DE102007043123A1 - Method for excitation of asynchronous machine for generating isolated operation in isolated network, involves conducting reactive power generation for excitation with non-variable condenser of maximum effective power of asynchronous machine - Google Patents

Method for excitation of asynchronous machine for generating isolated operation in isolated network, involves conducting reactive power generation for excitation with non-variable condenser of maximum effective power of asynchronous machine Download PDF

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Abstract

The method involves conducting reactive power generation for excitation with non-variable condenser of maximum effective power of an asynchronous machine. The power is guided into an ohmic braking network through a three-phase controller power distributor according to the full wave principle. A current packet is used with an integral number of periods in braking network with the full wave principle. An independent claim is included for a device for isolated network for the execution of a method.

Description

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.The The invention relates to a method and an apparatus for execution a procedure with which a novel simple rule and power distribution system, a three-phase asynchronous machine is energized regeneratively in stand-alone operation, whereby after adjustment the system parameters even with changing load of the individual strands the three phase voltages nearly constant, d. H. in one ± 5% wide tolerance band remain around the set nominal voltage. there The individual strands can also be extra provide capacitive and / or inductive load currents.

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.Due to the use of mini cogeneration units in households and small industrial companies to better use of primary energy sources such as oil and gas and to reduce CO 2 emissions, the invention and the method is particularly suitable for its simplicity, such cogeneration plants in case of power failure (ie island operation) to use for their own power supply.

Diese Möglichkeit wird zukünftig steigende Bedeutung haben, da die unterbrechungsfreie Stromversorgung in Deutschland und darüber hinaus in Europa nicht mehr gesichert erscheint.These Possibility will become increasingly important in the future have since the uninterruptible power supply in Germany and moreover, no longer seems secure in Europe.

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.It currently has about 15,000 installed in the Federal Republic of Germany Mini-cogeneration units of the "badger" type from SenerTec Power-Heat-Energy-Systems GmbH, which consists of primary energy (heating oil, gas, vegetable oil) convert about 30-35% of the total energy into electricity that goes public Power supplied and / or self consumed. About 60% The total energy is converted into heat and predominantly used for heating purposes. This system generates about 5 to 5.4 kW electric power (three-phase system) and 12 to 14 kW thermal Power.

Andere Anbieter aus Europa mit bis zur doppelten Gesamtleistung drängen in den Markt.Other Suppliers from Europe are pushing up to twice the overall performance in the market.

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.at these so-called mini cogeneration plants for execution Combined heat and power plants are mostly three-phase asynchronous machines used, because in these the network connection for the Normal case (public network available) much easier opposite to the use of a synchronous machine leaves.

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 .If now an asynchronous machine in isolated operation, ie after elimination of the leadership of the public network, work reasonably constant voltage as a generator, so costly and expensive control method for providing the variable capacitive reactive power and voltage control are required, s. the relevant textbooks, z. B. F. Moeller / P.Vaske "Electrical Machines and Converters", BG Teubner Verlag, Stuttgart, 10th edition, 1966, pages 111 to 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.a simple use of a novel control method shows the publication by Prof. dr. Küppers "voltage regulation for Three-phase asynchronous generator in island operation "in" colleges in North Rhine-Westphalia "on.

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.Went out is determined by this method, which is initially theoretical and then tested prototypically. The disadvantages that have become apparent were improved by the idea underlying this invention or replaced.

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.The Machine tested on a test bench, a 5.5 kW asynchronous machine showed when implementing a half-wave control of the power electronics (According to Prof. Küppers) a very non-round running behavior with changing load. In addition, with total network relief of the Stand-alone grid does not provide full electrical power available be generated. The non-round running behavior is due to the unfavorable spectral behavior caused by individual current half-waves.

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

Figure 00030001
Im Spektrum wird also auf der Abzisse der Bereich von 0 ≤ f ≤ 488 Hz dargestellt.To explain this in more detail, is in 1 the Fourier spectrum of a single sinusoidal current wave is shown. This is represented by 500 reference values, equivalent to 10 ms (one half-wave of a 50 Hz sine wave). By using the DFT (discrete Fourier transformation) zero-padding was executed on the left and right with 10,000 values each in order to avoid periodization of the transformed time function, so that the transformed 20,500 points correspond to a length of T = 0,41 sec. The inverse determines the frequency resolution, here
Figure 00030001
In the spectrum, therefore, the range of 0 ≤ f ≤ 488 Hz is represented on the abscissa.

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.
When considering the spectrum for a half-wave drive, the non-round running behavior of the generator becomes apparent.
  • 1. In the spectrum and thus in the generated three-phase system, a considerable equal component (f = 0 Hz) is produced
  • 2. Only the 3rd (f = 150 Hz), 5th (250 Hz), 7th (350 Hz), 9th (450 Hz), ie all odd-numbered harmonics, are suppressed; statistically unsteadily loaded island grid lead to a statistically changing occurrence of individual half waves, load the generator by the high possible harmonic content.

