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Dokumentenidentifikation DE102007043123A1 02.04.2009
Titel Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb und Vorrichtung
Anmelder Prof. Dr. Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbR (vertretungsberechtigte Gesellschafter: Prof. Dr. Klaus Lehmann, 91315 Höchstadt;
Peter Kartmann, 91080 Uttenreuth), 91080 Uttenreuth, DE
Erfinder Lehmann, Klaus, Prof. Dr.-Ing., 91315 Höchstadt, DE;
Wolpert, Christof, Dipl.-Phys., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 05.09.2007
DE-Aktenzeichen 102007043123
Offenlegungstag 02.04.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.04.2009
IPC-Hauptklasse H02P 9/46(2006.01)A, F, I, 20070905, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02J 3/14(2006.01)A, L, I, 20070905, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb in einem Inselnetz, wobei eine für die Erregung notwendige Blindstromerzeugung mit nicht-variablen Kondensatoren auf maximale Wirkleistung der Asynchronmaschine vorgenommen wird und dass die im Inselnetz nicht abnehmbare Leistung über einen dreiphasigen Regler-Lastverteiler nach dem Vollwellenprinzip in ein ohmsches Bremsnetz geleitet wird, wobei bei dem Vollwellenprinzip ausschließlich Strompakete mit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden im Bremsnetz verwendet werden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens, mit dem mit einem neuartigen einfachen Regel- und Leistungsverteilungssystem eine Drehstrom-Asynchronmaschine im Inselbetrieb generatorisch erregt wird, wobei nach Einstellung der Systemparameter auch bei wechselnder Last der einzelnen Stränge die drei Strangspannungen nahezu konstant, d. h. in einem ±5% breitem Toleranzband um die eingestellte Nennspannung bleiben. Dabei können die einzelnen Stränge auch zusätzliche kapazitive und/oder induktive Lastströme liefern.

Durch den Einsatz von Mini-Blockheizkraftwerken in Haushalten und kleinen Industriebetrieben zu besseren Nutzung primärer Energieträger wie Öl und Gas und zur Verminderung des CO2-Ausstoßes eignet sich die Erfindung und das Verfahren besonders wegen seiner Einfachheit, solche Blockheizkraftwerke bei Netzstromausfall (also im Inselbetrieb) zur eigenen Stromversorgung einzusetzen.

Diese Möglichkeit wird zukünftig steigende Bedeutung haben, da die unterbrechungsfreie Stromversorgung in Deutschland und darüber hinaus in Europa nicht mehr gesichert erscheint.

Es gibt zur Zeit in der Bundesrepublik Deutschland ca. 15.000 installierte Mini-Blockheizkraftwerke des Typs „Dachs" der Firma SenerTec Kraft-Wärme-Energiesysteme GmbH, die aus primärer Energie (Heizöl, Gas, Pflanzenöl) etwa 30–35% der Gesamtenergie in Strom umwandeln, der ins öffentliche Netz geliefert und/oder selbst verbraucht werden kann. Etwa 60% der Gesamtenergie wird dabei in Wärme umgesetzt und vorwiegend zu Heizzwecken verwendet. Dieses System erzeugt etwa 5 bis 5,4 kW elektrische Leistung (Drehstromsystem) und 12 bis 14 kW thermische Leistung.

Andere Anbieter aus Europa mit bis zur doppelten Gesamtleistung drängen in den Markt.

Bei diesen sogenannten Mini-Blockheizkraftwerken zur Ausführung der Kraft-Wärme-Kopplung werden meist Drehstromasynchronmaschinen eingesetzt, weil sich bei diesen die Netzaufschaltung für den Normalfall (öffentliches Netz vorhanden) sehr viel einfacher gegenüber des Einsatzes einer Synchronmaschine ausführen lässt.

Soll nun eine Asynchronmaschine im Inselbetrieb, d. h. nach Wegfall der Führung durch das öffentliche Netz, einigermaßen spannungskonstant als Generator arbeiten, so sind aufwändige und teuere Regelverfahren zur Bereitstellung der variablen kapazitiven Blindleistung und zur Spannungsregelung erforderlich, s. die einschlägigen Fachbücher, z. B. F. Moeller/P.Vaske „Elektrische Maschinen und Umformer", BG Teubner Verlag, Stuttgart, 10. Auflage, 1966, Seiten 111 bis 124 .

