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Gleichstrom-Hochspannungs-Kraftübertragung Die Erfindung bezieht.
sich auf Kraftübertragungsanlagen, die mit hochgespanntem Gleichstrom arbeiten und
bei denen am Ende der Übertragungsleitung ein Wechselrichter, gleichviel welcher
Art, also beispielsweise ein Ventil- oder ein Kontaktwechselrichter, zur Rückverwandlung
des Gleichstromes in Wechsel- oder Drehstrom vorgesehen ist. Es ist bekannt, daß
es für einen Wechselrichter von der Aussteuerung abhängige Belastungsbereiche gibt,
bei denen dieser nicht mehr zu kommutieren vermag und, wie man sagt, außer Tritt
fällt oder seine Trittgrenze überschreitet. Es liegen Veröffentlichungen vor, die
sich mit den hierdurch bedingten Stabilitätsverhältnissen einer Gleichstromkraftübertragung
beschäftigen und die davon ausgehen, daß die Regelung der übertragenen Leistung
durch Beeinflussung der Wechselrichteraussteuerung vorgenommen wird. Wann .dabei
die Trittgrenze des Wechselrichters überschritten -wird, hängt von -der Spannungsstromcharakteristik
des Gleichstromkreises ab, was seinen Grund darin hat, daß die Trittgrenze, wie
oben erwähnt, für jeden Aussteuerungsgrad bei einem anderen Belastungsstrom liegt.
Es. ist bekannt, eine Änderung der Wechselrichteraussteuerung ohne Überschreitung
.der Trittgrenze innerhalb bestimmter Belastungsbereiche .dadurch zu ermöglichen,
daß man dem Gleichstromkreis eine so stark geneigte Charakteristik .gibt, daß sie
in dem vorgesehenen Belastungsbereich stets unterhalb der Trittgrenze verläuft,
daß also, mit anderen Worten, in dem vorgesehenen Verschiebungsbereich für die Aussteuerung
keinerlei Schnittpunkte zwischen den für die verschiedenen Aussteuerungsgrade gültigen
Wechselrichterkennlinien und der Charakteristik des Gleichstromkreises auftreten,
die außerhalb der Trittgrenze liegen. Dieses Ziel kann man erreichen, indem man
in die den Gleichstromkreis speisende Vorrichtung in bestimmter Weise bemessene
Leiterelemente einordnet, an denen- bei Belastung Spannungsabfälle auftreten.
Die
Erfindung geht davon aus, daß es aus verschiedenen Gründen beim Betrieb einer Kraftübertragungsanlage
der genannten Art wünschenswert ist, den Wechselrichter mit einer festen Aussteuerung
zu betreiben. In diesem Fall sind die obenerwähnten, sich aus der veränderlichen
Aussteuerung ergebenden Schwierigkeiten zunächst behoben. Eingehende Untersuchungen
haben jedoch ergeben, daß die Stabilität des Betriebes aus einem anderen Grunde
in Frage gestellt werden kann, nämlich dann, wenn die Leerlaufspannungen der miteinander
gekuppelten Drehstromnetze im Verhältnis zueinander Schwankungen unterworfen sind,
wobei die Gefahr des Außertrittfallens dann auftritt, wenn die Leerlaufspannung
.des speisenden Drehstromnetzes im Verhältnis zu der des gespeisten Netzes steigt.
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Diese Verhältnisse mögen zunächst an Hand des in der Zeichnung dargestellten
Belastungsdiagrammen näher erläutert werden. Dort sind als Abszisse der von dem
Wechselrichter übertragene Gleichstrom J9. und als Ordinate .die an den Gleichstromklemmen
des Wechselrichters herrschende Gleichspannung E aufgetragen. Die Schar der schräg
aufwärts laufenden Geraden stellt die Spannungsstromkennlinien des Wechselrichters
bei verschiedenen Aussteuerungsgraden ß1 bis ß,, dar. Zu jeder Wechselrichteraussteuerung
gehört ein bestimmter Strom, bei dem die Trittgrenze des Wechselrichters erreicht
ist. Verbindet man die hierdurch festgelegten Punkte auf den Wechselrichterkennlinien
miteinander, so ergibt sich die Kurve T, die den Verlauf der Trittgrenze angibt.
