DE1601723A1 - Drehzahlabhaengige Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen,z.B.Turbinen - Google Patents
Drehzahlabhaengige Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen,z.B.TurbinenInfo
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Description
Drehzahlabhängige Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen, z.B. Turbinen.
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regelung von mit hoher Geschwindigkeit umlaufenden Maschinen, z.B. Turbinen,
in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl, bei der ein Wechselstromsignal erzeugt wird, dessen Frequenz in direktem Verhältnis
zur Umlaufgeschwindigkeit der Masohine steht. Die Erfindung
ist vornehmlich, jedoch nicht ausschließlich, in einer elektronischen
Regelschaltung zur Steuerung der Drehzahl einer hochtourigen Turbine zu sehen.
Gemäß der Erfindung werden in der Regeleinrichtung Kippimpulssignale
synchron zu dem Wechselstromsignal erzeugt, wobei Mittel vorgesehen sind, die entsprechend dem Zeitintervall
zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulsen ein Steuersignal erzeugen, wenn das Zeitintervall innerhalb einer
vorbestimmten Größe liegt.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung bestehen die vom
Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulsen abhängigen Mittel aus einer Schaltung, in der für jeden Wechselstrom-Kippimpuls ein rechteckiger Wellenimpuls erzeugt
wirdp dessen Dauer konstant ist und der kurz nach Beendigung
des Kippimpulses einsetzt, wobei ein UND-Tor vorgesehen ist, dem die Rechteck- und die Kippimpulse zugeführt werden und
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_ ο —
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das ein Steuersignal nur dann auslöst, wenn ein nachfolgender Kippimpuls vor dem Ende des Rechteckimpulses anlangt.
Bei einer Abänderungsform bestehen die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulssignalen abhängigen
Mittel aus einer Schaltung zur Bildung eines Ana Logsignals, dessen Größe der Frequenz des Impulssignals entspricht,
wobei ein Differentialverstärker vorgesehen ist, der das Analogsignal mit einem Bezugssignal vergleicht und
in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz ein Steuersignal bildet. Die Vorrichtung zur Erzeugung des Analogfe
signals weist zweckmäßig eine Schaltung auf, die Rechteckimpulse von einer Frequenz, welche proportional zu derjenigen
der Kippimpulse ist, und von konstanter Impulsdauer erzeugt. Ein Integrator ermittelt den Durchschnittswert
des Rechtecksignals aus wenigstens zwei Impulsen, um das Analogsignal zu bilden.
In jedem Falle kann die Schaltung zur Bildung von Rechteckimpulsen
aus einem monostabilen Multivibrator bestehen. Dieser Multivibrator weist einen ersten Transistor auf,
bei dem die einkommenden Impulse beispielsweise seiner Basis zugeführt und die Ausgangsspannung vom Kollektor ab-.
genommen wird, welcher über einen Widerstand mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor
über einen Kondensator mit der Basis des ersten Transistors in Verbindung steht.
Bisher wurden die Schalter zur Drehzahlregelung an der Turbine im allgemeinen mittels mechanischer oder elektromechanischer
Vorrichtungen betätigt. In diesen Fällen mußte der Drehzahlanzeiger auf der umlaufenden Turbinenwelle
an einer Stelle vorgesehen sein, die in einem beträchtlichen Abstand vom Turbinenrad liegt, um in der lage zu sein,
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die Umlaufgeschwindigkeit mechanisch zur Anzeige zu bringen. Wenn nun die Welle zwischen dieser Beobachtungsstelle
und dem Turbinenrad brach, wurde die Geschwindigkeit einer Welle beobachtet, deren Drehzahl absinkt mit der
Folge, daß der Turbine ein falsches Regelsignal zugeführt wurde und die Turbine "durchging".
Bei der Anordnung nach der vorliegenden Erfindung weist die Gasturbine einen ortsfest angeordneten Magnetkopf
auf, der Teil eines Magnetkreises ist und durch eine Luftspalt von einem umlaufenden Teil dieses Kreises getrennt
ist, welcher den magnetischen Widerstand synchron zum *
Umlauf der Turbine verändert und so ein Wechselstromsignal
erzeugt. Steht der Rotor der Turbine mit seiner Last durch eine Welle in Verbindung, so wird der Magnetkopf zv/eckmäiig
an dem dem Turbinenrotor zugewandten Wellenende vorgesehen, so daß der vorerwähnte Nachteil vermieden ist.
Gemäß der Erfindung kann eine elektronische Schaltung geschaffen
werden, die die Arbeitsweise der Gasturbine vom Start bis zum Überschreiten der Betriebsgeschwindigkeit
steuert. Ein Regelvorgang kann erfolgen, wenn die Drehzahl der Turbine erst einen kleinen Bruchteil der normalen
Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat, um in diesem Augenblick die Zufuhr von Brennstoff zur Turbine freizugeben. t
Weiterhin kann ein Regelvorgang stattfinden, wenn eine Geschwindigkeit erreicht iat, die näher an die normale
Betriebsgeechwindigkeit hsrangekommen ist. Es wird dann
der Anlasser abgeschaltet. Ist eine Drehzahl erreicht, die nur wenig unterhalb der Betriebsgeschwindigkeit liegt,
so kann eine weitere Regelung erfolgen, bei welcher die Turbine sich mit der. anzutreibenden Last kuppeln läßt.
