Regelungseinrichtung für Kraftmaschinen. Die Erfindung betrifft eine Regelungs- einrichtung für Kraftmaschinen, die einen Drehzahlregler und einen Leistungsregler aufweist.
Die Regelungseinrichtung für Kraft maschinen zum Antrieb von Drehstromgene ratoren hat zwei Aufgaben zu erfüllen. So muss sie einmal die Kraftmaschinenleistung so einstellen, dass sie dem Leistungsbedarf der Verbraucher entspricht, und sodann muss dies auf einem Drehzahlniveau erfolgen, das annähernd konstant bleibt, damit die Dreh zahl der angeschlossenen Drehstrommotoren sich ebenfalls nur wenig ändert. Aber nicht nur im Hinblick auf die Verbraucher, son dern auch für das Parallelschalten der Gene ratoren ist bei Drehstrom eine sehr genaue Beherrschung der Drehzahlen notwendig.
Auch die richtige Einstellung der Kraft maschinenleistung muss vielfältigen Betriebs bedingungen genügen, sobald es sich um ein Zusammenarbeiten von mehreren Kraftma schinen handelt.
Um diesen Anforderungen genügen zu können, ist schon bei mehreren Kraftmaschi nen und Zentralen, die gemeinsam das gleiche Versorgungsgebiet beliefern, meist eine Tren nung in Maschinen notwendig, die Grundlast liefern, und in solche, die Spitzenlasten dek- ken, wobei die Grundlastmaschinen sehr oft nicht ihre Vollast, sondern ei.1e vorgeschrie bene Teillast herzugeben haben. Ferner ist in vielen Fällen eine zeitliche Anpassung der Grundlast an einen Fahrplan notwendig. Beim Zusammenarbeiten mehrerer Versor gungsgruppen; kann es dagegen darauf an kommen, dass eine konstante Übergabe leistung zwischen den Netzgruppen erfolgt.
Man hat ursprünglich versucht, die Dop pelaufgabe der Leistungs- und Drehzahl regelung mit Maschinen zu erfüllen, die nur mit Drehzahlreglern ausgerüstet waren. Än dert sich in einem solchen Falle die Leistung der Verbraucher, so äussert sich dies mit der Zeit in -einer Drehzahländerung, die, aller dings mit einer unvermeidlichen Verspätung, dazu verwendet werden kann, um das Gleich gewicht zwischen der von den Kraftmaschi nen abgegebenen und der von den Verbrau chern aufgenommenen Leistung wieder her zustellen.
Man hat die erwähnte Verspätung dadurch zu beseitigen versucht, dass man auf den Drehzahlregler einen Beschleunigungs impuls einwirken liess, der, wenn auch quan titativ ungenau, im Augenblick der Ver brauchsänderung eingreift.
Als ähnlicher Notbehelf für die Vertei lung der Leistung auf verschiedene Kraft maschinen ist die allgemein übliche, gegen seitige Abstimmung der Drehzahlcharakte ristiken der verschiedenen Kraftmaschinen anzusehen. Da jeder Öffnung der Kraft maschine im Beharrungszustand eine be stimmte Drehzahl entspricht, ist die Behar- rungsdrehzahl ein rohes Mass für die Ma schinenleistung.
Um bestimmte Maschinen mit einer vorgeschriebenen Grundlast laufen zu lassen, hat man die Drehzahlregelung blockiert, so dass die betreffenden Maschinen mit einer bestimmten, von der Drehzahl un abhängigen Öffnung der Betriebssmittelzufuhr arbeiten. Dieser Massnahme haftet, abgese hen von der ungenauen Beziehung zwischen Leistung und Öffnung der Betriebsmittel zufuhr, der schwerwiegende Nachteil an, dass bei Störungen der Drehzahlregler nicht ein greifen kann, um die volle Maschinenleistung wieder herzugeben.
Die indirekte Leistungsmessung auf dem Umweg über die Drehzahl versagt vollkom men, wenn es darauf ankommt, eine kon stante Übergabeleistung zwischen Netzgrup pen zu übertragen. Es sind deshalb für solche Fälle Leistungsregler eingeführt worden, die es ermöglichen, bestimmte Maschinen des Netzes auf konstante Übergabeleistungen zu regeln.
Ferner sind Leistungsregler benützt worden, um Grundlastmaschinen nach einem bestimmten Leistungsfahrplan betreiben zu können. So sind Anordnungen entstanden, bei denen Leistungsregler zu gewissen Zeiten Spezialaufgaben zu erfüllen haben, wobei diese Leistungsregler im normalen Betrieb der Maschinen wieder auszuschalten waren.
