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Verfahren und Vorrichtung zum Stabilisieren von Frequenz
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und Spannung eines aus einem Antriebsaggregat gespeisten Netzes Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren von Frequenz und Spannung eines
aus einem Antriebsaggregat mit vorgegebener Statik gespeisten Netzes, an das Verbraucher
mit wechselndem Bedarf an Wirkleistung und Blindleistung angeschlossen sind. Die
Erfindung betrifft ferner eine entsprechende Vorrichtung hierzu.
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Im Mittelteil der Fig.1 ist symbolisch eine Verbraucherschiene 1 dargestellt,
die ohmsche Verbraucher 2 und induktive oder kapazitive Verbraucher 3 speist. An
das Netz sind ferner verschiedene elektrische Leistungserzeuger angeschlossen, deren
Leistung von stark wechselnden Umweltbedingungen abhängig ist, z.B. ein Windkraftgenerator
4, ein Solargenerator 5 und/oder mit thermischer Sonnenenergie oder Abfall wärme
betriebener thermischer Generator 6.Diesen Generatoren gemeinsam ist, daß die von
ihnen gelieferte Wirkleistung von den Umweltbedingungen abhängt und weitgehend unabhängig
ist vom Bedarf der ans Netz angeschlossenen Verbraucher 2, 3. Mit der Erzeugung
der Wirkleistung ist jedoch auch eine (je nach den Umweltbedingungen schwankende)
Abgabe oder Aufnahme von Blindleistung verbunden.
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Sind die Generatoren 4, 5, 6 nicht in der Lage, den Leistungsbedarf
der Verbraucher zu decken, so wird ein steuerbares Antriebsaggregat 7 zugeschaltet,
das z.B. ein nach einer Drehzahl-Leistungs-Kennlinie n/P drehzahlgesteuerter Dieselmotor
8 sein kann, der über einen Generator 9 an das Netz angeschlossen ist. Durch eine
Steuerein-
rictunc 10 des Generators 9
Dabei tritt häufig der Fall auf, daß der Motor 8 trotz nahezu ausgeglichener Wirkleistungsbilanz
des netzes aus Gründen der Blindleistungsbilanz zugeschaltet werden muß. Der Rotor
läuft dann praktisch im Leerlauf bei hohen Drehzahlen, also außerhalb des Bereiches,
in dem die Verbrennungsvorgänge im Motor optimal arbeiten und Motor und Cenerator
gut ausgenutzt sind. Ferner ist es hierbei oft schwierig, Frequenz und Spannung
des Netzes innerhalb der gewünschten Toleranzgrenzen auf den Nenngrößen zu halten.
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In Fig.2 ist die Abhängigkeit der Drehzahl n des Motors bzw. der Frequenz
f des gesamten Aggregats 7 in Abhängigkeit von der Wirkleistung P dargestellt. Die
Wirkleistung ist durch die Bilanz des Netzes vorgegeben, die Drehzahl bzw. Frequenz
kann jedoch durch die Antriebsregelung des Motors nur innerhalb enger Grenzen variiert
werden. Im allgemeinen ist die als "Statik" des Antriebs bezeichnete Drehzahl/Leistungskennlinie
vom Hersteller eingestellt.
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Häufig werden mehrere parallel arbeitende Antriebsaggregate verwendet,
bei denen jeweils identische Kennlinien eingestellt sind,
die Wirkleistung zu gleichen Teilen auf beide Antriebe verteilt wird.
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Für die Abhängigkeit der Ausgangsspannung u von der abgegebenen (positiven)
oder aufgenommenen (negativen) Blindleistung des Aggregats ist meist ebenfalls eine
lineare, in Fig.3 dargestellte "Statik" eingestellt. Die Auslegung des Aggregats
ist im allgemeinen so auf das Netz abgestimmt, daß das Aggregat bei Nenndrehzahl
nNenn die Nennfrequenz fNenn des Netzes und bei der Blindleistung O = 0
die
ennspannun UNenn des Netzes erzeugt. In diesen Nennpunkt herrschen optimale Bedingungen
für den Betrieb des Aggregats. Ein steigender Wirkleistungsbedarf oder Blindleistungsbedarf
des Netzes führt jedoch zu einem Absinken der Drehzahl bzw. der Netzfrequenz und
der Netzspannung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Spannung und Frequenz des Netzes bei
einem Betrieb, bei dem das speisende Antriebsaggregat und andere an das Netz angeschlossene
Verbraucher bzw.
weitgehend unabhängig voneinander und von der Leistungsbilanz des Netzes entsprechend
ihren optimalen Bedingungen betrieben werden können, zu stabiliseren.
