DE1601766C - Vorrichtung zum Reduzieren der Höhe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Reduzieren der Höhe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen mit einem ein Integralglied (sogenanntes I-Glied) aufweisenden Drehzahlregler.

Derartige Abweichungen werden durch Laständerungen der Maschine, z. B. der Turbine, verursacht. Das I-Glied z. B. eines PI-Reglers (proportionalintegral wirkender Regler) ist bei einem mechanischen Regler im allgemeinen als Ölbremse mit Feder ausgebildet, wobei die Dämpfung der Ölbremse entsprechend der Auslegung der gesamten Anlage auf einen bestimmten Wert einstellbar ist. Der Regler bewegt die Stellorgane z. B. einer Wasserturbine in Abhängigkeit von der jeweiligen Drehzahlabweichung mit einer durch die zulässigen Druckstöße in den Rohrleitungen begrenzten Maximalgeschwindigkeit. Diese wird im Normalfall zwar bei großen Laständerungen erreicht, aber bei kleineren Laständerungen infolge der Dämpfung des Reglers nicht mehr, so daß sich im letzteren Fall die Drehzahl relativ stark ändert.

In Anlagen mit sehr ungünstigen Verhältnissen, z. B. mit sehr langen Rohrleitungen oder geringen Schwungmassen, muß der Regler extrem stark gedämpft werden. Dies ist insbesondere im Leerlauf und im Inselbetrieb zur Einhaltung der nötigen Stabilität erforderlich. Die Folge einer extrem hoch eingestellten Dämpfung ist jedoch, daß selbst bei größeren Laständerungen die maximale Slellgeschwindigkeit gar nicht mehr erreicht wird und deshalb die vorübergehenden Drehzahlabweichungen zu groß werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Reduzieren der Größe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl bei derartigen Maschinen anzugeben, bei welchen insbesondere bei auf Grund ungünstiger Verhältnisse hoch eingestellter Dämpfung bei Laständerungen eine relativ gute Frequenzhaltung gewährleistet sein

Zur Erfüllung dieser Forderungen wird nach der Erfindung eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei welcher ein mit der Welle der zu regelnden Maschine gekoppelter Meßgenerator elektrisch über ein Differenzierglied, z. B. ein Widerstands-Kapazitätsglied (RC-Glied), über ein durch Beschleunigung bzw. Verzögerung der Drehzahl zu beeinflussendes Schaltglied und ferner über ein auf über- oder Unternenndrehzahl ansprechendes drehzahlabhängiges Schaltelement mi t einem das Dämpfungsglied beeinflussenden Schaltglied, z. B. einem Magnetventil, verbunden ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, basierend auf dem Kurvenverlauf der Drehzahländerung über der Zeit die von der zu regelnden Maschine erzeugte drehzahlabhängige Meßspannung im Hinblick auf zu- oder abnehmende Drehzahl elektrisch zu differenzieren und die hierbei erhaltene Spannung als Steuerspannung zur Erteilung von durch Abweichungen von der Nenndrehzahl nach oben oder nach unten beeinflußten Steuerbefehlen zur Veränderung der Dämpfung zu verwenden, derart, daß die Dämpfung dann verringert oder außer Wirksamkeit gebracht wird, wenn gleichzeitig die Bedingungen entweder Beschleunigung und übernenndrehzahl oder Verzögerung und Unternenndrehzahl erfüllt sind. Auf Grund der elektrischen Differenzierung entsteht nur dann eine Steuerspannung, wenn die Tangente an der Drehzahlkurve in dem entsprechenden Betriebspunkt oberhalb der Nenndrehzahl eine positive Ableitung hat, d. h. wenn

-p > 0 ist oder wenn sie unterhalb der Nenndrehzahl eine negative Ableitung hat, d. h. wenn -r- < 0 ir.t.

Wenn die maximale Drehzahl erreicht ist oder auch kurz zuvor und diese nur noch wenig oder gar nicht

mehr zunimmt, d. h. wenn -7— ~ 0 ist und dann

sogar negativ wird, wird die Steuerspannung zunächst Null und geht dann in den negativen Bereich über. Damit ist eine der beiden notwendigen Bedingungen für das Verringern bzw. Unwirksammachen der Dämpfung nicht mehr erfüllt, d. h., die volle Dämpfung wird wieder wirksam.

Die Tangente wird über das sogenannte flC-Glied gemessen. Solange eine Drehzahländerung stattfindet,

d. h. solange £ ψ 0 ist, fließt bekanntlich ein Ladestrom über den Widerstand zur Kapazität, und solange ein Ladestrom fließt, entsteht am Widerstand R eine Steuerspannung. Die Schaltung muß dann so getroffen sein, daß das das Dämpfungsglied beeinflussende Schaltglied auf Grund dieser Steuerspannung einen Schaltimpuls nur dann erhält, wenn die erwähnten jeweiligen zwei Bedingungen erfüllt sind.

