Regelungseinrichtung zur Verteilung der Last. Die Erfindung befasst sich mit der Auf gabe, bei mehreren parallel arbeitenden Na schinen, z. B. Turbinen, Generatoren, Ven tilatoren, Pumpen und dergl., die Lustvertei lung derart einzustellen, .dass ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Bei meh reren gleichartigen parallel arbeitenden Ma schinen ist im allgemeinen die Forderung nach dem günstigsten Wirkungsgrad erfüllt, wenn die Last gleichmässig auf die Maschi- nen verteilt wird.
Hier bereitet also die wirt schaftliche La.stverteeilung keinerlei Schwie rigkeiten und die Erfindung erstreckt sich deshalb auch nicht. auf den Fall, dass alle Maschinen gleiches Verhalten aufweisen. Ge mäss der Erfindung erhält man die wirt schaftlichste Belaetungsv erteilung zwischen mehreren Maschineneinheiten, wenn man die Differentialquotienten der Kurven, welche die, Verluste jeder Maschineneinheit in Ab hängigkeit von der Belastung darstellen (Verlustkurve), vergleicht und alle zu regeln- den Einheiten möglichst auf den,
gleichen Wert des Differentialquotienten selbsttätig einstellt. Dies ergibt .sich aus folgender über- legüng: Es sei (@@ = aufgenommene Leistung .der Na schine 1, Q2 = aufgenommene Leistung .der Ma schine 2, V, = Verluste der Maschine 1, VZ = Verluste .der Maschine 2. Dann ist: - (V1 + p2) = abgegebene Leistung beider Maschinen.
Der Gesamtwirkungsgrad beider Ma schinen beträgt .demnach:
EMI0001.0027
Durch partielle Differentialion erhält man die Bindung für den maximalen Wir kungsgrad, in dem man 77' = 0 setzt.
EMI0002.0003
Hieraus ergibt sich, dass bei günstigstem Wirkungsgrad
EMI0002.0005
sein muss.
Wenn man die Erfindung in die Praxis umsetzt, geht man zweckmässig von der für jede Maschine bekannten Abhängigkeit zwi schen der abgegebenen Leistung und der zu geführten Leistung aus. Anhand dieser Kurve lassen sich ohne weiteres die Verluste .der betreffenden Einheit in Abhängigkeit von der Belastung bilden. Auf Grund der so gewonnenen Verlustkurve lässt sich auf Grund bekannter Methoden für jeden Be lastungspunkt der Differentialquotient der Verlustkurve angeben.
In Fig. 1 sind die Verlustkurven zweier verschieden grosser Maschinen dargestellt und mit<I>A</I> und<I>B</I> bezeichnet. In dieser Ab bildung sind die Verluste V in Kilowatt über der aufgenommenen Leistung L deT Ma schinen aufgetragen. Man kann nun auf Grund der Kurven A und .B die beim Pa rallelarbeiten dieser beiden Maschinen ent stehenden Verluste für verschiedene Be lastungszustände jeder einzelnen Maschine ermitteln, wenn man zum Beispiel für eine angenommene Belastung der Maschine B zu den Verlusten .dieser Maschine noch die Ver luste der Maschine A hinzufügt.
Man erhält auf diese Weise Kurvenscharen, welche die mit A + B bezeichnete Hüllkurve aufweisen, welche die geringsten Verluste bei jeder be liebigen Gesamtbelastung der beiden Ma- schinen <I>A</I> und<I>B</I> erkennen lässt. Man erhält diese Hüllkurve auf die in Fig. 4 dargestellte Weise.
Wenn man bei der Darstellung nach Fig. 4 annimmt, dass die Maschine A mit einer Belastung von 0 arbeitet und die Ma schine B mit vaazabler Belastung von 0 bis b arbeitet, erhält man als Summe der Ver luste von<I>A</I> und<I>B</I> die Kurve Co.
Unter der Annahme, dass die Maschine A mit einer kon"tanten Belastung 1 arbeitet, idie Ma schine b wiederum mit variabler Belastung von O bis b arbeitet, erhält man als Summe der Verluste von<I>A</I> und<I>B</I> für diesen Be lastungszustand die Kurve C, In gleicher Weise wird für die konstante Belastung bezw. 3 der Maschine A die Summenverlust- kurve C= b-ezw. C3 erhalten.
Diese Konstruk tion kann man für jeden beliebigen Be lastungspunkt der Maschine A wiederholen. Man erhält dadurch weitere Summenverlust kurven, die zwischen den Kurven Co und C3 liegen. Die minimale Hüllkurve aller dieser Kurven ist die mit A +B bezeichnete Hüll kurve.