Jenseits dieser Kurve T verlieren also die Wechselrichterkennlinien ihre Bedeutung.
Sie sind deshalb auch nur bis an diese Kurve herangezeichnet.
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Besitzt nun der speisende Gleichstromkreis eine Spannungsstromkennlinie
a entsprechend einer Leerlaufspannung Eo, so wird man die "voraussetzungsgemäß konstante
Wechselrichteraussteuerung so legen, daß der dem Normalstrom J, entsprechende Schnittpunkt
zwischen der Gleichstromnetzkennlinie und der Wechselrichterkennlinie noch genügend
weit von der Trittgrenze entfernt liegt. Diese Bedingung erfüllt die Wechselrichterkennlinie
für den Aussteuerungsgrad ßs, .die die Kennlinie a in dem Betriebspunkt
A schneidet. Steigt nun bei fest angenommener Spannung des gespeisten Drehstromnetzes
die Leerlaufspannung des Gleichstromkreises, so wandert die Kennlinie des Gleichstromkreises
nach oben, und der Betriebspunkt verschiebt sich nach rechts, d. h. er nähert sich
immer mehr der Trittgrenze. Bei einer Leerlaufspannung Eomax ist schließlich die
Kennlinie des Gleichstromkreises in eine solche Lage gerückt, daß der Schnittpunkt
mit der Kennlinie des Wechselrichters nunmehr im Punkt B auf der Trittgrenze T liegt.
Das gleiche kann auch dadurch auftreten, daß bei gleichbleibender Leerlaufspannung
des Gleichstromnetzes, die ja immer der Leerlaufspannung des speisenden Drehstromnetzes
entspricht, die Leerlaufspannung des gespeisten Drehstromnetzes entsprechend herabsinkt,
wie es überhaupt nur auf das gegenseitige Verhältnis der beiden Leerlaufspannungen
ankommt.
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Aus diesen Überlegungen ergibt sich, daß die mit Rücksicht auf die
Trittgrenze zulässigen Schwankungen dieses Verhältnisses der Leerlaufspannung begrenzt
sind. Es mag Fälle geben, in denen die Schwankungen der Leerlaufspannungen, die
im Hinblick auf die übrigen Betriebsverhältnisse der Netze erwartet werden müssen,
nicht größer sind. als es die .angegebene Bedingung zuläßt. Es hat sich jedoch gezeigt,
daß in :den meisten Fällen mit wesentlich größeren Schwankungen gerechnet werden
muß, so daß sich hieraus Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität ergeben. Diese
Schwierigkeiten, die bei konstanter Wechselrichteraussteuerung durch die Schwankungen
der Leerlaufspannungen miteinander gekuppelter Netze -bedingt sind, werden gemäß
der Erfindung dadurch überwunden, daß die Spannungsstromkennlinie der WechseIstromseite
des Drehstrom-Gleichstrom-L?,mformers durch an sich bekannte künstliche Erhöhung
der verlustlosen Spannungsabfälle so stark geneigt wird, daß die, bei den möglichen
Steigerungen des Verhältnisses der Leerlaufspannung des speisenden zu der des gespeisten
Drehstromnetzes auftretende Verschiebung ihres Schnittpunktes mit der durch die
Aussteuerung festgelegten Wechselrichterkennlinie nur innerhalb .des stabilen Teiles
der Wechselrichterkennlinie erfolgt. Wie sich diese Maßnahme auswirkt. ist in der
Zeichnung ebenfalls graphisch dargestellt, wobei wiederum die Leerlaufspan- i nung
des gespeisten Drehstromnetzes als konstant angenommen ist. Die Steigerung der Leerlaufspannung,
mit der auf der Gleichstromseite gerechnet -,verden muß, möge so groß sein, daß
der Schnittpunkt B über die Trittgrenze hinauswandern würde. In Anwendung des Erfindungsgedankens
werden nun die Grenzkennlinien des Gleichstromkreises, die durch den normalen Belastungspunkt
A bzw. den auf der Trittgrenze liegenden Punkt B hindurchgehen, im Sinne einer Vergrößerung
ihrer Neigung gedreht. Dadurch wächst der gegenseitige Abstand der zugehörigen Leerlaufpunktee,
und man hat es in der Hand, die Kennlinien so weit zu drehen, bis dieser Abstand
der tatsächlich zu erwartenden Steigerung der Leerlaufspannung
entspricht.