Schließlich kann, aus Sicherheitsgründen die Turbine vollständig abgeschaltet werden, wenn ihre Drehzahl aus irger.d-
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einem Grunde in gefährlicher Weise die Betriebsgeschwindigkeit
überschreiten sollte. Zu diesem Zweck ist ein Regelvorgang vorgesehen, der vor sich geht, wenn die Turbinendrehzahl
die normale Betriebsgeschwindigkeit etwas überschreitet, und der dann die Brennstoff-zufuhr abschaltet.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
der neuen Regeleinrichtung hervor.
Figur 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine mit der neuen Einrichtung regelbare Gasturbine.
Figur 2 zeigt das Block-Schaltbild einer Ausführungsform der neuen Regeleinrichtung.
Figur 3 ist das Schaltschema des in Figur 2 angedeuteten Spannungsreglers.
Figur 4 ist das Schaltschema des in Figur 2 angedeuteten Signalverstärkers.
Figur 5 ist das Schaltschema einer Ausführungsform des in Figur 2 angedeuteten monostabilen Kippschalters.
Figur 1 zeigt das Block-Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der neuen Regeleinrichtung.
Figur 1 veranschaulicht die Anwendung der Erfindung auf
eine Gasturbine der in der USA-Patentschrift 3.163.003
behandelten Bauart. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendung beschränkt.
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Die Gasturbine hat ein Turbinenrad 10, das mit der Turbinenwelle
11 aus einem Stück besteht. Diese Welle ist mittels zweier Kugellager 12 im Turbinengehäuse gelagert»
An ihrem linken Ende weist die Welle 11 eine innere Feder bzw. Ένώ 13 auf,die mit einer äußeren Feder bzw.
Nui? 14 einer Achse 15 in Eingriff steht. Diese Achse trägt
Verdichterschaufeln 16 und 17 sowie ein Schwungrad 18. Mittels einer nicht dargestellten Kupplung kann die Leistung
der Maschine über das Schwungrad 18 an eine Verbrauchsstelle abgegeben werden. Ein von einem nicht dargestellten
elektrischen Anlasser angetriebenes Ritzel 20 greift in die Verzahnung des Schwungrades 18 ein. Um die Einrichtung
gemäß der Erfindung bei der in Figur 1 veran- ™
schauliohten Gasturbine zur Anwendung bringen zu können,
ist diese mit einem elektronischen Drehzahlmesser, ausgestattet. Dieser elektronische Drehzahlmesser weist beispielsweise
einen am Turbinengehäuse dicht an der Turbinenwelle 11 zwischen den Kugellagern 12 angeordneten Magnetkopf
21 auf. Dieser Magnetkopf ist beispielsweise mit einem kleinen Hufeisenmagneten ausgestattet, der eine Aufnahmespule
trägt, mit deren Hilfe Änderungen des Magnetfeldes empfangen werden können. Dementsprechend trägt
die Welle 11 eine Vorrichtung zur Änderung des Magnetflusses zum Magnetkopf entsprechend der jeweiligen Umlaufgeschwindigkeit
der Welle. Diese Vorrichtung lenn beispiels- ä
weise darin bestehen, daß das die beiden Kugellager 12 im Abstand voneinander haltende Abstandstück 22 eine sechseckige
Querschnittsform 23 erhält. Das Abstandstück 22 besteht aus magnetischem Material und ist auf der Welle
fest aufgekeilt, so daß es mit ihr umläuft. Wie Figur 1 zeigt, kann der elektronische Drehzahlmesser sehr dicht
am Turbinenrad 10 angeordnet sein. Wenn also die Welle 11 brechen sollte, so wird sie nicht gerade zwischen dem
Drehzahlmesser und dem Turbinenrad brechen. Der Drehzahlmesser wird also immer die wahre Geschwindigkeit des Turbi-
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nenrades anzeigen.
Beim Umlauf der Welle 11 werden die Ecken des sechseckigen
Abstandstückes 23 näher an dem Magnetkopf vorbei gelangen, als seine flachen Abschnitte. Auf diese Weise wird das
Magnetfeld verändert und in der Aufnahmespule des Magnetkopfes ein Strom induziert. Da das Magnetfeld bei einem
Wellenumlauf sechsmal verstärkt und abgeschwächt wird, wird der induzierte Strom ein Wechselstrom sein bzw. ein
alternierendes Signal bilden, bei welchem je sechs Wechsel einer Wellenumdrehung entsprechen. Über Leitungen 24
wird das Wechselstromsignal der in Figur 2 in Blockform dargestellten Schaltung zugeführt und mit einer Uhr oder
einem Zeitsignal vergleichen, so daß eine genaue Anzeige der Drehzahl der Turbine stattfindet.
Wie das Blockschaltbild nach Figur 2 zeigt, wird die Schaltung von· einer Batterie 26, beispielsweise einer 2ö-7olt-Batterie,
mit Strom versorgt. Die Batterie 26 kann außerdem den Anlaßmotor der Turbine mit Strom versorgen. La
der Anlaßmotor der Batterie verhältnismäßig viel Strom entnimmt, kann die Klemmspannung der Batterie 26 zwischen
10 und 28 Volt schwanken. Trotzdem muß der Stromkreis für die Drehzahlregelung einwandfrei arbeiten. Au3 diesem
Grunde ist ein Spannungsbegrenzer 27 vorgesehen, der dafür sorgt, daß an einer Leitung 28 eine Spannung von 12 Volt
zur Verfügung steht, solange die Klemmspannung der Batterie 12 Volt od-er mehr beträgt. (Dieser Spannungsbegrenzer
wird weiter unten bei Erläuterung der Figur 3 näher beschrieben.) . Die vom Spannungsbegrenzer 27 zur Verfügung
gestellte 12-Volt-Spannung wird benutzt, um verschiedene
mit 12 Volt arbeitende, nachstehend noch zu erläuternde Heiais zu speisen.
