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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs
1 angegebenen Gattung.
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Regelvorrichtungen
dieser Art sind erforderlich, wenn der Transformator zur Energieübertragung z.B.
von einer photovoltaischen Energieerzeugungsanlage in ein elektrisches
Energieversorgungsnetz benutzt wird. Der Transformator ist dabei
in der Regel primärseitig
an eine Spannungsquelle in Form eines Wechselrichters der PV-Anlage und sekundärseitig an
das Netz angeschlossen. Werden vom Wechselrichter oder vom Netz
her störende
Gleichstrom- oder Gleichspannungsanteile an den Transformator abgegeben,
dann können
diese Gleichanteile innerhalb weniger Perioden der sinusförmigen Wechselspannung
zu einem erheblichen Anstieg des Transformatorstroms führen. Der
Sättigungszustand
des Transformators kann dabei in Abhängigkeit von der Art des verwendeten
Kerns (offen oder geschlossen) mehr oder weniger schnell und unabhängig davon
erreicht werden, ob der Transformator zur Einspeisung der Energie
einer PV-Anlage, einer Batterie od. dgl. in ein Netz oder ein Inselnetz
verwendet wird oder sonstwo in einem Netz angeordnet ist. In jedem
Fall führt
eine ausreichend lange andauernde Störung auch bei vergleichsweise
kleinen Gleichanteilen zu so großen Strömen (z. B. 1000 A), dass die
von diesen durchflossenen Bauelemente, die z. B. für Ströme von 10 A
ausgelegt sind, zerstört
werden.
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Der
zerstörerische
Stromanstieg hat insbesondere zwei Ursachen. Zum einen werden Transformatoren
in der Regel in einem mittleren Bereich der für das verwendete Kernmaterial
maßgeblichen
Magnetisierungskurve und zwecks guter Ausnutzung nahe der Sättigungsgrenze
betrieben. Gleichanteile führen
daher nicht nur zu einer von ihren Vorzeichen abhängigen Verschiebung
des gewählten
Arbeitspunktes, sondern bringen den Transformator auch näher an die
betreffende Sättigungsgrenze
heran oder über
diese hinaus. Das hat gleichzeitig zur Folge, dass die Permeabilität des Kernmaterials,
die nicht konstant ist, sondern von der Feldstärke in den Transformatorwicklungen
abhängt,
stark abnimmt. Zum anderen sind die ohmschen Widerstände bei Transformatoren
im allgemeinen sehr klein, um einen hohen Wirkungsgrad zu ermöglichen.
Der Strom durch eine Transformatorwicklung steigt daher bei konstanter
Spannung U nach der Formel I = 1/L · U · t an, wobei L die Induktivität ist. Da
die Induktivität
L proportional zur Permeabilität
des verwendeten Kernmaterials ist, die mit steigender Magnetfeldstärke immer
kleiner wird und gegen den Wert Eins strebt, werden die Ströme bei Annäherung an
den Sättigungszustand
schnell immer größer.
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Bei
bekannten Vorrichtungen der eingangs bezeichneten Gattung werden
die Gleichanteile mit Hilfe von primärseitig verwendeten Strom-
oder Spannungsmessern ermittelt und als Istwertsignale für den Regelungsvorgang
verwendet. Dabei ergibt sich einerseits der Nachteil, dass nur aufwendig
herzustellende und daher kostspielige Messeinrichtungen eingesetzt
werden können,
um durch die Messeinrichtungen selbst bewirkte Gleichanteile zu
vermeiden und am Ausgang der primärseitigen Wechselspannungsquelle
ein offset-freies Wechselsignal mit dem Mittelwert Null zu liefern.
Andererseits können
auf diese Weise nicht die von der Sekundärseite her eingeprägten Gleichanteile
ermittelt und ausgeschaltet werden. Es ist daher bereits vorgeschlagen worden,
auf beiden Transformatorseiten Stromsensoren vorzusehen, die ermittelten
Ströme
anhand des bekannten Übersetzungsverhältnisses
des jeweiligen Transformators miteinander zu vergleichen und etwaige
Abweichungen vom gegebenen Übertragungsverhältnis als
Istwertsignale für
den Regelvorgang zu verwenden. Auch diese Art der Regelung ist ungenau
und allein nicht zur vollständigen
Vermeidung von Sättigungszuständen brauchbar.
