WO2013120212A1

WO2013120212A1 - Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten dreiphasengenerator und verfahren zum betrieb einer solchen schutzeinrichtung

Info

Publication number: WO2013120212A1
Application number: PCT/CH2012/000043
Authority: WO
Inventors: Jörg-Andreas DITTRICH; Robert Hoffmann
Original assignee: Woodward Ids Switzerland Ag
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Bei einer Schutzeinrichtung (5) für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit einer Statorwicklung (4.1) und einer Rotorwicklung (4.2), ist die Rotorwicklung (4.2) mit einem Frequenzumrichter (7) verbunden ist, der einen maschinenseitigen Umrichter (7.2) und einen netzseitigen Umrichter (7.1) mit einem zwischengeschaltetem DC-Zwischenkreis (7.3) umfasst. Der netzseitige Umrichter (7.1) ist über einen Hauptschalter (2) mit einem Stromnetz (1) und mit der Statorwicklung (4.1) verbunden und die Rotorwicklung (4.2) mit einer Rotorschutzeinrichtung (5.5 ) der Schutzeinrichtung (5). Diese Rotorschutzeinrichtung (5.5) umfasst rotorseitigen einen Gleichrichter (5.5.3). Erfindungsgemäss weisst die Schutzeinrichtung ( 5) zudem einen netzseitigen Gleichrichter (5.1) aufweist, der einerseits über den Hauptschalter (2) mit dem Stromnetz (1) verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3). Dieser netzseitige Gleichrichter (5.1) ermöglicht es, Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz (1) und/oder der Statorwicklung (4.1) vom netzseitigen Umrichter (7.1) abzuleiten und abzubauen.

Description

Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator und Verfahren zum Betrieb einer solchen Schutzeinrichtung

Die vorliegende Erfindung fällt in das Gebiet der Schutzeinrichtungen für doppelt gespeis- te Dreiphasengeneratoren. Sie betrifft eine solche Schutzeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Schutzeinrichtung.

Bei bekannten Generatorsystemen mit direkt netzgekoppelten Dreiphasengeneratoren ist eine Statorwicklung -abgesehen von Anlauf-, Schalt- und Schutzeinrichtungen- direkt mit einem speisenden Netz verbunden und zudem wenigstens eine Rotorwicklung von aussen zugänglich. Beispielhaft seien hier doppelt gespeiste Asynchronmaschinen (DASM) oder Kaskadenmaschinen erwähnt. Derartige Anlagen werden häufig in regenerativen Energieanlagen, wie Wind- und Wasserkraftwerken, eingesetzt. Dabei ist die Rotorwicklung über einen Frequenzumrichter, bestehend aus maschinenseitigem Umrichter, einem DC-Zwischenkreis und einem netzseitigem Umrichter mit dem speisenden Netz verbunden.

Regenerative Energieanlagen werden zunehmend in Gegenden mit schwachen Netzen, also Netzen mit Anschlussleistungen unter 200 kVA eingesetzt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Verfügbarkeit solcher Anlagen, d.h. Netzfehler wie Spannungseinbrüche bis auf etwa 0 % der Nennspannung bis mehrere 1 00 Millisekunden -ein- und mehrphasige Kurzschlüsse- müssen zumindest kurzzeitig toleriert und in einer Schutz^¬ einrichtung, auch bekannt als "fault ride through" (FRT), beherrscht werden. Eine Fehler^¬ abschaltung der Anlage im Verlauf eines solchen Fehlers ist nicht zulässig; im Gegenteil, es soll möglichst kontinuierlich Strom ins Netz gespeist werden.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Bei Anlagen mit direkter Netzkopplung des Generators kommt es bei plötzlicher Änderung der Netzspannung zu erheblichen Überströmen in der Statorwicklung und der Rotorwicklung, die zum Ansprechen der Netzschutzeinrichtungen führen und in einem Generatorsystem die zulässigen Betriebszustände für den maschinenseitigen Umrichter übersteigen und ausserdem eine unzulässig hohe Spannung im DC-Zwischenkreis zur Folge haben. Die Stromanstiege unmittelbar nach einer Spannungsänderung werden nur durch die Spannungsdifferenz selbst und Streuinduktivitäten begrenzt, wodurch bereits nach wenigen Millisekunden Stromamplituden erreicht werden, die weit über den Über- stromgrenzwerten des maschinenseitigen Umrichters und des netzseitigen Hauptschal- ters liegen. Da Generatoren der verwendeten Grössenordnung Hauptfeldzeitkonstanten im Sekundenbereich aufweisen, klingen die angeregten Ausgleichsvorgänge nur langsam ab. Um die Überströme und die zusätzlich in den DC-Zwischenkreis gespeiste Energie aufzunehmen, müsste der Frequenzumrichter auf ein Mehrfaches der Nennleistung überdimensioniert werden, was wirtschaftlich unvertretbar ist. Ausserdem kann der netz- seitige Hauptschalter die Anlage nicht mehr wirkungsvoll schützen, da er ebenfalls die auftretenden Überströme tolerieren müsste.