Man kann zwangsläufig auf dieser Hüll kurve arbeiten, wenn man gemäss der Erfin dung selbsttätig dafür sorgt, dass die Ma schinen A -i- B so belastet sind, dass bei jeder beliebigen Gesamtlast die DifferentiaIquo- tienten der Verlustkurven möglichst gleich gross sind. Die Differentialquotienten der Kurven <I>A</I> und<I>B</I> sind in Abbildung 1 mit <I>A'</I> und<I>B'</I> bezeichnet. Sie laufen in einem weiten Bereich parallel. In diesem Bereich ist es zunächst unmöglich, die Differential- quotienten auf den gleichen Wert zu brin gen.
Man wird in diesen Fällen zunächst die jenige Maschine belasten, bei der die Ver luste mit der Belastung am stärksten ab nehmen, beaw. am wenigsten ansteigen, das heisst man wird zunächst die Maschine B, deren Verlustkurve den grössten negativen Differentialquotienten aufweist, so lange be lasten, bis dieser Differentialquotient dem Differentialquotienten der Verlustkurve der Maschine A gleich geworden ist. Dien ist im Punkt 1 der Fall.
Man wird: :dann die Ma schine A belaeten, bis der Differentialquo- tient der Verlustkurve dieser Maschine zu steigen beginnt. Von diesem mit 2 bezeich neten Punkt ab werden beide Maschinen, da nun der Differentialquotient beider Kurven <B>,</B> ansteigt, s gemeinsam hochgefahren, und zwar derart, dass die Differentialquotienten der Verlustkurven einander annähernd gleich sind.
In der Fig. 1 ist auch die Kurve <I>A</I> -I- <I>A</I> +,8 für die geringsten Verluste für das Parallelarbeiten dreier Maschinen darge stellt, wobei angenommen ist, dass zwei Ma schinen die Charakteristik A und eine Ma- #:chine die Charakteristik B besitzen.
Man erhält diese minimale Hüllkurve der Verluste <I>A</I> + <I>A</I> -i- B aus der Kurve<I>A</I> -f- B, in dem man die Verluste nach Kurve A noch einmal in der gleichen Weise hinzugefügt, wie be reits oben beschrieben wurde.
In der Praxis arbeitet man auf dieser Kurve, wenn. man, ebenso wie anhand der Maschinen A -f- B beschrieben, dafür sorgt, dass die Differen tialquotienten der Verlustkurven der einzel nen Maschinen möglichst gleich sind. Das er ,s-ähnte Gesetz gilt für beliebige Maschinen zahlen, die in ihrem Verhalten beliebige Ver schiedenheiten aufweisen können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist. in F'ig. 2 für drei Maechinen dargestellt. Das Ausführungsbeispiel lässt sich für eine beliebige Zahl von Maschinen erweitern, da die einzelnen Geräte parallel geschaltet sind und die Schaltung durch neue Geräte be liebig ergänzt worden kann. Jeder Maschine ist eine Vorrichtung zugeordnet, die den Differentialquotienten ihrer Verlustkurve in eine elektrische Grösse umwandelt. Diese Ge räte sind mit 3, 4 und 5 bezeichnet.
Als Mass für die Belastung wird hier nicht die aufgenommene Leistung der Maschine, son dern die Öffnung der Kraftmit@elzufuhr, also beispielsweise die Leitradstellung bei Turbinen benutzt. Jeder Leitradstellung ist hier ein bestimmter Wert den Differential quotienten der Verlustkurve zugeordnet.
Es erden deshalb in Abhängigkeit der Leitrad stellung die Kurvenscheiben 6, 7 und 8 an getrieben, die derart geschnitten sind, dass der Abstand der jeder Kurvenscheibe zuge ordneten Tastrolle 9, 10 und 11 vom Dreh punkt der Kurvenscheibe dem jeder Leitrad- stellung zugeordneten Differentialquotienten der Verlustkurve entspricht. Da es bei der Gesamtanordnung darauf ankommt, die Dif- ferentialquotienten zu vergleichen, so kön nen sämtliche Differentialquotienten um einen konstanten Betrag vermindert werden.