Sinkt die Klemmspannung der Batterie unter 12 Volt, so ist
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auch die Spannung an der Leitung 2ö genau so hoch wie diese
Klemmenspannung, d.h. sie kann unter 12 Volt absinken. Aus diesem Grunde muß die Spannung zusätzlich geregelt
werden, um ein zuverlässiges Arbeiten der elektronischen Einzelteile zu gewährleisten. Die zugeführte 12-Volt-Spannung
wird mittels eines Spannungsreglers 29 auf eine Spannung von 6 Volt eingeregelt. Diese 6 Volt werden vom
Regler 29 den verschiedenen Stromkreisen zugeführt, so daß diese mit Strom versorgt werden.
Die Regelschaltung nach Figur 2 arbeitet wie folgtt
Wird der (nicht dargestellte) Startschalter geschlossen, so werden der Anlasser und die nicht dargestellte Brennstoff-Zündvorrichtung
der Turbine mit Strom versorgt. Durch eine nicht dargestellte Schaltung wird erreicht, daß der
Startschalter geschlossen bleibt. Wenn das Anlasserritzel das Schwungrad Id in Drehung versetzt, drehen sich auch
das Turbinenrad 10 und die Turbinenwelle 11. Der umlaufende sechseckige Teil 23 der Turbinenwelle 11 und der
Magnetkopf 21 erzeugen ein Wechselstromsignal. Dieses Signal wird über ein Tiefpaßfilter 36 einem Verstärker bzw.
Signalwandler 30 zugeführt. Das Tiefpaßfilter 36 dient
dazu, Hochfrequenzgeräusche (z.B. über 50000 Wechsel pro Sekunde) abzufangen. Der Signalverstärker verwandelt das "
Wechselstromsignal in ein binäres Signal, das heißt bei jedem Wechsel des einkommenden Wechselstromsignals wird
ein binäres Signal erzeugt. Während die Amplitude des einkommenden Wecheelstromsignals sich mit der Umlaufgeschwindigkeit
des Turbinenrades ändert, erzeugt der Verstärker Binärsignale bzw. Kippimpulse gleichbleibender Amplitude
unabhängig von der jeweiligen Drehzahl. Die Binärsignale gelangen vom Verstärker 30 zu vier monostabilen Kippschaltern
bzw. Multivibratoren 31 bis 34. Jeder Multivibrator
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erzeugt einen Rechteckimpuls konstanter Amplitude und.
Impulsbreite je ein/^kommendem Kippimpuls. Das von einem
Multivibrator erzeugte rechteckige Signal hat eine zeitliche Dauer, die von derjenigen der anderen Rechtecksignale
abweicht, wie noch näher erläutert wird. Jedes von einem der Multivibratoren erzeugte Rechtecksignal wird
einem von vier Integrator-Stromkreisen zugeführt, von denen jeder eine Ausgangsspannung erzeugt, die dem Mittelwert
des Rechtecksignals entspricht und daher proportional zur Wechselfrequenz der binären Kippsignale ist, die
die Multivibratoren betätigten. Die vier Integrator- ^ Stromkreise 41 bis 44 sind vier Differentialverstärkern
46 bis 49 vorgeschaltet. Erreicht die Ausgangsspannung eines Integrators einen vorbestimmten Wert, so wird ein
von vier Steuerrelais 51 bis 54 durch den zugeordneten .Differentialverstärker in Wirkung gesetzt und einer der
diesen Steuerrelais zugeordneten Relaisschalter 56, 57, 5Ö oder.59 betätigt.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2 ist der Multivibrator
31 so eingestellt, daß er einen Rechteckimpuls von einer solchen zeitlichen Länge erzeugt, das - wenn der
Anlasser das Turbinenrad mit 5 $> der normalen Arbeitsgeschwindigkeit
in Drehung versetzt - die Ausgangsspannung ψ des Integrators 41 ausreicht, um den Differentialverstärker
46 zu veranlassen, das Steuerrelais 51 zu betätigen. Las Steuerrelais 51 erdet das eine Ende eines Solenoids 61,
dessen anderes Ende an die 12-Volt-Leitung 28 angeschlos-'
sen ist. Damit wird der Schalter 56 geschlossen. Ist der
Schalter 56 geschlossen, so wird die 12-Volt-Spannung an
ein die Brennstoffzufuhr beeinflussendes (auf der Zeichnung nicht dargestelltes) Solenoid angelegt, so daß der
Turbine Brennstoff zuströmt. Der Anlaßmotor bleibt .unter
Strom, um die Beschleunigung der Turbine auf die Betriebs-
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geschwindigkeit zu unterstützen.
Der Multivibrator 32 ist im Vergleich zu dem Multivibrator
31 so eingestellt, daß er Impulse kürzerer Zeitdauer erzeugt als letzterer, und zwar derart, daß beim Erreichen
von 50 io der normalen Arbeitsgeschwindigkeit der Turbine
die Ausgangsspannung des Integrators 42 ausreicht, um zu .bewirken, daß der Differentialverstärker 47 das
Steuerrelais 52 betätigt. Dieses Relais erdet das eine Ende eines Solenoids 6la, dessen anderes Ende, wie, beim
Solenoid 61, an die 12-Volt-Leitung angeschlossen ist. Der
Relaisschalter 57 wird geschlossen, so daß ein Solenoid ä unter Strom gesetzt wird, das den (nicht dargestellten)
Schalter für den Anlasser öffnet. Der Anlasser wird nicht mehr benötigt, da die Turbine jetzt von allein bis zur
normalert Betriebsgeschwindigkeit beschleunigt, vorausgesetzt, daß die Turbine nicht belastet ist.