Einen einfachen Einsatz eines neuartigen Regelverfahrens zeigt die Veröffentlichung von Prof. Dr. Küppers „Spannungsregelung für Drehstromasynchrongenerator im Inselbetrieb" in „Hochschulen in Nordrhein-Westfalen" auf.

Ausgegangen wird von diesem Verfahren, welches zunächst theoretisch und dann prototypisch untersucht wurde. Die dabei offenbar gewordenen Nachteile wurden durch die dieser Erfindung zugrundeliegenden Idee verbessert bzw. ersetzt.

Die auf einem Prüfstand untersuchte Maschine, eine 5,5 kW Asynchronmaschine zeigte bei Implementierung einer Halbwellenansteuerung der Leistungselektronik (Verfahren nach Prof. Küppers) ein sehr unrundes Laufverhalten bei wechselnder Last. Außerdem konnte bei totaler Netzentlastung des Inselnetzes die volle elektrisch verfügbare Leistung nicht erzeugt werden. Das unrunde Laufverhalten ist durch das ungünstige spektrale Verhalten durch einzelne Stromhalbwellen begründet.

Um dies detaillierter zu erläutern, wird in 1 das Fourierspektrum einer einzelnen Sinusstromwelle dargestellt. Diese wird mit 500 Stützwerten, entspricht 10 ms, (eine Halbwelle einer 50 Hz-Sinusschwingung) repräsentiert. Durch den Einsatz der DFT (diskrete Fouriertransformation) ist links und rechts „Zero-Padding" mit je 10.000 Werten ausgeführt worden, um eine Periodisierung der transformierten Zeitfunktion zu vermeiden. Die transformierten 20.500 Punkte entsprechen somit einer Länge von T = 0,41 sec. Der Kehrwert bestimmt die Frequenzauflösung, hier

Im Spektrum wird also auf der Abzisse der Bereich von 0 ≤ f ≤ 488 Hz dargestellt.

Bei Betrachtung des Spektrums für eine Halbwellenansteuerung wird das unrunde Laufverhalten des Generators offenbar.

  • 1. Im Spektrum und damit im erzeugten Drehstromsystem entsteht eine erhebliche Gleich-Komponente (f = 0 Hz)
  • 2. Es werden nur die 3. (f = 150 Hz), 5. (250 Hz), 7. (350 Hz), 9. (450 Hz), also alle ungeradzahligen Oberwellen, unterdrückt, dazwischen liegende Frequenzen, die durch das statistisch schwankend belastete Inselnetz zu einem statistisch wechselnden Auftreten von einzelnen Halbwellen führen, belasten den Generator durch den hohen möglichen Oberwellengehalt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Ansteuerungsform für den Leistungsteil des Reglers zu finden. Eine Phasenanschnittsteuerung kommt wegen der entstehenden Umweltbelastung durch hochfrequente Störstrahlung nicht in Betracht. Das Reglerprinzip, der Algorithmus, soll einfach bleiben und es soll sowohl eine Realisierung mit analogen Schaltkreisen für kleine Fertigungsstückzahlen, als auch eine vorwiegend digitale Ausführungsform (hohe Stückzahlen) möglich sein.

Diese Grundforderungen werden durch das neue erfindungsgemäße Verfahren erfüllt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb in einem Inselnetz, wobei eine für die Erregung notwendige Blindstromerzeugung mit nicht-variablen Kondensatoren auf maximale Wirkleistung der Asynchronmaschine vorgenommen wird und dass die im Inselnetz nicht abnehmbare Leistung über einen dreiphasigen Regler-Lastverteiler nach dem Vollwellenprinzip in ein ohmsches Bremsnetz geleitet wird, wobei bei dem Vollwellenprinzip ausschließlich Strompakete mit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden im Bremsnetz verwendet werden, so dass die entstehende Störstrahlung minimal wird, alle ganzzahligen Vielfachen der Inselnetzfrequenz unterdrückt werden und durch das Schaltprinzip des Reglers zusätzliche kapazitive Blindleistung zur Spannungsstablisierung der Generatorspannungen entsteht.