Die Gegensätzlichkeit der Bedingungen, denen eine Leistungsregelung zu genügen hat, geht aus folgendem hervor: Bei Rege lung auf konstante Drehzahl besteht die Aufgabe des Leistungsreglers darin, ohne Umweg über den Drehzahlregler die der Ge- neratorleistung entsprechende Kraftmaschi- nenleistung einzustellen.
Die - Ungleichför migkeit des Leistungsreglers, das heisst der Unterschied der Leistung, die im Beharrungs zustand bei Vollast bezw. bei Leerlauf ein zustellen ist, entspricht der Gesamtleistung der Maschine; die Ungleichförmigkeit ist also<B>IM,</B> , denn bei Vollast des Generators ist die Vollast der Maschine, bei Nullast des Generators dagegen die Leerlaufleistung ein zustellen. Ganz im Gegensatz dazu ist bei Konstanthaltung der Leistung eine möglichst kleine statische Leistungs-Ungleichförmigkeit einzuhalten, z.
B. 1 % der Leistung der ge regelten Maschine. Ein weiterer extremer Unterschied in den Forderungen, die an einen Leistungsregler gestellt werden, besteht darin, dass er bei Regelung auf konstante Frequenz bei steigender elektrischer Leistung des Generators die Kraftmaschinenleistung ebenfalls steigern muss; dagegen muss der Leistungsregler bei Regelung auf konstante Leistung bei zunehmender, also dem Sollwert gegenüber zu grosser Leistung die Kraft maschine umgekehrt schliessen, um die Lei stung wieder auf den Sollwert zu reduzieren.
Die Lösung dieser sich widersprechenden Aufgaben bei verschiedenen Betriebsbedin gungen wird mit Hilfe der einen Drehzahl regler und einen Leistungsregler aufweisen den. Regelungseinrichtung gemäss der Erfin dung gelöst. Bei dieser Einrichtung hat der Leistungsregler für Regelung auf konstante Frequenz eine andere statische Ungleichför migkeit als für die Regelung auf konstante Leistung. Ferner besitzt der Leistungsregler eine Umstellvorrichtung,
durch welche beim Übergang von der Regelung auf konstante Frequenz auf die Regelung auf konstante Leistung die Einwirkung des Leistungsreg lers auf die Kraftmaschine in umgekehrter Bewegungsrichtung erfolgt.
So verschiedenartig und gegensätzlich bei den verschiedenen Betriebsbedingungen der Maschine, wie Alleinbetrieb, Frequenzhal- tung, Parallelbetrieb, Regelung auf eine kon stante oder an einen Fahrplan angepasste Last und Regelung auf konstante Übergabe leistung, die Einwirkungen auf die Rege lungseinrichtung der Kraftmaschine und das Zusammenspiel von Drehzahl- und Leistungs regler auch sein müssen, so gelingt es, bei An wendung der erfindungsgemässen Regelungs- einrichtung,
doch mit einem einzigen Dreh zähl- und einem Leistungsregler für alle diese Betriebsbedingungen auszukommen. Das vereinfacht die Regelungseinrichtung wesent lich und gestattet, dass bei allen Betriebs verhältnissen der gleiche Leistungsregler so eingreifen kann, dass er unmittelbar ohne verzögernden Umweg über den Drehzahlreg ler die geforderte Maschinenleistung ein stellt. Dabei entfallen gleichzeitig unter allen Betriebsbedingungen die Ungenauigkeiten, die entstehen, wenn man die Öffnung des Regelorganes oder die Änderung der Dreh- zahl als rohen indirekten Leistungsmassstab verwendet.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungs beispiel des Erfindungsgegenstandes in ver einfachter Darstellungsweise veranschaulicht.
In der Figur bezeichnet 1 eine hydrau lische Kraftmaschine, die einen Generator 2 treibt. Das als Schieber 3 ausgebildete Regel organ dieser Kraftmaschine 1 wird durch einen Hauptservomotor 4 betätigt, zu dem ein Steuerschieber 5, ein Hebel 6 und eine Rückführung 61 gehören. An das linke Ende des Hebels 6 ist eine Stange 7 angelenkt, auf die über einen Hebel 71 in der weiter unten beschriebenen Weise sowohl ein Drehzahl regler 8 als auch ein Leistungsregler 9 ein wirken.