Hat die Turbine annähernd ihre Betriebsgeschwindigkeit, d.h. beispielsweise 95 $>
dieser Geschwindigkeit erreicht, so daß sie nun belastet werden kann, so wird dies durch
den Multivibrator 33 angezeigt; er erzeugt Rechteckimpulse einer solchen zeitlichen Dauer, daß beim Erreichen von
95 # der Turbinenbetriebsgeschwindigkeit die Ausgangsspan- *
nung des Integrators 43 einen solchen Wert annimmt» daß der Verstärker 48 veranlaßt wird, das Steuerrelais 53 zu
betätigen. Auch dieses Relais setzt - ähnlich wie die Relais 51 und 52 - ein Solenoid 61b unter Spannung, das
einen Schalter 58 schließt. Beim Schließen dieses Schalters 58 wird ein (nicht dargestelltes) Solenoid mit Strom versorgt,
das eine (nicht dargestellte) Kupplung betätigt, welche mit dem Sehwungrad 18 zusammenwirkt und die Turbine
an einen Verbraucher ankuppelt. Da die Turbine nahezu ihre Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat, wird sie durch den
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Verbraucher nicht abgebremst, kann vielmehr bis auf die volle Betriebsgeschwindigkeit beschleunigen.
Sollte aus irgendwelchen Gründen die Drehzahl der Turbine über die normale Betriebsgeschwindigkeit ansteigen, so
ist die in Figur 2 veranschaulichte Schaltung in der Lage, auch diesen Betriebszustand zu erkennen und die Turbine zu drosseln. Beträgt die zulässige Maximalgeschwindigkeit
z.B. 110 $ der normalen Betriebsgeschwindigkeit, so spricht der Multivibrator 34 an, der Rechteckimpulse einer
solchen zeitlichen Dauer erzeugt, daß beim Erreichen von 110 i» der Betriebsgeschwindigkeit die Ausgangs spannung
des Integrators 44 einen solchen Wert annimmt, daß der Differentialverstärker 49 das Steuerrelais 54 in Gang setzt.
Das Relais speist dann - ähnlich wie die Relais 51 bis 53 ein Solenoid 6lc, das den Anker 59a eines Schalters 59
derart bewegt, daß der Behälter mit einem mit dem Relais
verbundenen Kontakt 59b in Berührung und mit einem Kon«
takt 59c außer Eingriff kommt. Der Kontakt 59c liegt in
dem Stromkreis der Schalter 56, 57 und 58» so daß beim Offnen des Kontaktes 59c die Schalter stromlos werden, die
Brennstoffzufuhr abgeschaltet wird und die Turbine zum Stillstand kommt. Der Relaisschalter 59 ist verriegelt, wenn
er unter Spannung steht, da der Kontakt 59b die 12-Volt-"
Leitung mit dem Steuerrelais 54 verbindet. Die Turbine kann daher so lange nicht erneut gestartet werden, bis nicht
diese Verriegelung aufgehoben ist. Dies bedeutet eine besondere Sicherheitsmaßnahme.
Bei der Ausführungsform nach Figur 2 sind die vier Rechtecksignale
von unterschiedlicher Zeitdauer. Dies erfordert das Vorhandensein einer Standardspannung (6 Volt),
mit der die Ausgangsspannungen der vier Integratoren 31 bis 34 verglichen werden. Stünden jedoch vier Standardspannungen
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zur Verfügung, se würden nur ein Multivibrator und ein
integrator benötigt werden. Die Ausgangsspannung des
Integrators würde vier verschiedenen Differentialverstärkfern
zugeführt, an denen je eine der vier Standardspannungen
liegen würde. Venn dann die Turbine anläuft und die Ausiiav.göspannung des Integrators mit der niedrigsten
btandaraspannung verglichen wird, so würde einer der Differ»ntialverstärker
ein Regelsignal erzeugen. Wird die Aus- :;an( T.s3pannur.g des Integrators mit der nächst höheren
Standard spannung verglichen, so würde der nächste Diffe-"s?nt,i
al verstärker ein Signal produzieren und so fort.
Jema? verstehender Beschreibung wird für jedes Binärsignal
eir. Hecr.teckimpuls erzeugt. Es kann aber auch so verfahren
veraer., dai ein Rechteckimpuls für je eine Gruppe von
Binärs i trnalen erzeugt wird, vorausgesetzt, daß die Zahl
der 3:r.ärsignale je Gruppe für die betreffende Anlage
festliegt, d.h. die Frequenz der Rechteckimpulse ist zur Frequenz der Binärsignale direkt proportional.
Nachdem die allgemeine.Betriebsweise der Anlage beschrieben
werden ist, sollen nunmehr die einzelnen Schaltungsr.
näher erläutert werden.
Fi^ur 5 zeigt schematisch das Schaltbild des Spannungsbegrör.zers
27. Die dargestellte Schaltung hat den Vorteil, besonders wirksam zu sein. Die Batterie 2b wird von einem
Widerstand o3 und einer in Reihe geschalteten Zenerdiode
überbrückt. Die Verbin-dung zwischen Widerstand 63 und Diode o& ist mit der Basis eines NPK-Transistors 65 verbunden,
dessen Kollektor an die positive Klemme der Batterie
2o angeschlossen ist. Eine Zenerspannung wird über die
Senerdiode erzeugt, jedoch begrenzt der "Widerstand 63 den
Strom durch die Zenerdiode auf einen verhältnismäßig niedrigen VTert. Da die Zenerspannung der Basis des Transistors
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zugeführt wird, entspricht die Spannung am Emitter der Zenerspannung multipliziert mit dem Faktor des Transistors.