Es ergeben sich dann die Kennlinien ä und b', die entsprechend auf
der Ordinatenachse die Normalleerlaufspannung E,"""" abschneidet. In diesem Zustand
kann bei der gegebenen Wechselrichteraussteuerung ß,3 selbst im ungünstigsten Fall
die Trittgrenze nicht mehr überschritten werden, so daß die Stabilität der Anlage
in jedem Fall gewahrt ist.
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Um die Neigung der Kennlinie des Gleich-' stromkreises zu verändern,
stehen verschiedene Wege zur Verfügung. Die Verwendung O'hmscher Widerstände im
Gleichstromkreis ist dabei sehr wenig empfehlenswert, da hierdurch beträchtliche
Leistungsverluste entstehen können. Ebenso kommt eine Erhöhung des Ohmschen oder
des induktiven Gleichspannungsabfalles auf der Wechselrichterseite nicht in Frage,
weil dadurch die Trittgrenze des Wechselrichters herabgesetzt .und für die Stabilität
der Anlage nichts gewonnen werden würde. Dagegen ist eine Erhöhung der induktiven
Widerstände auf der Gleichrichterseite vorteilhaft, weil hierdurch praktisch keine
Vergrößerung der Leistungsverluste entsteht. Wie das im einzelnen durchgeführt werden
kann, soll weiter unten geschildert werden.
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Zunächst möge an Hand einer Rechnung nachgewiesen werden, welche Wirkung
größenmäßig durch die Anwendung der Erfindung erzielt werden kann und um welche
Größenordnungen es sich bei den einzelnen Spannungsabfallanteilen handelt. Die Werte
sind dabei so gewählt, daß sie einer Übertragung mit großer Leistung ungefähr entsprechen.
Mit r sind jeweils die auf den Strom bezogenen Ohmschen Gleichspannungsabfälle für
Nennbetrieb und mit g die entsprechenden relativen induktiven Gleichspannungsabfälle
bezeichnet. Das Fußzeichen G gilt für den Gleichrichter, L für die Gleichstromleitung
und W für den Wechselrichter. El und E#. sind die Wechselspannungen des speisenden
bzw. des gespeisten Wechselstromnetzes.
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Im Nennbetrieb habe das Verhältnis der Netzspannungen den Wert Der
Begriff der Stabilitätsgrenze ist
dann so zu verstehen, daß infolge einer Erhöhung dieses Verhältnisses auf den Grenzwert
der Gleichstrom auf einem solchen Betrag
angekommen ist, daß bei weiterer Vergrößerung des Spannungsverhältnisses, also weiterem
Anstieg des Gleichstromes, der Wechselrichter wegen Überschreitung der durch die
Wechselrichteraussteuerung gegebenen Trittgrenze in den Kurzschlußzustand gerät.
Dabei ist es nebensächlich, ob die Vergrößerung des Spannungsverhältnisses durch
Spannungserhöhung im speisenden Netz öder durch Spannungsabsenkung im gespeisten
Netz oder durch .gleichzeitige Änderung beider Spannungen eintritt. Solange die
Übertragung praktisch nur stromproportionale Spannungsabfälle enthält, ist das Grenzspannungsverhältnis
von der absoluten Spannungshöhe unabhängig.
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Unter Vernachlässigung einiger für .das Wesen der Stabilitätsverhältnisse
unbedeutender Rechnungsgrößen (Lichtbogenabfall, Ruhezeit des Wechselrichters, Trittgrenzenverminderung
:durch den Ohmschen Wechselrichterwiderstand) ergibt sich für die Trittgrenze folgende
vereinfachte Beziehung:
Hierin ist cos ß die Wechselrichteraussteuerung, cos ä die auf die Wechselrichterseite
bezogene Gleichrichteraussteuerung und (ä + Y)' - gG + rG + rL
i ä w + YW die Summe aller auf die Wechselrichterseite bezogenen Gleichspannungsabfälle.