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.task The invention is a new form of control for the Power section of the controller to find. A phase control comes because of the resulting environmental impact of high-frequency Noise is out of the question. The regulator principle, the Algorithm, should remain simple and it should be both a realization with analog circuits for small lots, as well as a predominantly digital embodiment (high volumes) to be possible.

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.These Basic requirements are met by the new invention Procedure fulfilled. This is a procedure for energizing an asynchronous machine for regenerative Island operation in an island grid, with one for the excitement Necessary reactive power generation with non-variable capacitors to maximum effective power of the asynchronous machine is made and that in the island grid not removable power over a three-phase regulator load distributor according to the full-wave principle is conducted in an ohmic brake network, wherein the full-wave principle only current packets with an integer number be used by periods in the braking network, so that the resulting Interference radiation is minimal, all integer multiples the off-grid frequency can be suppressed and by the Switching principle of the controller additional capacitive reactive power for voltage stabilization of the generator voltages arises.

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 μs = 0,42 sec. Damit ergibt sich die Frequenzauflösung zu

Figure 00040001
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).
In the present invention, instead of a half-wave drive for the power section, a full-wave control is spectrally examined and displayed. One period of a 50 Hz sine wave is transformed over 1000 points with 10,000 points left and right of the payload (zero padding). The transformation length is now 21,000 × 20 μs = 0.42 sec. This results in the frequency resolution too
Figure 00040001
The frequency axis of the spectrum now runs in the range 0 ≤ f ≤ 476.2 Hz, s. 2 , In comparison to 1 (Half-wave control) result by the method according to the invention the following advantages:
  • 1. The spectrum contains no DC component
  • 2. At the frequency f = 50 Hz, the spectral curve has the maximum
  • 3. All integer multiples of the harmonics are completely suppressed (zeros in the spectrum).

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.An exemplary embodiment of the overall arrangement of the invention is shown in FIG 3 shown. The of a motor M, z. As an internal combustion engine with oil or gas, driven generator G for island operation is in star connection, z. B. 230/400 V, projected with three easy-to-calculate capacitors C to the full deliverable active power P W.

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 μF 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.In the case of the generator from the "roof", the effective power P W or the reactive power P b is P w = 5.4 kW, P h ≈ 2.5 kVA r, which means 3 capacitors each with C ≈ 16.5 μF and a load with Pw ≈ 5.4 kW, the phase voltages set to approximately 230 V. At a higher load, the respective line voltage drops (this is only permitted for a short time), but at very low load the respective line voltage increases Since it is not possible to predict what the internal grid load will be in stand-alone operation, the 3-phase controller and load distributor must reduce the power not consumed in the stand-alone grid in such a way that the reactive current generating capacities C are not changed, ie the total active power of the generator remains constant.

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.The forwarded by the regulator load distributor active power is converted into heat in the 3 resistors R 1 , R 2 , R 3 . This should not be given useless to the environment, but can be used to heat a boiler for domestic water heating.

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.at Presence of a solar system, if necessary with heating support or at an installed mini-block heating plant, which also must have a storage tank can easily by screw-in radiator the resulting heat of water heating and / or be supplied to the house heating.

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.An embodiment of the 3-phase regulator load distributor is shown in more detail in FIG 4 shown. In the 4 The block diagram structure shown above for the phase L 1 must be constructed identically for each phase, the arrangement shown below, fed from an arbitrary phase L v , serves to generate a precise reference voltage, which must remain constant, even if L v , fluctuates by ± 10%.

Außerdem kann über den unteren Zweig in 4 die Niedervolt-Spannungsversorgung für die Elektronik-Bauteile des 3-phasigen Reglers vorgenommen werden.Also, over the lower branch in 4 the low-voltage power supply for the electronic components of the 3-phase regulator are made.

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.The 4 and 5 show by a block diagram representation ( 4 ) and a time chart ( 5 ) exemplifies the predominantly analog implementation of the 3-phase controller and load distributor. The function for short load fluctuations in the consumer isolated network with respect to the phase L 1 is explained.

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).The periodically assumed voltage fluctuation (1st period to low load on L 1 from the consumer network) is mapped by a capacitive phase shifter and a suitably sized small transformer in the low-voltage range and subjected to a half-wave rectification (s. 4 and lines a) and 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.Parameterization of the potentiometer P 1 (actual amplitude of U L1 ) and of the potentiometer P ref (desired amplitude of U ref , proportional to the desired maximum power) now leads, after comparison in the comparator, to a pulse (see line c) in FIG 5 ), which is just before the maximum of the rectified voltage (see line b) in 5 ) becomes positive again shortly after the maximum of the same voltage. The change to "positive" is thus just before the zero crossing of the voltage U L1 to be influenced.

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.With a monoflop, s. 4 , this pulse is extended, practically to 90% of a period of U L1 , ie the pulse generated (see line d) in 5 ) ends before the positive zero crossing of the second period of U L1 .

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.The following amplifier with series resistance in 4 determines the necessary control current for the LED in the zero voltage switch 4 , L 1 is switched to the braking resistor R brake for the duration of a full wave and thus assumes the not requested in this phase L 1 from the consumer network performance.