Da die zugeführte 28-Volt-Spannung zwischen etwa 10 und 28 Volt schwanken kann, wird auch der durch die Diode hindurchgehende
Strom schwanken. Die Zenerspannung der Diode ändert sich jedoch nicht, solange der Strom über dem
Zenerstrom liegt. Bei dieser Ausführung findet ein Widerstand 63 von 400 Ohm Anwendung, so daß· der Maximalstrom
durch die Zenerdiode geringer ist als 0,1 Ampere, was besagt, daß durch die Diode 64 nur verhältnismäßig wenig
Energie verbraucht ist.
Eine ähnliche Schaltung wird in dem 6-Volt-Spannungsbegrenzer
29 verwendet.
Figur 4 zeigt das Schaltbild des Signalverstärkers 30, in dem Kippimpulse erzeugt werden. Ein Merkmal dieser Schaltung
liegt darin, daß für jeden Wechsel des einkommenden WechselBtromsignals ein negativer Spitzenimpuls erzeugt
wird, der das Binärsignal darstellt und einen konstanten Wert hat, und zwar unabhängig von der Frequenz und der
Amplitude des Wechselstromeignais, vorausgesetzt, daß diese Amplitude über einem Minimum bzw. Schwellwert liegt. Der
Verstärker 30 besteht aus einem Widerstand 62 und einem w gesteuerten Siliziumgleiohrichter bzw. Thyristor 66, die
in Reihe geschaltet an einer 6-Volt-Spannung liegen. Der Thyristor ist für gewöhnlich wirkungslos, wird jedoch wirksam,
wenn der einer Einlaßleituhg 67 zugeführte Wechselstrom positiv ist und ein Schwellwert, beispielsweise
1 Volt, übersteigt. Die Einlaßleitung ist an die Verbindung zweier Widerstände 68 und 69 angeschlossen, die in Reihe
geschaltet zwischen dem Kipp-Thyristor und Erde liegen.
Die Verbindung von Widerstand 62 und Thyristor 66 (d.h. seiner Anode) liegt über einen Kondensator 71 an einer Ausgangsklemme
70, die über einen Widerstand 72 geerdet ist. Wenn
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der Thyristor nichtleitend ist, ist der Kondensator 71 mit 6 Volt aufgeladen. Überschreitet das positive Potential
des durch die Leitung 67 zugeführten Wechselstrom-Signals den Schwellwert, so wird der Thyristor leitend
und sein Anodenpotential sinkt fast auf Erdpotential. Der Kondensator 71 entlädt sich über den Widerstand 72, so
daß die Spannung an der Klemme 70 plötzlich auf einen negativen
Wert absinkt, z.B. bis fast auf minus 6 Volt, um dann rasch wieder auf Erdpotential anzusteigen. Sobald der
Wert des Wechselstromes unter den Schwellwert absinkt, beendet der Thyristor die Leitfähigkeit, da der Widerstand
den Stromschluß unterhalb jenes Wertes hält, der benötigt wird, um den Thyristor leitend zu halten. Der positive I
Impuls an der Ausgangsklemme 70 beim Abschalten des Thyristors ist wesentlich kleiner als der negative Impuls
beim Einschalten des Thyristors, da der Wert des Widerstandes 62 größer ist als der des Widerstandes 72, beispielsweise
zehnmal so groß. Infolgedessen entlädt sich der Kondensator über den Widerstand 72 sehr viel rascher
als er sich über die beiden Widerstände 62 und 72 wieder auflädt.
Figur 5 zeigt das Schaubild einer der monostabilen Kippschaltungen
bzw. eines monostabilen Multivibrators, z.B. des Multivibrators 51. (j
Zwei Reihenschaltungen liegen parallel zueinander über der 6-Volt-Eingangsspannung. Die eine Reihenschaltung
weist einen Widerstand 74 auf, der an den Kollektor eines ITPN-Transistors 75 angeschlossen ist. In dem anderen Stromkreis
liegt ein Widerstand 76, der mit dem Kollektor eines liPU-Transistors 77 verbunden ist. Die Basis des Transistors
75 steht über eine Sperrdiode 79 mit einer Zuführungsleitung 78 und zugleich über einen Kondensator 80 mit dem
Kollektor des Transistors 77 sowie über einen Widerstand und einen variablen Widerstand 84 mit der positiven Eingangsklemme
in Verbindung. Die Baals des Transistors 77
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iat über einen Widerstand 82 geerdet und über einen 'Widerstand
81 mit dem Kollektor des Transistors 75 verbunden, der mit einer Ausgangsklemme 85 in Verbindung steht.