In der US 2005 01 1 6476 A1 ist eine Schutzeinrichtung beschrieben, bei der dem heute üblichen Überspannungsschutz in einem Frequenzumrichter ein Brems-Chopper parallel geschaltet ist. Ein Widerstand im Brems-Chopper übernimmt im Falle, dass es wegen Spannungseinbrüchen im Stromnetz zu transienten Überströmen in einer Rotorwicklung kommt den rotorseitigen Überstrom; dies ermöglicht eine kleinere Dimensionierung der elektronischen Schalter in einem maschinenseitigen Umrichter gegenüber herkömmlichen Anlagen. Ausserdem kommt der Vorteil zum Tragen, dass im Schadensfall nur die wesentlich kostengünstigere Schutzeinrichtung betroffen wäre. Als nachteilig kann hier angeführt werden, dass trotz der sich ergebenen Vorteile nicht alle fehlerhaften Betriebszustände durchgefahren werden können (FRT) oder die gesamte Anlage zur Notabschaltung gebracht wird. Es gibt Drehzahlbereiche eines Generators, bei denen man mit Überspannungsschutz den Hauptschalter nicht passiv durch Über- ström öffnen kann, weil die Drehzahl des Generatorrotors den dafür notwendigen Strom nicht zulässt. Auch können hier nur Überspannungen der Rotorwicklung sicher begrenzen, nicht aber vom Stromnetz herrührende Überspannungen.

In der US 7,485,980 B2 wird offenbart, wie das Problem, dass auch von der Stromnetzseite herrührende Überspannungen auftreten können, die unabhängig von der Drehzahl des Generators sind, durch einen separaten Brems-Chopper gelöst werden kann; hierfür ist der Brems-Chopper rotorseitig über eine Gleichrichtereinheit gespeist und dessen Gleichstromkreis ist elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters verbunden. Dieser Vorteil wird damit erkauft, dass nun im Falle eines Netzfehlers der gesamte Stromstoss direkt durch elektronischen Schalter des netzseitigen Umrichters fliessen muss, und diese elektronischen Schalter einer entsprechend grösseren Dimensionierung bedürfen als in herkömmlichen Anlagen.

In der WO201 0045964A1 ist der Brems-Chopper direkt am DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters angeschlossen. Für die elektronischen Schalter des netzseitigen und des maschinenseitigen Umrichters bedeutet dies, dass sowohl der transiente Strom aus der Rotorwicklung als auch der transiente Strom aus dem Stromnetz durch die elektronischen Schalter geleitet werden und bei Fehlern jeweils die betroffenen Frequenzumrichter geschädigt werden können.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator bereitzustellen, die in der Lage ist, ein breites Spekt- rum an möglichen Fehlersituationen zu beherrschen, wie z.B. plötzlichen Netzspannungsänderungen bis auf 0 % der Nennspannung oder Überspannungen, wobei möglichst kontinuierlich mit nur unwesentlichen Unterbrechungen, Energie ins Stromnetz eingespeist werden soll, und wobei der Schutz des Generators und des zugehörigen Fre- quenzumrichters im Vordergrund steht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schutzeinrichtung bereitzustellen.

Die bei plötzlichen Netzspannungsänderungen oder Überspannungen auftretenden Transienten sollen minimiert, und es soll ermöglicht werden, den Speisebetrieb unter definierten Bedingungen und möglichst ohne eine Unterbrechung fortzusetzen, unabhän- gig von der Richtung und der Geschwindigkeit einer Spannungsänderung. Ferner soll die erfindungsgemäss Schutzeinrichtung grosse transiente Ströme durch die elektronischen Schalter eines Frequenzumrichters vermeiden, wobei sie auch in bestehende Anlangen installierbar sein soll, und zwar ohne dass Änderungen an bestehenden Anlagenkomponenten vorgenommen werden müssen. Die der Erfindung für die Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 ; die diesen Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.

Der Kern der Erfindung hinsichtlich der Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator ist darin zu sehen, dass die Schutzeinrichtung neben einer bekannten Rotorschutzeinrichtung -umfassend einen rotorseitigen Gleichrichter- zudem einen netzseitigen Gleichrichter aufweist, der einerseits über einen Hauptschalter mit einem Stromnetz verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters. Der zusätzliche, netzseitige Gleichrichter ermöglicht es erstmalig, dass mit der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netzseitigen Umrichter abgeleitet werden und diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abgebaut werden. So können beispielsweise hohe, netzseitige Einschaltstromspitzen abgeleitet werden, ohne dass es zu Überspannungen im DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters kommt.