Die Formel zeigt bereits deutlich, daß für gegebene Stromrichteraussteuerungen cos
a und cos ß das zulässige Spannungsverhältnis mit steigendem Betrag des Ausdruckes
X (g + r)' zunimmt, laß also die Spannungsabfälle stabilisierend wirken. Zahlenmäßig
,ergibt sich nun für eine Übertragung, bei der beispielsweise Stromrichter als Umformungseinrichtungen
verwendet werden, etwa folgendes Bild: Die für solche Zwecke in Frage kommenden
-Stromrichtertransförmatoren besitzen normalerweise, d. h. wenn keine besonderen
Vorkehrungen getroffen werden, Streuspannungen von etwa 6 :bis io %. Rechnet man
mit einem mittleren Wert von 80/, für den Transformator und z % Zuschlag
für die Ketzreaktanz, so ergibt sich eine gesamte E2eaktanzspannun.g von io 0%.
Bei den für Großstromrichter üblichen Sternpunktsschaltungen mit Saugdrossel und
bei den für Hochspannungsstromrichter besonders geeigneten Brückenschaltungen (sog.
Graetzschaltungen) beträgt der durch die Reaktanzspannung bedingte,induktive Gleichspannungsabfall
zahlenmäßig die Hälfte des Reaktanzspannungswertes, also im vorliegenden Fall gG
° gw = 5 °1o. Die Ohmschen Gleichspannungsabfälle können mit rG
= 9W = i 0% angenommen werden. Wird weiterhin zunächst vorausgesetzt,
daß die Übertragungsleitung einen Spannungsabfall von rL = io 010, also
einen
relativ hohen Betrag, aufweist, so ergibt sich unter bestimmten sonstigen Voraussetzungen
(z. B. gleiche oberspannungäseitige Transformatorspannungen auf der Gleich-und Wechselrichterseite
und volle Aussteuerung des Gleichrichters) mit den obigen Werten eine Summe aller
Spannungsabfälle von E (g + r)' = o,22, eine Wechselrichteraussteuerung
von 0,78 und eine zulässige Vergrößerung des Spannungsverhältnisses gegenüber
Nennbetrieb von 1,27, d. h. die Spannungen .dürfen um höchstens
27 °fo gegeneinander schwanken, wenn die Trittgrenze nicht überschritten
werden soll. Dieser Betrag möge hinsichtlich der in den Netzen zu erwartenden Schwankungen
für :das vorliegende Beispiel als ausreichend betrachtet werden.
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Untersucht man vergleichsweise die Verhältnisse für unveränderte Stromrichterspannungsabfälle,
jedoch für einen beispielsweise um 8 % geringeren Leitungsabfall von nur 2 °1o,
so ergibt sich als Summe aller Spannungsabfälle ein Wert von nur 0,135 und bei der
.gleichen Wechselrichteraussteuerung wie früher ein zulässiges Spannungsverhältnis
von nur 1,18. Die Spannungen dürfen jetzt also nur noch um höchstens 18 °]o gegeneinander
schwanken, welcher Betrag als bei den vorliegenden Netzverhältnissen nicht ausreichend
angesehen werden soll.