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Im Anspruch 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung dieser
Aufgabe angegeben. Vorteilhafte Weiterbil-dungen dieses Verfahrens und eine entsprechende
Vorrichtung sind in den Unteransprüche enthalten.
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Mit Hilfe eines Ausführungsbeispieles und der weiteren Figuren 4 bis
7 werden die Erfindung und ihre Weiterbildungen näher erläutert.
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Die Figuren zeigen: Fig.1 das bereits erläuterte Netz mit den daran
angeschlossenen Verbrauchern, Generatoren und dem Antriebsaggregat sowie einer Vorrichtung
nach der Erfindung, Fig.2 die bereits erläuterte Statik der Wirkleistung des Antriebsaggregats,
Fig.3 die bereits erläuterte Statik der Blindleistung des Antriebsaggregats, Fig.4
einen beiliebig angenommenen Verlauf des Wirkleistungsbedarfes PNetZ und der Wirkleistungsabgabe
Paq P des Antriebsaggregats sowie den zeitlichen Verlauf der mittels eines Wechselrichters
gesteuerten Wirkleistungsabgabe PWR eines erfindungsgemäß benutzten Energiespeichers,
Fig.5
die entsprechenden Diagramme für die Blindleistung9 Fig.6 ein anderes Diagramm für
die bereits in Fig.4 dargestellten Größen, und Fig.7 nähere Einzelheiten der erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
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Die Statik des Antriebsaggregats, im Beispiel von Fig.1 des Dieselmotors
8 und des Generators 9, ist so vorgegeben, daß das Aggregat bei Nennspannung und
Nennfrequenz des Netzes in einem optimalen Betriebspunkt betrieben wird. An das
Netz 1 ist nun ein elektrischer Energiespeicher, z.B. eine oder mehrere Batterien
11, über einen steuerbaren elektrischen Energieübertrager gekoppelt, z.B. ein oder
mehrere über eine Wechselrichtersteuerung 13 steuerbare Wechselrichter 12. Die Steuerung
13 des Energieübertragers ist dabei so ausgebildet, daß durch einen Sollwert P*WR
als Führungsgröße die dem Netz über den Drehstromausgang des Wechselrichters eingespeiste
Wirkleistung und über einen Sollwert QWR als Führungsgröße die Blindleistung getrennt
steuerbar ist. Aus der Regelabweichung f - f* der Netzfrequenz f von der Nenn-K
f* = f wird der Sollwert W*R für die Wirkfrequenz f = wird der Sollwert PWR für
doe Prleistungsübertragung des Energieübertragers und aus der * Regelabweichung
u - u der Netzspannung u von der Nenn-* spannung u = uNenn wird der Sollwert für
die Wirkleistungsübertragung gebildet.
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Hierzu wird nach dem Prinzipschaltbild von Fig.1 am Netz 1 mittels
eines Wandlers 14 die Netzspannung u abgegriffen um daraus mittels eines Frequenzgebers
15 die Frequenz f des Netzes zu bilden, die als Istwert einem Frequenzregler 16
zugeführt wird. Der Sollwert des Frequenzreglers 16 ist an einer Einstelleinrichtung
(Potentiometer 17) entsprechend der Nennfrequenz des Netzes abgegriffen.
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In analoger Weise wird aus der Netzspannung u mittels eines Spannungsamplituden-Cebers
(Gleichrichter 18) der Istwert u der Netzspannungsamplitude gemessen und zusammen
mit einem an einer Anstelleinrichtung (Potentiometer 19) abgegriffenen, der Nennspannung
des Netzes entsprechen-* den Sollwert u einer Amplitudenregler 20 zugeführt. Der
Ausgang des Frequenzreglers 16 liefert den Wirkleistungssollwert, der Ausgang des
Amplitudenreglers 20 den Blindleistungssollwert.