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Das
technische Problem der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung
einer Regelvorrichtung, die mit vergleichsweise einfachen und daher
preisgünstigen
Mitteln sicher vermeidet, dass der Transformator beim Auftreten
von Gleichanteilen auf der Primär-
und/oder Sekundärseite
in einen Sättigungszustand überführt wird.
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Ausgehend
von der Vorrichtung der eingangs bezeichneten Gattung wird dieses
Problem erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Messeinrichtung eine um den Kern gewickelte, ein Messsignal
liefernde Messspule enthält
und als Istwertsignal für
die Regelung eine bei Annäherung
an den Sättigungszustand
im Messsignal auftretende, mit der zweiten Harmonischen des Messsignals
schwingende Komponente verwendet wird.
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Die
Erfindung beruht auf dem Gedanken, die durch einen Gleichanteil
bewirkte Störung
nicht indirekt über
irgendeine Spannung oder irgendeinen Strom zu messen, sondern direkt
aus der Magnetisierung des Kerns mit Hilfe der Beziehung U = dΦ/dt abzuleiten.
Da die Messung hierbei differenzierend erfolgt, sind durch sie bedingte
Gleichanteile ausgeschlossen. Außerdem werden aus den von der
Messspule gelieferten Messsignalen diejenigen Anteile abgetrennt,
die unmittelbare Rückschlüsse auf
den Magnetisierungsgrad bzw. den Sättigungszustand des Transformators
ermöglichen.
Die Erfindung macht sich dabei eine aus der Geophysik und dort bei der
Messung von Erdmagnetfeldern bekannte Eigenschaft zunutze, die darin
besteht, dass im Messsignal einer um einen Kern gelegten Messspule
immer dann ein mit der zweiten Harmonischen schwingender Anteil
auftritt, wenn der Sättigungszustand
des Kerns erreicht oder nahezu erreicht ist. Auch aufgrund dieser
Maßnahme
können
die schädlichen
Wirkungen der Gleichanteile sicher vermieden werden. Vorteilhaft
ist ferner, dass durch die Messspule eine galvanische Entkopplung
von den übrigen
Bauelementen erreicht wird. Schließlich besteht ein besonderer
Vorteil der Erfindung darin, dass die Regelvorrichtung unabhängig davon
arbeitet, ob die störenden
Gleichanteile über
die Primär-
oder die Sekundärseite
in den Transformator eingeprägt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Verbindung mit den beiliegenden, in
unterschiedlichen Maßstäben gehaltenen
Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Regelvorrichtung;
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2 eine
Anzahl von Signalformen, die sich bei Anwendung der Regelvorrichtung
nach 1 mit offenem Regelkreis ergeben, wobei jeweils längs der
Abszisse die Zeit und längs
der Ordinate die Amplitude aufgetragen ist;
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3 eine
Anzahl von der 2 entsprechenden Signalformen,
die sich bei Anwendung der Regelvorrichtung mit geschlossenem Regelkreis
ergeben; und
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4 schematisch
die Phasenlage von zwei zur erfindungsgemäßen Ermittlung eines Istwertsignals
verwendeten Signalen, wobei ebenfalls die Abszisse die Zeitachse
darstellt und längs
der Ordinate die Amplitude abgetragen ist.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Regelschaltung
für einen
Transformator 1, der eine Primärwicklung 2 und eine
Sekundärwicklung 3 aufweist,
die beide auf einen nicht näher
dargestellten Weicheisenkern aufgewickelt sind. Die Regelvorrichtung
enthält
eine Messeinrichtung in Form einer ebenfalls auf den Kern aufgewickelten
Messspule 4 und eine regelbare, an die Primärwicklung 2 angeschlossene
Spannungsquelle 5. Die Spannungsquelle 5 ist im
Ausführungsbeispiel ein
Wechselrichter, der über
ein Regelungsteil 7 und eine Leistungselektronik 8 verfügt und z.
