EP3601805B1 - Vorrichtung zum regeln einer hydraulischen maschine - Google Patents

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EP3601805B1
EP3601805B1 EP18705117.2A EP18705117A EP3601805B1 EP 3601805 B1 EP3601805 B1 EP 3601805B1 EP 18705117 A EP18705117 A EP 18705117A EP 3601805 B1 EP3601805 B1 EP 3601805B1
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EP
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hydraulic cylinder
line
pump
hydraulic
collecting
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English (en)
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Thomas Zeller
Rouven Hohage
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Voith Patent GmbH
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Voith Patent GmbH
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    • F15B2211/80—Other types of control related to particular problems or conditions
    • F15B2211/875—Control measures for coping with failures
    • F15B2211/8755—Emergency shut-down

Definitions

  • the invention relates to a device for controlling a hydraulic machine, in particular a device for controlling a turbine, a pump or a pump turbine.
  • the DE 27 13 867 A1 such a device (see Figure 3), which comprises a pressure oil source, a hydraulic servomotor (hydraulic cylinder) and control valves for metering the energy for adjusting the hydraulic cylinder.
  • the pressurized oil source is a reservoir for the hydraulic medium which is under overpressure.
  • the storage tank must be filled with the help of pumps and brought to the required working pressure and maintained.
  • the object of the present invention is to provide a device for regulating a hydraulic machine in which variable-speed hydraulic fixed displacement pumps are used, and which meet the requirements of a hydraulic machine, e.g. with regard to setting times, emergency closing properties - even if the pumps fail, suitability for large hydraulic cylinders -Volumes etc., guaranteed.
  • the solution according to the invention is characterized by high energy efficiency, good environmental compatibility, ease of maintenance and low acquisition and operating costs.
  • this object is achieved by a device for controlling a hydraulic machine with the features of claim 1. Further advantageous refinements of the device according to the invention emerge from the dependent claims.
  • the device comprises a collecting and equalizing tank, which is labeled 1, a pump arrangement, which is labeled 2, a variable-speed pump drive, which is labeled 3, a memory, which is labeled 5, a hydraulic cylinder, which is labeled 6 is, an emergency shut-off valve, which is designated with 71, an emergency shut-off solenoid valve, which is designated with 72, two pilot operated check valves, which are designated with 81 and 82, two pilot valves, which are designated with 91 and 92, three throttles, which are designated with 10, 11 and 12, an optional solenoid valve, which is labeled 20, two optional pressure relief valves, which are labeled 30 and 31 and two optional connections, which are labeled 40 and 50.
  • the arrow below the hydraulic cylinder 6 indicates the closing direction of the same.
  • the hydraulic cylinder 6 can be, for example, the stator hydraulic cylinder or the hydraulic cylinder for adjusting the impeller blades of a hydraulic machine. Such hydraulic cylinders often require large volumes of hydraulic fluid to operate.
  • the hydraulic cylinder 6 can be made as a synchronous cylinder, as in Figure 1 by the dashed second Rod is indicated.
  • the hydraulic cylinder 6 can, however, also be designed as a differential cylinder with different volumes for the closing and opening sides.
  • the pump arrangement 2 comprises two pumps with a reversible delivery direction.
  • the two pumps are arranged on a shaft which is driven by the pump drive 3.
  • the pump drive 3 comprises a motor and a frequency converter for each of the two pumps.
  • One connection of a pump is connected to a control line of the hydraulic cylinder, so that one pump conveys hydraulic fluid in the direction of the hydraulic cylinder 6 and the other pump receives hydraulic fluid from the hydraulic cylinder 6 in one direction of rotation of the shaft. In the other direction of rotation of the shaft it is exactly the opposite.
  • the pressure connections are preferably always connected to the hydraulic cylinder 6 and the suction connections to the collecting and compensating tank 1.
  • the shaft of the pump arrangement 2 is driven by the variable-speed pump drive 3, which can be operated in both directions of rotation.
  • the pump drive 3 usually comprises an electric servomotor which is electrically fed by a frequency converter.
  • the releasable check valves 81 and 82 which are arranged in the connecting lines of the hydraulic cylinder 6 with the pump arrangement 2 in such a way that they prevent the piston of the hydraulic cylinder from moving in the unlocked state, are each connected to one of the pilot valves 91, 92. These are each connected to the memory 5 (via the valves 20 and 72). Opening a pilot valve 91, 92 thus unlocks the associated check valve 81, 82.
  • the opening of pilot valves 91, 92 is caused by the (electrical) controller of the hydraulic machine in that they are excited. Each of the pilot valves 91, 92 can be energized separately.
  • the accumulator 5 is connected to the closing side of the hydraulic cylinder 6.
  • the emergency shut-off valve 71 is connected to the opening side of the hydraulic cylinder 6 and the collecting and compensating tank 1 that a volume flow between the opening side of the hydraulic cylinder 6 and the collecting and Equalization tank 1 is only possible when the emergency valve 71 is open.
  • the state of the emergency shut-off valve 71 is controlled via the emergency shut-off solenoid valve 72, which is located in a hydraulic line between the emergency shut-off valve 71 and the accumulator 5.
  • the emergency shut-off solenoid valve 72 is also located in the lines between the pilot valves 91, 92 and the accumulator 5.
  • the (spring-loaded) emergency shut-off solenoid valve 72 is always excited during operation, whereby the emergency shut-off valve 71 is closed and the pilot valves 91, 92 through the accumulator 5 with oil pressure are supplied (ie the check valves 81, 82 can be unlocked in this state by the pilot valves 91, 92).