In der vorliegenden Erfindung wird statt einer Halbwellenansteuerung für den Leistungsteil eine Vollwellensteuerung spektral untersucht und dargestellt. Eine Periode einer 50 Hz-Sinusschwingung wird über 1000 Punkte mit je 10.000 Punkten links bzw. rechts von dem Nutzsignal (Zero-Padding) transformiert. Die Transformationslänge ist jetzt 21.000 × 20 &mgr;s = 0,42 sec. Damit ergibt sich die Frequenzauflösung zu

Die Frequenzachse des Spektrums läuft jetzt im Bereich 0 ≤ f ≤ 476,2 Hz, s. 2. Im Vergleich zur 1 (Halbwellensteuerung) ergeben sich durch das erfindungsgemäße Verfahren die folgenden Vorteile:
  • 1. Das Spektrum enthält keinen Gleichanteil
  • 2. Bei der Nutzfrequenz f = 50 Hz hat der spektrale Verlauf das Maximum
  • 3. Es werden alle ganzzahlig Vielfache der Oberwellen vollständig unterdrückt (Nullstellen im Spektrum).

Eine beispielhafte Ausführung für die Gesamtanordnung der Erfindung ist in 3 dargestellt. Der von einem Motor M, z. B. einem Verbrennungsmotor mit Öl oder Gas, angetriebene Generator G für den Inselbetrieb wird in Sternschaltung, z. B. 230/400 V, mit drei leicht zu berechnenden Kondensatoren C auf die volle abgebbare Wirkleistung PW projektiert.

Für den Fall des Generators aus dem „Dachs" ergibt sich für die Wirkleistung PW bzw. die Blindleistung Pb: Pw = 5,4 kW; Ph ≈ 2,5 kVAr. Das bedeutet für 3 Kondensatoren mit je C ≈ 16,5 &mgr;F und einer Belastung mit Pw ≈ 5,4 kW stellen sich die Strangspannungen auf etwa je 230 Volt ein. Bei einer höherer Belastung fällt die jeweilige Strangspannung (dies ist allerdings nur kurzzeitig erlaubt); bei ganz geringer Belastung steigt die jeweilige Strangspannung um Zehner-Prozente und führt die Maschine in die Sättigung. Da man nun nicht vorhersagen kann, wie im Inselbetrieb die interne Netzbelastung sein wird, muss der 3-phasige Regler und Lastverteiler die jeweils nicht im Inselnetz verbrauchte Leistung abnehmen, und zwar so, dass die blindstromerzeugenden Kapazitäten C nicht verändert werden, d. h. die Summenwirkleistung des Generators bleibt konstant.

Die vom Regler-Lastverteiler weitergeleitete Wirkleistung wird in den 3 Widerständen R1, R2, R3 in Wärme umgesetzt. Diese soll aber nicht nutzlos an die Umgebung abgegeben werden, sondern kann dazu verwendet werden, einen Boiler zur hausinternen Warmwasserbereitung aufheizen.

Bei Vorhandensein einer Solaranlage, gegebenenfalls mit Heizungsunterstützung oder bei einem installiertem Mini-Block-Heizkraftwerk, welches ebenfalls einen Pufferspeicher besitzen muss, kann leicht durch Einschraub-Heizkörper die entstehende Wärme der Warmwasserbereitung und/oder der Hausheizung zugeführt werden.

Eine Ausführungsform des 3-phasige Regler-Lastverteilers ist detaillierter in 4 dargestellt. Die in 4 links oben für die Phase L1 gezeigte Blockschaltbild-Struktur muss für jede Phase identisch aufgebaut werden, die darunter gezeigte Anordnung, gespeist aus einer beliebigen Phase Lv, dient zur Erzeugung einer genauen Referenzspannung, wobei diese konstant bleiben muss, auch wenn Lv, um ±10% schwankt.

Außerdem kann über den unteren Zweig in 4 die Niedervolt-Spannungsversorgung für die Elektronik-Bauteile des 3-phasigen Reglers vorgenommen werden.

Die 4 und 5 zeigen durch eine Blockschaltbilddarstellung (4) und ein Zeitdiagramm (5) beispielhaft die vorwiegend analoge Realisierung des 3-phasigen Reglers und Lastverteilers. Es wird die Funktion für kurze Lastschwankungen im Verbraucher-Inselnetz bezüglich der Phase L1 erklärt.

Die von Periode zu Periode beispielhaft angenommene Spannungsschwankung (1. Periode zu geringe Lastentnahme auf L1 vom Verbrauchernetz) wird durch einen kapazitiven Phasenschieber und einen geeignet bemessenen Kleintransformator in den Niedervolt-Bereich abgebildet und einer Einweggleichrichtung unterworfen (s. 4 und Zeilen a) und b) in 5).