Mit Vorteil umfasst die Rotorschutzeinrichtung einen Brems-Chopper, einen Überspannungsschutz und femer eine Steuereinheit für den Brems-Chopper und den Überspannungsschutz. Diese Steuereinheit ist erfindungsgemäss in der Lage, selbständig Energiebzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netzseiti- gen Umrichter abzuleiten diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abzubauen.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem netzseitigen und dem rotorseitigen Gleichrichter ein bedämpfter DC-Zwischenkreis angeordnet ist, der einen Zwischenkreiskondensator und ein Zwischenkreisdämpfungsglied um- fasst, wobei das Zwischenkreisdämpfungsglied entweder als ein Widerstand oder als eine Spule ausgebildet ist, wobei dieser bedämpfte DC-Zwischenkreis ebenfalls Energie- und Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abbaut.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, den DC- Zwischenkreis über eine Zwischenkreisverbindung mit der Gleichspannungsseite des ro- torseitigen Gleichrichters zu verbinden; durch diese Zwischenkreisverbindung zwischen dem DC-Zwischenkreis und der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters können auf einfache Weise Energie- bzw. Spannungsstösse im DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters zu dieser Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters umgeleitet und abgebaut werden; vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Zwischenkreisverbindung zeich- nen sich beispielsweise dadurch aus, dass in ihren beiden Verbindungszweigen Widerstände angeordnet sind, oder eine Kombination aus Widerständen und Dioden, oder lediglich in einem Zweig ein Widerstand, eine Kombination aus einem Widerstand und einer Diode, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischen Schalter und einer Drossel, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischen Schalter und einem Widerstand.

Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung ist, dass der Generator und der Frequenzumrichter neu sowohl auf der Rotorseite als auch auf der Netzseite vor Energie- und Spannungsstössen geschützt sind, wobei die Schutzeinrichtung vollkommen autonom betrieben werden kann. Bei Energie- und Spannungsstössen kann in Abhängigkeit ihrer Grösse entweder der Fehler toleriert werden und der Generator bleibt weiterhin am Netz, oder es erfolgt eine Fehlerabschaltung um den kostenintensiven Generator und Frequenzumrichter vor einer Zerstörung zu schützen. Sollte bei so einer Fehlerabschal^¬ tung die Schutzeinrichtung Schaden erleiden, so ist ein einfacher Austausch im Vergleich zum Austausch des Generators und/oder des Frequenzumrichters möglich, wobei der Austausch der Schutzeinrichtung zudem wesentlich günstiger ist. Hervorzuheben ist ferner, dass die Schutzeinrichtung gemäss vorliegender Erfindung in bestehenden Anlagen ebenso nachrüstbar ist, wie Neuanlagen mit ihr ausgestattet werden können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung ist, dass Frequenzumrich- ter in bestehenden Anlagen nicht neu dimensioniert werden müssen, da die Schutzeinrichtung alle gegebenenfalls anfallenden transienten Vorgänge aufnimmt und lediglich diese Schutzeinrichtung entsprechend den Randbedingungen in neuen wie in bestehen^¬ den Anlagen zu dimensionieren ist. Die Anpassung der Schutzeinrichtung erfolgt dabei im Wesentlichen über die Dimensionierung des Überspannungsschutzes, des Brems- Choppers, des bedämpften DC-Zwischenkreises, des netzseitigen und des rotorseitigen Gleichrichters und zudem über die Dimensionierung der Zwischenkreisverbindung.

Die der Erfindung für das Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 0; die diesen Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 1 1 bis 1 9.

Der Kern der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator ist darin zu sehen, dass die Schutzein^¬ richtung neben einer bekannten Rotorschutzeinrichtung -umfassend einen rotorseitigen Gleichrichter- zudem einen netzseitigen Gleichrichter aufweist, der einerseits über einen Hauptschalter mit einem Stromnetz verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters, wobei über diesen netzseitigen Gleichrichter Ener^¬ gie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netz^¬ seitigen Umrichter ableitet und diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzein- richtung abgebaut werden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung über einen Brems-Chopper und/oder einem Überspannungsschutz und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis zwischen dem netzseitigen Gleichrichter und dem rotorseitigen Gleichrichter abgebaut werden. Des Weiteren ist von Vorteil, wenn gegebenenfalls auftretende Energie- bzw. Span^¬ nungsstösse im DC-Zwischenkreis beim Betrieb der Schutzeinrichtung über eine Zwischenkreisverbindung vom DC-Zwischenkreis zur Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters umgeleitet und dort abgebaut werden. Bei anlagenkritischen Betriebsbedingungen wird durch das Zünden eines Überspannungsschutzes zwischen dem netzseitigen Gleichrichter und dem rotorseitigen Gleichrichter ein niederohmiger Strompfad bereitgestellt, wodurch in der Folge der Hauptschalter ausgelöst wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht für den Betrieb einer erfindungsgemässen Schutzeinrichtung vor, dass diese eine eigene Steuereinheit umfasst, wobei mit dieser Steuereinheit die Schutzeinrichtung autonom betrieben werden kann. Das bedeutet beispielsweise, dass die Steuereinheit bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters einen Brems-Chopper und/oder einen Überspannungsschutz in der Schutzeinrichtung aktiviert, oder aber mittels des Überspannungsschutzes den Hauptschalter auslöst.