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Bei der gewählten Einstellung des Antriebsaggregats gibt dieses seine
Nennleistung bei der Netzfrequenz (z.B.60 Hz) ab. Im Falle einer Entlastung des
Aggregats durch einen kleineren Wirkleistungsbedarf des Netzes PNetz Netz ( nimmt
ohne die erfindungsgemäße Einrichtung die Frequenz des Aggregates und des Netzes
proportional zu und erreicht im Leerlauf z.B. 105 % der Nennfrequenz. Übersteigt
andererseits die dem Aggregat entnommene Wirkleistung die Nennleistung, so nimmt
die Netzfrequenz mit steigender Wirkleistung ab.
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Der Frequenzregler 16 liefert nun den Wirkleistungssollwert und bewirkt,
daß vom Energiespeicher 11 über den Energieübertrager 12 und dessen Steuerung 13
Wirkleistung PAg in das Netz eingespeist wird. Der Wirkleistungsaustausch zwischen
Netz und Speicher ist dabei Null, wenn die Netzfrequenz gleich der Nennfrequenz
(Sollfrequenz ist. Der Regelsinn des Reglers ist so, daß bei steigender Netzfrequenz
zunehmend Wirkleistung aufgenommen und damit der Speicher aufgeladen wird Im Fall
sinkender Netzfrequenz wird Wirkleistung ans Netz abgegeben und der Speicher dadurch
entladen.
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In Fig.4 ist der zeitliche Verlauf des Wirkleistungsbedarfes Netz
des Netzes 1 in Form einer Sinusschwingung dargestellt. Zum Zeitpunkt t0 sei der
Wirkleistungsbedarf P Netz gleich der Nennleistung ( Nenn des Antriebs-
aggregats.
Zum Zeitpunkt t0 ist also, wie man dem Drehzahl/Leistungsdiagramm in der Mitte von
Fig.4 entnimmt, die Frequenz des Antriebsaggregats bzw. des Netzes gleich der Nennfrequenz.
Neben dem entsprechenben Diagramm ist die Wirkleistungsabgabe PWR des Wechselrichters
12 aufgetragen, die sich jeweils aus dem horizontalen Abstand des durch den entsprechenden
Zeitpunkt gekennzeichneten Punktes von der zu PWR = 0 gehörenden Vertikalen gegeben
ist.
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Gemäß dem Verlauf von PNetZ im oberen Diagramm von Fig.4 steigt bis
zum Zeitpunkt t1 der Wirkleistungsbedarf des Netzes, dieser Anstieg wird jedoch
durch eine entsprechende Steuerung der Wirkleistungsabgabe PWR des Wechselrichters
gedeckt. Folglich bleibt die Netzfrequenz bis zum Zeitpunkt t1 auf dem gleichen
Wert, während jedoch PWR ansteigt.
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Es kann hierbei der Fall auftreten, daß der Wechselrichter bis an
seine Leistungsgrenze aufgesteuert wird. Dies ist dann der Fall, wenn der übertragene
Strom einen Maximalwert erreicht hat. Für diesen Fall ist vorgesehen, aus der Regelabweichung
zwischen dem Strommeßwert und dieser Stromgrenze einen Grenzwert zu bilden, auf
den der Ausgangsstrom des Wechselrichters begrenzt wird.
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Zwischen den Zeiten t1 und t3 sei diese Strombegrenzung wirksam, so
daß der Wechselrichter nur noch seine konstante Wirk-Grenzleistung (PWR)o übertragen
kann. Solange der Wirkleistungsbedarf des Netzes noch ansteigt (Zeitpunkt t2>
erniedrigt sich daher die Netzfrequenz, deren Änderung entsprechend der Statik nach
Fig.2 gegeben ist und in Fig.4 zur besseren Deutlichkeit überproportional dargestellt
ist. Zum Zeitpunkt t2 erniedrigt sich der Wirkleistungsbedarf, um zum Zeitpunkt
t3 wieder ganz von der Nennleistung des Antriebsaggregats und der Grenzl eistung
des
Wechselrichters gedeckt zu werden. Bis zum Zeitpunkt t4 an dem der Wirkleistungsbedarf
des Netzes wieder vollständig durch die Nennleistung des Aggregats gedeckt und der
Wechselrichter daher mit der Aussteuerung Null betrieben wird, bleibt wieder die
Nennfrequenz des Netzes erhalten. Für die Zeiten 1 Lt bis t8, an dem nunmehr der
Wirkleistungsbedarf des Netzes unterhalb dr Nennleistung des Aggregats liegt, spielt
sich die Steuerung des Wechselrichters mit negativem Vorzeichen ab und die Netzfrequenz
kann lediglich im Zeitintervall zwischen t5 bis t7 (Eingriffsdauer der Strombegrenzung
des Wechselrichters) von der Nennfrequenz abweichen.