  • the throttle 10 which is also called the “basic throttle" is located in the line between the opening side of the hydraulic cylinder 8 and the check valve 81, but before the branch in this line to the emergency valve 71, ie in the immediate vicinity of the hydraulic cylinder 6
  • Throttle 11 is located in the line that connects the memory 5 with the rest of the device.
  • the throttle 12 is located in the line between the emergency shut-off valve 71 and the collecting and equalizing tank 1.
  • One of the two throttles 11 or 12 is to be regarded as optional (see the remarks on the emergency shut-off function).
  • the device can also include further emergency shut-off control valves (e.g. an overspeed valve, etc.). These can be connected via the connection 50, which is located in the same hydraulic line as the emergency shut-off solenoid valve 72.
  • further emergency shut-off control valves e.g. an overspeed valve, etc.
  • connection 40 is located in the hydraulic line which connects the reservoir 5 with the rest of the device.
  • the pilot solenoid valves 91, 92 controlled by the controller of the hydraulic machine are in the de-energized state.
  • the releasable check valves 81, 82 in the control lines to the opening or closing side of the hydraulic cylinder 6 are also closed and the cylinder 6 is held in its position without leakage.
  • the variable-speed drive 3 is switched off so that no energy loss (heat) is introduced into the system.
  • oil cooling can in principle be dispensed with, which offers the advantage of significantly better energy efficiency.
  • the pilot valves 91 and 92 are excited via the controller, which leads to the opening of the releasable check valves.
  • the hydraulic cylinder can now be positioned directly via the variable-speed pump drive 3. If the hydraulic cylinder 6 is designed as a synchronous cylinder, the same amount of oil is swallowed by the pump arrangement 2 on the suction side as is introduced into the cylinder on the pressure side. In this case, the two pumps of the pump arrangement 2 have identical delivery volumes.
  • the hydraulic cylinder 6 is made as a differential cylinder, the delivery volume ratio of the two pumps of the pump arrangement 2 is as accurate as possible to the Differential cylinder adapted.
  • the difference in oil quantity that occurs during the movement of the hydraulic cylinder 6 can be compensated for via the corresponding suction lines connected to the collecting and compensating container 1 or a small pendulum volume at the reservoir 5.
  • the oil volume and thus the pressure in the reservoir 5 remains largely constant and ensures that the entire system is preloaded.
  • the permanent pressure bias of the hydraulic cylinder 6 by the accumulator 5 has the advantage that the hydraulic cylinder 6 always remains firmly clamped in the defined position, regardless of e.g. a change in the direction of force of the external forces acting on the cylinder 6.
  • the pilot valves 91, 92 are de-energized, whereby the cylinder 6 can be held in its position again without applying energy. It should be mentioned that, in comparison with conventional systems, the storage volume is no longer used for control purposes, since this task is completely taken over by the pump arrangement 2. Thus the storage volume and thus the storage size can be drastically reduced. This also leads to a smaller collecting and equalizing container 1, which means that costs can be reduced overall.
  • an emergency shutdown function is implemented which allows the system to be shut down without a power supply (or in the event of a defect in the variable-speed drive 3).
  • the emergency shut-off solenoid valve 72 which is permanently excited during operation, is de-energized, whereupon the emergency shut-off valve 71 opens.
  • the "quasi-closed" hydraulic control circuit thus becomes an open circuit.
  • the memory 5 is with the The closing side of the hydraulic cylinder 6 is connected, the opening side now being diverted into the collecting and equalizing tank 1.
  • the memory 5 delivers a defined volume within defined pressure limits. Therefore, with the aid of the basic throttle 10 and an additional throttle 11 or 12 connected in series, a defined closing time can be reliably set. If two throttles 11 and 12 additionally connected in series are actually used, this results in greater flexibility and greater robustness against, for example, a line break in the line between the basic throttle 10 and the quick-acting valve 71, since the additional throttling effect is distributed over two throttles of which only one (12) fails due to the line break.
  • the basic throttle When the hydraulic cylinder 6 is moved, the basic throttle creates a dynamic pressure against which the pump arrangement 2 acts and which must therefore be kept within certain limits (nominal pressures of the lines and components to be maintained, output of the pump drive 3, etc.). An individual design of the individual throttles 10, 11, 12 is therefore necessary. It must be in the foreground that the greatest possible proportion of the total throttling effect and thus the closing time must always be implemented via the basic throttle 10.
  • the arrangement of the basic throttle 10 directly in the opening side of the hydraulic cylinder 6 ensures that the closing time is limited even in the event of a line break on the open control side (ie the line between the basic throttle 10 and the pump arrangement 2).
  • pressure limiting valves 30, 31 can optionally be installed on the opening and closing sides with respect to the hydraulic cylinder 6. It is clear that the pressure limiting valve 31 can also be integrated in the memory 5.
  • the memory 5 is monitored for its degree of filling or its system pressure by means of appropriate level and pressure sensors.
  • the oil volume and the pressure in the reservoir 5 are kept at a defined maximum level during operation, regardless of the position of the hydraulic cylinder 6. In the case of a synchronous cylinder being used (see above), or if no further external consumers are connected to the memory 5 via the optional connection point 40, this level will not change or change only very little during operation.
  • the memory can be charged during operation by means of the variable-speed drive 3 and the electrically controlled, releasable check valves 81 and 82, regardless of the position of the hydraulic cylinder 6.
  • the pilot solenoid valves 91 and 92 must be in the de-energized state, as a result of which the releasable check valves 81 and 82 are also closed.
  • the pump arrangement 2 is now activated in such a way that it conveys in the direction of the closing side of the hydraulic cylinder 6.
  • the position of the cylinder 6 does not change because the releasable check valve 81 in the open side of the hydraulic cylinder 6 is closed and therefore no oil can escape from the hydraulic cylinder 6.