Eine Parametrierung des Potentiometers P1 (Ist-Amplitude von UL1) und des Potentiometers Pref (Soll-Amplitude von Uref, proportional zur gewünschten Maximalleistung) führt nun nach Vergleich im Komparator zu einem Impuls (siehe Zeile c) in 5), der kurz vor dem Maximum der gleichgerichteten Spannung (siehe Zeile b) in 5) positiv und kurz nach dem Maximum derselben Spannung wieder 0 wird. Der Wechsel auf „positiv" liegt somit kurz vor dem Nulldurchgang der zu beeinflussende Spannung UL1.

Mit einem Monoflop, s. 4, wird dieser Impuls verlängert, praktisch etwa auf 90% einer Periodendauer von UL1, d. h. der erzeugte Impuls (s. Zeile d) in 5) endet vor dem positiven Nulldurchgang der zweiten Periode von UL1.

Der nachfolgende Verstärker mit dem Reihenwiderstand in 4 bestimmt den nötigen Steuerstrom für die LED im Nullspannungsschalter der 4. L1 wird für die Dauer einer Vollwelle auf den Bremswiderstand RBrems geschaltet und übernimmt somit die nicht in dieser Phase L1 vom Verbrauchernetz abgeforderte Leistung.

In der nächsten Periode der Zeile a) in 5 tritt nun beispielhaft eine zusätzliche Belastung von L1 im Verbrauchernetz auf; die Spannung UL1 vermindert sich so, dass UL1max < Uref, (s. Zeile b) in 5) ist. Damit wird während dieser Periode keine Energie in den zugehörigen Bremswiderstand gefahren (s. Zeile e) in 5).

In der dritten Periode (s. Zeile a) in 5) findet beispielhaft wieder eine starke Entlastung des Verbrauchernetztes auf L1 statt, sodass wieder eine Vollwelle des Stromes für den zugehörigen Bremswiderstand erzeugt wird.

Wie vorher schon erwähnt, ist es erforderlich, einen Regler-Lastverteiler für jede Phase des Drehstromnetzes aufzubauen. Mit einer Reglerplatine dieser Art lässt sich z. B. mit dem in 4 erwähnten Nullspannungsschalter je Phase etwa 16 A schalten.

Für die prototypisch untersuchten Asynchronmaschinen im 5 kW-Bereich fließen aber maximal etwa 8 A pro Phase in die Bremswiderstände. Der prototypisch realisierte Aufbau gestattet durch die vorliegende Erfindung also schon jetzt, Maschinen bis über 10 kW entsprechend spannungskonstant für ein Inselnetz zu regeln. Mit der gleichen Reglerplatine (analog oder digital realisiert) lassen sich aber durch einen weiteren erfindungsgemäßen Vorteil auch noch größere Leistungen verteilen.

Wenn der Verstärker für die LED-Ansteuerung des Nullspannungsschalters in 4 etwa 12 V Ausgangsspannung besitzt, so können etwa 8 Nullspannungsschalter pro Phase durch Verkleinern von R zu R' (s. 6, die eine alternative Ausführung des in 4 gezeigten Nullspannungsschalters zeigt) ansteuerungsmäßig in Reihe geschaltet werden. Der Leistungsteil wird parallel geschaltet. Damit kommt man in höhere Bereiche (60–80 kW) für die maximale Leistung, die nach dem geschilderten Prinzip näherungsweise spannungskonstant geregelt werden kann.

Damit ist es über den Einsatz von Mini-Blockheizkraftwerken hinaus auch möglich, Asynchronmaschinen von kleinen Wasserkraftwerken im Inselbetrieb als elektrische Leistungserzeuger zu verwenden. Außerdem kann eine Asynchronmaschine mit dem beschriebenen Regler-Lastverteiler im Inselbetrieb dazu verwendet werden, das „Führungsnetz” bei Netzausfall für mehrere einphasige Fotovoltaik-Anlagen zu übernehmen. In diesem Fall findet eine Leistungserhöhung, und zwar echt dreiphasig, für ein hausinternes Netz statt.

So wird beispielsweise bei Vorhandensein eines 5,4 kW Blockheizkraftwerkes und drei einphasigen Fotovoltaik-Strängen mit etwa je 2 kW-Strangleistung der Aufbau eines echten Drehstromnetzes mit je 3,8 kW-Strangleistung möglich, wobei die üblichen Hausinstallationsleitungen mit Mindestquerschnitten von 1,6 mm2 ohne Einschränkungen eingesetzt werden können.