Man kann aus, dem gleichen Grunde auch die Kurvenscheiben nach einer andern Ge setzmässigkeit schneiden, welche .den Verlauf des Differentialquotienten noch genügend klar erkennen lässt. Hiervon wird aus einem noch zu beschreibenden Grunde in der Praxis Gebrauch gemacht. Bei dem in Fig. 2 dar gestellten Ausführungsbeispiel entspricht also die Lage der Abtastrolle jeweils dem Differentialquotienten der Verlustkurve beim jeweiligen Betriebszustand. Diese tage wird mit Hilfe der Ringrohre 12, 13, 14 in eine elektrische Grösse umgewandelt.
Der Wider stand dieser Ringrohre liegt in Reihenschal tung mit der einen Wicklung eines Kreuz spul- oder wattmetrischen Relais. Diese Re lais, sind mit 15, 16 und 17 bezeichnet. Durch die Verdrehung der Ringrohre wan dert der Quecksilberkontakt 1$, 19 und 20 jedes Ringrohres: an eine andere Stelle des Widerstandes, so dass je nach der Stellung des Ringrohres verschieden grosse. Spannun gen abgegriffen werden. Die Anzapfpunkte 1,8, 19, 20 sind nun parallel geschaltet. Das hat zur Folge, dass kein Ausgleiehstrom fliesst, solange die iStellungen ,der Ring rohre übereinstimmen.
Weichen die Stellun gen voneinander ab, so fliesst ein Ausgleich strom, der den über die eine Wicklung der Relais 15, 16, 17 fliessenden Strom beein flusst und diese Relais zum Ansprechen bringt. Um die Relais spannungsunabhängig zu machen, wird die zweite Wicklung dieser Relais von der Netzspannung erregt. Die Kontakte der Relais 15, 116, 17 sind so an geordnet, dass die Kontaktzunge zwischen den Kontakten liegt, wenn die Ringrohre 12, 13, 14 .die gleiche Stellung einnehmen.
Weicht .die Stellung eines .dieser Ringrohre von den übrigen ab, so fliesst. über das zu geordnete Relais ein Ausgleichstram, .der das Relais entsprechend .der Abweichung zum Ansprechen bringt. Hierdurch kann entweder die zugeordnete Maschine unmittelbar beein flusst werden, derart, dass, die Kraftmittel zufuhr zu dieser Maschine im Sinne einer Angleichung des- Differentialquotienten der Verlustkurve an die übrigen Maschinen be einflusst wird, oder dass die von einem beson deren Regler (z. B.
Frequenz- oder Lei stungsregler) gegebenen Regelimpulse ge- sperrt werden, wenn die betreffende Ma schine im Sinne des Regelimpulses den an dern Maschinen vorauseilt. Eine derartige Anordnung ist in Fig. 2 für eine Maschine dargestellt. Die übrigen Maschinen werden in der gleichen Weise mit Regelanordnungen ausgerüstet. Der von Hand oder einem auto matischen Regler gesteuerte Kontakt 42 setzt wahlweise die Sammelschienen 40 und 41 un ter Spannung, je nachdem die Maschinen höher oder tiefer geregelt werden sollen.
Die Regelimpulse werden über die Kontakte 22 und 23 der Hilfsrelais 24 und 25 dem Dreh zahlverstellmotor 2.6 zugeführt. Dieser Motor kann auch unmittelbar auf die Kraftmittel- zufuhr einwirken. Die Hilfsrelais 24, 25 werden von den Kontaktendes Relais 15 ge steuert. Die Hilfsrelais 24, 25 besitzen noch weitere Kontakte 27 und 28, die mit den Signallampen 29 und 30 in Reihe geschaltet sind. Das Aufleuchten einer dieser Lampen zeigt an, dass die zugehörige Maschine nicht richtig belastet ist.
Die Anordnung wirkt nun in folgender Weise: Es sei angenommen, dass die dem Ring rohr 12 zugeordnete Maschine zu stark be lastet ist und dass der Differentialquotient der Verlustkurve dieser Maschine grösser ist, als,der der übrigen Maschinen. Es wird des halb über das Relais 15 ein Ausgleichstram fliessen. Wenn die Sammelschiene 41 zur Weitergabe der Befehle zum Steigern der Leistungsabgabe dient, muss die Schaltung so getroffen sein, dass das.
Relais 15 unter dem Einfluss des Ausgleichstromes das Re- lais 25 erregt. Dieses Relais öffnet dann seinen Kontakt 23 und verhindert, dass ein Kommando zum Steigern der Leistungsab gabe dem Verstellmotor 26 zugeleitet wird.