B. dem Zweck dient, den mit einer PV-Anlage erzeugten Gleichstrom in
einen Wechselstrom umzuformen und diesen über die Primärseite des
Transformators 1 in ein an dessen Sekundärwicklung 3 angeschlossenes,
nur schematisch dargestelltes Netz 9 einzuspeisen. Das
Regelungsteil 7 steuert in der bei Wechselrichtern üblichen
Weise eine Mehrzahl von im Wechselrichter vorgesehenen Schaltgliedern
derart, dass an Ausgangsklemmen 10 der Spannungsquelle 5 und
an den Enden der Primärspule 2 eine
sinusförmige
Primärwechselspannung
von z. B. 230 V und 50 Hz entsteht, wobei je nach Bedarf ein- oder
mehrphasig gearbeitet werden kann. In der zur Primärspule 2 führenden
Leitung fließt
daher ein entsprechender, z. B. an einer Stelle 11 messbarer
Primärwechselstrom.
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Die
Messspule 4 gibt an Ausgangsleitungen 12 ein Messsignal
ab, das von dem sie durchströmenden
magnetischen Fluss abhängig
ist und in Form einer Spannung U = dΦ/dt vorliegt. Dieses Messsignal
wird einer an die Ausgangsleitungen 12 angeschlossenen
Einrichtung 14 zugeführt,
in der – wie
weiter unten erläutert
ist – ein
für die
Regelung der Spannungsquelle 5 bestimmtes Istwertsignal
erzeugt wird. Ein Ausgang 15 dieser Einrichtung 14 ist an
einen Regler 16 angeschlossen, in dem ein Stellsignal für die Spannungsquelle 5 erzeugt
und über eine
Leitung 17 dem Regelungsteil 7 zugeführt wird. Dabei
ist die Anordnung so getroffen, dass das von Regler 16 abgegebene
Stellsignal von der Amplitude und der Richtung des Istwertsignals
abhängt.
Das Stellsignal ist außerdem
derart bemessen, dass die Spannungsquelle 5 an den Ausgangsklemmen 10 für den Fall,
dass dem Transformator in irgendeiner Weise Gleichströme oder
Gleichspannungen überlagert werden,
eine mit einem Gleichspannungsanteil (Offset-Spannung) überlagerte
Sinusspannung abgibt, wobei der Gleichspannungsanteil nach Betrag
und Richtung so gewählt
ist, dass er die von den Gleichanteilen im Transformator 1 erzeugten
Wirkungen kompensiert.
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Beim
Betrieb des Transformators 1 mit offener Regelschleife
(2), wobei z. B. der Regler 16 nicht mit
dem Regelungsteil 7 der Spannungsquelle 5 verbunden
ist, wird an den Ausgangsklemmen 10 gemäß 2, Bild
A. im Normalfall eine reine Sinusspannung 19 erzeugt, die
einen entsprechenden Primärstrom
an der Stelle 11 zur Folge hat. Wird der Sinusspannung 19 jedoch
aufgrund von Unzulänglichkeiten
der Span nungsquelle 5 oder aus sonstigen Gründen ein
positiver oder negativer Gleichspannungsanteil überlagert, dann nimmt der an
der Stelle 11 gemessene Primärstrom innerhalb von wenigen Perioden
der Sinusspannung 19 im Mittel stark zu oder ab, wie im
Bild A. durch eine Signalform 20 dargestellt ist. Dies
gilt selbst dann, wenn der Gleichanteil an den Ausgangsklemmen 10 sehr
klein und daher beim gewählten
Maßstab
in 2 unsichtbar ist. Das ist eine Folge der oben
erläuerten
Beziehungen zwischen Strom, Spannung, Induktivität, Selbstinduktion, Permeabilität und Magnetisierung
des Transformatorkerns. In 2, Bild
A. ist angenommen, dass sich der Primärstrom relativ zur eingezeichneten
Nulllinie zur negativen Seite hin verschiebt.
