DE2165635C3 - - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Regeleinrichtung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln
von Wasserturbinen unter Ermittlung der Streckenverstärkung zwischen der Laufschaufelstellung
und dem Wirkungsgrad oder der Verlustleistung der Wasserturbine und mit einem von der Streckenverstärkung
beaufschlagten Extremalwertregler, dessen Ausgangssignal über ein Stellglied die Laufschaufein
verstellt.
Eine derartige Einrichtung ist im Zusammenhang mit der selbsttätigen Regelung von Kaplanturbinen
auf maximalen Wirkungsgrad gemäß der deutschen Patentschrift 935 540 bekanntgeworden. Dort wird
vorgeschlagen, die Laufschaufeln mittels eines Zeitschaltwerkes in regelmäßigen Zeitabschnitten ständig
um einen vorgegebenen festen Betrag zu verstellen, die daraufhin eintretende Wirkungsgradveränderung
zu beobachten und daraus die Streckenverstärkung zwischen Laufschaufelstellung und Wirkungsgrad in
Form des Differentialquotienten des Wirkiuu -.grades
nach der Laufschaufelstellung zu be rech neu .;nd die
Laufschaufelstellung dann so lange zu veräiu rn, bis
dieser Differentialquotient zu Null wird. Hierbei sind neben einem Zeitschaltwerk relativ komplizierte
Auswerte- und Rechenschaltungen erforderlich und vor allem kommt die Verstelleinrichtung nie zur Ruhe,
da sie dauernd die in regelmäßigen Zeitabschnitten eingeleiteten Probier- bzw. Prüfschritte ausführen
muß.
Es ist Aufgabe der Erfindung, die jeweils dem optimalen Wirkungsgrad der Wasserturbine zugeordnete
Laufschaufelstcllung bei sich beliebig ändernden Betriebsparametern
ebenfalls selbsttätig herbeizuführen und dabei aber ohne ein Prüfsignal und mit einer wesentlich
einfacheren Anordnung auszukommen.
Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß zur Ermittlung der Streckenverstärkung eine an sich bekannte,
einen speichernden Quotientenbildner in Form eines über einen Multiplizierer rückgekoppelten
Integrators enthaltende Identifizierungsschaltung vorgesehen ist. Als Idcntilizierungsschaltung kann
hierbei eine gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 1815964 bekannte Schaltung zur Streckenverstärkungsidentifizierung
verwendet werden, bei welcher der Dividendeneingang des Quotientenbüdners über
ein Vorhaltglied vom Ausgang der zu identifizierenden Strecke und der Divisoreingang vom Streckeneingangssignal
über ein weiteres Vorhalteglied und eine Streckennachbildung beaufschlagt ist.
Eine gute Langzeitkonstanz dieses speichernden Quotientenbildners ergibt sich gernäß einer Weiterbildung
der Erfindung, wenn sein Integrator aus einem Stellmotor besteht, der mit dem Schleifer eines an einer
konstanten Spannung liegenden Potentiometers mechanisch gekoppelt ist. Als zweckmäßig erweist es
sich, wenn eine Vorsteiierung der Laufschaufelstellung
erfolgt, indem das Stellglied mit einer die Leitschaufelstellung beeinflussenden Größe zusätzlich
beaufschlagt ist. Damit können auch gewisse Sonderbetriebsfälle, wie z.B. das Anfahren einwandfrei beherrscht
werden.
Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher veranschaulicht werden.
Im Diagramm der Fig. 1 gibt die voll ausgezogene Kurve die Abhängigkeit des Wirkungsgrades η der
Wasserturbine vom Anstellwinkel α ihrer Laufschaufeln wieder. Diese Abhängigkeit gelte für einen bestimmten
Satz von Betriebsparametern. Ändern sich diese, so wird sich auch der Verlauf der Wirkungsgradkurve
ändern, stets wird jedoch jeweils bei einem, fallweise verschiedenen Winkel aup, der Laufschaufeln
die Wirkungsgradkurve ein Maximum aufweisen, was regelungstechnisch auch so ausgedrückt werden kann,
daß bei einem solchen Arbeitspunkt der Verstärkungsfaktor zwischen Laufschaufelstellung bzw. Anstellwinkel
(/ und Wirkungsgrad Null ist. Für einen solchen Arbeitspunkt mit maximalem Wirkungsgrad
wäre dann die Verlustleistung Nv der Wasserturbine
ein Minimum, wie dies aus dem Verlauf der gestrichelt gezeichneten Verlustleistungskurve hervorgeht. Die
Lage des optimalen Arbeitspunktes, entsprechend alipt, ist nun in starkem Maße veränderlich von zuvor
erwähnten Betriebsparametern.