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Insgesamt ergibt sich, daß im Normalbetrieb (das entspricht den Zuständen
zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 bzw. t3 bis t5 bzw. t7 bis t8) das Antriebsaggregat
in seinem normalen, optimalen Arbeitspunkt arbeiten kann, ohne daß in die Steuerung
des Antriebsaggregates oder der anderen in Fig.1 gezeigten Generatoren und Verbraucher
eingegriffen werden muß.
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In Fig.4 ist anhand des Eingriffs der Strombegrenzung auch der Fall
berücksichtigt, daß die Wirkleistungsabgabe des Wechselrichters bei einem nicht-überlastbaren
Energiespeicher beschränkt ist.
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In Fig.5 sind ähnliche Verhältnisse für die Blindleistung dargestellt.
Zum Zeitpunkt tC liegt eine rein ohmsche Belastung des Netzes vor, das Antriebsaggregat
erzeugt gemäß seinen Arbeitspunkt keine Blindleistung und der Amplitudenregler 20
gibt den Blindleistungsollwert QWR = 0 vor. Die Netzspannung bleibt bis zum Zeitpunkt
t1 auf dem Nennwert Wenn, da ein Anstieg des Blindleistungsbedarfes QNetz vollkommen
durch eine entsprechend aufgesteuerte
eistungsabgabe des Wechselrichters gedeckt wird.
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Die Höhe der Blindleistungsabgabe ist durch die Kommutierfähigkeit
des Leistungsteiles im Wechsel richter begrenzt.
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Über die bereits besprochene Strombegrenzung wird erreicht, daß nur
ein maximaler Strom durch den Wechselrichter fließen kann. Während dieser Strombegrenzung
folgt daher die Netzspannung der in Fig.3 gezeigten u/Q-Kennlinie.
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Zum Zeitpunkt t3 kann wieder der gesamte Blindleistungsbedarf des.
Netzes über den Wechselrichter gedeckt werden und die Netzspannung ist auf ihren
Nennwert zurückgekehrt.
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Es kann nun auch der Fall eintreten, daß bei anhaltendem Leistungsbedarf
des Netzes die Kapazität des Energiespeichers praktisch erschöpft oder bei anhaltender
Lei-
stungsabgabe des Netzes ditrAufnahmefähigkeit des Energiespeichers erreicht ist.
Für diesen Fall ist es vorteilhaft, aus den Regelabweichungen zwischen der Ausgangsspannung
Ud des Energiespeichers einerseits und einer für den vollen Speicher vorgegebenen
Spannungsgrenze Ud max bzw. einer für den erschöpften Energiespeicher eingestellten
Spannungsuntergrenze U d min Grenzwerte zur Begrenzung des Sollwertes für die Wirkleistungsübertragung
zu bilden.
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Dieser Fall ist in Fig. 6 dargestellt, wo zum Zeitpunkt t1 infolge
Erschöpfung des Energiespeichers die abgegebene Leistung bis zum Wert PWR - 0 (Zeitpunkt
t2) abgesenkt wird. Der Energiebedarf des Netzes muß daher in zunehmenden Maße vom
Leistungsaggregat gedeckt werden, so daß sich insgesamt bis zum Zeitpunkt t Netzfrequenzen
unterhalb der Nennfrequenz ergeben. Ahnliche Verhältnisse liegen vor, wenn zum Zeitpunkt
t4 die Kapazität des Energiespeichers bereits voll ausgelastet ist und der Energiespeiches
keine Wirkleistung aus dem Netz mehr übernehmen kann, so daß die Netzfrequenz über
die Nennfrequenz ansteigt.