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Nach
einem besonderen Merkmal der Erfindung wird bei der beschriebenen
Art der Regelung die Tatsache ausgenutzt, dass in dem von der Messspule 4 abgegebenen
Signal immer dann, wenn dem Transformator 1 Gleichanteile überlagert
werden und sich sein Kernmaterial daher dem Sättigungszustand annähert oder
diesen erreicht, eine mit der zweiten Harmonischen der Grundschwingung
(hier 50 Hz) schwingende Komponente 21 (hier 100 Hz) auftritt, die
schematisch in 2, Bild B. dargestellt ist.
Diese Komponente 21 wird allmählich um so größer, je länger der
Störzustand
anhält.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, diese Komponente 21,
die die doppelte Frequenz der Grundschwingung hat, für die Regelung
auszunutzen. Allerdings enthält
die Komponente 21 nach 2, Bild B.
einen Mittelwert von Null und ist daher für die Regelung in dieser Form
nicht geeignet.
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Um
den auf die zweite Harmonische entfallenden Anteil 21 für Regelzwecke
nutzbar zu machen, enthält
die Einrichtung 14 vorzugswise einen phasenempfindlichen
Gleichrichter, in dem der 100 Hz-Anteil durch Multiplikation mit
einem 100 Hz-Referenzsignal 22 (5) aus dem übrigen Messsignal separiert
und gleichgerichtet wird. Eine zweckmäßige Phasenlage dieses Referenzsignals 22 zur
50 Hz-Grundschwingung 19 der Spannungsquelle 5 bzw.
zur Grundschwingung im Ausgangssignal der Messspule 4 ist
in 4 schematisch dargestellt, wonach jeder Nulldurchgang
der 50 Hz-Schwingung 19 mit einem Nulldurchgang des 100
Hz-Referenzsignals 22 zusammenfällt.
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Damit
das gleichgerichtete Signal für
den Fall, dass der Regler 16 z. B. einen I- oder PI-Regler enthält, nicht
zu groß ist,
wird das Messsignal vor der Multiplikation mit dem Referenzsignal 22 vorzugsweise
von seiner 50 Hz-Komponente befreit. Hierzu wird die Einrichtung 14 gleichzeitig
so betrieben, dass sie nach der Formel UK = X · (dΦ/dt – U') auf das Messsignal dΦ/dt einwirkt.
Darin bedeuten UK ein korrigiertes Messsignal, U' die im Messsignal enthaltene 50 Hz-Komponente
und X das Referenzsignal 22. Der Wert U' wird als Messsignal erhalten, wenn
der Transformator 1 im normalen, ungesättigten Zustand ist, und ergibt
sich entweder aus der Multiplikation der Primärspannung UP mit dem Übertragungsverhältnis Ü1, falls
die Störung
durch die Spannungsquelle 5 verursacht ist (U' = UP · Ü1), oder
aus der Multiplikation der Netzspannung UN mit einem Faktor Ü2, der den
von der Messspule 4 erfassten Anteil der Netzspannung angibt
(Ü' = UN · Ü2). Da es
sich hierbei um bekannte oder leicht ermittelbare Werte handelt,
kann der Wert U' als
gegeben angenommen werden.
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Das
Referenzsignal 22 wird der Einrichtung 14 über eine
Leitung 23 von einer zur Erzeugung des Referenzsignals 22 bestimmten
Einrichtung 24 zugeführt.
Dieser Referenzsignal-Generator 24 hat beim Ausführungsbeispiel
zwei Eingänge 25 und 26.
Der Eingang 25 ist mit einem Ausgang 27 der Spannungsquelle 5 verbunden, über den
der Einrichtung 24 ein Referenzfrequenzsignal zugeführt wird,
das angibt, mit welcher Frequenz (z. B. 50 Hz) die Spannungsquelle 5 arbeitet.
Der zweite Eingang 26 ist dagegen mit einem Frequenzmesser 28 verbunden,
der z. B. nach Art einer PPL (phase-locked loop) ausgebildet und
an geeigneter Stelle an das Netz 9 angeschlossen ist, um
bei vom Netz 9 her erfolgenden Störungen der Einrichtung 24 ein
Referenzfrequenzsignal zuzuführen,
das die Netzfrequenz angibt. Innerhalb der Einrichtung 24 wird
dann ein Referenzsignal 22 erzeugt, das die doppelte Frequenz
des relevanten Referenzfrequenzsignals hat, so dass in der Leitung 23 ein
Referenzsignal 22 erscheint, das die Frequenz der zweiten
Harmonischen der Grundfrequenz besitzt, wie durch die oben angegebene
Formel gefordert wird. Im übrigen
kann das Referenzsignal 22 sowohl ein Rechteck- als auch
ein Sinussignal und die Betriebsführung so eingerichtet sein, dass
die Einrichtung 24 je nach Bedarf an den Ausgang 27 oder
der Frequenzmesser 28 angeschlossen werden kann.