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Erfindungsgemäß kann nun bei unverändert kleinem Leitungsabfall von
2 % das Spannungsverhältnis wieder auf den alten Wert von 1,27 gebracht werden,
wenn an Stelle des Ohmschen Widerstandes der induktive Gleichspannungsabfall gr,
des Gleichrichters künstlich so weit erhöht wird, daß .die dem Spannungsverhältnis
1,27 zugeordnete Spannungsabfallsumme von 22 °[o wieder erreicht ist. Zu
diesem Zweck muß der induktive Gleichvon 5 °io auf 13 % erhöht spannungsabfall
gC werden, was gleichbedeutend mit einer Heraufsetzung der gesamten Reaktanzspannung
auf 26 % bzw. der Transformatorstreuspannung auf 2d.°/, ist, wenn die Netzreaktanz
unverändert bleibt. Aus diesem Zahlenbeispiel ist ersichtlich, daß man durch i",nwendung
des Erfindungsgedankens beliebige Stabilitätsverhältnisse schaffen kann, ohne :dabei
an einen bestimmten Wirkungsgrad gebunden zu sein und ohne die Wechselrichteraussteuerung
unnötig erniedrigen und damit die auf der Wechselrichterseite aufzuwendende Blindleistung
unnötig erhöhen zu müssen. Der infolge des größeren induktiven Spannungsabfalles
auf der Gleichr:chterseite eintretende Mehrbedarf an Blindleistunmacht sich hier
nicht in so unangeneliiner Weise bemerkbar wie gerade auf der von vornherein mit
wesentlich schlechterem Leistungsfaktor arbeitenden @@'erhselrichterseite. Für clie
künstliche Erhöhung des induktiven Gleichspannungsabfalles auf der Gleich-' richterseite
ergeben sich vielfältige Mittel. Wird die Übertragungsanlage aus einem großen, praktisch'
starren Wechselstromnetz gespeist, so kommt beispielsweise der bereits C genannte
Weg der Vergrößerung der Transformatorstreuspannung in Frage mit Hilfe an f sich
bekannter Maßnahmen. Als solche Maßnahmen sind z. B. die Vergrößerung des Streuraümes
durch Vergrößerung des Wicklungsabstandes oder die Anwendung verschieden großer
Wicklungslängen bei Röhrenwicklung (Zusatzstreuung) - oder die Wahl geeigneter Abmessungen
hinsichtlich des Verhältnisses Kernquerschnitt zu Säulenlänge u. dgl. zu nennen.
Ein weiteres Mittel zur Erhöhung des induktiven Spannungsabfalles ist die Verwendung
von Zusatzdrosselspulen zwischen Transformator und Gleichrichterapparat oder in
den Zuleitungen zwischen Transformator und Netz. Die Verwendung getrennter Drosseln
an Stelle einer Erhöhung der inneren Transformatorstreuung ist besonders dann zweckmäßig,
wenn die Übertragung für wechselnde Energierichtung bestimmt und ein und derselbe
Stromrichter wahlweise sowohl als Gleichrichter als auch als Wechselrichter arbeiten
soll. In diesem Fall werden die Zusatzdrosseln bei Umschaltung auf Wechselrichterbetrieb
ausgeschaltet bzw. kurzgeschlossen, weil zur Erzielung einer hohen Trittgrenze der
induktive Spannungsabfall des Wechselrichters möglichst gering sein muß, während
sie beim Gleichrichterbetrieb eingeschaltet sind und die gewünschte Erhöhung des
Spannungsabfalles ergeben. Weiterhin kann auch durch Verwendung bestimmter Transformatorschal-
x tun:gen eine Erhöhung des Spannungsabfalles erreicht werden. So liefert z. B.
die für größere Gleichrichteranlagen im allgemeinen nicht verwendete sechsphasige
sau-drossellose Sternpunktschaltung bei gleicher Streuspannung den 2,46fachen induktiven
Gleichspannungsabfall wie die bereits erwähnte sechsphasigeSangdrossel schaltung
oder die Graetzschaltung.
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Der induktive Gleichspannungsabfall von Stromrichtern ist bekanntlich
nicht nur von der Streuspannung des Transformators allein, sondern von der Gesamtreaktanz
des kommutierenden Stromkreises abhängig.
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Zu dieser Gesamtreaktanz zählt auch die Streureaktanz der Netzgeneratoren.
Für den Fall @ler Speisung der Gleichstrom-Hochspannung,übertragung beispielsweise
aus einzelnen, (ler Übertragungsleistung etwa insgesamt leistungsgleichen Generatoren
ist als weiteres Mittel zur Erzielung eines ausreichenden induktivun Gleichspannungsabfalles
die Ver-
Wendung von Generatoren mit entsprechend bemessener, erhöhter
Streuung zu nennen. Unter Umständen genügt es auch schon, einzelne Generatoren eines
großen Netzes zwecks Speisung der Gleichstrom-Hochspanriungsübertragung ganz von
diesem abzutrennen oder sie mit dem restlichen Netz nur noch lose über Drosselspulen
mit ausreichend hoher Reaktanz zu koppeln.