  • flow can flow through the check valve 82, as a result of which the pressure increases and the accumulator 5 is “charged”.
  • the difference in oil quantity required for this is sucked in by the pump arrangement 2 from the collecting and equalizing tank 1 via a corresponding line.
  • the store loading function is active during normal operation and when the hydraulic machine is at a standstill. This ensures that there is always the appropriate safety for a possible emergency shutdown and that it is available as quickly as possible when the hydraulic machine is started.
  • the pump arrangement 2 is designed with regard to the size, speed and power of the pumps in such a way that they are suitable for the respective application Required opening and closing times of the hydraulic cylinder 6 can be moved solely via the pump drive 3.
  • the opening times may be significantly longer, they could be designed in this way in order to keep the dimensions of the pump arrangement 2 and the pump drive 3 as small as possible (space, spare parts costs, etc.) be that the hydraulic cylinder 6 can only be moved with the minimum opening time.
  • the quick-closing solenoid valve 20 is optionally provided, which is located in the same hydraulic line as the emergency closing solenoid valve 72. By connecting this valve 20, the storage volume can now be used to close.
  • the quick-closing solenoid valve 20 is excited, as a result of which the emergency-closing valve 71 opens.
  • the pressure supply to the pilot control valves 91 and 92 is hydraulically disconnected, so that the pilot operated check valves 81 and 82 in the control lines also close.
  • the pump arrangement 2 can now be controlled in the closing direction with the maximum delivery rate during this process.
  • the quick-closing valve 20 is de-energized again when a defined opening is reached. Simultaneously the "fine control" is now transferred back to the variable-speed pump drive 3, and the machine can be synchronized again.
  • the controller Since the controller is active during and after the synchronization process has been completed and the turbine has been restarted to the corresponding cylinder position and the pump arrangement 2 may therefore not be used to charge the accumulator 5, the following procedure can be used in this case: While the pump arrangement 2 moves the hydraulic cylinder 6 to the corresponding opening, the pilot solenoid valves 91 and 92 are in the de-energized state. The flow can thus flow through the open-side check valve 81, the close-side check valve 82 remains blocked. As a result, the oil displaced when opening is pressed from the hydraulic cylinder 6 directly back into the reservoir 5. The amount of oil required for this is sucked in by the pump arrangement 2 from the collecting and compensating tank 1 via the corresponding line. When the accumulator 5 has reached its nominal degree of filling, the corresponding check valves 81 and 82 are opened and the hydraulic cylinder 6 can be moved to its end position without further filling the accumulator 5.
  • the regulation is initiated via the pump arrangement 2 by opening the releasable check valves 81 and 82. This creates heat that is used to heat the system.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln einer hydraulischen Maschine, insbesondere eine Vorrichtung zum Regel einer Turbine, einer Pumpe oder einer Pumpturbine.
  • Konventionelle Vorrichtungen zum Regeln einer hydraulischen Maschine sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 27 13 867 A1 eine solche Vorrichtung (siehe Figur 3), die eine Druckölquelle, einen hydraulischen Stellmotor (Hydrozylinder) und Regelventile zur Dosierung der Energie zur Verstellung des Hydrozylinders umfasst. In der Regel handelt es sich bei der Druckölquelle um einen Speicher für das unter Überdruck stehende Hydraulikmedium. Der Speicher muss dabei mit Hilfe von Pumpen gefüllt und auf den notwendigen Arbeitsdruck gebracht und gehalten werden.
  • Aus der DE 10 2013 212 937 A1 ist ferner eine Vorrichtung zum Öffnen und Schließen der Leitschaufeln einer hydraulischen Maschine bekannt, bei welcher drehzahlvariabel angetriebenen hydraulische Konstantpumpen verwendet werden. In dieser Schrift wird lediglich die prinzipielle Wirkweise einer solchen Vorrichtung offenbart. Eine weitere Vorrichtung ist aus der DE 10 2013 008047 A1 bekannt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine Vorrichtung zum Regeln einer hydraulischen Maschine anzugeben, bei welcher drehzahlvariabel angetriebene hydraulische Konstantpumpen verwendet werden, und welche die Anforderungen bei einer hydraulischen Maschine, z.B. hinsichtlich Stellzeiten, Notschließeigenschaften - auch bei Versagen der Pumpen, Eignung für große Hydraulikzylinder-Volumina etc., gewährleistet. Im Vergleich mit konventionellen Vorrichtungen zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch eine hohe Energieeffizienz, gute Umweltverträglichkeit, Wartungsfreundlichkeit und geringen Anschaffungs- und Betriebskosten aus.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Regeln einer hydraulischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
    • Figur 1
    Schematischer Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
  • In der Darstellung der Figur 1 ist der Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Regeln einer hydraulischen Maschine in schematisierter Weise gezeigt. Die Vorrichtung umfasst einen Sammel- und Ausgleichsbehälter, welcher mit 1 bezeichnet ist, eine Pumpenanordnung, welche mit 2 bezeichnet ist, einen drehzahlvariablen Pumpenantrieb, welcher mit 3 bezeichnet ist, einen Speicher, welcher mit 5 bezeichnet ist, einen Hydraulikzylinder, welcher mit 6 bezeichnet ist, ein Notschlussventil, welches mit 71 bezeichnet ist, ein Notschlussmagnetventil, welches mit 72 bezeichnet ist, zwei entsperrbare Rückschlagventile, welche mit 81 und 82 bezeichnet sind, zwei Vorsteuerventile, welche mit 91 und 92 bezeichnet sind, drei Drosseln, welche mit 10, 11 und 12 bezeichnet sind, ein optionales Magnetventil, welches mit 20 bezeichnet ist, zwei optionale Druckbegrenzungsventile, welche mit 30 und 31 bezeichnet sind und zwei optionale Anschlüsse, welche mit 40 und 50 bezeichnet sind. Der Pfeil unterhalb des Hydraulikzylinders 6 deutet die Schließrichtung desselben an.