Beide Regler 8, 9 sind über eine Leitung<B>10'</B> an eine Druckölpumpe 10 an geschlossen, die auch das zur Betätigung des Hauptservomotors 4 benötigte Drucköl lie fert. Das Pendel 11 des Drehzahlreglers 8 wird von der Kraftmaschine 1 angetrieben und betätigt den mit einer Rückführung aus gestatteten Steuerschieber 12 eines Vorsteuer- Servomotors 13 mit Kolben 13'-, dessen Kol ben auf das rechte Ende des Hebels 71 ein wirkt. Auf das linke Ende 19 dieses Hebels 71 wirkt der Leistungsregler 9 ein.
Dieser weist ein Wattmeter 14 bekannter Bauart auf, das einen drehbar gelagerten Winkel hebel 141 betätigt. Das Wattmeter 14 ist in der dargestellten Lage eines Schalters 15 über einen Stromwandler 151 und einen Span- nungswandler 15' an die Generatorleitung angeschlossen, so dass die Leistung des Gene rators 2 gemessen wird.
Dem vom Watt meter 14 auf den Winkelhebel 141 ausgeüb ten Drehmoment hält eine Feder 142 das Gleichgewicht, so da.ss jeder Leistung des Generators 2 eine bestimmte Drehstellung des Winkelhebels 141 entspricht. Die Span nung -der Feder 14' lässt sich mittels einer Kurvenscheibe 23 nach Wunsch be einflussen, indem diese Kurvenscheibe 23 auf einen bei 144 drehbar gelagerten Hebel 143 einwirkt und letzterer mit der Feder 14' ver- bunden ist.
Der Winkelhebel 141 steht über ein Gestänge 14' in unmittelbarer Verbin dung mit einem Steuerschieber 22 und über einen Hebel 161 mit einem zweiten Steuer schieber 16, sowie über eine Rückführung 20, die an den Hebel 16' angelenkt ist, mit dem Kolben 17' eines Versteuer-Servomotors 17.
Der Kolben 171 steht mit dem oben er wähnten linken Ende 19 des Hebels 71 in Wirkungsverbindung. Die Räume oberhalb der Servomotorkolben 131 und 17' stehen über Blenden 13' bezw. 172 dauernd mit der Druckölleitung 101 in Verbindung, wobei durch die Feder 133 bezw. 173 den betref fenden Öldrücken das Gleichgewicht gehal ten wird.
21 bezeichnet eine als Hahn aus gebildete Umstellvorrichtung, welche es er- i möglicht, den Raum oberhalb des Servo- motorkolbens <B>17'</B> entweder mit dem Steuer schieber 16 oder mit dem Steuerschieber 22 in Wirkungsverbindung zu bringen. Der Druck im Raume oberhalb des Servomotor kolbens 171 lässt sich mit Hilfe der Steuer schieber 16 und 22, die den Abfluss von Drucköl über Steuerkanten 162 bezw. 22' ins Freie beherrschen, einstellen.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Regelungseinrichtung ist folgende: In der Figur sind die Teile in der Stel lung gezeichnet, die sie einzunehmen haben, wenn auf konstante Frequenz, das heisst, wenn die Kraftmaschine 1 auf konstante Drehzahl zu regulieren ist. In diesem Falle muss der Leistungsregler 9 zwischen Vollast und Leer lauf des Generators 2 das Regelorgan 3 über die Stange 7 um den der Vollast entspre chenden Hub verstellen, wobei der Drehzahl regler 8 nur noch die Ungenauigkeiten des vom Leistungsregler 9 vorgesteuerten Regel vorganges auszugleichen hat.
Bei steigender Leistung des Generators 2 wird der Winkel hebel 141 in Richtung des Pfeils A gedreht und die Feder 14' daher mehr gespannt. Der Kolben des Steuerschiebers 16 wird jetzt ge hoben, so dass die Steuerkanten 162 überdeckt und der Olabfluss gesperrt wird. Die durch die Blende 17' strömende Druckölmenge ge langt nun restlos in den Raun oberhalb des Servomotorkolbens <B>17'</B> und drückt die Feder 173 zusammen, so dass das linke Ende 19 des Hebels 71 nach abwärts bewegt wird.
Die Folge davon ist, dass der Steuerschieber 5 des Hauptservomotors 4 ebenfalls nach abwärts bewegt wird, so dass der Kolben des Servo motors 4 und damit auch das Steuerorgan 3 gehoben werden und der Zufluss von Arbeits mittel zur Kraftmaschine 1 infolgedessen vergrössert wird. Bei der erwähnten Abwärts bewegung des Servomotorkolbens 171 wurde durch die Rückführung 20 und den Hebel 161 der Kolben des Steuerschiebers 16 so viel nach abwärts verschoben, dass über die Steuerkante 162 so viel 01 abfliessen kann, als zur Aufrechterhaltung des oberhalb des Kolbens 171 herrschenden neuen Druckes notwendig ist.
