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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Regeleinheit
zum Betrieb einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine an einem Netz
bei transienten Netzspannungsänderungen,
insbesondere zur Kurzschlußstromreduktion,
wobei zwischen dem Rotor der Asynchronmaschine und dem Netz ein
Umrichter angeordnet ist, der einen maschinenseitigen Umrichter
und einen netzseitigen Umrichter aufweist, und wobei der Stator
der Asynchronmaschine mit dem Netz verbunden ist.
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Doppeltgespeiste
Asynchronmaschinen werden vorzugsweise in drehzahlvariablen Systemen,
beispielsweise in Windkraftanlagen hoher Leistung, als Wellengenerator
oder in Verbindung mit Schwungmassenspeichern und unterbrechungsfreien
Stromversorgungen eingesetzt. Im Allgemeinen ist bei derartigen
Anlagen der Stator der Asynchronmaschine mit dem Netz und der Rotor über Schleifringe
mit einem Umrichter verbunden. Mit einem derartigen Umrichter kann
ein Sollwert einer elektrischen Größe in den Rotor eingeprägt werden.
Der Umrichter setzt sich bei modernen Anlagen aus einem maschinenseitigen
Umrichter und einen netzseitigen Umrichter zusammen, die über einen
Zwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Vorteil der doppeltgespeisten
Asynchronmaschine gegenüber
vergleichbaren Systemen besteht in der reduzierten Bauleistung des
Umrichters gegenüber
der Gesamtleistung, die in ein Netz gespeist werden kann. Dadurch
hat ein System mit einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine einen
vergleichsweise hohen Wirkungsgrad und die Leistungselektronik kann
geringer dimensioniert und damit kostengünstiger und tendenziell weniger
störanfällig ausgelegt
werden.
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Im
Zuge der zunehmenden Anzahl von Windkraftanlagen und der damit verbundenen
immer höher werdenden
Anforderungen der Netzbetreiber ist das Verhalten der doppeltgespeisten
Asynchronmaschine bei transienten Netzspannungsänderungen – z. B. allphasiger Einbruch
der Netzspannung auf einen bestimmten Wert – zunehmend von Interesse.
Da bei einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine der Stator der
Maschine direkt mit dem Netzverbunden ist, führen derartige Netzspannungsänderungen
zu Ausgleichsströmen
an den netzseitigen Klemmen, die nachfolgend als Kurzschlussströme bezeichnet
werden. Diese setzen sich überwiegend
aus einem netzfrequenten Anteil und einem relativ langsam abklingenden
Gleichstromanteil zusammen. Für
die Dimensionierung und somit Kosten für Netzschutzelemente ist die
Höhe des
maximal in das Netz gespeisten Kurzschlussstroms maßgebend.
Ziel ist daher die Reduktion von Kurzschlussströmen.
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Eine
Möglichkeit
der Strombegrenzung wäre
die Trennung des Systems mit einem Schalter im Kurzschlussfalle.
Da der maximale Kurzschlussstrom jedoch schon nach einigen Millisekunden
auftritt, wäre
die Netztrennung des Systems nur mit einem elektronischen Schalter
möglich.
Der Schalter könnte
die Ströme zwar
deutlich begrenzen, die technische Ausführung wäre allerdings recht aufwändig und
teuer, außerdem muss
das System danach erst wieder mit dem Netz resynchronisiert und
zugeschaltet werden, bevor es wieder Leistung abgeben kann.
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Eine
weitere Möglichkeit
bestünde
darin, den Strom im Kurzschlussfalle über den maschinenseitigen Umrichter
zu begrenzen. Da sich die Gleichströme (und Gegensystemströme) im Stator
jedoch mit Drehzahlfrequenz (ca. doppelter Netzfrequenz) im Rotor
abbilden, ist eine relativ hohe Kompensationsspannung erforderlich,
um den entsprechenden Strom einzuprägen. Die maximal modulierbare
Rotorspannung ist limitiert durch die maximale Zwischenkreisspannung.
Bei üblicher
Systemauslegung ist die zur Verfügung
stehende Spannung in der Regel nicht ausreichend, um eine merkliche
Strombegrenzung zu realisieren; eine Auslegung des Zwischenkreises
für höhere Spannungen
würde dagegen
die Bauart vorteile der doppeltgespeisten Asynchronmaschine zunichte
machen. Außerdem
wäre man
normalerweise eher bestrebt, mit dem maschinenseitigen Umrichter
die Ausgleichsdrehmomente zu reduzieren, um die mechanische Belastung
des Antriebsstrangs gering zu halten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht vor diesem Hintergrund
darin, mit möglichst
geringem zusätzlichen
Aufwand und möglichst
geringem Einfluss auf andere Regelstrategien die netzseitigen Kurzschlussströme im Falle
transienter Netzspannungsänderungen
zu reduzieren bzw. zu eliminieren.