Die Werte der Widerstände sind so gewählt, daß der Transistor 75 für gewöhnlich stromleitend ist. Infolgedessen
ist der Transistor 77 nichtstromieitend, da seine Basis auf Erdpotential liegt. Tritt an der Eingangsklemme Ίο
ein negativer Impuls auf, so wird der Transistor 75 abgeschaltet, so daß das Potential seines Kollektors und damit
dasjenige der Basis des Transistors 77 positiv werden. Damit wird der Transistor 77 wirksam. Der Kollektor des
Transistors 77 fällt auf Erdpotential. Damit lädt sich der Kondensator 80 über den Widerstand 83 und den variablen
Widerstand 84 auf und das Spannungspotential der Basis des Kollektors 75 wächst mit einer bestimmten Zeitkonstante,
die durch die Größe der Widerstände Ö3 und 84 und dem
Kapazitätswert des Kondensators oj festgelegt ist. Steigt das Potential der Basis des Transistors genügend, so
tritt der Transistor 75 in Wirkung und der Transistor 77 schaltet ab. Die Wellenform der Spannung am Kollektor des
Transistors 75 und an der Ausgangsklemme 65 ist rechteckig,
wie auf der Zeichnung angezeigt. Die Zeitdauer, während der das Potential an der Klemme 85 hoch, ist, wird vom
variablen Widerstand 84 bestimmt und kann durch Erhöhung dieses Widerstandes verlängert werden.
Es kann also die Wellenform an der Ausgangsklemme 85 integriert und durch einen der Integrator-Schaltkreise 31 bis
34 in eine Spannung verwandelt werden, deren Wert durch
die (frequenz der Wellenform bestimmt wird. Die umgewandelte Spannung wird dann mittels eines der Differentialverstärker
46 bis 49 mit einer Standardspannung verglichen, die einer Standardfrequenz entspricht. Sind die Spannungswerte gleich, so entspricht die Frequenz des Wechselstrom-
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signals äer Standardfrequenz. Überschreitet die gemessene
Jpannunfc den Standardwert, so wird durch den in Betracht
kommenden Differentialveretärker 46 bis 49 ein Signal
erzeugt; damit wird - wie oben beschrieben - ein bestimmter Arbeitsvorgang ausgelöst.
In der beschriebenen Anlage wird eine Analog-Information
(Frequenz) in eine Digital-Information umgewandelt, um ,'eden Fehler auszuschließen, der durch Amplituden- und
SpannungsSchwankungen in den Stromkreisen verursacht werden
könnte, öle Digitalinformation wird dann in eine Analogspannung
zurückverwandelt und mit einer Standardspannung * verglichen. Der Vorteil, der dadurch erzielt wird, daß
die Information in eine Analoginformation zurückverwandelt wird, besteht darin, daß vorübergehend in der Anlage entstehende
Geräusche ale ein Binäraignal erscheinen können.
Durch Rückverwandlung in den Analogwert hat das Geräuschsignal
sehr geringen Einfluß auf die Genauigkeit des Regelkreises. In einem relativ geräuschfreien System, in dem
keine Fremdimpulse auftreten, die als Digitalsignal gewertet
werden könnten» kann die Digitalinformation unmittelbar
mit einem Standardsignal verglichen werden. Dadurch werden beim Ablesen äer Analoginformation vorhandene Ungenauigkeiten
vermieden*
Figur b zeigt eine weitere Ausführungsform eines solchen
Systems im Blockschaltbild* Eine Stromquelle, z.B. die
in Figur 2 veranschaulichte Batterie 26, ist an einen Spannungsregler 26 angeschlossen, der die Spannung auf
6 Volt begrenzt, mit denen ein Signalverstärker ö7, ein
binärer Sählkreis 88 und vier monostabile Kippschaltungen bzw. Multivibratoren 89a, 89b, 89c und 89d gespeiet werden,
die über Yerzögerungsschaltungen 90 Bowie UND-Tore 95a,
95b, 95c und O5d an vier Riegel-Schaltkreise 91 bis 94 ange-
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schlossen sind.
Der üignalverstärker 87 entspricht etwa dem in Figur 2
dargestellten Signalverstärker 30, jedoch mit dem Unterschied, daß der Verstärker von jedem Wechsel des einkommenden
Signals positive Kippimpulse bildet. Die vier Multivibratoren &9a bis 89d arbeiten ähnlich wie die
vier Multivibratoren 31 bis 34. Die Aufgabe der Multivibratoren 69a bis 89d besteht jedoch darin, eine Zeitnormale
bereitzustellen, mit der die Frequenz der Kippimpulse 'verglichen werden kann. Zweck des binären Zählkreises
ist es, jedes andere binäre Signal vom Signalverstärker * den vier Multivibratoren 89a bis 89d zuzuführen. Der binäre
Zählkreis 88 wird bei der Ausführungsform nach Figur nicht benötigt. Die vier Regelschaltkreise 91 bis 94
stellen an ihren Ausgangsklemmen immer dann eine positive Spannung zur Verfügung, wenn ihren Eingangsklemmen ein
positives Potential zugeführt wird, und sie halten die positive Spannung aufrecht bis den zugehörigen Rückstell-Eingangsklemmen
ein positives Potential zugeführt wird.