  • Bei dem Hydraulikzylinder 6 kann es sich z.B. um den Leitrad- Hydraulikzylinder oder um den Hydraulikzylinder zur Verstellung der Laufradschaufeln einer hydraulischen Maschine handeln. Solche Hydraulikzylinder erfordern zum Betrieb oft große Volumina an Hydraulikflüssigkeit. Der Hydraulikzylinder 6 kann als Gleichgangzylinder ausgefertigt sein, wie in Figur 1 durch die gestrichelte zweite Stange angedeutet ist. Der Hydraulikzylinder 6 kann jedoch auch als Differentialzylinder mit unterschiedlichen Volumen für Schließen- und Öffnen-Seite ausgefertigt sein.
  • Die Pumpenanordnung 2 umfasst zwei Pumpen mit umkehrbarer Förderrichtung. In Figur 1 sind die zwei Pumpen auf einer Welle angeordnet, welche durch den Pumpenantrieb 3 angetrieben wird. Es sind jedoch auch andere konstruktive Ausgestaltungen möglich, z.B. dass die Pumpen mittels eines Getriebes durch den Pumpenantrieb 3 angetrieben werden. Es ist sogar denkbar, dass der Pumpenantrieb 3 jeweils einen Motor und einen Frequenzumrichter für jede der beiden Pumpen umfasst. Die weitere Beschreibung bezieht sich auf die in Figur 1 dargestellte Ausführungsform. Dabei ist jeweils ein Anschluss einer Pumpe mit einer Steuerleitung des Hydraulikzylinders verbunden, so dass in einer Drehrichtung der Welle die eine Pumpe Hydraulikflüssigkeit in Richtung des Hydraulikzylinders 6 fördert und die andere Pumpe Hydraulikflüssigkeit vom Hydraulikzylinder 6 aufnimmt. In der anderen Drehrichtung der Welle ist es gerade umgekehrt. So sind in Figur 1 der rechte Anschluss der unteren Pumpe (über das entsperrbare Rückschlagventil 82) mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 und der linke Anschluss der oberen Pumpe (über das entsperrbare Rückschlagventil 81) mit der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 verbunden. Die übrigen Anschlüsse der Pumpen sind jeweils direkt mit dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 verbunden. D.h. in der einen Drehrichtung der Welle pumpt die untere Pumpe Hydraulikflüssigkeit aus dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 in die Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 und gleichzeitig pumpt die obere Pumpe Hydraulikflüssigkeit von der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 in den Sammel-und Ausgleichsbehälter 1. In der anderen Drehrichtung der Welle verlaufen die Volumenströme umgekehrt. Im Falle, dass die Fördervolumina der beiden Pumpen gleich groß sind, bedeutet das, dass letztendlich keine Hydraulikflüssigkeit in den Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 fließt bzw. aus ihm entnommen wird (vgl. unten zu Gleichgangzylinder). Im anderen Fall wird nur die Differenzfördermenge der Pumpen in den Sammel- und Ausgleichbehälter 1 abgegeben bzw. ihm entnommen (vgl. unten zu Differentialzylinder). Dabei ist jeweils vorausgesetzt, dass die Rückschlagventile 81 und 82 entsperrt sind (siehe unten in der Beschreibung der Betriebszustände).
  • Falls die verwendeten Pumpen ausgewiesene Druck- und Sauganschlüsse aufweisen, so werden vorzugsweise immer die Druckanschlüsse mit dem Hydraulikzylinder 6 und die Sauganschlüsse mit dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 verbunden.
  • Die Welle der Pumpenanordnung 2 wird von dem drehzahlvariablen Pumpenantrieb 3, welcher in beiden Drehrichtungen betreibbar ist, angetrieben. Der Pumpenantrieb 3 umfasst in der Regel einen elektrischen Servomotor, der von einem Frequenzumrichter elektrisch gespeist wird.
  • Die entsperrbaren Rückschlagventile 81 und 82, welche in den Verbindungsleitungen des Hydraulikzylinders 6 mit der Pumpenanordnung 2 so angeordnet sind, dass sie im nicht entsperrten Zustand eine Bewegung des Kolbens des Hydraulikzylinders verhindern, sind jeweils mit einem der Vorsteuerventile 91, 92 verbunden. Diese sind jeweils (über die Ventile 20 und 72) mit dem Speicher 5 verbunden. Ein Öffnen eines Vorsteuerventils 91, 92 bewirkt so die Entsperrung des zugehörigen Rückschlagventils 81, 82. Das Öffnen der Vorsteuerventile 91, 92 wird durch den (elektrischen) Regler der hydraulischen Maschine dadurch bewirkt, dass diese erregt werden. Jedes der Vorsteuerventile 91, 92 kann separat erregt werden.
  • Der Speicher 5 ist mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 verbunden. Das Notschlussventil 71 ist so mit der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 und dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 verbunden, dass ein Volumenstrom zwischen der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 und dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 nur möglich ist, wenn das Notschlussventil 71 geöffnet ist. Die Steuerung des Zustands des Notschlussventils 71 erfolgt über das Notschlussmagnetventil 72, welches sich in einer hydraulischen Leitung zwischen Notschlussventil 71 und dem Speicher 5 befindet. Das Notschlussmagnetventil 72 befindet sich auch in den Leitungen zwischen den Vorsteuerventilen 91, 92 und dem Speicher 5. Das (federbelastete) Notschlussmagnetventil 72 wird im Betrieb immer dauererregt, wodurch das Notschlussventil 71 geschlossen ist und die Vorsteuerventile 91, 92 durch den Speicher 5 mit Öldruck versorgt werden (d.h. die Rückschlagventile 81, 82 können in diesem Zustand durch die Vorsteuerventile 91, 92 entsperrt werden).