Es kann also durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Dämpfung des Reglers an die jeweiligen Betriebsverhältnisse der Maschine während deren Betrieb derart angepaßt werden, daß im Sinne einer möglichst guten Frequenzhaltung bei jeder Art von Laständerung selbst bei extrem hoher maximaler Dämpfung unerwünscht große vorübergehende Dreh-

Zahlabweichungen vermieden werden. Dabei wird die Dämpfung bei eintretender, eine Abweichung von der Nenndrehzahl verursachender Beschleunigung oder Verzögerung der Drehzahl zumindest wesentlich verringert, vorzugsweise praktisch unwirksam ge- macht und bei Erreichen des dieser verringerten bzw. ^ unwirksamen Dämpfung entsprechenden maximalen Drehzahlbereiches wieder auf einen höheren, vorzugsweise den vorgegebenen Höchstwert gebracht. Die Folge hienun ist, daß auf Grund der geringen oder sogar völlig unwirksamen Dämpfung sofort die maxi- '° male Geschwindigkeit des Reglerstellorgans erreicht wird und sich ?.. B. bei Entlastung der Maschine nur eine relativ niedrige maximale vorübergehende überdrehzahl einstellt. In dem Augenblick, in dem der Bereich dieser maximalen überdrehzahl erreicht ist, wird die Dämpfung wieder voll wirksam, d. h., sie wird wieder auf ihren ursprünglichen Wert erhöht, so daß die Steuerbewegung des Stellorgans rechtzeitig verlangsamt wird, um ein Unterschwingen unter die Nenndrehzahl zu vermeiden. Durch dieses rechtzeitige Erhöhen der Dämpfung wird also eine Gegenschwingung und damit z. B. auch eine übermäßige Beanspruchung der Druckölversoreuna der Stellorgane vermieden. In günstigen Fällen "ist sogar ein aperiodisches Einlaufen in den neuen Beharrungszustand erreichbar. Die Verringerung der Dämpfung geschieht z. B. bei mechanischen PI-Reglern am besten dadurch, daß die Ölbremse unwirksam gemacht wird. Zweckmäßigerweise wird die Dämpfung ersl nach überschreiten eines bestimmten Beschleunigungswerlcs bzw. eines bestimmten Verzögerungswertes der Drehzahl verringert oder unwirksam gemacht und nach Unterschreiten eines jeweiligen bestimmten derartigen Wertes wieder voll wirksam gemacht.

Die Erfindung ist im folgenden am Beispiel einer Wasserturbine an Hand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsmöglichkeiten näher erläutert. Durin ist

F i g. 1 ein Diagramm, welches die Drehzahländerung über der Zeit für verschiedene Dämpfungsverhältnisse bei Entlastung im Inselbetrieb zeigt,

F i g. 2 ein entsprechendes Diagramm bei Belastung im Inselbetrieb,

F i g. 3 ein Schaltschema für eine Ausführungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Einrichtung und

F i g. 4 ein modifiziertes derartiges Schaltschema.

In den beiden Diagrammen der F i g. 1 und 2 sind die Abweichungen von der Nenndrehzahl n„ über der Zeit t aufgetragen, und zwar in F i g 1 bei Entlastung der Turbine und in F i g. 2 bei Belastung. Die gestrichelt dargestellten Kurven 5 bzw. 5' zeigen den Drehzahlverlauf bei sehr hoher und stets wirksamer Dämpfung. Das Verhallen ist sehr stabil, aber die Drehzahl steigt im Falle einer Entlastung der Turbine auf einen unerwünscht hohen Wert n_max an bzw. sinkt im Falle einer Belastung auf einen entsprechenden niedrigen Wert n_mi„ ab. Bei sehr kleiner Dämpfung gemäß der strichpunktiert dargestellten Kurve 6 bzw. 6' steigt bzw. sinkt die Drehzahl zwar r_l0 nicht auf extreme Werte, aber das Verhalten wird instabil. In F i g. I z. B. steigt die Drehzahl zunächst auf einen Maximalwert über der Nenndrehzahl an, sink! dann aber auf einen entsprechenden Wert unterhalb der Nenndrehzahl, um dann wieder zu steigen usw. Die entsprechende Belastungskurve 6' in F i g. 2 verläuft hierzu spiegelbildlich.

Die voll ausgezogenen Kurven 7 bzw.7' gelten für ein Regelverfahren nach der Erfindung. In dem Bereich zwischen den Punkten I und II bzw. Γ und IV ist die Dämpfung unwirksam und wird beim Maximalpunkt II bzw. Minimalpunkt II' wieder wirksam, worauf der Regler die Drehzahl zwischen den Punkten II und III bzw. IV und UV aperiodisch wieder auf die Nenndrehzahl n„ einregelt.