Ferner kann die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung auch mit dieser Steuereinheit in Verbindung mit einer CPU-Steuereinheit des Frequenzumrichters betrieben werden; dann ist es möglich, dass bei Überstrom in der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis der Brems-Chopper und/oder der Überspannungsschutz aktiviert werden; des Weiteren kann bei Überstrom in der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis mit dem Überspannungsschutz der Hauptschalter ausgelöst werden, wobei ein solches Auslösen mit Vorteil völlig unabhängig von der Drehzahl des Generators erfolgen kann. Das erfindungsgemässe Verfahren ist neu in der Lage, alle transienten Ströme vom netzseitigen Umrichter des Frequenzumrichters fern zu halten.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung in einem Generatorsystem;

Fig. 2 den Spannungsverlauf am netzseitigen Umrichter eines Frequenzumrichters;

Fig. 3 den Stromverlauf am rotorseitigen Gleichrichter der Schutzeinrichtung, und die

Fig. 4 bis 1 0 Ausführungsformen eines bedämpften DC-Zwischenkreises der Schutzein- richtung und Ausführungsformen einer Zwischenkreisverbindung zwischen einem DC- Zwischenkreis des Frequenzumrichters und einer Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters der Schutzeinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein Generatorsystem, welches im vorliegenden Beispiel die folgenden Elemente umfasst: Ein doppelt gespeister Dreiphasengenerator 4 mit einer Rotorwicklung 4.2 und einer Statorwicklung 4.1 , die über einen Statortrenner 3 und einen Hauptschalter 2 mit einem Stromnetz 1 verbunden ist. Über ein Schütz 8 (optional) und eine Netzdrossel 9 (optional) ist die Statorwicklung 4.1 mit einem netzseitigen Umrichter 7.1 eines Frequenzumrichters 7 verbunden, der über einen DC-Zwischenkreis 7.3 einen maschinen- seitigen Umrichter 7.2 umfasst. Dieser maschinenseitige Umrichter 7.2 ist über eine Ro- tordrossel 1 1 (optional) und Schleifringkontakte 4.3 mit der Rotorwicklung 4.2 verbunden. Für die Steuerung des Frequenzumrichters 7 ist eine CPU Steuereinheit 1 0 mit dem netzseitigen bzw. dem maschinenseitigen Umrichter 7.1 , 7.2 verbunden und eine Vorladeeinheit 6 für den DC-Zwischenkreis 7.3 ist zwischen selbigem und dem Stromnetz 1 verbunden, wobei diese Vorladeeinheit 6 auch über die CPU Steuereinheit 1 0angesteuert wird.

Zum Schutz der Rotorwicklung 4.2 und des maschinenseitigen Umrichters 7.2 ist be- kanntermassen die Rotorwicklung 4.2 mit einer Rotorschutzeinrichtung 5.5 verbunden, die neu Teil der vorliegenden, erfindungsgemässen Schutzeinrichtung 5 ist. Typischerwei- se umfasst die Rotorschutzeinrichtung 5.5 einen rotorseitigen Gleichrichter 5.5.3 (crow bar), einen Brems-Chopper (brake-chopper) 5.5.2 und einen Überspannungsschutz 5.5.1 . Ferner umfasst die Schutzeinrichtung 5 gemäss der Erfindung hinzukommend zu der Rotorschutzeinrichtung 5.5 einen weiteren, netzseitigen Gleichrichter 5.1 , der einer- seits über den Hauptschalter 2 mit dem Stromnetz 1 verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters 5.5.3. Des Weiteren weist die Schutzeinrichtung 5 eine Steuereinheit 5.2 auf, mit welcher die Rotorschutzeinrichtung 5.5 ansteuerbar ist. Dabei kann die Steuereinheit 5.2 zwei Teilsteuereinheiten umfassen, namentlich eine Überspannungsschutzsteuerung 5.2.1 für den Überspannungsschutz 5.5.1 bzw. eine Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 für die Brems-Chopper 5.5.2.

Ferner umfasst die Schutzeinrichtung 5 einen bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 mit einem Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und einem Zwischenkreisdämpfungsglied 5.4.2. Ausführungsbeispiele zu diesem bedämpften Zwischenkreis 5.4 werden unten stehend anhand der Figuren 4 bis 1 0 erläutert. Sofern eine Zugangsmöglichkeit zum DC-Zwischenkreis 7.3 des Frequenzumformers 7 gegeben ist, kann dieser DC-Zwischenkreis 7.3 über eine Zwischenkreisverbindung 5.3 mit der Gleichstromseite des netzseitigen bzw. rotorseitigen Gleichrichters 5.1 , 5.5.3 verbunden sein. Ausführungsbeispiele hierzu werden ebenfalls anhand der Figuren 4 bis 1 0 vorgestellt. Wie die Fig. 1 erhellt, können mit der Schutzeinrichtung 5 gemäss vorliegender Erfindung netzseitige Energie- bzw. Spannungsstösse vom Stromnetz 1 oder der Statorwicklung 4.1 zur Schutzeinrichtung 5 umgeleitet und im bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 und/oder im Überspannungsschutz 5.5.1 und/oder im Brems-Chopper 5.5.2 abgebaut werden, womit sowohl die Statorwicklung 4.1 selbst, als auch der netzseitige Umrichter 7.2 schützbar sind. Auf der Antriebsseite schützt die Schutzeinrichtung 5 die Rotorwicklung 4.2 und den maschinensettigen Umrichter 7.2.