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Die
Lösung
der vorgenannten Aufgabe erfolgt mittels eines Verfahrens mit den
Merkmalen des unabhängigen
Patentanspruches 1 bzw. mittels einer entsprechend ausgebildeten
Regeleinheit gemäß den Merkmalen
des Patentanspruches 8.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind aus den abhängigen Patentansprüchen ersichtlich.
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Im
Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass nach Erkennen einer transienten
Netzspannungsänderung
mit dem netzseitigen Wechselrichter (NRW) bzw. Umrichter ein Kompensationsstrom
in das Netz eingeprägt
wird.
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Dabei
erfolgt die Einprägung
des Kompensationsstroms in wenigstens eine Phase des Netzes, bevorzugt
jedoch parallel in alle drei Netzphasen.
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Dieser
Kompensationsstrom wirkt den von der Asynchronmaschine induzierten
Ausgleichsströmen entgegen,
so dass diese reduziert bzw. im Idealfall sogar eliminiert werden
können.
Bei der üblichen
Auslegung der Umrichter ist eine vollständige Kompensation aufgrund
deren begrenzter Stromtragfähigkeit
in der Regel nicht möglich;
zumindest ist jedoch eine deutliche Reduktion der Kurzschlussstromspitzen
möglich,
ohne dass die Asynchronmaschine anschließend mit dem Netz resynchronisiert
werden müsste.
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Im
Rahmen der Erfindung wird ausgenutzt, dass die Ausgleichsströme durch
transiente Netzstörungen
nur kurze Zeit fließen
und in der Regel spätestens
innerhalb einer Netzperiode bereits stark abgeklungen sind. Normalerweise
ist der netzseitige Wechselrichter für das Ausregeln der Zwischenkreisspannung
verantwortlich. Dieser kann jedoch kurzfristig während eines Netzfehlers von
dieser Aufgabe entbunden werden. Ein von dem maschinenseitigen Umrichter
während
dieser Zeit eingespeister Leistungsüberschuss kann ggf. mit einem
Chopper im Zwischenkreis abgebaut werden, durch den der Zwischenkreis über einen
Widerstand kontrolliert kurzgeschlossen werden kann. Bei üblichen
Auslegungen für
Systeme, die Netzfehler ohne Abschaltung durchfahren können, ist
ein derartiger Zwischenkreis-Chopper in der Regel sowieso schon
vorgesehen, da der im Netzfehlerfall auftretende Leistungsüberschuss
nicht allein vom netzseitigen Umrichter ausgeglichen werden kann.
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Eine
bevorzugte, weil einfache Methode der Netzkurzschlussstromreduktion
ist das Einspeisen eines dreiphasigen Gleichstroms mit dem netzseitigen
Umrichter. Prinzipiell kann die Stromform aber beliebig sein, solange
die Stromspitze im Netzstrom abgesenkt werden kann.
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Der
netzfrequente Ausgleichsstrom (Anfangskurzschlusswechselstrom) ist
bei symmetrischen Netzfehlern ebenfalls symmetrisch. Der Gleichstromanteil
des Kurzschlussstromes ist jedoch vom Zeitpunkt des Netzfehlers
in den drei Phasen abhängig.
Der Kompensationsstrom wird daher in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit
vom Statorflusswinkel oder Netzspannungswinkel im Fehlerzeitpunkt
eingespeist, da sich hieran die notwendige vektorielle Lage des
Gleichstromraumzeigers am einfachsten orientieren lässt. Die
maximale Stromhöhe
hängt von
der Leistungsfähigkeit
des netzseitigen Umrichters ab. Für die übliche Dimensionierung ist
das in etwa der Nennstrom, bei entsprechender Kapazitätserweiterung
kann dies auch mehr sein.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer doppeltgespeisten Asynchronmaschine mit
der zugehörigen Steuer-
und Leistungselektronik;
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2 ein
Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der einzelnen Phasen des Statorstroms
bei Auftreten einer transienten Netzspannungsschwankung ohne Kompensationsmaßnahmen;
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3 ein
einphasiges Ersatzschaltbild der Regelstrecke des netzseitigen Wechselrichters;
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4 ein
Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Regelung
mit Vorsteuerung; und
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5–7 Diagramme des zeitlichen Verlaufs des
Netzstroms, des netzseitigen Umrichterstroms sowie des Statorstroms
jeweils mit und ohne Kompensationsmaßnahmen.