Fig. 2 zeigt die grundsätzliche Struktur des Strekkenabschnittes der Wasserturbine, Ger den Anstellwinkel
α der Laufschaufeln als Eingangsgröße und
den Wirkungsgrad \\ der Wasserturbine als Ausgangsgröße
hat. Ein Zeilkonstantenglied 1 repräsentiert dabei die mechanische und/oder elektrische
Trägheit der Verstelleinrichtung. Mit der multiplikativ wirkenden Größe K - versinnbildlicht durch ein von
dieser Größe beaufschlagtes Multiplizierglied 2 - ist die zu identifizierende Streckenverstärkung, mit /.
eine additiv wirkende Störgröße, beispielsweise die Belastung bezeichnet. Sowohl der Verstärkungsfaktor
K als auch die Störgröße L sind in der Regel betriebsmäßigen
Änderungen unterworfen.
In Fig. 3 ist eine Kaplan-Turbine 3 mit Laufschaufeln
4 angedeutet, welche aus einem höherliegenden Wasserreservoir 5 mit Wasser beaufschlagt ist. Je nach
dem Sollwert N* der benötigten Leistung werden über einen Leistungsregler 6 und ein Stellglied 7 die Leitschaufeln
8 im Sinne einer mehr oder weniger großen öffnung verstellt. Mit der Turbinenwelle 9 ist ein
Drehstromgenerator 10 gekuppelt, der in ein mit R, S, T bezeichnetes Drehstromnetz einspeist. An seine
Ausgangsklemmen ist zur Erfassung seiner Wirkleistung ein wattmetrisches Meßinstrument 11 angeschlossen,
dessen Ausgangsgröße Nah den Istwert des
! eistungsreglers 6 bildet.
Damit die geforderte elektrische Leistung N* bei einem möglichst großen Wirkungsgrad /) abgegeben
wird, ist ein Regler 12 vorgesehen, dessen Ausgangsgröße
α über ein vorzugsweise elektrohydraulisches Stellglied 13 den Anstellwinkel α der Laufschaufeln 4
verstellen kann. Auf den Eingang des Steligliede 13 kann zusatzlich eine Vorsteuerung in Form des über
einen Funktionsgenerator FG geführten Ausgangssignals λ des Leistungsreglers 6 wirken, welches die
Stellung der Leitschaufeln bestimmt. Der Funktionsgenerator kann in an sich bekannter Weise mittels
vorgespannter Schwellwertdioden realisiert werden und weist eine solche Zuordnung zwischen seiner Eingangsgröße
λ und seiner Ausgangsgröße «' auf, daß ein «esieherter, wenn auch nicht optimaler, Betrieb
gewährleistet ist. Der Sollwert des die Vorstcuerung
im Sinne einer optimalen Einstellung ergänzenden Reglers 12 hesteht in dem Wert Null, während ihm
als Istwert über eine Schaltbrücke 14 das Ausgangssignal einer mit IS bezeichneten Identifizierungsschaltung
zugeführt ist. Die kientifizierungsschaltungdieni in an sich bekannter Weise dazu, die Verstärkung dei
Strecke bzw. des Übertragungssystems zu finden, weiches durch die Größe
<i als Eingangsgröße und den Wirkungsgrad η als Ausgangsgröße, entsprechend der
Darstellunggemäß Fig. 2. definiert ist. Die Eingangsklenime
16 der Identifizierungsschaltung /S ist über eine weitere Schaltbrücke 18 mit dem Ausgang eines
Dividierers 19 verbunden, welcher eingangsseitig von der am Ausgang des Meßinstruments 11 abgenommenen,
der abgegebenen Leistung Nah proportionalen
Spannung, und von einer der aufgenommenen Leistung Nau[ proportionalen Spannung beaufschlagt
wird. Letztere wird in einem Multiplizierer 20 gebildet, dem eingangsseitig einer mittels eines Wasserstandsgebers
21 ermittelten, der Fallhöhe H proportionalen Spannung /; und vom Ausgangssignal in
eines Durchflußmengenmessers 22 beaufschlagt ist. Der Durchflußmengenmessei ist als sogenannter
Druckunterschiedszähler ausgebildet und benutzt den beim Wasserdurchfluß auftretenden Druckunterschied
am normalen und einem verengten Rohrquerschnitt. Das Produkt aus Fallhöhe und Durchflußmenge
ist der aufgenommenen Leistung proportional. Der mit dein an der Ausgangsklemme 15 der Iclentifizierungsschaltung
auftretenden Spannung, d.h. also mit einer Spannung, welche dem (statischen) Verstärkungsfaktor
A.' /wischen α und η proportional ist, beaufschlagte
Regler 12 wird also so lange eine Verstellung des Anstellwinkels α der Laufschaufeln 4 bewirken,
bis ein derartiger Arbeitspunkt erreicht ist, bei welchem diese Verstärkung K gleich dem ihm zugeführten
Sollwert, d.h. zu Null wird. Dies ist aber, wie aus Fig. 1 hervorgeht, gerade der Arbeitspunkt, in
welchem die geforderte elektrische Leistung N* beim günstigsten, d.h. größten Wirkungsgrad, abgegeben
wird. Der Regler 12 ist demnach als ein Extremalwertregier anzusprechen.