Der Nachweis der Funktionsfähigkeit des einfachen neuen Regler-Lastverteilerkonzeptes wurde entsprechend der 3 und einem vorwiegend analog aufgebauten Regler, wie in 4 gezeigt, auf einem professionellen Prüfstand mit zwei unterschiedlichen Asynchronmaschinen etwa gleicher Leistungsklasse erbracht. Bei den zunächst ausführlicher behandelten Messungen wurde eine Maschine mit 5,4 kW Nennleistung und Kupfer-Kurzschlussläufer eingesetzt, wie sie auch im Blockheizkraftwerk „Dachs" verwendet wird. Der Antrieb erfolgte über einen 14 kW geregelten Motor (z. B. von Siemens), zunächst mit konstanter Drehzahl n = 3000 min–1.

Zur Erregung auf Nennleistung und Nennspannung sind drei im Dreieck geschaltete Kondensatoren von je C = 16,5 &mgr;F erforderlich. Das Bremsnetz bestand aus drei ohmschen Widerstanden, in Stern geschaltet, von je R = 26,6 &OHgr;. Dieser Wert entspricht dem Strangwiderstand eines 6 kW-Einschraubheizkörpers für einen Schichten-Standspeicher, wie er bei üblichen Solaranlagen zum Einsatz kommen kann.

In 7 ist für wechselnde ohmsche Belastungen des Inselnetzes über dem Summen-Strangstrom eben dieses Netzes die gesamte summierte Scheinleistung des Generators PSGen, die gesamte summierte abgegebene Wirkleistung des Generators PWGen und die in das aufgebaute Inselnetz abgegebene Wirkleistung

dargestellt.

Die einzelnen Strangwerte des Inselnetzes sind für die Phasen L1, L2 und L3 im unteren Teil der 7 für wechselnde Phasenbelastungen (Leistung) und im oberen Teil für die sich einstellende Strangspannungen dargestellt. Im gesamten Lastbereich wird die gestellte Forderung nach näherungsweise konstanter Spannung (±5% von 230 V aus) erfüllt.

Die Differenzleistung zwischen PWGen und PWL vom Regler-Lastverteiler wird automatisch in den Bremswiderständen in Wärme umgesetzt, zum Beispiel für Brauchwasser und/oder Heizungsunterstützung. Die sie durchfließenden Ströme sind einzelne Vollwellenpakete, abhängig von der Belastung des Inselnetzes. Die Gesamtanordnung der Systemkomponenten ist damit dynamisch stabil.

Die Vollwellen-Paketsteuerung hat neben den schon beschriebenen günstigen Spektraleigenschaften einen weiteren erfindungsgemäßen Vorteil: der Regler wirkt wie ein Schaltregler. Dieses Prinzip wird bei Computer, Fernsehgeräten, modernen Ladegeräten eingesetzt, es belastet das Netz kapazitiv. In diesem Fall wird also in Abhängigkeit der Belastung zusätzlich kapazitiver Strom in den Generator gespeist, der zur weiteren Stabilisierung der Spannungen beiträgt.

Werden bei der erfindungsgemäßen Lösung die Kompensations-Kapazitäten symmetrisch geändert, so erhöhen sich die Spannungen im Inselnetz.

Bei zusätzlicher wechselnder Belastung vom Inselnetz mit ∑PwLv sind die Strangspannungen über der Variation der Kapazitäten sehr gut konstant, allerdings im Mittel etwa 10 V geringer als bei reiner Belastung (getaktet) durch das Bremsnetz. Eine Spannungserhöhung wäre durch eine Änderung der Referenzspannung Uref am Potentiometer Pref auf der Reglerplatine in 4 leicht möglich, oder man erhöht die Werte für die drei blindstromerzeugenden Kapazitäten.

Neben der rein ohmschen wechselnden Belastung des Inselnetzes können auch Verbraucher mit komplexen Belastungswiderständen vorhanden sein, z. B. Motoren zum Antrieb von Pumpen, Brennern etc. (induktiv) oder/und Geräte mit Schaltnetzteilen und kompensierte Leuchtstofflampen (kapazitiv).