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In 1 ist
ein insgesamt mit 10 bezeichnetes drehzahlvariables Windgeneratorsystem
mit einem doppeltgespeisten Asynchrongenerator (DASM) 16 mit
einem (ggf. über
einen nicht dargestellten Transformator und/oder einen Netzfilter)
mit einem Netz 30 verbundenen Stator 12 und einem
Rotor 14. Der Rotor 14 ist über ein Getriebe 34 mechanisch
mit Rotorblättern 32 verbunden.
Selbstverständlich
kann die vorliegende Erfindung auch bei anderen Anwendungen von
doppeltgespeisten Asynchronmaschinen zum Einsatz kommen. Der Rotor 14 wird über einen
insgesamt mit 18 bezeichneten Umrichter gespeist. Der Umrichter 18 besteht
aus einem maschinenseitigen Um- oder Wechselrichter 20 (MWR,
Maschinenseitiger Wechselrichter) und einem netzseitigen Um- oder
Wechselrichter 22 (NWR, Netzseitiger Wechselrichter). Die
beiden Wechselrichter 20, 22 sind über einen
Gleichstrom-Zwischenkreis 36, der durch einen Energiespeicher 26 – wie einen
Kondensator od. dgl. – gepuffert
wird, miteinander verbunden. Der netzseitige Umrichter 22,
der im Ausführungsbeispiel durch
für jede
Phase vorgesehene Vier- Quadranten-IGBT-Umrichter
implementiert wird, ist über
eine aus regelungstechnischen Gründen
vorgesehene Filterdrossel 28 mit dem netzseitigen Anschluss 30 des
Systems (und damit gleichzeitig mit dem Stator 12) verbunden.
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Um Überspannungen
im Zwischenkreis 36 zu vermeiden, können diese über eine Chopperschaltung 24 mit
Halbleiterschalter, Widerstand sowie Freilaufdiode abgeleitet werden.
Ferner dient eine Crowbar 28 zum Abbau von rotorseitigen Überspannungen
und zum Schutz des Umrichters 18 vor Überlastungen.
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Die
maschinen- und netzseitigen Umrichter 20, 22 werden über eine
(nicht dargestellte) mikroprozessorgestützte Regeleinheit, der die
relevanten Systemspannungen und -ströme sowie die Winkelposition
des Rotors als Eingangssignale zugeführt werden, in an sich bekannter
Weise geregelt.
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Tritt
ausgehend vom Normalbetrieb eine transiente Netzspannungsänderung
ein, so führt
dies, wie in 2 anhand eines Statorstrom-Zeitdiagramms
für die
drei Statorphasen L1, L2 und L3 dargestellt, zu Ausgleichsströmen in das
mit dem Stator direkt verbundene Netz, wobei diese Ausgleichsströme die im
regulären Betrieb
herrschenden Ströme
um ein Vielfaches übersteigen.
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Wie
aus 2 ersichtlich, bestehen diese Ausgleichströme aus einem
50-Hz-Wechselspannungsanteil,
der für
alle drei Phasen analog verläuft,
sowie einen DC-Anteil, dessen Amplitude davon abhängt, bei
welcher Phasenlage die Netzspannungsänderung eingetreten ist. Weiterhin
ist aus 2 ersichtlich, dass der DC-Anteil
bei üblichen
Systemauslegungen innerhalb einer Netzperiode ab Eintritt der Netzspannungsänderung
(im Beispiel zwischen 0,30 und 0,32 s, siehe Pfeil) bereits weitgehend
abgeklungen ist, so dass Kompensationsmaßnahmen innerhalb einer Netzperiode
ausreichend sind.
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Diese
Kompensationsmaßnahmen
werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass
der netzseitige Umrichter NWR dahingehend angesteuert wird, dass
aus dem Zwischenkreis 36 ein Kompensationsstrom netzseitig
eingespeist wird, der den Ausgleichsströmen entgegenwirkt.