Wenn ein Energie- bzw. Spannungsstoss schnell genug in der Schutzeinrichtung 5 abgebaut werden kann, bleibt der Generator 4 am Stromnetz 1 und er kann unmittelbar nach Abklingen des Fehlers weiter ins Stromnetz 1 einspeisen. Für den Fall, dass ein Energiebzw. Spannungsstoss nicht schnell genug in der Schutzeinrichtung 5 abgebaut werden kann, wird der Überspannungsschutz 5.5.1 aktiviert und er wird zu einem niederohmi- gen Strompfad, sodass der Hauptschalter 2 ausgelöst wird und das gesamte Generatorsystem vom Stromnetz 1 getrennt wird. Sofern die Schutzeinrichtung 5 ausschliesslich mit ihrer eigenen Steuereinheit 5.2 betrieben wird, können vollständig autonom -dass heisst unabhängig von der CPU Steuerung 1 0- Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz 1 und/oder der Statorwicklung 4.1 in die Schutzeinrichtung 5 umgeleitet werden und über den Brems-Chopper 5.5.2 und/oder den Überspannungsschutz 5.5.1 und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 abgebaut werden, bzw. der Haupt- Schalter 2 ausgelöst werden.

Ist -wie oben bereits angedeutet- der DC-Zwischenkreis zugänglich und somit die Zwi- schenkreisverbindung 5.3 installierbar und besteht zudem eine Verbindung zwischen der CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 und der Steuereinheit 5.2 der Schutzeinrichtung 5, dann können auch Überströme in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2) und/oder Überspannungen im DC-Zwischenkreis (7.3) zur Aktivierung des bedämpften DC-Zwischenkreises 5.4 und/oder des Überspannungsschutzes 5.5.1 und/oder des Brems-Chopper 5.5.2 in der Schutzeinrichtung 5 führen und dort abgebaut werden bzw. führen zur Auslösung des Hauptschalters 2. Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf am netzseitigen Umrichter eines Frequenzumrichters; die einzelnen Spannungslevels (UL) werden im Folgenden erläutert:

UL0-UL1 - Vorladebereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. Dieser Bereich kann nur während Vorladung oder Entladung durchfahren werden. Der Hauptschalter 2 ist abgeschaltet. Der netzseitige und maschinenseitige Umrichter 7.1 , 7.2 sind abgeschaltet.

UL1 -UL2 - Betriebsbereich des Brems-Choppers 5.5.2 und Sicherheitsbereich, um beim Betrieb des Brems-Choppers 5.5.2 (die Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 der Schutzeinrichtung 5 ist via der CPU Steuereinheit 1 0 aktiv geschaltet) um die Einhaltung der Bedin- gungen lUu = 0 und lUv = 0 und lUw = 0 zu garantieren. Der Brems-Chopper 5.5.2 wird bei Aktivierung durch die CPU Steuereinheit 1 0 aktiviert, so dass bei der Schwelle UL2 ein elektronischer Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 einschaltet und bei der Schwelle UL1 der elektronische Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 ausschaltet. In vorliegender Ausführungsform liegen die Schwellen bei 950V für den Brems-Chopper 5.5.2 (Einschalten) und 850V für den Brems-Chopper 5.5.2 (Ausschalten).

UL2-UL3 - Normaler Betriebsbereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. Innerhalb dieses Bereichs werden keinerlei Aktionen durch die Steuereinheit 5.2 der Schutzeinrichtung 5 von Überspannungsschutz 5.5.1 und dem Brems-Chopper 5.5.2 eingeleitet, falls kein Steuerbefehl der CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 eine der Funktionen ansteuert.

UL3-UL4 - Automatischer Betriebsbereich für den Brems-Chopper 5.5.2. Eine in der Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 integrierte Spannungsmessonde steuert den Brems- Chopper 5.5.2 innerhalb der Hysterese UL3-UL4 (beispielsweise 1 200V Brems-Chopper 5.5.2 ein und 1 1 00V Brems-Chopper aus). Es soll erreicht werden, dass eine nicht von der CPU Steuereinheit 1 0 abhängige Schutzfunktion realisiert wird.