Eine kapazitive Belastung zum Beispiel von nur der Phase L1 mit beispielsweise C = 15 &mgr;F wirkt wie eine zusätzliche Kompensationskapazität von

für das Gesamtsystem und erhöht somit alle Strangspannungen (am meisten UL1). D. h. eine externe belastende kapazitive Last erhöht die Generatorspannungen geringfügig. Eine induktive Belastung des Inselnetzes dagegen wirkt gerade umgekehrt, senkt also die Generatorspannungen geringfügig.

Dabei führen in der erfindungsgemäßen Lösung Blindleistungen von bis zu etwa 600 VAr für induktive Belastung bzw. Blindleistungen von bis etwa 300 VAr für kapazitive Belastungen zu Spannungsänderungen die im tolerierbaren Bereich von ±5% liegen.

Der praktisch interessante Fall ist aber ein mit wesentlichen ohmschen Komponenten gemischter Belastungsfall. In einem solchen Fall bewegen sich die Strangspannungen zwischen etwa 500 VAr induktivem und 500 VAr kapazitivem Anteil bei etwa 3,2 bis 3,8 kW Wirkanteil in tolerierbaren Grenzen von ±5%.

Wenn ein Viertel der ohmschen Last, d. h. etwa 800 W einen induktiven Summenanteil von 500 VAr besitzt, so ergibt sich ein cos&phgr; ≈ 0,85, wie er bei Motoren für Kühlschränke und Heizölbrennerantrieben vorkommt.

Im praktischen Betrieb, z. B. bei einem Mini-Blockheizkraftwerk, wird die Antriebsdrehzahl bei wechselnder Last nicht konstant bleiben. Doch selbst bei einer Drehzahlschwankung des Motors von etwa ±3% bis ±3,33% bleiben die Spannungen in der erfindungsgemäßen Lösung im tolerierbaren Bereich von ±5%.

Zusätzlich zu den geschilderten Untersuchungen wurde eine andere Asynchronmaschine mit Aluminium-Käfigläufer und P = 5,5 kW untersucht. Für diese Maschine war für die Blindstromerzeugung etwa die dreifache Außenleiterkapazität, d. h. C = 47 &mgr;F erforderlich. Auch in diesem Fall führt die erfindungsgemäße Lösung dazu, dass auch hier durch wechselnde Belastung des erzeugten Inselnetzes die einzelnen Strangspannungen in einem ±5% breiten Toleranzfeld verlaufen. Damit ist das erfindungsgemäß einfache Regler-Lastverteiler-Prinzip zusätzlich als funktionsfähig bestätigt worden.

Für einen industriellen Einsatz des Regler-Lastverteilers empfiehlt sich eine Lösung, bei der möglichst viele Module digital ausgeführt werden, wobei durch Einsatz eines einfachen Mikrocontrollers auch Parameteränderungen für verschiedene Betriebseinsätze besonders einfach werden.

In der 8 ist ein beispielhafter Vorschlag für eine weitgehende Digitalisierung gezeigt. Die im oberen Teil detaillierter gezeichnete Blockschaltbildstruktur muss für jede Phase des Drehstromsystems, also 3 mal, aufgebaut werden. Die im unteren Teil dargestellte Anordnung, gespeist über eine beliebige Phase des Inselnetzes, erzeugt einmal eine präzise einstellbare Gleichspannung. Sie dient nach Digitalisierung mit ADC4 (ADC = Analog Digital Converter) als (variable) Referenzspannung für die drei digitalen Komparatoren. Weiterhin wird aus dem unteren Teil über einen handelsüblichen Spannungsregler (z. B. 12 V und/oder 5 V) die Spannungsversorgung der Elektronik vorgenommen.

Die einzelnen Regler für L1, L2 und L3 besitzen zunächst am Eingang zur Speisung der Kleintransformatoren je eine Kapazität von C = 65 nF.