  • Die Drossel 10, die auch "Grunddrossel" genannt wird, befindet sich in der Leitung zwischen der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 8 und dem Rückschlagventil 81 jedoch noch vor der Abzweigung in dieser Leitung zum Notschlussventil 71, d.h. in unmittelbarer Nachbarschaft zum Hydraulikzylinder 6. Die Drossel 11 befindet sich in der Leitung, die den Speicher 5 mit dem restlichen Teil der Vorrichtung verbindet. Die Drossel 12 befindet sich in der Leitung zwischen dem Notschlussventil 71 und dem Sammel- und Ausgleichsbehälter 1. Dabei ist eine der beiden Drosseln 11 oder 12 als optional zu betrachten (siehe die Ausführungen zur Notschlussfunktion).
  • Optional kann die Vorrichtung noch weitere Notschlusssteuerventile umfassen (z.B. ein Überdrehzahlventil etc.). Diese können über den Anschluss 50 angeschlossen werden, welcher sich in derselben hydraulischen Leitung wie das Notschlussmagnetventil 72 befindet.
  • Optional können weitere Verbraucher über den Anschluss 40 an den Speicher 5 angeschlossen werden. Der Anschluss 40 befindet sich in der hydraulischen Leitung, welche den Speicher 5 mit der restlichen Vorrichtung verbindet.
  • Im Folgenden werden die Wirkweisen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den einzelnen Betriebszuständen der hydraulischen Maschine näher beschrieben und die Vorteile der Vorrichtung erläutert. Hierbei wird als Anfangszustand angenommen, dass der mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 direkt verbundene Speicher 5 mit einem definierten Druck geladen ist und sich der Hydraulikzylinder 6 in einer beliebigen Zwischenstellung befindet.
    • Regelbetrieb der hydraulischen Maschine:
  • So lange die Position des Hydraulikzylinders 6 gehalten werden soll, befinden sich die vom Regler der hydraulischen Maschine angesteuerten Vorsteuermagnetventile 91, 92 im entregten Zustand. Dadurch sind die entsperrbaren Rückschlagventile 81, 82 in den Steuerleitungen zur Öffnen- bzw. Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 ebenfalls geschlossen und der Zylinder 6 wird leckagefrei in seiner Position gehalten. In diesem Zustand wird der drehzahlvariable Antrieb 3 abgeschaltet, so dass keine Verlustenergie (Wärme) in das System eingebracht wird. Dadurch kann prinzipiell auf eine Ölkühlung verzichtet werden, was den Vorteil einer deutlich besseren Energieeffizienz bietet.
  • Wird nun ein Regelvorgang notwendig (z.B. Sollwertänderung oder die Regelabweichung überschreitet einen bestimmten Wert (Totband)), werden die Vorsteuerventile 91 und 92 über den Regler erregt, was zum Öffnen der entsperrbaren Rückschlagventile führt. Jetzt kann der Hydraulikzylinder direkt über den drehzahlvariablen Pumpenantrieb 3 positioniert werden. Falls der Hydraulikzylinder 6 als Gleichgangzylinder ausgefertigt ist, wird durch die Pumpenanordnung 2 die gleiche Ölmenge saugseitig geschluckt wie druckseitig in den Zylinder eingebracht. In diesem Fall haben die beiden Pumpen der Pumpenanordnung 2 identische Fördervolumina. Falls der Hydraulikzylinder 6 als Differentialzylinder ausgefertigt ist, wird das Fördervolumen-Verhältnis der beiden Pumpen der Pumpenanordnung 2 so genau wie möglich an den Differentialzylinder angepasst. Die während des Verfahrens des Hydraulikzylinders 6 entstehende Differenz-Ölmenge kann über die entsprechenden am Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 angeschlossenen Saugleitungen bzw. ein geringes Pendelvolumen am Speicher 5 ausgeglichen werden.
  • Das Ölvolumen und somit der Druck im Speicher 5 bleibt weitestgehend konstant und sorgt dafür, dass das ganze System vorgespannt ist. Die permanente Druckvorspannung des Hydraulikzylinders 6 durch den Speicher 5 hat den Vorteil, dass der Hydraulikzylinder 6 immer fest in der definierten Position eingespannt bleibt unabhängig z.B. von einem Wechsel der Kraftrichtung der am Zylinder 6 angreifenden äußeren Kräfte.
  • Nach Erreichen der gewünschten Position werden die Vorsteuerventile 91, 92 entregt, wodurch der Zylinder 6 wieder ohne Aufbringung von Energie in seiner Position gehalten werden kann. Es ist zu erwähnen, dass das Speichervolumen im Vergleich mit konventionellen Systemen nicht mehr zu Regelzwecken verwendet wird, da diese Aufgabe komplett von der Pumpenanordnung 2 übernommen wird. Somit kann das Speichervolumen und so die Speichergröße drastisch reduziert werden. Dieses führt zusätzlich auch zu einem kleineren Sammel- und Ausgleichsbehälter 1, wodurch insgesamt die Kosten reduziert werden können.