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Als
Folge dieser Ausbildung der Einrichtung 14 gibt diese an
ihrem Ausgang 15 eine korrigierte Spannung UK entsprechend
einem Signal 29 (2, Bild
C.) ab, das eine ausreichend kleine Amplitude besitzt und gegenüber dem
100 Hz-Anteil 21 gleichgerichtet ist, d. h. den 100 Hz-Anteil
als Gleichwert exakt charakterisiert, da durch die Multiplikation
mit dem 100 Hz-Signal die 50 Hz-Komponente entfallen ist. Dieses
Signal 29 wird erfindungsgemäß bevorzugt als das eigentliche
Istwertsignal verwendet. In der Regelschaltung nach 1 wäre daher
eigentlich ein bei Regelungen üblicher
Vergleicher vorzusehen, der den aktuellen Istwert mit einem vorgegebenen
Sollwert vergleicht. Im Ausführungsbeispiel
ist der vorgegebene Sollwert jedoch gleich Null, weil einerseits
die Regelung verlangt, dass der Arbeitspunkt des Transformators 1 nicht
verlassen und daher das Istwertsignal am Ausgang 15 den
Mittelwert Null haben soll. Andererseits sind gemäß 2,
Bilder B. und C. Abweichungen des Arbeitspunktes und damit des Istwertsignals
nach beiden Seiten einer Nulllinie möglich, was ebenfalls die Festsetzung
eines Sollwerts mit dem Wert Null verlangt. Der übliche Soll/Ist-Vergleicher
kann daher in 1 entfallen.
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Der
Regler 16 wird bevorzugt als I-Regler und mit ganz besonderem
Vorteil als PI-Regler
ausgebildet. Durch den Regler 16 werden die Mittelwerte des
Istwertsignals 29 nach der Gleichung ∫ UK · dt zeitlich aufsummiert
bzw. integriert und in ein Stellsignal 30 für das Regelteil 7 der
Spannungsquelle 5 umgewandelt (2, Bild
D.) Dieses Stellsignal 30, das an einem Ausgang 31 des
Reglers 16 abgegeben wird, nimmt wie das Istwertsignal 29 (2,
Bild C.) mit der Zeit zu, solange es sich entgegen 1 um
einen offenen Regelkreis handelt. Ist der Regelkreis dagegen entsprechend 1 geschlossen, dann
stellt sich das Ausgangssignal 30 des Reglers 16 in
der bei Regelschaltungen üblichen
Weise so ein, dass die Ursache seiner Entstehung, d. h. hier die
durch die Gleichanteile bewirkte Störung, beseitigt wird. Mit anderen
Worten wird die Sollwertvorgabe für die normalerweise rein sinusförmige Ausgangsspannung
der Spannungsquelle 5 entsprechend korrigiert, indem dem
Regelteil 7 der Spannungsquelle 5 durch das Stellsignal 30 ein
Gleichspannungsanteil derart überlagert
wird, dass die an den Ausgangsklemmen 10 abgegebene Ausgangsspannung
mit einem dem störenden
Gleichanteil entgegengerichteten Gleichspannungsanteil (offset) versehen
ist. Durch diesen Gleichspannungsanteil wird im Transformator 1 ein
zusätzlicher
Magnetfluss erzeugt, der den von der Störung verursachten Magnetfluss
kompensiert. Das ergibt sich u. a. aus 3, Bilder
G. und H. Das aufgrund eines störenden Gleichanteils
zunächst
bei 32 in Richtung der Sättigung ansteigende Istwertsignal 29 hat
eine entsprechende Erhöhung 33 des
am Ausgang 31 des Reglers 16 erscheinenden Stellsignals 30 zur
Folge. Wegen der automatisch einsetzenden Regelung wird das Istwertsignal 29 jedoch
sofort wieder reduziert, bis es bei 34 einen Mittelwert
von Null annimmt, während
sich gleichzeitig das Stellsignal 30 bei 35 auf
einen Wert einstellt, der gerade ausreicht, um das Istwertsignal 29 auf
dem Wert Null zu halten. Trotz des einige Schwingungsperioden dauernden
Einschwingvorgangs können
zerstörerische
Ströme
im Primär-
oder Sekundärkreis
des Transformators 1 auf diese Weise sicher vermieden werden.