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Insgesamt ergibt sich fur die dargestellten Verläufe des Leistungsbedarfes
des Netzes, daß die entsprechende Frequenz/Wirkleistungs-Kennlinie bzw. Spannung/Blindleistungs-Kennlinie
entsprechend der an den Diagrammen der Figuren 4 bis G angogebenen Reihenfolge der
Zeitpunkte durchlaufen wird. Abweichungen von den Nenuwerten liegen nur dann vor,
wenn Leis tungsgrenzen der Speichereinheit und des Energieübertragers erreicht sind,
was jedoch bei entsprechend großer Auslegung dieser Einheiten weitgehend vermieden
werden kann.
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Häufig können bei derartigen Anlagen gewisse Spannungsschwankungen
toleriert werden. Es können daher für die Blindleistungsübertragung gewisse Toleranztrenzen
vorgegeben werden. Der Sollwert für die Blindleistungsübertragung wird in diesem
Fall bei Absinken oder Ansteigen der Netzspannung aus der Regelabweichung zwischen
der Netzspannung und einer unterhalb bzw. oberhalb der Nennspannung liegenden Toleranzgrenze
gebildet. Es ergeben sich dann zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 bza. t3 und t5
bzw. t7 und t8 in Fig.5 gewisse dort nicht berücksichtigte Schwankungen.
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Unter Umständen enthält die Steuereinheit tes Energieübertragers keinen
Führungsgrößen-Eingang für (ie entsprechenden Leistungen, sondern nur für den Wirkstt
om bzw. Blindstrom. Man kann aus den jeweiligen Sollwerten durch Division mit dem
Meßwert der
die benötigten Soll werten für Cen zu übertragenden Wirkstrom bzw. Blindstrom bilden.
Eine Messung der
ist ohnehin
Ein geeigneter Energieübertrager mit Steuerung ist in der deutschen
Patentanmeldung P 32 36 071.1 beschrieben und als Bauteil 30 in Fig.7 im einzelnen
dargestellt. Dabei sind im wesentlichen die in dieser Patentanmeldung definierten
Symbole verwendet, eine weitere Beschreibung der Steuerung erübrigt sich. Für die
Erfindung ist es nur wesentlich, daß das Bauteil 30 Steuereingänge 31 und 32 für
einen Wirkstrom-Sollwert 1W cos T und einen Blindstromsollwert #*W sin* enthält
und in der Lage ist, aus einer als Energiespeicher dienenden Batterie 11 (Batteriespannung
Ud) den durch die Sollwerte gegebenen Wirk- und Blindstrom in das Netz 1-einzuspeisen.
Erwähnt sei ferner, daß am Bauteil 30 die Amplitude Au der Netzspannung UN gebildet
und abgreifbar ist. Außerdem ist das vorbeschriebene Bauteil 30 durch eine Begrenzungsschaltung
33 ergänzt, die den Ausgangsstrom 1u des Energieübertragers auf einen Maximal-*
wert 1 max beschränkt und ein Gleichrichter 34 liefert u max aus den Meßwerten des
Ausgangsstromsystems 1w des Energieübertragers einen an einem Glättungsglied 35
geglätteten Stromistwert I .
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w Man erkennt in Bild 7 wieder den Frequenzgeber 15, der aus dem
Spannungssystem u des Netzes die entsprechende Netzfrequenz f bildet und die Regelabweichung
f - f zwischen * der Netzfrequenz und der als Sollwert f vorgegebenen Netz-Nennfrequenz
dem Frequenzregler 16 zuführt. Dem Regler 16 ist eine Spannungsbegrenzungs-Schaltung
40 nachgeordnet, die die als Wirkleistungssollwert PWR abgegriffene Ausgangsspannung
des Reglers 16 auf einen Maximalwert und einen Minimal wert begrenzt. Der obere
Grenzwert wird dabei von einem Regler 41 geliefert, dem die Regelabweichung d max
- U d zwischen der Ausgangsspannung d des Energiespeichers 11 und einem, dem geladenen
Zustand des Energie-* speichers entsprechenden Grenzwert Ud d max zugeführt ist.