    • Notschluss:
  • Um in einem Fehlerfall ein sicheres Stilllegen der hydraulischen Maschine gewährleisten zu können, ist eine Notschlussfunktion implementiert, die es erlaubt, die Anlage ohne Stromversorgung (oder bei einem Defekt des drehzahlvariablen Antriebs 3) herunterzufahren. Im Notschlussfall wird das im Betrieb dauererregte Notschlussmagnetventil 72 entregt, worauf das Notschlussventil 71 öffnet. Somit wird aus dem "quasi-geschlossenen" hydraulischen Regelkreislauf ein offener Kreislauf. Der Speicher 5 ist mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 verbunden, wobei die Öffnen-Seite jetzt in den Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 abgesteuert wird. Gleichzeitig wird auch der Druck zu den Vorsteuerventilen 91, 92 entlastet, so dass die entsperrbaren Rückschlagventile 81, 82 schließen. Somit wird sicher verhindert, dass sich z.B. aufgrund eines Defektes oder einer Leckage in der Pumpenanordnung 2 das Speichervolumen fälschlicherweise hierüber entleeren könnte und somit nicht mehr zum Schließen zur Verfügung stehen würde.
  • In diesem offenen Kreislauf liefert der Speicher 5 ein definiertes Volumen innerhalb definierter Druckgrenzen. Daher lässt sich mit Hilfe der Grunddrossel 10 und einer zusätzlich in Reihe geschalteten Drossel 11 oder 12 sicher eine definierte Schließzeit einstellen. Werden tatsächlich zwei zusätzlich in Reihe geschaltete Drosseln 11 und 12 verwendet, so ergibt sich dadurch eine größere Flexibilität und eine größere Robustheit gegenüber z.B. einem Leitungsbruch in der Leitung zwischen der Grunddrossel 10 und dem Schnellschlussventil 71, da sich die zusätzliche Drosselwirkung auf zwei Drosseln verteilt, von denen nur eine (12) durch den Leitungsbruch ausfällt.
  • Durch die Grunddrossel 10 entsteht beim Verfahren des Hydraulikzylinders 6 ein Staudruck, gegen den die Pumpenanordnung 2 wirkt, und der daher in gewissen Grenzen gehalten werden muss (einzuhaltende Nenndrücke der Leitungen und Komponenten, Leistung des Pumpenantriebs 3 etc.). Daher ist eine individuelle Auslegung der einzelnen Drosseln 10, 11, 12 notwendig. Dabei muss im Vordergrund stehen, dass immer der größtmögliche Anteil der Gesamtdrosselwirkung und damit der Schließzeit über die Grunddrossel 10 realisiert werden muss. Das hat u.a. den Grund, dass durch die Anordnung der Grunddrossel 10 direkt in der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 auch bei z.B. Leitungsbruch der Öffnen-Steuerseite (d.h. der Leitung zwischen Grunddrossel 10 und der Pumpenanordnung 2) eine Begrenzung der Schließzeit gewährleistet ist. Dadurch, dass der Speicher 5 direkt in der Schließen-Seite des Zylinders 6 angeordnet ist, und dort förmlich als "Puffer" wirkt, würde sogar in dem Fehlerfall, dass der Pumpenantrieb 3 eine höhere als die definierte maximale Drehzahl Richtung Schließen annähme, die Stellzeit über die Grunddrossel 10 begrenzt werden. Es würde sich lediglich der Druck im Speicher 5 durch eine erhöhte Pumpenfördermenge langsam erhöhen.
  • Um die Vorrichtung gegen einen unzulässig hohen Druck abzusichern, können optional Druckbegrenzungsventile 30, 31 jeweils öffnen- und schließen-seitig bzgl. dem Hydraulikzylinder 6 installiert sein. Es ist klar, dass das Druckbegrenzungsventil 31 auch im Speicher 5 integriert sein kann.
    • Speicherlade-Funktion:
  • Der Speicher 5 wird auf seinen Füllgrad bzw. seinen Systemdruck mittels entsprechender Niveau- und Drucksensoren überwacht. Das Ölvolumen und der Druck im Speicher 5 werden im Betrieb unabhängig von der Stellung des Hydraulikzylinders 6 auf einem definierten maximalen Niveau gehalten. Dieses Niveau wird sich im Falle eines verwendeten Gleichgangzylinders (siehe oben), bzw. wenn keine weiteren externen Verbraucher am Speicher 5 über die optionale Anschlussstelle 40 angeschlossen sind, im Betrieb nicht oder nur sehr wenig ändern.
  • Um aber auch die Verwendung von Differenzialzylindern sowie externen Verbrauchern zu ermöglichen, kann der Speicher mittels des drehzahlvariablen Antriebs 3 und den elektrisch angesteuerten entsperrbaren Rückschlagventilen 81 und 82 unabhängig von der Stellung des Hydraulikzylinders 6 während des Betriebs aufgeladen werden.
  • Dazu müssen sich die Vorsteuermagnetventile 91 und 92 in entregtem Zustand befinden, wodurch auch die entsperrbaren Rückschlagventile 81 und 82 geschlossen sind. Die Pumpenanordnung 2 wird jetzt so angesteuert, dass diese in Richtung Schließen-Seite des Hydraulikzylinders 6 fördert. Die Position des Zylinders 6 ändert sich dadurch nicht, da das entsperrbare Rückschlagventil 81 in der Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders 6 geschlossen ist und somit kein Öl aus dem Hydraulikzylinder 6 entweichen kann. In Schließen-Richtung kann das Rückschlagventil 82 aber durchströmt werden, wodurch sich der Druck erhöht und der Speicher 5 "geladen" wird. Die dafür nötige Differenz-Ölmenge wird von der Pumpenanordung 2 über eine entsprechende Leitung vom Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 angesaugt.
  • Sollte während des Ladens ein Regelvorgang notwendig werden, hat dieser Priorität vor dem Ladevorgang. Das ist aus sicherheitstechnischer Sicht kein Problem, da ein entsprechender Schaltpunkt der Niveau- und Drucküberwachung dafür sorgt, dass für einen eventuellen Notschluss immer genügend Volumen bzw. Druck im Speicher vorhanden ist. Durch das Erregen der Vorsteuerventile 91 und 92 und die Ansteuerung des drehzahlvariablen Antriebs 3 ist es sofort wieder möglich Regelbewegungen auszuführen.