Bei zu geringer Leistung der dem Ringrohr zugeordneten Maschine setzt .sinngemäss der 0..eiche Vorgang ein, lediglich mit dem Un terschied, dass das Relais 24 erregt wird und die Weitergabe der Kommandos zum Ver mindern der Leistungsabgabe an dem Ver- stellmotor 26 verhindert. wird.
Es ist denkbar, dass bei ungleicher Ein stellung der Ringrohre 12-l4 auch die Re lais 16 und 17 ansprechen. Im allgemeinen wird dies jedoch nicht der Fall sein, weil sich der Ausgleichstram auf diese beiden Relais verteilt und nicht immer zum Schlie ssen .der Kontakte ausreicht. Sprechen auch diese Relais an, dann wird auch dort die Weitergabe der Regelkommandos im richti gen Sinn gesperrt.
Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung werden die Dif ferentialquotienten der Verlustkurven mit Hilfe von Widerständen in elektrische Grö ssen umgewandelt. Zu dieser Umwandlung kann man auch andere Einrichtungen, bei spielsweise veränderliche Drosselspulen oder Regeltransformatoren vei@@enden, die in Ab hängigkeit von einer Kurvenscheibe ge steuert werden. Man kann auch auf kapa7i- tivem Wege eine dem Differentialquotienten der Verlustkurve entsprechende.elektrische Grösse einstellen.
Die auf irgendeine Weise gewonnenen dem Differentialquotienten der Verlustkurven entsprechenden Werte können auch auf andere Weise, als in Fig. 2 darge stellt, miteinander verglichen werden. Man kann beispielsweise den einer bestimmten Maschine entsprechenden Wert als Sollwert für die übrigen Maschinen benutzen und mit Hilfe von Differentialrelais die Werte der Differentialquotienten der übrigen Maschi nen mit dem der ersten Maschine vergleichen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. \? wird dem Differentialquotienten eine Kurve zugrunde gelegt, welche die Verluste in Abhängigkeit von der Kraftmittelzufuhr (z. B. der Leitradstellung) darstellt.
Hier ist abgesehen vom Bereich geringer Belastungen die Verlustkurve praktisch unabhängig von der Gefällshöhe oder dem Dampfdruck, weil sie auch als Darstellung des Prozentsatzes der Verluste von der Maximallast der Ma schine (bei voller geöffneter Kraftmittelzu- fuhr) aufgefasst werden kann. Dies geht. aus den Fig. 5 und 6 hervor.
In Fig. 5 sind die Verlustkurven einer Turbine für verschie- dene Gefälle dargestellt. Wenn man in jeder Kurve den Vollastwert mit<B>100%</B> der Be lastung L bezeichnet und die Belastung<I>L</I> ebenfalls in Prozenten dieses Vollastwertes aufträgt, so ergeben sich die Kurven der Fig. 6 aus denen man erkennt, dass, abge sehen vom Bereich geringer Belastung, die Verlustkurven praktisch unabhängig von der Gefällshöhe sind.
Man kann die Verlust kurven bezw. den Differentialquotienten der Verlustkurve aber auch von der von einem Generator elektrisch abgegebenen Leistung gegebenenfalls ebenfalls unter Anwendung von Kurvenscheiben ermitteln und zum Ver gleich heranziehen. Hier sind allerdings der Dampfdruck und die Gefällshöhe nicht ohne Einfluss und es kann deshalb erforderlich sein, in Abhängigkeit von diesen Grössen Korrekturen vorzunehmen, welche den Dif ferentialquotienten der Verlustkurve auf den tatsächlichen Wert bringen.
Die beschriebene Anordnung isst nicht auf die Regelung von Maschinensätzen in einem Kraftwerk beschränkt. Man kann auch mehrere Kraftwerke in der gleichen Weise regeln. Man kann hier so vorgehen, dass man eine Maschine als Führermaschine benutzt, d. h. den Differentialquotienten ihrer Ver lustkurve als Sollwert für den Differential quotienten der Verlustkurven der übrigen Maschinen oder Kraftwerke verwendet. Man kann aber auch so vorgehen, dass man die Differentialquotienten der Verlustkurven sämtlicher zusammenarbeitender Maschinen in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise regelt.
Ein anderer Weg zur Regelung der La.st- verteilung in der wirtschaftlichsten Weise zwischen mehreren Kraftwerken besteht darin, dass man für jedes Kraftwerk als Ge samtheit die günstigste Verlustkurve für jede Belastung festlegt. Man kann dann den Differentialquotienten dieser Gesamtverlust- kurve bestimmen und die Kraftwerke selbst tätig auf gleichem Differentialquotienten re geln.