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In analoger Weise ist der untere Grenzwert der Begrenzungsschaltung
40 von einem Regler 42 aus der Regelabweichung d U d min zwischen Ud und einem dem
entladenen Zustand
des Speichers 11 entsprechenden unteren Grenzwertes
U*d min gebildet. Ferner ist ein Umschalter 43 vorsehen, durch den von dem vom Regler
16 gebildeten Wirkleistungssollwert auf einen extern vorgegebenen Wirkleistungssollwert
umgeschaltet werden kann. Diese Umschaltung ist auch für den Blindleistungssollwert
vorgesehen (Umschalter 60) und ist dann vorteilhaft, wenn die Anlage zusammen mit
einem Rechner betrieben wird, der die verschiedenen Generatoren und Aggregate im
Sinne eines Lastausgleiches steuert.
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* Um nun aus den Wirkleistungssollwert PWR den am Eingang 31 benötigten
Wirkstromsollwert IW cos ç zu bilden, ist in diesem Fall ein Quotientenbildner 44
vorgesehen, dessen Divisoreingang der Betrag u der Netzspannung zugeführt ist.
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Der Quotient PwR/u, der noch über einen Glättungsglied 45 geglättet
werden kann, ist dem Eingang 31 über eine Begrenzungsschaltung 46 zugeführt, die
den den Energieübertrager durchfließenden Strom 1 auf einen vorgegebenen, * w maximalen
Stromwert 1w max begrenzt. Auch hier wird die Spannungsgrenze an einem Regler 47
abgegriffen, dem die * Regelabweichung 1 max 1 zugeführt ist.
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w max w Auch dem Eingang 32 für den Blindstromsollwert 1w sint ist
eine Begrenzungsschaltung 48 vorgeschaltet, die ihren Grenzwert am Ausgang des Reglers
47 erhält. Der Blindstromsollwert wird, gegebenenfalls über ein Glättungsglied 49,
als Quotient QwR/u am Ausgang eines Quotientenbildners 55 abgegriffen, dessen Dividendeneingang
von dem Blindleistungssollwert QWR beaufschlagt ist. Dieser Blindleistungssollwert
wird, wie schon in Zusammenhang mit Fig.1 beschrieben ist, aus der Differenz zwischen
der als Soll-* wert U am Geber 19 eingestellten Netz-Nennspannung und der gemessenen
Netzspannung u gebildet.
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Im vorgegebenen Fall ist der in Fig.1 dargestellte Amplitudenregler
20 mit einer Hysterese versehen. Dies kann gemäß Fig.7 dadurch geschehen, daß ein
negativer Sollwert über eine entsprechend gepolte Diode 56 an einem Einzel regler
57 abgegriffen ist, dem als Regelabweichung die Differenz Au - (U - t U ) zugeführt
ist und der daher nur anspricht, wenn die gemessene Spannungsamplitude die unteren
Toleranzgrenze U - U unterschreitet. Positive Blindleistungssollwerte werden über
eine entsprechende gepolte Diode 58 an einem zweiten Einzel regler 59 abgegriffen,
dem nunmehr die Regelabweichung (U* + AU ) - u zwischen der gemessenen * Netzspannung
und einer oberen Toleranzgrenze U + bU zugeführt ist.
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Insgesamt wird mit dieser Anordnung erreicht, daß die an das Netz
1 angeschl-ossenen Verbraucher 2,3 und auch die den Verbrauchern in dieser Hinsicht
gleichgestellten Generatoren 4, 5 und 6 weitgehend unabhängig von der Blindleistungsbilanz
des Netzes 1 auf ihrem den jeweiligen Arbeitsbedingungen entsprechenden optimalen
Arbeitspunkt arbeiten können. Auch der Arbeitspunkt des Antriebsaggregates 7 bleibt
fast stets unverändert, und Frequenz und Spannung des Netzes ändern sich nicht.
Vielmehr wird die Blindleistungsbilanz und ein kurzzeitiger Wirkleistungsüberschuß
oder Wirkleistungsbedarf des Netzes weitgehend vom Energiespeicher 11 und dem selbsttätig
gesteuerten Energieübertrager 12 gedeckt. Lediglich wenn Leistungsgrenzen des Speichers
bzw. Energieübertragers erreicht sind, sind noch Schwankungen in Frequenz und Spannung
des Netzes zu befürchten.
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10 Patentansprüche 7 Figuren