  • Die Speicher-Laden-Funktion ist während des normalen Betriebs und einem Stillstand der hydraulischen Maschine aktiv. So wird gewährleistet, dass immer die entsprechende Sicherheit für einen eventuellen Notschluss gegeben ist, sowie beim Start der hydraulischen Maschine diese schnellstmöglich verfügbar ist.
    • Optionale Schnell-Schließen-Funktion:
  • Normalerweise wird die Pumpenanordnung 2 bzgl. der Größe, Drehzahl und Leistung der Pumpen so ausgelegt, dass die für den jeweiligen Anwendungsfall geforderten Öffnen- und Schließzeiten des Hydraulikzylinders 6 allein über den Pumpenantrieb 3 verfahren werden können.
  • Wenn z.B. große Hydraulikzylinder-Volumina vorhanden sind und im Gegensatz zu den Schließzeiten die Öffnungszeiten deutlich länger sein dürfen, könnten, um die Dimension der Pumpenanordnung 2 und des Pumpenantriebes 3 so klein wie möglich zu halten (Platzverhältnisse, Ersatzteilkosten etc.), diese so ausgelegt werden, dass der Hydraulikzylinder 6 nur mit der minimalen Öffnungszeit verfahren werden kann.
  • Um dann eine schnellere Schließzeit (z.B. im Fall eines Wasserkraftreglers bei einem Lastabwurf) zu erreichen, ist optional das Schnell-Schließen-Magnetventil 20 vorgesehen, welches sich in derselben hydraulischen Leitung wie das Notschlussmagnetventil 72 befindet. Durch Beschalten dieses Ventils 20 kann nun das Speichervolumen genutzt werden, um zu schließen. Dabei wird das Schnell-Schließen-Magnetventil 20 erregt, wodurch das Notschlussventil 71 öffnet. Gleichzeitig wird durch die Druckzufuhr zu den Vorsteuerventilen 91 und 92 hydraulisch getrennt, so dass auch die entsperrbaren Rückschlagventile 81 und 82 in den Steuerleitungen schließen. Die Pumpenanordnung 2 kann nun während dieses Vorgangs mit maximaler Fördermenge in Richtung Schließen gesteuert werden. Durch die Unterstützung durch die Pumpenanordnung 2 wird das Ölvolumen minimiert, welches aus dem Speicher 5 entnommen wird. Dies hat u.a. die Vorteile, dass der Speicher 5 weniger stark entleert wird und die Schließzeit, die über die Grunddrossel 10 direkt am Hydraulikzylinder 6 definiert wird, aufgrund der kleineren Spanne zwischen Anfangs- und Enddruck im Speicher 5 genauer eingestellt werden kann.
  • Um z.B. nach einem Lastabwurf bei einer Wasserturbine die Möglichkeit zu haben, die Maschine wieder zu synchronisieren zu können, wird bei Erreichen einer definierten Öffnung das Schnell-Schließen-Ventil 20 wieder entregt. Gleichzeitig wird die "Fein-Regelung" jetzt wieder an den drehzahlvariablen Pumpenantrieb 3 übergeben, und die Maschine kann wieder synchronisiert werden.
  • Im jetzigen Zustand ist aufgrund des Schließvorgangs und der Tatsache, dass nicht das ganze Volumen über die Pumpenanordnung 2 bereitgestellt werden konnte, der Speicher um einen Betrag, der kleiner ist als das bis zur entsprechenden Hydraulikzylinder-Position notwendige Ölvolumen, entleert worden. Der Druck und das Ölvolumen im Speicher 5 ist dabei immer noch hoch genug, dass ein etwaig notwendiger Notschluss durchgeführt werden könnte. Trotzdem sollte in dieser Situation der Speicher 5 so schnell wie möglich wieder aufgefüllt werden. Da während und nach Abschluss des Synchronisierungsvorgangs und erneutem Auffahren der Turbine auf die entsprechende Zylinderstellung der Regler aktiv ist und dadurch die Pumpenanordnung 2 nicht zum Laden des Speichers 5 genutzt werden darf, kann in diesem Fall folgendermaßen vorgegangen werden:
    Während die Pumpenanordnung 2 den Hydraulikzylinder 6 auf die entsprechende Öffnung auffährt, befinden sich die Vorsteuermagnetventile 91 und 92 im entregten Zustand. Somit kann das öffnen-seitige Rückschlagventil 81 durchströmt werden, das schließen-seitige Rückschlagventil 82 bleibt gesperrt. Dadurch wird das beim Auffahren verdrängte Öl aus dem Hydraulikzylinder 6 direkt zurück in den Speicher 5 gedrückt. Die dafür nötige Ölmenge wird von der Pumpenanordnung 2 über die entsprechende Leitung vom Sammel- und Ausgleichsbehälter 1 angesaugt. Hat der Speicher 5 seinen Nenn-Füllgrad erreicht, werden die entsprechenden Rückschlagventile 81 und 82 geöffnet und der Hydraulikzylinder 6 kann ohne weiteres Füllen des Speichers 5 auf seine Endposition gefahren werden.
    • Heizen-Funktion:
  • Bei Unterschreiten eines definierten Öltemperaturwertes wird die Regelung über die Pumpenanordnung 2 durch das Öffnen der entsperrbaren Rückschlagventile 81 und 82 initiiert. Dadurch entsteht Wärme die zum Aufheizen des Systems genutzt wird.