Die Rückführung 20 ist so bemessen, dass einer Leistungsänderung des Generators 2 um die volle Last eine Ände- rung der Leistung der Kraftmaschine 1 eben falls um die volle Last entspricht.
Statt, wie es beim beschriebenen Beispiel der Fall ist, mit der Leistungsungleichför migkeit von 100% zu arbeiten, kann es zweckmässig sein, durch eine kleinere Un gleichförmigkeit nur einen Teil der Last änderung, z. B.. 50 %, durch den Leistungs regler auszugleichen und den Rest der Last änderung dem parallel arbeitenden Drehzahl regler zu überlassen, wodurch die Schwung- massen der Kraftmaschine zum Ausgleich in Anspruch genommen werden.
Umgekehrt lässt sich die Ungleichförmigkeit auch grösser als<B>100%</B> wählen, in welchem Falle die Kraftmaschine eine grössere Leistungsände rung erfährt, als der Änderung der Leistung des Generators 2 entspricht. Dadurch kann diese Maschine den parallel arbeitenden Ein heiten, die weniger beweglich sind, die mo mentanen Laststösse abnehmen. Bei allen vorstehend beschriebenen Arten der Regelung auf konstante Frequenz arbei tet der Leistungsregler 9 mit einer im Ver hältnis zur Regelung auf konstante Leistung sehr grossen Ungleichförmigkeit, während bei der Regelung auf konstante Leistung sehr kleine Ungleichförmigkeiten des Lei stungsreglers notwendig sind.
Zum Übergang auf die Regelung auf konstante Leistung ist die Umstellvorrichtung 21 in die gestrichelt gezeichnete Lage zu bringen. Dadurch wird der Steuerschieber 16' aus- und dafür der Steuerschieber 22 ein geschaltet. Wird der Kolben dieses Schiebers 22 aus seiner Ruhestellung gehoben, so wird ein Olabfluss aus dem Raume oberhalb des Kolbens 171 veranlasst, so dass sich die Fe der 173 entspannen kann und das linke Ende 19 des Hebels 71 daher gehoben wird.
Durch die Umstellung des Schiebers 21 wird somit bewirkt, dass bei der gleichen Drehrichtung des Winkelhebels 141 das Steuerorgan 3 der Kraftmaschine 1 in umgekehrter Richtung bewegt wird. Mit andern Worten, die Um-, stellvorrichtung 21 ermöglicht beim Über gang von der Regelung auf konstante Fre quenz auf die Regelung auf konstante Lei stung; dass die Einwirkung des Leistungs reglers 9 auf die Kraftmaschine 1 in umge kehrter Bewegungsrichtung erfolgt.
Bei stei gender Leistung des Generators 2 wird jetzt durch das Regelorgan 3 der Zufluss von Arbeitsmittel zur Kraftmaschine 1 vermin dert, so dass die ursprüngliche, konstant zu haltende Leistung wieder hergestellt wird.
Um die Leistung konstant oder praktisch konstant zu halten, ist ein kleiner Ungleich förmigkeitsgrad der Leistung, von z. B.1 %, er forderlich. Die Ungleichförmigkeit kann aber auch Null sein, falls man nicht darauf Wert legt, bei Verwendung des Leistungsreglers zur Regelung einer Übergabeleistung durch einen gewissen Statusmus des Leistungsreg lers ein Parallelarbeiten mit andern, die gleiche Leistung konstant haltenden Lei stungsreglern zu ermöglichen. Es ist ferner zu beachten, dass aus Stabilitätsgründen ein Leistungsregler keine Rückführung braucht. Die einfachste Bauform eines Reglers mit der statischen Ungleichförmigkeit Null ist aber ein Regler ohne Rückführung.
Der Steuerschieber 22 liesse sich also, im Gegen satz zum Steuerschieber 16, ohne Rückfüh rung als einfachste Form der Bauart eines Reglers mit der Ungleichförmigkeit Null ausführen.
Eine fast ebenso einfache Anordnung, die bei konstanter Leistungsregelung mit einer gewissen kleinen Ungleichförmigkeit des Lei stungsreglers 9 arbeitet, ist in der Figur dar gestellt. Der Kolben des Steuerschiebers 22 besitzt eine hydraulische Rückführung, in dem: jeder Stellung des Servomotorkolbens 171 im Raum oberhalb dieses Kolbens ein bestimmter Öldruck entspricht, das heisst eine bestimmte Öffnung zwischen den Steuerkan ten 222 des Steuerschiebers 22.