Werden die mit 18 und 14 bezeichneten Schaltbrücken in ihre waagerechte Stellung gebracht, dann
wird der Eingangsklemme 16 der Identifizierungsschaltung eine der Verlustleistung des Maschinensat-
zes proportionale Spannung N1,, welche in einem Operationsverstärker
23 als Differenz zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung ermittelt wird,
zugeführt Da nunmehr das Ausgangssignal der Identifizierungsschaltung
dem Eingang des Extremalwcrt-
reglers 12 nicht mehr additiv sondern subtraktiv zugeführt wird, kehrt sich der Regelsinn um, er wird nun
eine derartige Verstellung des Anstellwinkels α der Laufschaufeln 4 bewirken, welche zu einem Minimum
der Verlustleistung 1V1 führt, wodurch wiederum
ao selbsttätig der optimale Arbeitspunkt eingestellt ist.
Fig. 4 zeigt nähere Einzelheiten zum Aufbau der
Identifizierungsschaltung IS. Die Eingangsklemme 16
ist über ein Vorhaltglied 24 und einen Betragsbildner 25 mit einem Mischglied 26. beispielsweise in Form
eines Operationsverstärkers, verbunden. Der Ausgang des Mischgliedes 26 wirkt auf einen Stellmotor
27, der mittels einer Spindelmutter 28 den Schleifer eines an einer konstanten Gleichspannung P liegenden
Potentiometers 29 so lange verstellt, als das Ausgangssignal des Mischgliedes 26 einen von Null verschiedenen
Wert aufweist. Regelungstechnisch gesehen stellt dieser Stellmotor also einen Integrator dar,
welcher die Eigenschaft hat, sein Ausgangssignal bei fehlendem Eingangssignal beliebig lange speichern zu
können. Dieser Integrator ist mittels eines Multiplizierers 30 rückgekoppelt. Auf den anderen Eingang
dieses Multiplizierers wirkt über ein zweites Vorhaltglied 31 sowie eine Streckennachbildung 32 sowie einen
Betragsbildncr 33 die an der Eingangsklemme 17 anliegende, dem Anstellwinkel der Laufschaufeln
proportionale Größe a. Die Streckennachbildung M ist ein vollständiges Modell der zwischen u und η liegenden
Strecke, ist jedoch nicht dem Einfluß von äußeren Störgrößen unterworfen. Im vorliegenden Fall
besteht die Streckennachbildung also lediglich aus einem Zeitkonstantenglied, enthält also nicht das MuI-tiplizierglicd
2sowie die in Fig. 2 diesem nachgeordnete Eingriffsstellc für eine additiv wirkende Störgröße.
Die beiden Vorhaltglieder 24 und 31 sind von gleichem Aufbau, so daß mit der in Fig. 4 dargestellten
Anordnung in an sich bekannter Weise an der Ausgangsklemme 15 eine der Verstärkung der betrachteten
Strecke entsprechende Spannung erscheint.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Regeleinrichtung zum optimalen Einstellen der Laufschaufeln von Wasserturbinen unter Ermittlung
der Streckenverstärkung zwischen der Laufschaufeleinstellung und dem Wirkungsgrad
oder der Verlustleistung der Wasserturbine und mit einem von der Streckenverstärkung beaufschlagten
Extremalwertregler. dessen Ausgangssignal
über ein Stellglied die Laufschaufeln verstellt, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Ermittlung der Streckenverstärkung eine an sich bekannte, einen speichernden Ouotientenbildner
in Form eines über einen Multiplizierer rücKge- "5 koppelten Integrators enthaltende Identifizierungsschaltung
(/S) vorgesehen ist.
2. Regeleinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator aus einem
Stellmotor (27) besteht, der mit dem Schleifer ei- »° nes an einer konstanten Spannung (P) liegenden
Potentiometers (29) mechanisch gekuppelt ist.
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