Die Schaltung nach Figur 6 arbeitet wie folgt:
Soll die Turbine angelassen werden, eofwird ein (nicht dar-'
--iestellter) Startknopf gedrückt, so daß beim Riegelschaltkreis
91 eine positive Spannung zugeführt wird. Der Anlaflmotor der Turbine und die Brennstoffzündvorrichtung
werden damit in Betrieb gesetzt. Sobald sich das Turbinenrad 10 und die Welle 11 drehen, liefert der Magnetkopf
ein Wechselstromsignal, das dem Signalverstärker 87 zugeführt wird. Dieser bildet für jede Schwingung des
Wechselstromsignals einen Impuls. Diese vom Verstärker erzeugten Impulse werden dem binären Zählkreis 88 sowie
je einem der zwei Klemmen eines jeden der vier ÜND-Tore
_ 17 _ BAD ORIGINAL
009848/0373
95a bis 95 d zugeführt. Diese Tore liefern ein positives Ausgangspotential nur, wenn beide .Eingangsklemmen an
positivem Potential liegen. Liegt eine oder liegen beide Eingangsklemmen nicht auf positivem Potential, so hat
die Ausgängsklemme des betreffenden UND-Tores Erdpotential. Die an der Ausgangsklemme des binären Zählkreises 88 vorhandenen
positiven Impulse werden den Eingangsklemmen der vier Multivibratoren 89a bis 89d zugeführt, die ähnlich
wie die Multivibratoren 31 bis 34 arbeiten. Die Dauer des positiven Rechteckimpulses der Welle des Multivibrators
89a entspricht der Schwingungsperiode des Wechselstromsignals, wenn das Turbinenrad 10 mit 5 $ seiner Betriebsgeschwindigkeit
umläuft. Da die Schwingungsdauer des Wechselstromsignals mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt,
wird die Dauer des von jedem der anderen Multivibratoren 89b bis 89d erzeugten positiven Rechteckimpulses
absatzweise kleiner, entsprechend 50 $, 95 $ und 110 $ der
normalen Betriebsdrehzahl des Turbinenrades. Die rechteckige
Welle, die an der Ausgangsklemme eines jeden der Multivibratoren entsteht, wird für einen kurzen Augenblick,
z.B. zehn MikroSekunden, durch den zugeordneten
Verzögerungsstromkreis 90 verzögert, um sicherzustellen, daß die vordere Kante des Rechteckimpulses bei dem zugehörigen
UND-Tor nicht zu der gleichen Zeit eintrifft wie der ihn erzeugende Kippimpuls. Beispielsweise wird der
erste Kippimpuls vom Signalverstärker 87 dem UND-Tor 95a zugeleitet und gelangt durch den binären Zählkreis 88, um
im Multivibrator 89a das erste Rechtecksignal auszulösen. Da das Rechtecksignal durch den Verzögerungsschaltkreis
zurückgehalten wurde, kommt seine vordere Kante am UND-Tor 95a erst an, nachdem der erste Kippimpuls bereits bei
dem UND-Tor angelangt ist. Die Ausgangsklemme des UND-Tores 95a verbleibt also auf Erdpotential. Solange die
Drehzahl des Turbinenrades unterhalb von 5 $ der Betriebsgeschwindigkeit liegt, trifft das zweite Kippsignal, vom
. 18 - ORIGtMAL INePECTED
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16Oi
Verstärker ü'7 ausgehend, beim UND-Tor 95a erst nach der
hinteren Kante des Rechteckimpulses an. Infolgedessen verbleibt die Ausgangsklemme des UND-Tores 95a weiterhin
auf Erdpotential. Der zweite Impuls wird durch, den binären Zählschaltkreis daran gehindert, ein weiteres
Rechtecksignal zu bilden. Übersteigt andererseits die Drehzahl des Turbinenrades den Wert von 5 $ der Betriebsgeschwindigkeit, so trifft der zweite Kippimpuls vor der
hinteren Kante des Rechteckimpulses am UND-Tor 95a ein und gelangt durch das UND-Tor 95a, um den Riegelstromkreis
92 einzuschalten und damit zu bewirken, daß der Turbine Brennstoff zugeführt wird.
Der Multivibrator 89b und das UND-Tor 95b dienen dazu, festzustellen, wann die Drehzahl aer Turbine 50 $ der
normalen Betriebsgeschwindigkeit erreicht hat. Diese Teile arbeiten ähnlich wie die für die 5 i» Geschwindigkeit vorgesehenen
Teile. Wenn jedoch der zweite Kippimpuls durch das UND-Tor 95b hindurch gelangt, wird der Riegelstromkreis
91 zurückgeschaltet und der Anlasser gestoppt. Hat die Turbine 95 i° ihrer Betriebsgeschwindigkeit erreicht,
so lassen der Multivibrator 89c sowie das UND-Tor 95c den zweiten Kippimpula durch das UND-Tor 95c hindruch,
so daß die Turbine nun mit der Last gekuppelt werden kann. Läuft die Turbine zu rasch und erreicht sie eine Drehzahl,
die 110 $ der normalen Betriebsgeschwindigkeit beträgt, so läßt das UHD-Tor 95d den zweiten Kippimpuls hindurch,
um den Riegelschaltkreis 94 zu betätigen. Dieser Riegelschaltkreis schaltet dann die Riegelschaltkreise 92 und
93 zurück, so daß die Turbine zum Stillstand kommt. Der Riegelschaltkreis 94 bleibt zweckmäßig so lange in seiner
Riegelstellung, bis die Störung an der Turbine erkannt und beseitigt worden ist.
BAD ORIGINAL Patentansprüche:
009848Ai 373
Claims (16)
1. Einrichtung zur Regelung von mit hoher Geschwindig-Keit
umlaufenden Maschinen in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl, gekennzeichnet durch Mittel zur Erzeugung
eines Wechselstromsignals, dessen Frequenz direkt abhängig ist von der Umlaufgeschwindigkeit der Maschine,
wobei die Regelung mittels mit dem Wechselstromsignal
synchroner Kippimpulssignale erfolgt und eine auf den Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Kippimpulssir.nalen
ansprechende Schaltung vorgesehen ist, die ein steuersignal erzeugt, wenn der erwähnte Zeitintervall
innerhalb einer vorbestimmten Größe liegt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden
Kiprimpulssignalen abhängige Schaltung für jeden Wechselstrom-Kippimpuls einen Rechteckimpuls erzeugt,
dessen Dauer konstant ist und der kurz nach Beendigung des Kippimpulses entsteht, wobei ein UND-Tor vorgesehen
ist, dem die Rechteckimpulse und die Kippimpulse zugeführt werden und das ein Steuersignal nur dann auslöst,
wenn ein nachfolgender Kippimpuls vor dem Ende des Rechteckimpulses anlangt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden
Kippimpulssignalen abhängige Schaltung die Bildung eines Analogsignals ermöglicht, dessen Größe der Frequenz
des Impulssignals entspricht, und dass ein Differentialverstärker vorgesehen ist, der das Analogsignal
mit einem Bezugssignal vergleicht, um in Abhängigkeit vom Vorzeichen der Differenz ein Steuersignal zu bilden.