UL2-UL4 - Erweiterter sicherer Betriebsbereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5, in dem sowohl der netzseitige Umrichter 7.1 als auch der maschi- nenseitige Umrichter 7.2 Schaltvorgänge vornehmen können, ohne Schäden zu verursachen. Die Schutzeinrichtung 5 leitet eigenständig mit dem Brems-Chopper 5.5.2 den Schutz des Frequenzumrichters an der Schwelle UL4 ein durch Aktivierung des Brems- Choppers 5.5.2. Neu ist, dass dazu kein Steuerbefehl via die CPU Steuereinheit 1 0 erfolgen muss und dass ebenfalls Überspannungen aus dem Stromnetz 2 auf Überschreitung der Spannung im DC-Zwischenkreis 7.3 hin überprüft werden.

UL5 - Sicherheitsschwelle des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. An dieser Schwelle kommen bei weiteren Schaltvorgängen der elektronischen Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 oder der elektronischen Schalter im netzseitigen bzw. maschinen- seitigen Umrichter 7.1 , 7.2 zu dicht an ihre Betriebsgrenzen (SOA, Safe Operating Area; RSOA, Revers Bias Safe Operating Area). Zum Schutz des Frequenzumrichters 7 wird dann Überspannungsschutz 5.5.1 gestartet mit dem Ziel, den Frequenzumrichters 7 per Abschaltung des Hauptschalters 2 zu trennen.

UL5 - UL6 - Nicht erlaubter Sicherheitsbereich für den DC-Zwischenkreis 7.3 und d elektronischen Schalter. Erfolgt ein Schaltvorgang in diesem Bereich, oder liegt der D⁽ Zwischenkreis 7.3 innerhalb dieser Spannung, sind noch keine Schäden zu erwarten.

UL6 - UL7 - Zerstörungsbereich des Frequenzumrichters 7. Sowohl der DC-Zwischenkreis 7.3 wird ausserhalb der Spezifikation betrieben (Überspannung) als auch -falls die elektronischen Schalter schalten- die Sperrspannung der elektronischen Schalter bzw. deren Betriebsgrenzen (SOA, Safe Operating Area; RSOA, Revers Bias Safe Operating Area) werden überschritten, falls diese aktiv schalten.

Fig. 3 zeigt die Stromverläufe der Ströme in den netzseitigen Gleichrichter 5.1 zum Stromnetz 1 und in den rotorseitigen Gleichrichter 5.5.3: A - Vorladung der Vorladeeinheit 6 bis ca. UL1 .

B - Überstrom in der Rotorwicklung 4.2 wegen Spannungseinbruch im Stromnetz 1 (Rotorüberstrom). Der Brems-Chopper 5.5.2 wird durch die CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 gestartet und die Spannung an der Rotorwicklung zwischen UL1 und UL2 gehalten, damit kein Strom mehr in die Rotorwicklung 4.2 fliessen kann. C - Anregungszeitpunkt des Blindstromes durch den netzseitigen Umrichter 7.1 zur Netzunterstützung während eines Einbruchs der Netzspannung. Der netzseitigen Umrichter 7.1 sendet den Strom in den Netzfehler stromgesteuert hinein.

D - Brems-Chopper 5.5.2 durch wird CPU Steuereinheit 1 0 wegen Überstrom in der Stator- bzw. Rotorwicklung 4. 1 , 4.2 eingeschaltet. Der rotorseitige Strom wird via die Schwelle UL1 -UL2 für den Brems-Chopper 5.5.2 auf Null gebracht. Am Stromknoten ist folgendes zu erreichen: IGu = IRu wobei lUu = 0 wird, IGv = IRv wobei lUv = 0 wird und IGw - IRw wobei lUw = 0 wird.

E - Wiederkehr des Stromnetzes 1 nach einem Spannungseinbruch und Durchfahren des Fehlers (fault ride through, FRT)). Das Stromnetz 1 liefert einen Einschaltstrom, der die Gleichstromseite des netzseitigen Gleichrichters 5.1 lädt und den DC-Zwischenkreis 7.3 des Frequenzumrichters 7 ebenfalls auflädt. F - Überspannung am DC-Zwischenkreis 7.3 und gleichstromseitig des netzseitigen Gleichrichters 5.1 -verursacht z.B. durch einen Einschaltstrom des Stromnetzes 1 . Die Steuereinheit 5.2, speziell die Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2, hält mittels einer Spannungsmessung und dem Brems-Chopper 5.5.2 den DC-Zwischenkreis 7.3 im Bereich UL3 - UL4, ohne jegliche Ansteuerung durch die CPU Steuereinheit 1 0.

G - Ende des Einschaltstroms. Im Bereich E-G wird durch den netzseitigen Umrichter 7.1 DC-Zwischenkreis 7.3 geladen. Ebenfalls im Bereich E-G wird über netzseitigen Gleichrichter 5.1 Gleichstromseite der Schutzeinrichtung 5, bzw. des Brems-Choppers 5.5.2 geladen. H - Netzstörung, die sowohl auf der Netzseite als auch auf der Rotorseite eine Über^¬ spannung erzeugt. DC-Zwischenkreis 7.3 wird geladen. Ebenfalls wird über netzseitigen Gleichrichter 5.1 Gleichstromseite der Schutzeinrichtung 5, bzw. des Brems-Choppers 5.5.2 geladen.