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Die
hierzu erforderliche Ansteuerung des netzseitigen Umrichters wird
nachfolgend anhand des in 3 dargestellten
einphasigen Ersatzschaltbildes der Regelstrecke des netzseitigen
Umrichters hergeleitet:
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In 3 bezeichnet
- u Netz:
dreiphasige Netzspannung
- u NWR:
dreiphasige Spannung des netzseitigen Wechselrichters
- i NWR:
dreiphasiger Strom des netzseitigen Wechselrichters
- RNWR: ohmscher Widerstand im Pfad des
netzseitigen Wechselrichters
- LNWR: Induktivität im Pfad des netzseitigen
Wechselrichters (Filterdrossel)
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Die
Gleichung für
den Strom des netzseitigen Wechselrichters in komplexer Darstellung
ist:
u NWR = RNWR·i NWR +
LNWR·i .NWR + u Netz (1) -
Unter
der Voraussetzung einer linearen Regelstrecke gilt das Superpositionsprinzip
und es können
für periodische
Vorgänge
die einzelnen Frequenzanteile der Regelgrößen getrennt geregelt werden.
Für die
Einregelung eines Gleichstroms (DC-Strom) ist eine Zerlegung in
DC-Komponenten und Nicht-DC-Komponenten vorteilhaft.
u NWR,DC = RNWR·i NWR,DC +
LNWR·i .NWR,DC + u Netz,DC (3) u NWR,Nicht-DC = RNWR·i NWR,Nicht-DC +
LNWR·i .NWR,Nicht-DC . + u Netz,Nicht-DC (5) i NWR = i NWR,DC + i NWR,Nicht-DC (7) u NWR = u NWR,DC + u NWR,Nicht-DC (8) u Netz = u Netz,DC + u Netz,Nicht-DC (9) -
Wenn
die volle Stromtragfähigkeit
des netzseitigen Wechselrichters für die Kurzschlussstrombegrenzung
eingesetzt werden soll, muss die Nicht-DC-Komponente des Stroms
auf Null geregelt werden. Wie man Gleichung (5) entnehmen kann,
gilt für i NWR,Nicht-DC = 0 ⇒ (10) u NWR,Nicht-DC = u Netz,Nicht-DC (11)
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Gleichung
(11) ist für
die Vorsteuerung der Netzspannung relevant.
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Die
DC-Komponente der Netzspannung u Netz,Dc und der ohmsche Widerstand im Pfad
des netzseitigem Wechselrichters RNWR sind
in der Praxis meist zu vernachlässigen
und sollen für
die weiteren Ausführungen nicht
mehr betrachtet werden. Falls diese Größen einen relevanten Anteil
haben, lassen sich die nachstehenden Gleichungen sinngemäß erweitern.
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Unter
diesen Annahmen lässt
sich die Regelstrecke der DC-Komponenten vereinfachen zu:
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Der
dreiphasige Augenblickswert des Stromes des netzseitigen Umrichters
im Zeitpunkt der Aktivierung dieses Regelverfahrens (z. B. Auftritt
eines Netzfehlers) soll als Startwert der DC-Komponente des Stromes i NWR,DC,t0 interpretiert
werden, dies bestätigt – wie vorstehend
dargelegt –,
dass der Anfangswert der Nicht-DC-Komponente des Stromes null ist und
für die
Vorsteuerung der Nicht-DC-Spannung Gleichung (11) genügt.
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Da
der Netzkurzschlussstrom im Allgemeinen bereits nach einer Netzperiode
deutlich zurückgegangen
ist, reicht es, wenn der netzseitige Wechselrichter einen konstanten
Gleichstrom geeigneter Phasenlage für eine Netzperiode einspeist.
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Aus
Gleichung (14) lässt
sich die erforderliche Spannung des netzseitigen Wechselrichters
zur Einprägung
des Sollstroms berechnen:
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Hierbei
ist t die Zeit, bis zu der der Sollwert erreicht sein soll. Diese
Zeitdauer beschreibt die Anregelzeit. Nach Ablauf dieser Zeit ist
die Spannung null, damit der Strom konstant bleibt.
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Begrenzend
für die
Anregelzeit der jeweiligen Phase ist die maximale Ausgangsspannung
des Wechselrichters:
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Diese
minimale Anregelzeit ist bei einer typischen Systemauslegung stets
kleiner als die Zeit nach Eintritt eines Netzfehlers, zu der der
Netzstrom sein Maximum erreicht, so dass den Ausgleichsströmen trotz
der begrenzten Zwischenkreisspannung wirksam entgegen getreten werden
kann.
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In 4 ist
eine mögliche
Implementierung einer entsprechenden Regelungsstrategie in einem
Blockdiagramm schematisch dargestellt.