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Eine ähnliche Wirkung wie der induktive Gleichspannungsabfall haben
auch andere Erscheinungen, die zu einer Abnahme der Gleichspannung mit steigendem
Strom ohne wesentlichen Leistungsverlust, d. h. ohne Wir-'kungsgradverschlechterung,
führen. Hierzu ist z. B. die Ankerrückwirkung des Generators zu rechnen, auf die
bekanntlich ein gewisser Anteil des Generatorspannungsabfalles zurückzuführen ist.
Ferner wirkt ein bei Belastung .des Generators eintretender Drehzahlabfall der Antriebsmaschine
im gleichen Sinne. Als Mittel zur Erzielung einer gewünschten Stabilität kommt daher
erfindungsgemäß auch die Ausführung der Generatoren mit vergrößerter Ankerrückwirkung
in Frage oder die Verwendung von Antriebsmaschinen mit starkem lastabhängigem Drehzahlabfall,
d. h. ein Betrieb mit stark lastabhängiger Frequenz anstatt mit der normalerweise
üblichen, gleichbleibenden Frequenz.
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Zur Sicherstellung eines innerhalb vorgegebener Spannungsschwankungen
stabilen Betriebes bietet sich weiterhin noch die Möglichkeit, den erfindungsgemäß
benötigten verlustlosen Spannungsabfall an Stelle von wirklich auftretenden Spannungsabfällen
durch entsprechende Beeinflussung des Umformers, der Netzgeneratoren oder der Antriebsmaschinen
vorzutäuschen. Hierher gehört neben einer Beeinflussung der Drehzahl der Antriebsmaschine
in erster Linie eine Änderung der Gleichrichteraussteuerung oder eine Beeinflussung
der Erregerdurchflutung der Generatoren, und zwar stets eine Beeinflussung im stabilisierenden
Sinn, also eine Herab= setzurig dieser Größen bei steigendem Strom. Von diesen Möglichkeiten
wird man wiederum besonders vorteilhaft bei Umformern, die mit wechselnder Energierichtung
arbeiten sollen, Gebrauch machen, indem die Beeinflussung bei Gleichrichterbetrieb
zugelassen, bei Wechselrichterbetrieb dagegen unterbunden wird.
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Die Beeinflussung im vorgenannten Sinne kann beispielsweise durch
Regler oder durch selbsttätige Gegenkompoundierungseinrichtungen erfolgen. Da die
stabilisierende Wirkung den Netzschwankungen so schnell wie möglich folgen muß,
ist die Verwendung von Schnellreglern oder von trägheitslos wirkenden Reglern mit
Hochvakuum- oder Gasentladungsgefäßen zweckmäßig. Zumindest muß dafür gesorgt sein,
daß die Regelzeitkonstante kleiner ist als die Zeitkonstante des Stromanstiegs.
Damit nicht schon innerhalb des Bereiches normaler Betriebsstromstärken erhebliche
Spannungsschwankungen durch derartige Mittel verursacht werden, empfiehlt es sich,
die stabilisierende Wirkung der Regler oder Kompoundierungenauf das gefährliche
Gebiet der Überströme zu beschränken. Es entstehen .dann also gekrümmte Kennlinien,
die im Bereich großer Ströme steiler verlaufen als bei kleineren Strömen. Zu diesem
Zweck können die Regler beispielsweise so eingerichtet werden, daß sie bis zu einer
gewissen, durch die Gleichstromstärke (gegebenenfalls in Verbindung mit der Größe
der Wendespannung des Wechselrichters) gege@benen Grenze auf eine bestimmte Zielgröße,
z. B. konstante Spannung oder konstante Leistung, regeln, bei Überschreitung der
eingestellten Grenze aber auf Strombegrenzung durch Herabsetzung der Stromrichteraussteuerung
oder der Generatorerregung oder der Drehzahl hinarbeiten.