Die Feder 17' ist nun so bemessen, dass bei einer Stellungs änderung des Kolbens 171 entsprechend der Vollast der Maschine nur eine geringe Ab weichung der Beharrungsleistung, entspre chend z. B. 1 % Leistungsungleichförmigkeit. entsteht.
Das Umstellorgan 21 macht also in ein fachster Weise den Leistungsregler 9 für die vollkommen: gegensätzlichen Forderungen bei Frequenzregelung und bei Regelung auf konstante Leistung brauchbar.
Um die konstant gehaltene Generator leistung einem Zeitfahrplan anzupassen, kann eine an sich bekannte, durch Uhrwerk ange triebene Leistungsverstellvorrichtung ver wendet werden. Als solche kann z. B. die bereits erwähnte drehbare Kurvenscheibe 28 dienen.
Der Leistungsregler 9 lässt sich auch zur Regelung auf Übergabeleistung verwenden, wenn der Schalter 15, bezogen auf die in der Figur gezeigte Lage, nach rechts ver stellt wird.
Der Leistungsregler 9 ist in diesem Falle an die zu einem andern Stromnetz führende Verbindungsleitung 24 angeschlossen. Die in dieser durchgehende Leistung unterscheidet sich von der Leistung des Generators 2 da durch, dass an dessen Stromnetz noch andere Stromerzeuger 25 und Verbraucher 26 ange schlossen sind.
So verschiedenartig die beschriebenen Re gelbedingungen auch sind, hat der Drehzahl regler 8 in allen diesen Fällen immer seine Aufgabe zu erfüllen. Bei der Regelung auf konstante Frequenz hat er die Ungenauigkei ten in den Reguliervorgängen des Leistungs reglers 9 auszugleichen. Bei der Regelung auf konstante Generatorleistung bleibt er als voll leistungsfähiges Sicherheitsorgan stän dig und ohne Umstellmassnahmen im Ein- griff, wobei er die Kraftmaschine 1 in Stö rungsfällen sowohl auf die Vollast als in Leerlauf bringen kann.
Dagegen kann bei der heute meist üblichen Einstellung auf eine - annähernd - konstante Generatorleistung durch eine nicht gezeigte Hubbegrenzung des Servomotors 4 der Drehzahlregler am vollen Öffnen der Kraftmaschine 1 gehindert wer den. Bei Regelung auf Übergabeleistung muss der Drehzahlregler, ausser aus Sicher heitsgründen, mitarbeiten, um die Stabilität der Leistungsregelung sicherzustellen.
Den beschriebenen, verschiedenen Be triebsbedingungen konnten die bisher gebau ten Regelungseinrichtungen niemals durch nur einen Drehzahl- und einen Leistungsreg ler genügen. Um eine Änderung des Lei stungsbedarfes auf die Kraftmaschine ein wirken zu lassen, bevor sie eine Änderung der Frequenz bewirkt, auf die der Drehzahl regler erst anspricht, wurden zusätzlich zum Drehzahlregler Beschleunigungsregler ver wendet, die aber keinen quantitativ genauen Leistungsmassstab darstellen und deshalb für andere Leistungsregelaufgaben unbrauchbar sind.
Ebensowenig sind Leistungsregler, die vorgeschlagen wurden, um die Aufgabe der Beschleunigungsregler exakter auszuführen, für die Regelung auf konstante Leistung verwendbar. Wo man aber Leistungsregler verwendete, um auf konstante Leistung zu regeln, musste man diese zur Zeit der Rege lung auf konstante Frequenz ungenutzt still setzen.
Bei Regelungseinrichtungen, die auch auf Übergabeleistung zu regeln haben, sind sogar Regler verwendet worden, die ausser einem Leistungs- und einem Drehzahlregler noch zusätzlich einen Beschleunigungsregler aufweisen.
Allen bekannten, komplizierteren und un vollkommenen Regelungseinrichtungen ge genüber bietet die Regelungseinrichtung ge- mäss der Erfindung den bedeutenden Vorteil, dass mit nur einem Drehzahl- und einem Lei stungsregler die bei allen Betriebsverhältnis sen zu erfüllende Doppelaufgabe der Dreh zahl- und Leistungsregelung beherrscht wird.
Dadurch ist mit geringstem Kostenaufwand eine Universalregelungseinrichtung geschaf fen, bei welcher der Drehzahl- und der Lei stungsregler je immer nutzbar gemacht sind, um die Regeleigenschaften zu verbessern, in dem, diese Regler ständig im Eingriff blei ben, die Betriebssicherheit zu erhöhen.