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Nach
Erkennen einer transienten Netzspannungsänderung durch einen (nicht
dargestellten) Überwachungsalgorithmus
wird aus dem Statorflusswinkel zum Fehlerzeitpunkt und der maximalen
Stromfähigkeit
in Block 50 für
jede Phase der Sollwert des NWR-Gleichstroms berechnet, der über einen
Vektorregler mit Vorsteuerung ins Netz gespeist wird. Die Vorsteuerung
steuert gemäß den Blöcken 54 und 60 die
Stellspannung des netzseitigen Wechselrichters 22 anhand
des (durch die Ausgleichsströme
kaum beeinflussten) Netzspannungs-Istwertes 54 entsprechend
der vorstehenden Gleichung (11) an. Die Vorsteuerung der Netzspannung soll
die in diesem Betrieb nicht erwünschten
netzfrequenten Ströme
unterdrücken.
Zu dem Vorsteuerterm wird in dem Summationspunkt 64 der
eigentliche Term zur Kompensation der Gleichspannungsanteile der
Ausgleichsströme
addiert. Dieser Term wird sequentiell in zwei Stufen verschieden
bestimmt, nämlich
zunächst
in einer Anregelphase gemäß den Blöcken 50 und 56,
in der der netzseitige Umrichter 22 für eine vorbestimmte Zeit mit
der maximalen Stellspannung beaufschlagt wird, bis die gewünschte Sollspannung
rechnerisch erreicht sein müsste
(Einprägung
einer vorbestimmten Spannungs-Zeitfläche). Dadurch soll erreicht
werden, dass ohne Verzögerungen
z. B. durch Einschwingen eines Reglers den Ausgleichsströmen sofort
und mit den maximal zur Verfügung
stehenden Zwischenkreisströmen
entgegen gewirkt werden kann. Nach Ablauf der Anregelzeit wird über gemäß dem Schalter 62 in
der Schemadarstellung auf eine Stromregelung mit dem Sollstrom als
Sollwert und dem gemessenen Umrichterstrom als Istwert umgeschaltet,
vgl. die Blöcke 52 und 58. Dieser
Regler ist vorzugsweise als Proportional-Regler ausgeführt.
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Nach
Ablauf einer Netzperiode wird der Kompensationsstrom abgeschaltet
und der netzseitige Umrichter 22 wird wieder in den konventionellen
Regelungsmodus zur Regelung der Zwischenkreisspannung zurückversetzt.
Während
der Kompensationsstromeinprägung
auftretende Überspannungen
im Zwischenkreis 36 werden durch Aktivierung des Choppers 28 abgebaut.
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Ist
der netzseitige Umrichter entsprechend ausgelegt, kann die Kompensationsregelung
auch parallel zur konventionellen Regelung arbeiten.
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In
den 5 bis 7 sind
die zeitlichen Verläufe
der Ströme
mit NWR-Kompensation
(Diagramme 5b, 6b und 7b) und ohne NWR-Kompensation
(Diagramme 5a, 6a, 7a) für ein typisches
Multimegawattsystem bei einem symmetrischen Spannungseinbruch auf
15% Restspannung dargestellt, wobei die Ströme in willkürlichen Einheiten aufgetragen
sind.
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Die
Statorströme
der Maschine sind gemäß den 7a,
b im ersten Moment quasi durch den Netzspannungseinbruch eingeprägt und unterscheiden
sich kaum. Durch die geschickte Überlagerung
des NWR-Stroms ist jedoch die maximale Amplitude der kompensierten
Anlage deutlich kleiner, wie aus den 5a und 5b ersichtlich.
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Aus
den Figuren 6a, b ist zu entnehmen, dass zumindest für die Phase
L1 der NWR-Strom für
die Dauer einer Netzperiode an einem Aussteuerungslimit gehalten
wird.
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Aufgrund
des Abklingens des Gleichstromgliedes braucht diese Art der NWR-Regelung nur kurzfristig aktiviert
zu werden, danach kann der NWR wieder die Zwischenkreisspannung
regeln.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ohne zusätzlichen
schaltungstechnischen Aufwand – abgesehen
von einem möglicherweise
sowieso erforderlichen Zwischenkreis-Chopper – die netzseitige Belastung
mit Ausgleichsströmen
deutlich reduziert werden kann, so dass weitergehende netzseitige
Schutzmaßnahmen
reduziert werden können.
Dabei kann mit dem maschinenseitigen Umrichter gleichzeitig eine
Strategie zur Reduktion von Drehmomentschwingungen implementiert
werden. Weiterhin ist vorteilhaft, dass nach Einprägung des
Kompensationsstroms die Maschine netzsynchron Weiterbetrieben werden
kann.