In der in F i g. 3 dargestellten Einrichtung wird die von dem drehzahlabhängigen, von der Turbinen welle 8 angetriebenen Meßgenerator 9 erzeugte Spannung dem aus einer Kapazität C und einem Widerstand R bestehenden Differenzierglied zugeführt. Erfolgt nun z. B. infolge einer Entlastung eine Drehzahlerhöhung (Beschleunigung), so wird ^- positiv (Kurvenbereich I-II, Fig. 1), und infolge der Spannungsänderung entsteht ein Kondensatorladestrom und damit über dem Widerstand R eine Spannung mit einer bestimmten Polarität, wodurch ein Ansprechen des Schaltrelais 10 verursacht und der Kontakt 11 geschlossen wird. Da sich der Vorgang im Bereich + η oberhalb der Nenndrehzahl n„ abspielt, schließt das an sich bekannte drehzahlabhängige Schaltglied 12 den Kontakt 13, und das Magnetventil 14 wird damit erregt. Es öffnet das Ventil 15 in der Umgehungsleitung 16 der Ölbremse 17 und macht damit die

Ölbremse unwirksam. Wird die Beschleunigung -^-

wieder Null (etwa im Punkt II der Kurve 7), dann wird auch der Ladestrom und damit die Spannung über dem Widerstand R wieder Null. Der Kontakt 11 öffnet, wodurch das Magnetventil wieder entregt und die Umgehungsleitung 16 wieder geschlossen wird. Die volle Dämpfung der Ölbremse 17 wird wieder wirksam. Die Drehzahl regelt sich gedämpft auf die Nenndrehzahl n„ ein, die sie im Punkt III der Kurve 7 erreicht. Bei nunmehr konstanter Drehzahl, also

^j₁ = 0, wird am Widerstand R und damit am Schaltrelais 10 die Spannung Null. Das Magnetventil 14 bleibt stromlos und damit die Umgehungsleitung 16 geschlossen; die volle Dämpfung bleibt wirksam.

Bei Belastung der Turbine (Kurve 7', F i g. 2) findet eine Verzögerung der Drehzahl statt, d. h„

j" wird negativ (Kurvenbereich V-W). Auf Grund der hierdurch über dem Widerstand R entstehenden negativen Spannung schließt das Schaltrelais 10 den Kontakt 18, und auf Grund der Unternenndrehzahl schließt das Schaltglied 12 den Kontakt 19. Das Magnetventil 14 spricht wieder an und öffnet in gleicher Weise die Umgehungsleitung 16, wodurch die Dämpfung der Ölbremse 17 wirkungslos wird.

Bei Erreichen des Punktes IΓ wird -j'- O, wodurch der Kontakt 18 öffnet und das Magnetventil wieder stromlos und die Dämpfung wieder voll wirksam wird. In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 sind anstatt des Schaltrelais 10 zwei an sich bekannte sogenannte Schmitt-Trigger oder Impulsformer 20 und 21 verwendet, die an einer Batteriespannung 22 liegen. Im übrigen sind für die gleichen Teile wieder die gleichen Bezugsziffern wie Tür die Einrichtung nach F i g. 3 gewählt worden. Bei den Schmitt-Triggern handelt es sich um elektronische Schalter, die sich bei einer genau festgelegten ansteigenden Spannung mit entsprechender Polarität schließen und bei abfallender Spannung bei gleicher Polarität

öffnen. Die Ansprech- und Abfall-Spannungsschwelle ist einsteilbar, so daß die Möglichkeil besteht, die Ein- und Ausschaltung der Dämpfung von dem über- bzw. Unterschreiten gewisser Grenzwerte abhängig zu machen. Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 20 und 21 wirken in gleicher Weise auf das Magnetventil 14 wie das Kontaktrelais 10 des Ausfuhrungsbeispieles nach F i g. 3. Auch die Steuerung der Umgehungsleitung 16 der Ölbremse erfolgt in gleicher Weise wie bei dem vorhergehenden Beispiel.

Die Drehzahlkontakte 13 und 19 können ebenfalls als drehzahlabhängige elektronische Schaltelemente ausgebildet werden.

Anstatt der dargestellten Ölbremse für einen mechanischen PI-Regler kann die Erfindung im gleichen Sinn auch bei elektrischen Reglern angewendet werden, bei welchen z. B. die Steuerspannung des Differenziergliedes nach der Erfindung dem elektrischen Dämpfungsglied des voll elektrischen Reglers als Spannung superponiert werden kann. Es kann hierdurch, ebenso wie bei dem mechanischen PI-Regler, die Dämpfung jeweils unwirksam gemacht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Reduzieren der Höhe der vorübergehenden Abweichungen von der Nenndrehzahl von drehzahlgeregelten Maschinen, insbesondere von Wasserturbinen mit einem ein Integralglied aufweisenden Drehzahlregler, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Welle (8) der zu regelnden Maschine ge- ίο koppelter Meßgenerator (9) elektrisch über ein Differenzierglied, z. B. ein Widerstands-Kapazitätsglied (ÄC-GIied), über ein durch Beschleunigung bzw. Verzögerung der Drehzahl zu beeinflussendes Schaltglied (10) und ferner über ein auf Über- oder Unternenndrehzahl ansprechendes drehzahlabhängiges Schaltelement (12) mit einem das Dämpfungsglied beeinflussenden Schaltglied,

z. B. einem Magnetventil (14), verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem i?C-G!ied als Differenzierglied, dadurch gekennzeichnet, daß als durch Beschleunigung bzw. Verzögerung der Drehzahl zu beeinflussendes Schaltglied zwei Schmitt-Trigger (20, 21) dienen, die an die Ausgangsspannung des Widerstandes des ÄC-GIiedes gelegt sind.