I - Automatischer Brems-Chopper Einschaltpunkt der Schutzeinrichtung 5.5.2. Der Strom durch den Brems-Chopper stoppt den Spannungsanstieg nicht. Das hat zur Folge, dass die Einschaltschwelle des Überspannungsschutzes 5.5. 1 im Punkt J erreicht wird.

J - Schaltschwelle des Überspannungsschutzes 5.5. 1 . Da die beiden Gleichstromzweige im Frequenzumrichter 7 und der Schutzeinrichtung 5 eine Spannung grösser UL5 er^¬ reichen wird mittels der Überspannungsschutzsteuerung 5.2.1 der Überspannungs- schütz 5.5.1 gezündet. Das erzeugt netzseitigen Gleichrichter 5.1 sehr hohe Ströme ICu; ICv; ICw. Diese grossen Überströme lösen via lu; Iv und Iw eine Überstromabschaltung im Hauptschalter 2.

IL0-IL1 - Erlaubter Strom durch den Frequenzumrichter 7. IL1 -IL2 - Nicht erlaubter Bereich für den Frequenzumrichter 7. Der Spannungsbegrenzer realisiert diesen Bereich.

In den Fig. 4 - 1 0 sind möglich Ausführungsformen für die Zwischenkreisverbindung 5.3 und den gedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 nicht abschliessend zusammengestellt: Wie alle Fig. 4- 1 0 erhellen, umfasst der gedämpfte DC-Zwischenkreis 5.4 in einer Reihenschaltung entweder einen Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und eine Spule als Zwi- schenkreisdämpfungsglied 5.4.2 oder einen Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und einen Widerstand als Zwischenkreisdämpfungsglied 5.4.2.

Die Zwischenkreisverbindung 5.3 kann in beiden Verbindungszweigen Dioden und Wi- derstände umfassen, siehe Fig. 4, oder eine direkte Verbindung im ersten Verbindungszweig und eine Diode und eine Widerstand im zweiten Verbindungszweig aufweisen, siehe Fig. 5; des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass keine Zwischenkreisverbindung 5.3 installierbar ist, siehe Fig. 6; ferner ist denkbar, dass die Zwischenkreisverbindung 5.3 lediglich in einem Verbindungszweig einen Widerstand aufweist, siehe Fig. 7 oder in bei- den Verbindungszweigen jeweils einen Widerstand, siehe Fig. 8; zudem ist eine direkte Verbindung in einem Verbindungszweig denkbar, während der andere Verbindungszweig einen elektronischen Schalter mit nachgeschaltetem Widerstand oder Spule umfasst, siehe Fig. 9; Fig. 1 0 zeigt eine direkte Verbindung beider Verbindungszweige.

Die vorangegangenen Erläuterungen beziehen sich grösstenteils auf bestimmte Ausfüh- rungsformen der Erfindung, was keine Einschränkung im Sinne des Inhalts der Erfindung darstellt. Es wird für eine entsprechend befähigte Person nachvollziehbar sein, dass die vorgeschlagenen Lösungen auf weitere gerätetechnische Anordnungen übertragbar sind. Speziell ist die Anwendung nicht auf doppelt gespeiste Asynchronmaschinen oder Schleifringläufermaschinen beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle mehrphasigen Maschinen, die mit einer Wicklung direkt ans Netz gekoppelt sind und wenigstens eine weitere nach aussen zugängliche Wicklung aufweisen, wie z. B. Kaskadenmaschinen, bürstenlose doppelt gespeiste Maschinen oder doppelt gespeiste Reluktanzmaschinen. Bezugszeichenliste