- 20 - BAD ORIGINAL
009848/0373
4·. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die das Analogsignal "bildende Schaltung Rechteckimpulse von einer Frequenz erzeugt, die proportional
derjenigen der Kippimpulse und von konstanter Impulsdauer sind, wobei ein Integrator den Durchschnittswert
des Rechtecksignals aus wenigstens zwei Impulsen ermittelt, um das Analogsignal zu bilden.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Bildung von
Rechteckimpulsen mit einer Frequenz, die derjenigen
| des Kippsignals entspricht, und mit konstanter Impulsdauer
einen monostabilen Multivibrator aufweist, dessen erstem Transistor die Eingangsimpulse der Transistorbasis
zugeführt, während die Ausgangsspannung dessen Kollektor abgenommen wird, der seinerseits über
einen Widerstand mit der Basis eines zweiten Transistors verbunden ist, dessen Kollektor über einen
Kondensator mit der Basis des ersten Transistors in Verbindung steht.
6. Einrichtung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung zur Erzeugung der Kippimpulee einen Widerstand aufweist, der
" über eine Gleichstromquelle mit einem Feststoffschalter
(solid state switching device) in Serie geschaltet ist, der sich dadurch auszeichnet, daß ihn eine über
einem vorbestimmten Wert liegende Spannung leitfähig macht, eine geringere Spannung jedoch nicht, und daß
eine Widerstand-Kondensator-Schaltung vorgesehen ist, deren Kondensator parallel zu dem erwähnten Schalter
liegt (Figur 4).
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
- 21 009848/0373
daß die Kippimpulse über dem Widerstand einer Widerstand-Kondensator-Schaltung
erzeugt werden, der parallel zu einem Thyristor geschaltet ist und über
einen Serienwiderstand mit einer Gleichstromquelle in Reihe liegt, wobei die Verhältnisse so gewählt
sind, daß, wenn der Thyristor leitet, sich der Kondensator über diesen entlädt, worauf jedoch der Serienwiderstand
den Strom soweit begrenzt, daß der Thyristor aufhört leitfähig zu sein.
8. Einrichtung nach einem der voraufgegangenen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ihre Schaltungen aus einer Batterie über einen Gleichstromregler gespeist
werden.
9* Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gleichstromregler einen Transistor aufweist, der über eine Gleichstromquelle mit der Belastung
in Reihe geschaltet ist, wobei über die Gleichstromquelle auch eine Zenerdiode und ein Widerstand in
Reihe liegen, deren Verbindung an die Basis des Transistors angeschlossen ist.
10. Umlaufende Maschine mit einer in Abhängigkeit von ihrer Drehzahl wirksamen Regelungseinrichtung nach
einem der voraufgegangenen Ansprüche.
11. Gasturbine als umlaufende Maschine nach Anspruch 10,
gekennzeichnet durch einen ortsfest angeordneten Magnetkopf, der einen Teil eines Magnetkreises bildet und
durch einen Luftspalt von dessen umlaufenden Teil getrennt ist, der den Magnetfluß in dem Luftspalt
synchron zur Umlaufbewegung der Turbine verändert, um
so das Weohselstromsignal zu erzeugen.
- 22 - .
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1 b Ü ! / 2 3
12. Maschine nach Anspruch 11, deren Turbinenrotor mit
seiner Last über eine Welle gekuppelt ist, an deren dem Rotor zugewandten Ende der Magnetkopf vorgesehen
ist.
13. Maschine nach einem der Ansprüche lü bis 12 mit einer
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis j, ,
die beim Erreichen eines geringen Bruchteils der normalen Betriebsgeschwindigkeit der Maschine in Yfirkung
tritt und die Zufuhr von Brennstoff zur Maschine, z.B. einer Turbine, freigibt.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13 mit einer
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die beim Erreichen eines wesentlichen Teils der normalen
Betriebsgeschwindigkeit der Maschine deren Anlaßmotor abschaltet.
15. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14 mit einer
Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» die kurz vor dem Erreichen der normalen Betriebsgeschwindigkeit
das Ankuppeln der Maschine z.B. Turbine, an die Last ermöglicht.
16. Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 15 mit einer Regeleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
die bei geringem Überschreiten der normalen Betriebsgeschwindigkeit die Abschaltung der Brennstoffzufuhr
bewirkt.
17· Maschine nach einem der Ansprüche 10 bis 16 mit einem
unmittelbar aus einer Batterie gespeisten Anlasser, gekennzeichnet durch ein oder mehrere für die Regel-
- 23 -
009848/0373 original inspected
organe vorgesehene Steuerrelais, die aus der Batterie
über einen ersten Regler gespeist werden, wobei Regelschaltkreise gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen
sind, die über den ersten Regler und auch über einen mit ihm in Kaskade geschalteten zweiten Regler
gespeist werden.
Ib. Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, da/3
der zweite Regler aus einem Regler gemäß Anspruch 9 besteht.
BAD
009848/0373
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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---|---|
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1967
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