Der beschriebene Regelvorgang ergibt sich außerdem unabhängig davon,
wovon der störende
Gleichanteil im Transformator verursacht wird, da einerseits durch
die Messspule 4 nur der durch die Flussänderung bewirkte Anteil im
Messsignal ausgewertet und andererseits durch die Spannungsquelle 5 ein
zusätzlicher
Fluss im Transformator erzeugt wird, der die störende Flussänderung genau kompensiert.
Bei einem von der Spannungsquelle 5 verursachten Offset
wird dieser daher auf Null geregelt, während der Ausgangsspannung
der Spannungsquelle bei einer vom Netz her verursachten Störung ein
entsprechender, entgegengesetzt gerichteter Gleichanteil hinzuaddiert
wird. Das zeigt sich in 3, Bildern E. und F. dadurch,
dass der Primärstrom 20 aufgrund
der Regelung im Gegensatz zu 2, Bild
A. nicht in zerstörerischer
Weise zu- oder abnimmt und der Mittelwert der 100 Hz-Komponente 21 dem
Wert Null zustrebt.
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Die
Anwendung eines PI-Reglers anstatt eines I-Reglers 16 wird
erfindungsgemäß für zweckmäßig gehalten,
um die Regelstrecke zu stabilisieren. Da im Ausführungsbeispiel die Ausgangsspannung
der Spannungsquelle 5 geregelt und als Stellsignal eine
Spannung verwendet wird, handelt es sich bei der Vorrichtung nach 1 um
eine Regelstrecke mit zwei Integratoren in Form der Hauptfeldinduktivität mit I
= 1/L ∫ U · dt und
des I-Reglers. Derartige Regelstrecken neigen dazu, instabil zu
sein. Durch den P-Anteil des Reglers 16 wird dagegen die
erforderliche Stabilisierung erreicht. Regelungstechnisch bedeutet
das eine Addition der mit einem Faktor P multiplizierten, korrigierten
Spannung UK zur integrierten Spannung UK (∫ UK · dt + P · UK), wobei der Faktor P
so gewählt
ist, dass die Regelstrecke stabil ist bzw. entsprechend den regelungstechnischen
Vorschriften das sog. symmetrische Optimum für die Doppel-I-Strecke erreicht
wird. Auch in Anbetracht der Verwendung eines PI-Reglers wird bevorzugt die beschriebene
Subtraktion in der Einrichtung 14 vorgesehen, um ein Signal
mit einer ausreichend kleinen Amplitude zu erhalten.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, das
auf vielfache Weise abgewandelt werden kann. Beispielsweise ist es
möglich,
die Einrichtungen 14, 16 und 24 digital oder
analog aufzubauen. Weiterhin könnte
die regelbare Spannungsquelle 5, die in 1 als
Wechselrichter einer PV-Anlage gedacht ist, auch eine davon unabhängige, zweite
Spannungsquelle sein, die über eine
Hilfsspule in den Primär-
oder Sekundärkreis des
Transformators 1 geschaltet ist. Anstelle des phasenempfindlichen
Gleichrichters können
auch andere Einrichtungen 14 zur Detektion der zweiten harmonischen
Komponente verwendet werden. Dasselbe gilt für den Regler 16 und
die Spannungsquelle 5, die je nach Bedarf anders ausgebildet
sein könnten.
Schließlich
versteht sich, dass die verschiedenen Merkmale auch in anderen als
den beschriebenen und dargestellten Kombinationen angewendet werden
können.