1 Stromnetz

2 Hauptschalter

3 Statortrenner

4 Generator

4.1 Statorwicklung

4.2 Rotorwicklung

4.3 Schleifringkontakte

5 Schutzeinrichtung

5.1 netzseitiger Gleichrichter

5.2 Steuereinheit

5.2.1 Überspannungsschutzsteuerung

5.2.2 Brems-Chopper-Steuerung

5.3 Zwischenkreisverbindung

5.4 bedampfter DC-Zwischenkreis

5.4.1 Zwischenkreiskondensator

5.4.2 Zwischenkreisdämpfungsglied

5.5 Rotorschutzeinrichtung

5.5.1 Überspannungsschutz

5.5.2 Brems-Chopper

5.5.3 rotorseitiger Gleichrichter

6 Vorladeeinheit

7 Frequenzumrichter

7.1 netzseitiger Umrichter

7.2 maschinenseitiger Umrichter

7.3 DC-Zwischenkreis

8 Schütz

9 Netzdrossel

1 0 CPU Steuereinheit

1 1 Rotordrossel

Claims

Patentansprüche

1. Schutzeinrichtung (5) für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit einer Statorwicklung (4.1 ) und einer Rotorwicklung (4.2), welche Rotorwicklung (4.2) mit einem Frequenzumrichter (7) verbunden ist, umfassend einen maschi- nenseitigen Umrichter (7.2) und einen netzseitigen Umrichter (7. 1 ) mit einem zwischengeschaltetem DC-Zwischenkreis (7.3 ), wobei der netzseitige Umrichter (7.1 ) über einen Hauptschalter (2) mit einem Stromnetz ( 1 ) und mit der Statorwicklung (4.1 ) verbunden ist und wobei die Rotorwicklung (4.2) mit einer Rotorschutzeinrichtung (5.5) der Schutzeinrichtung ( 5) verbunden ist und diese Rotorschutzeinrichtung ( 5.5 ) einen rotorseitigen Gleichrichter ( 5.5.3 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5) zudem einen netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) aufweist, der einerseits über den Hauptschalter (2) mit dem Stromnetz ( 1 ) verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ).

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen Brems-Chopper (5.5.2) umfasst.

3. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen Überspannungsschutz ( 5.5. 1 ) umfasst.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung ( 5) femer eine Steuereinheit ( 5.2) für den Überspannungsschutz (5.5.1 ) und den Brems-Chopper (5.5.2) umfasst.

5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5.2) eine Überspannungsschutzsteuerung ( 5.2.1 ) und eine Brems-Chopper- Steuerung (5.2.2) umfasst.

6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem netzseitigen und dem rotorseitigen Gleichrichter ( 5.1 , 5.5.3) ein bedampfter DC-Zwischenkreis ( 5.4) angeordnet ist, der einen Zwi- schenkreiskondensator (5.4. 1 ) und ein Zwischenkreisdämpfungsglied ( 5.4.2) umfasst.

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bedämpfte Zwischenkreis ( 5.4) einen Widerstand und einen Kondensator umfasst, oder eine Spule und einen Kondensator.

8. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Zwischenkreis (7.3 ) über eine Zwischenkreisverbindung (5.3) mit der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ) verbunden ist.

9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisverbindung (5.3 ) in ihren beiden Verbindungszweigen Widerstände aufweist, oder eine Kombination aus Widerständen und Dioden, oder lediglich in einem Zweig einen Widerstand, eine Kombination aus einem Widerstand und einer Diode, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischem Schalter und einer Drossel, oder eine Kombination aus einer Diode, einem IGBT und einem Widerstand umfasst. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung (5 ) für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit einer Statorwicklung (4.1 ) und einer Rotorwicklung (4.2), welche Rotorwicklung (4.2) mit einem Frequenzumrichter (7) verbunden ist, umfassend einen maschinenseitigen Umrichter (7.2) und einen netzseitigen Umrichter (7.1 ) mit einem zwischengeschaltetem DC-Zwischenkreis (7.3), wobei der netzseitige Umrichter (7. 1 ) über einen Hauptschalter (2) mit einem Stromnetz ( 1 ) und mit der Statorwicklung (4.1 ) verbunden ist und wobei die Rotorwicklung (4.2) mit einer Rotorschutzeinrichtung (5.5 ) der Schutzeinrichtung ( 5) verbunden ist und diese Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung ( 5 ) zudem über einen netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) verfügt, der einerseits über den Hauptschalter (2) mit dem Stromnetz ( 1 ) verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3 ) und mit diesem netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz ( 1 ) und/oder der Statorwicklung (4.1 ) vom netzseitigen Umrichter (7. 1 ) ableitet und diese Energiebzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung (5) abgebaut werden.

Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung (5 ) über einen Brems-Chopper (5.5.2) und/oder einem Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis ( 5.4) zwischen dem netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) und dem rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3) abgebaut werden.

Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Zwischenkreisverbindung (5.3 ) zwischen dem DC- Zwischenkreis (7.3 ) und der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3 ) Energie- bzw. Spannungsstösse im DC-Zwischenkreis (7.3) zu dieser Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3) umgeleitet und abgebaut werden.

Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 oder 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zünden eines Überspannungsschutzes (5.5. 1 ) zwischen dem netzseitigen Gleichrichter (5. 1 ) und dem rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3) ein niederohmiger Strompfad entsteht, der den Hauptschalter (2) auslöst.

14. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5) mittels einer Steuereinheit (5.2) betrieben wird.

15. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ) der Brems-Chopper ( 5.5.2) und/oder der Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) aktiviert werden. 16. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3) der Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) den Hauptschalter (2) auslöst.

17. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5 ) durch eine Steuereinheit (5.2) in

Verbindung mit einer CPU Steuereinheit ( 1 0) des Frequenzumrichters (7) betrieben wird.

18. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überstrom in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2) und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis (7.3) der Brems- Chopper (5.5.2) und/oder der Überspannungsschutz (5.5.1 ) aktiviert werden. 19. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überstrom in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2 ) und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis (7.3) der Überspannungsschutz (5.5.1 ) den Hauptschalter (2) auslöst.