Diese sorgt für eine Phasenverschiebung des Stromes von etwa 82°. Der jeweilige Kleintrafo bildet die Ist-Amplitudenwerte des Inselnetzes im Niederspannungsbereich ab, wobei durch die Diode nur positive Halbwellen, zur Kalibrierung einstellbar über das Potentiometer P1, weiterverarbeitet werden. Vor der Digitalisierung sorgt der Tiefpass als Anti-Aliasing-Filter dafür, dass eventuell vorhandene hochfrequente Störungen das Stellsignal nicht verfälschen. Die ADC's 1 bis 3 versorgen digitale Komparatoren, welche die in den Niederspannungsbereich abgebildeten Ist-Amplituden mit der digitalisierten Referenzspannung vergleichen. Der nachfolgende digitale Kurzzeitintegrator verlängert die vom Komparator gelieferten Ergebnisse (Zahlen) zeitlich auf knapp eine Periode der Inselnetzfrequenz. Mit dem DAC1 (bis DAC3) werden wieder analoge Werte erzeugt, die über einen nachfolgenden Verstärker mit dem Strombegrenzungswiderstand R die Schaltgates nach dem Vollwellenprinzip für die Nullspannungsschalter zur Verfügung stellen, siehe auch 4.

Bei Implementierung von 4 parallelen ADC's kann die Taktzeit TA im Bereich von 1 bis 5 ms liegen, wird ein mehrkanalig gemultiplexter ADC eingesetzt, so muss TA deutlich unter 1 ms liegen, da sonst die Schaltschwellen in den einzelnen Phasen zueinander zu stark verfälscht werden. Eventuell kann nach der Analog-Digitalwandlung eine Dezimation der Abtastwerte vorgenommen werden, dadurch wird Rechenzeit gespart und es ist dann TA* (Takt für die DAC's) größer als TA.

Der digitale Vergleich (Komparator) und die digitale Kurzzeitintegration ist durch ein Software-Programm auf einen Mikrocontroller zu realisieren. Eventuelle Parametrierungen können z. B. über eine Bluetooth-Funkverbindung oder eine andere bekannte Funkverbindung ferngesteuert vorgenommen bzw. verändert werden. Alternativ kann die Fernsteuerung über eine Drahtverbindung erfolgen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • - F. Moeller/P.Vaske „Elektrische Maschinen und Umformer", BG Teubner Verlag, Stuttgart, 10. Auflage, 1966, Seiten 111 bis 124 [0007]


Anspruch[de]
Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb in einem Inselnetz, wobei eine für die Erregung notwendige Blindstromerzeugung mit nicht-variablen Kondensatoren auf maximale Wirkleistung der Asynchronmaschine vorgenommen wird und dass die im Inselnetz nicht abnehmbare Leistung über einen dreiphasigen Regler-Lastverteiler nach dem Vollwellenprinzip in ein ohmsches Bremsnetz geleitet wird, wobei bei dem Vollwellenprinzip ausschließlich Strompakete mit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden im Bremsnetz verwendet werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bremsnetz entstehende Wärme zur Aufheizung eines Speichers oder Boilers verwendet wird, insbesondere zur Warmwasserbereitung und/oder zur Heizungsunterstützung. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch angepaßte Parametrierung des Reglers oder der Reglerplatine Spannungsschwankungen bei wechselnder Last im Inselnetz in einem Toleranzbereich von ±5% gehalten werden. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsteil des Reglers oder der Reglerplatine eine Kaskadierung verwendet wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung mittels einer Funk- oder Drahtverbindung ferngesteuert wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aufgebaute Inselnetz bei Ausfall des öffentlichen Netzes verwendet wird, um eine mehrphasige Fotovoltaik-Anlage mit netzgeführten Wechselrichtern anzusteuern. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, welche dazu ausgebildet ist eine für die Erregung notwendige Blindstromerzeugung mit nicht-variablen Kondensatoren auf maximale Wirkleistung der Asynchronmaschine vorzunehmen und die im Inselnetz nicht abnehmbare Leistung über einen dreiphasigen Regler-Lastverteiler nach dem Vollwellenprinzip in ein ohmsches Bremsnetz zu leiten, wobei bei dem Vollwellenprinzip ausschließlich Strompakete mit einer ganzzahligen Anzahl von Perioden im Bremsnetz verwendet werden. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsteil des Reglers oder der Reglerplatine für das Bremsnetz eine Kaskadierung von weiteren Nullspannungsschaltern aufweist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerplatine vorwiegend mit analogen Elementen aufgebaut ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerplatine vorwiegend mit digitalen Elementen aufgebaut ist. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mittels einer Funk- oder Drahtverbindung fernsteuerbar ist. Inselnetz mit Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Vorrichtung eine dreiphasige Fotovoltaik-Anlage mit netzgeführten Wechselrichtern ansteuert und führt, um ein echtes dreiphasiges Inselnetz mit höherer Leistung zu realisieren.






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