmotor, der bei einer Hubhöhe von q. bis 5 m einer Hubzeit von etwa aq.o bis 6oo
Sekunden bedarf. Im Alarmfall darf die Senkzeit aber nur wenige Sekunden betragen.
Es ist daher leicht einzusehen, daß bei dieser großen Geschwindigkeitsdifferenz
die im Hebezeugbau übliche Methode der generatorischen Bremsung, indem beim Senken
der Motor, von der Last durchgezogen, zum Generator wird, nicht angewendet werden
kann. Es müßten in diesem Falle nämlich, entsprechend der großen Senkgeschwindigkeit,
von der Maschine im Generatorzustand eine dem Geschwindigkeitsverhältnis proportional
große Leistung aufgebracht werden. Die kleine Hubleistung und die um ein Vielfaches
größere Senkleistung lassen die Vereinigung beider Aufgaben in einer einzigen Maschine
nicht zu. Abgesehen davon müßte auch die Maschine an einem ständig zur Verfügung
stehenden Notstromnetz beachtlicher Kapazität liegen. Aus diesen Überlegungen
heraus
ist es zu erklären, daß man sich für das Senken der Fallschütze bisher niemals einer
elektromotorischen Bremsung bedient hat. Die übliche Methode besteht vielmehr darin,
daß man für das Heben einen Hubmotor, für das Senken jedoch eine hydraulische Bremsung
verwendet, die auf folgendem Prinzip beruht: Nach Lösung der mechanischen Sperrvorrichtung
wird das Fallschütz durch die Schwerkraft in Bewegung gesetzt. Zugleich mit der
mechanischen Entriegelung wird das Windwerkgetriebe durch eine Kupplung mit einer
Ölpumpe verbunden, die entsprechend ihrer Geschwindigkeit fördert. Durch ein Regelventil
kann die geförderte Ölmenge und im Zusammenhang damit die Senkgeschwindigkeit eingestellt
werden.
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Diese hydraulische Bremsmethode hat verschiedene sehr wesentliche
Nachteile, die darauf beruhen, daß die Bremswirkung von der Viskosität des Öles
und, da sich die Anlagen stets im Freien befinden, in starkem Maße von der Temperatur
abhängig ist. Außerdem ist die Einrichtung kostspielig und kompliziert.
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Bei älteren Anlagen war überhaupt keine Bremsung der Fallschütze vorgesehen,
sondern man ließ' sie einfach frei fallen, wodurch es zu unkontrollierbaren Beanspruchungen
in statischer und dynamischer Hinsicht mit allen nachteiligen Folgen kam.
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In allen Fällen, wo die durch die Last bewirkte Senkgeschwindigkeit
größer ist als die Hubgeschwindigkeit, wird sich für den Motor eine überdrehzahl
ergeben, d. h. es wird ihm ein Moment zugeführt, wodurch er zum Generator wird.
Dort, wo zwischen Hub- und Senkgeschwindigkeit nur geringfügige Unterschiede sind,
wird diese überdrehzahl sich in durchaus zulässigen Grenzen halten. Ist das Verhältnis
aber beispielsweise i : io, wie es bei Fallschützen gefordert wird, so ist die im
Hebezeugbau übliche Methode des generatorischen Absenkens nicht mehr möglich.
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Bei einer bekannten Anordnung wird die Drehzahl der Lastwelle durch
einen mit Planetengetriebe ausgestatteten Getriebekasten in sinnvoller Weise derart
übertragen, daß eine Überdrehzahl auf der Motorwelle nicht eintreten kann, wodurch
keine Notwendigkeit besteht, den Motor abzukuppeln. Die Geschwindigkeit des Absenkens
wird durch ein elektrohydraulisches oder elektropneumatisches Gerät geregelt, welches
von einem Frequenzgebermotor gesteuert wird. Die Steuerung ist so festgelegt, daß
eine selbsttätige Regelung der Senkgeschwindigkeit bei Erreichung einer bestimmten
Höchstgeschwindigkeit eintritt.
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Ein wesentlicher Nachteil dieses Verfahrens beruht nun im Hinblick
auf die Verläßlichkeit darauf, daß die Funktion der Anlage vom Drehstromnetz als
Energiequelle abhängig ist. Bricht dieses Netz zusammen, so fällt auch die ganze
Steuerungsanlage aus, und die Last bleibt in der momentanen Stellung blockiert.
Gerade dieser Fall soll aber bei Fallschützen vermieden werden, denn diese haben
ja die Aufgabe, gerade im Augenblick der größten Gefahr den Wasserzutritt zur Turbine
in kürzester Zeit zu sperren. Das ist wohl auch ein Grund, warum sich das bekannte
System bei Fallschützen nicht durchgesetzt hat.