Innerhalb .der einzelnen Kraftwerke kann dann die wirtschaftlichste Lastvertei- lung, die zur Innehaltung der Minimal- ,#erlustkurve führt, in der im vorangehenden beschriebenen Weise durchgeführt werden. Da,die Übertragung d es jeweiligen Differen tialquotienten nur in gewissen Zeitabständen erforderlich ist, so kann man auch das Im- pulszeitverfahren zur Übertragung benutzen.
In andern Fällen .dagegen wird man das Im= pulsfrequenzverfahren der grösseren Übertra gungsgeschwindigkeit wegen vorziehen. In vielen Fällen wird der Differential quotient .der Verlustkurve den in Fig. 1 dar gestellten Verlauf haben. Dabei ergeben sich gewisseSchwierigkeiten, weil die Maschine 3 sofort in Betrieb genommen werden müsste, sobald die Belastung der Maschine B den Punkt 1 überschreitet.
Um die Maschine A schon etwas früher zur Lieferung von Ener gie heranziehen zu können, ist es deshalb zweckmässig, den vom Differentialquotienten der Verlustkurve abgeleiteten Wert im un tern Teil des Belastungsbereiches (bis etwa 5 % der Gesamtbelastung) von dem durch den Differentialquotienten bestimmten Wert abweichen zu lassen und dafür zu sorgen, ,dass in :dies.eim Bereich bei allen oder mehre ren Maschinen sich die Werte Ader vom Diffe rentialquotienten abgeleiteten Grössen dem gleichen Betrage nähern.
Auch im obern Teil des Belastungsbereiches empfiehlt es ,sich, durch Angleichen der von dem Differential quotienten der Verlustkurve abgeleiteten Werte .dafür zu sorgen, dass dort diese Werte einem gemeinsamen Endwert zustreben, d. h. -dass . in diesem Bereich (etwa zwischen<B>95</B> und 100%) alle Maschinen ohne Rücksicht auf die wirtschaftliche Lastverteilung an nähernd gleich stark beeinflusst werden.
Praktisch ergeben sich noch gewisse Schwierigkeiten bei .der Regelung, wenn die Differentialquotienten der Verlustkurven mehrerer Maschinen in einem grösseren Be reich konstant sind, weil :sich dann theore ti3ch die Notwendigkeit ergibt, in einem wei ten Bereich nur eine einzige Maschine zu re gulieren. Man weicht deshalb zweckmässig etwas vom tatsächlichen Verlauf des Diffe rentialquotienten ab und erteilt .der vom Differentialquotienten abgeleiteten Grösse eine .schwache Neigung.
Wenn man .die drei zuletzt erwähnten Gesichtspunkte beachtet, dann erhält man einen Verlauf des Diffe rentialquotienten der Verlustkurve, wie er in Fig. 3 dargestellt ist.
In der Praxis sind am häufigsten die Fälle, in welchen zwei verschiedenartige Ma schinen zusammenarbeiten und einen Ma schinensatz bilden. Ein solcher Fall liegt bei spielsweise beim Antrieb von Stromerzea- gern bei Kraftmaschinen vor. In den meisten Fällen wird es dabei genügen, nur den Teil des Maschinensatzes bei der Aufstellung der Verlustkurve zu berücksichtigen, bei dem die Abhängigkeit der Verluste von der Be lastung am stärksten ist.
Man wird deshalb ,die Abhängigkeit des Wirkungsgrades dns Generators .in vielen Fällen vernachlässigen können. Man kann seine Verluste aber auch beider Aufstellung der Verlustkurve berück sichtigen. Ähnliche Gesichtspunkte gelten auch, wenn es sich darum handelt, mehrere parallel arbeitende Ventilatoren in der gün stigsten Weise zu betreiben. Auch hier wird es in vielen Fällen genügen, nur die Abhän gigkeit der Verluste des Ventilators selbst zu berücksichtigen und die Verluste des An triebsmotorsausser Acht zu lassen.
In beson deren Fällen kann aber auch hierauf Rüeli:- sicht .genommen werden.
Bei der Erzeugung elektrischer Energie in Dampfkraftwerken, spielt auch der Wir- kungsgrad der Kesselanlagen eine wichtige Rolle. Man kann auch hier die in der Kessel anlage auftretenden Verluste bei der Auf stellung der Verlustkurve und .damit bei der Lastverteilung berücksichtigen und so die Gesamtanlage auf .die wirtschaftlichste Last verteilung einregulieren.