Claims (8)

  1. Vorrichtung zum Regeln einer hydraulischen Maschine umfassend eine Pumpenanordnung (2), einen drehzahlvariablen Pumpenantrieb (3), einen Speicher (5), einen Hydraulikzylinder (6), ein Notschlussventil (71), zwei entsperrbare Rückschlagventile (81, 82) und zwei Vorsteuerventile (91, 92) zum Entsperren der Rückschlagventile (81, 82), wobei die Pumpenanordnung (2) zwei Pumpen mit umkehrbarer Förderrichtung umfasst, welche mit dem drehzahlvariablen Pumpenantrieb (3) so verbunden sind, dass die Pumpen in beiden Förderrichtungen durch den Pumpenantrieb (3) angetrieben werden können, und die Vorrichtung ferner einen Sammel- und Ausgleichsbehälter (1), ein Notschlussmagnetventil (72) und wenigstens zwei Drosseln (10, 11, 12) umfasst, wobei ein erster Anschluss der ersten Pumpe mit der Öffnen-Seite und ein erster Anschluss der zweiten Pumpe mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders (6) verbunden sind, und wobei die verbleibenden Anschlüsse der Pumpen jeweils mit dem Sammel- und Ausgleichsbehälter (1) verbunden sind, so dass in einer Antriebsrichtung des Pumpenantriebs (3) die erste Pumpe Hydraulikflüssigkeit vom Sammel-und Ausgleichsbehälter (1) in Richtung des Hydraulikzylinders (6) und die zweite Pumpe Hydraulikflüssigkeit von Seiten des Hydraulikzylinders (6) in den Sammel- und Ausgleichbehälter (1) fördern können, und wobei der Sammel- und Ausgleichsbehälter (1) mit der Öffnen-Seite und der Speicher (5) mit der Schließen-Seite des Hydraulikzylinders (6) verbunden sind, und das Notschlussventil (71) in der Leitung zwischen dem Hydraulikzylinder (6) und dem Sammel- und Ausgleichsbehälter (1) angeordnet ist, und sich jeweils ein entsperrbares Rückschlagventil (81, 82) in einer der Leitungen von den Pumpen zum Hydraulikzylinder (6) befinden und so ausgerichtet sind, dass in jedem Zustand der Rückschlagventile (81, 82) Hydraulikflüssigkeit in Richtung zum Hydraulikzylinder (6) durchgelassen werden kann, und die Vorrichtung ferner Leitungen umfasst, welche den Speicher (5) jeweils mit den beiden Rückschlagventilen (81, 82) und dem Notschlussventil (71) verbinden, um die Rückschlagventile (81, 82) entsperren und das Notschlussventil (71) schließen zu können, wobei diese Leitungen wenigstens über ein Teilstück eine einzige Leitung bilden, in welchem Teilstück das Notschlussmagnetventil (72) angeordnet ist, um während dem Betrieb der hydraulischen Anlage permanent erregt und in dieser Stellung durchgängig zu sein, und wobei die Vorsteuerventile (91, 92) jeweils in den separat verlaufenden Teilstücken der Leitungen zwischen dem Speicher (5) und den Rückschlagventilen (81, 82) angeordnet und elektrisch ansteuerbar ausgebildet sind, und wobei sich eine Drossel (10) in der Leitung zur Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders (6) befindet, um bei jeder Bewegung des Hydraulikzylinders (6) von Hydraulikflüssigkeit durchflossen zu werden, und sich die andere Drossel (11, 12) entweder in der Leitung zwischen dem Sammel- und Ausgleichsbehälter (1) und der Mündung in die Leitung von der Pumpenanordnung (2) zur Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders (6) oder in der Leitung zwischen dem Speicher (5) und der Mündung in die Leitung von der Pumpenanordnung (2) zur Schließen-Seite des Hydraulikzylinders (6) befindet.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine weitere Drossel (11, 12) umfasst, welche sich entweder in der Leitung zwischen dem Sammel- und Ausgleichsbehälter (1) und der Mündung in die Leitung von der Pumpenanordnung (2) zur Öffnen-Seite des Hydraulikzylinders (6) oder in der Leitung zwischen dem Speicher (5) und der Mündung in die Leitung von der Pumpenanordnung (2) zur Schließen-Seite des Hydraulikzylinders (6) befindet, so dass sich in jeder dieser beiden Leitungen eine Drossel (11, 12) befindet.
  3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zwei Druckbegrenzungsventile (30, 31) umfasst, von denen jeweils eines an eine der Leitungen zwischen den entsperrbaren Rückschlagventilen (81, 81) und dem Hydraulikzylinder (6) angeschlossen ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil (20) umfasst, welches in derselben Leitung angeordnet ist wie das Notschlussmagnetventil (72) und so ausgebildet ist, dass es bei elektrischer Erregung das Notschlussventil (71) öffnen und die Vorsteuerventile (91, 92) vom Speicher (5) entkoppeln kann.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anschlussstelle (50) für weitere Notschlussventile umfasst, welche in derselben Leitung angeordnet ist wie das Notschlussmagnetventil (72).
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Anschlussstelle (40) für weitere Verbraucher von Hydraulikflüssigkeit umfasst, welche in der Leitung vom Speicher (5) zum Hydraulikzylinder (6) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (6) als Gleichgangzylinder ausgefertigt ist, und die Pumpen der Pumpenanordnung (2) die gleiche Menge Hydraulikflüssigkeit pro Umdrehung fördern.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikzylinder (6) als Differentialzylinder ausgefertigt ist, und die Pumpen der Pumpenanordnung (2) unterschiedliche Mengen Hydraulikflüssigkeit pro Umdrehung fördern, wobei das Fördermengenverhältnis an das Volumenverhältnis des Hydraulikzylinders (6) bzgl. Schließen- und Öffnen-Seite angepasst ist.
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