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Die für Fallschütze unbedingt notwendige Verläßlichkeit der Funktion
kann aber nur dann sichergestellt werden, wenn sie vom Drehstrombedarf unabhängig
ist. Auch Drehstromenergie von Notstromerzeugern, die immer rotierende Maschinen
sind und in vielen Fällen erst im Gefahrenfalle in Betrieb gesetzt werden, ist nicht
annähernd so betriebssicher wie ein Gleichstromgenerator, der z. B. mit permanenten
Polen ausgerüstet ist oder dessen Fremderregung einer Gleichstrombatterie entnommen
wird.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur elektrischen Steuerung
der Senkgeschwindigkeit der Fallschütze bei Wasserkraftanlagen, bei welchem die
erwähnten Nachteile und Schwierigkeiten beseitigt sind und das in einfacher Weise
die Aufgabe auf elektrischem Wege löst. Voraussetzung dabei ist nur das Vorhandensein
einer konstanten Gleichspannung, was bei einem Kraftwerk immer zutrifft, da auch
alle Schalter aus einer Gleichstrombatterie betätigt#werden. Der freie Fall der
Fallschütze wird bei dem Verfahren mittels einer Backenbremse gebremst, wobei der
Bremsdruck elektrisch gesteuert wird. Das Verfahren besteht im wesentlichen darin,
daß das fallende Schütz, gegebenenfalls über ein Getriebe, einen Gleichstromgenerator
antreibt, der' je nach der Geschwindigkeit der Fallbewegung eine gegen eine konstante
Gleichspannung gerichtete veränderliche Spannung erzeugt und die Differenz dieser
Spannungen einen Gleichstrommotor treibt, welcher ein auf dem Triebwerk des Schützes
angeordnetes Bremslüftgerät betätigt. Die Drehzahl des Lüftermotors wird von der
Größe der Differenzspannung bestimmt, und die Differenzspannung wird durch die Kupplung
des Fallschützes mit dem Generator von der Senkgeschwindigkeit des Schützes gesteuert.
Wenn man, nach einer bevorzugten Ausführungsform, den Generator fremd erregt und
sein Feld konstant läßt, so ist die erzeugte Spannung nur mehr von der Drehzahl
des Generators abhängig, und zwischen beiden Größen besteht dann ein linearer Zusammenhang.
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Wenn das Fallschütz gesenkt werden soll, schaltet man den Motor des
Lüftgerätes auf die Batterie und legt ihn an die volle Spannung. Er hat dann seine
maximale Drehzahl und seine maximale Lüftkraft.Die Lüftkraftbei voller Drehzahl
ist also größer als die Schließkraft der Bremse. Wenn nun das Fallschütz ausgeklinkt
und der damit gekuppelte Generator gegen die Batteriespannung geschaltet wird, sinkt
die den Motor des Lüftgerätes treibende Spannung, verringert dessen Drehzahl und
damit die Lüftkraft des Lüftgerätes. Die Bremsbacken beginnen nun einzuschleifen,
und zwar um so mehr, je größer die Bremskraft, d. h. die Differenz zwischen Schließkraft
der Bremse und Lüftkraft des Lüftgerätes wird. Die Bremsung ist aber durch die selbsttätige
Steuerung bis zum Endpunkt weich und verläuft ohne Bremsstöße. Wenn der Generator
fremd erregt ist, kann durch Verstellen des Feldwider-
Standes jede
gewünschte Senkgeschwindigkeit eingestellt werden, und außerdem ist die Aufrechterhaltung
eines bestimmten eingestellten Wertes der Geschwindigkeit gewährleistet. Jede Änderung
der Geschwindigkeit des Fallschützes wird sofort vom Generator als Spannungsänderung
an den Lüftermotor weitergegeben, wodurch sich die Bremskraft entsprechend ändert.
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Als Lüftgerät kann ein von einem Gleichstrommotor angetriebenes elektrohydraulisches
Hubzeug verwendet werden, z. B. eine Öldruckpumpe, welche das 01 von der
Oberseite des Kolbens nach der Unterseite fördert und einen Öldruck erzeugt, der
über ein Bremsgestänge gegen die Bremsfeder wirkt. Man verwendet zweckmäßig ein
Öl mit einem möglichst tiefen Stockpunkt, um die Temperatureinflüsse auszuschalten.
Die Temperaturabhängigkeit ist aber im Gegensatz zu der bekannten hydraulischen
Bremsung hier kein beachtlicher Faktor, weil die Lüftgeräte nur geringe Ölmengen
verwenden und sie auch bei Verwendung von gewöhnlichem Öl leicht auf entsprechender
Temperatur gehalten werden können, zumal keine Ölleitungen notwendig sind.
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Statt der elektrohydraulischen Hubzeuge können mit Vorteil Lüftgeräte
verwendet werden, die in bekannter Weise auf dem Fliehkraftsystem beruhen. Man ist
in diesem Falle vollkommen von Temperatureinflüssen unabhängig.
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Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand eines beispielsweisen Schaltbildes
näher erläutert. Zu Beginn des Senkvorganges wird durch Betätigung des Tasters T1
dem Schütz S1 ein Impuls gegeben, worauf es anspricht und über einen Selbsthaltekontakt
an der Spannung Ui bleibt. Dadurch wird die volle Batteriespannung an den Motor
ML
des Lüfters gelegt. Zu gleicher Zeit spricht auch der Bremslüfter
BL für die mechanische Entriegelung des Fallschützes an. Der Gleichstromgenerator
G wird durch die Schnellerregung sofort erregt, wozu ein Schnellerregerwiderstand
vorgesehen ist. Die nun eintretende, bereits beschriebene Senkbewegung wird, wenn
das Fallschütz in seinem tiefsten Punkt angelangt ist, durch einen Endschalter E
unterbrochen, indem das Schütz S1 spannungslos wird, wodurch es abfällt und damit
auch das Lüftgerät abschaltet. Die Bremsbacken werden durch die Schließkraft der
Federn normal angepreßt, und die Senkbewegung wird damit beendet. Durch einen Austaster
A kann die Bewegung an beliebiger Stelle unterbrochen werden. Bei Betätigung des
Motorschützschalters S3 für den Hubmotor MH wird gleichzeitig das Schütz S2 geschaltet,
welches den Lüftermotor ML an die volle konstante Spannung Ui legt. Bei der Hubbewegung
ist das Gerät daher voll gelüftet, und es tritt keinerlei Behinderung des Hubvorganges
ein.
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Die konstante Gleichspannung kann in Schadensfällen einer Notstrombatterie
entnommen werden.