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 the next period of line a) in 5 For example, an additional load of L 1 in the consumer network occurs; the voltage U L1 decreases so that U L1max <U ref , (see line b) in 5 ). Thus no energy is driven into the associated braking resistor during this period (see line 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.In the third period (see row a) in 5 ) takes place, for example, again a strong relief of the consumer network to L 1 , so again a full wave of the current is generated for the associated braking resistor.

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.As previously mentioned, it is necessary to build a regulator load distributor for each phase of the three-phase network. With a controller board of this type can be z. B. with the in 4 mentioned zero voltage switch per phase about 16 A switch.

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.For the prototype-tested asynchronous machines in the 5 kW range but flow a maximum of about 8 A per phase in the braking resistors. Of the Prototypically realized construction permitted by the present Invention so now, machines up to 10 kW accordingly voltage constant for an island grid. With the same controller board (analog or digital realized) can be but by a further advantage according to the invention to distribute even larger services.

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.If the amplifier for the LED control of the zero-voltage switch in 4 has about 12 V output voltage, so can about 8 zero voltage switches per phase by reducing R to R '(s. 6 which is an alternative embodiment of the in 4 shown zero voltage switch shows) are driven in series. The power section is switched in parallel. This leads to higher ranges (60-80 kW) for the maximum power, which can be regulated approximately voltage-constant according to the described principle.

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.In order to it is beyond the use of mini combined heat and power plants also possible asynchronous machines of small hydroelectric power plants to be used in island operation as an electric power generator. In addition, an asynchronous machine with the described Regulator load balancers in island operation are used to the "guide network" at Power failure for several single-phase photovoltaic systems to take over. In this case, there is a power increase, true three-phase, for an in-house network instead.

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.Thus, for example, in the presence of a 5.4 kW combined heat and power plant and three single-phase photovoltaic strings with about ever 2 kW strand performance, the construction of a real three-phase network with 3.8 kW strand output possible, the usual house installation cables with minimum cross-sections of 1.6 mm 2 can be used without restrictions.

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.Proof of the functionality of the simple new controller load sharing concept was made in accordance with the 3 and a predominantly analog controller, as in 4 shown on a professional test bench with two different asynchronous machines of about the same power class. The initially treated measurements were based on a 5.4 kW rated motor with copper squirrel cage rotor, as used in the cogeneration unit "Dachs." The drive was provided by a 14 kW regulated motor (eg from Siemens). initially with constant speed n = 3000 min -1 .

Zur Erregung auf Nennleistung und Nennspannung sind drei im Dreieck geschaltete Kondensatoren von je C = 16,5 μF erforderlich. Das Bremsnetz bestand aus drei ohmschen Widerstanden, in Stern geschaltet, von je R = 26,6 Ω. Dieser Wert entspricht dem Strangwiderstand eines 6 kW-Einschraubheizkörpers für einen Schichten-Standspeicher, wie er bei üblichen Solaranlagen zum Einsatz kommen kann.To excite on rated power and rated voltage, three capacitors of C = 16.5 μF each connected in a delta are required. The brake network consisted of three ohmic resistors, connected in star, each R = 26.6 Ω. This value corresponds to the strand resistance of a 6 kW Einschraubheizkörpers for a layer-state memory, as used in conventional solar systems can come.

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

Figure 00080001
dargestellt.In 7 is for changing ohmic loads of the island grid on the sum-phase current just this network, the total summated apparent power of the generator P SGen , the total summated delivered active power of the generator P WGen and the output in the established island grid active power
Figure 00080001
shown.

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.The individual strand values of the island network are for the phases L 1 , L 2 and L 3 in the lower part of 7 for changing phase loads (power) and in the upper part for the self-adjusting phase voltages. In the entire load range, the demand for approximately constant voltage (± 5% of 230 V off) is met.

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.The differential power between P WGen and P WL from the controller load distributor is automatically converted into heat in the braking resistors, for example for service water and / or heating support. The currents flowing through them are individual full wave packets, depending on the load of the island grid. The overall arrangement of the system components is thus dynamically stable.

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.The Full wave packet control has in addition to the already described cheap Spectral properties of another invention Advantage: the controller acts like a switching regulator. This principle will at computers, televisions, modern chargers used, it loads the network capacitively. In this case will So in addition to the load capacitive current fed into the generator, which further stabilizes the tension contributes.

Werden bei der erfindungsgemäßen Lösung die Kompensations-Kapazitäten symmetrisch geändert, so erhöhen sich die Spannungen im Inselnetz.Become in the inventive solution the Compensation capacities changed symmetrically, this increases the voltages in the island grid.

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.With additional alternating load from the stand-alone grid with ΣP wLv , the phase voltages are very well constant over the variation of the capacitances, but on average about 10 V lower than with pure load (clocked) through the braking network. A voltage increase would be due to a change in the reference voltage U ref at the potentiometer P ref on the controller board in 4 easily possible, or to increase the values for the three reactive power generating capacities.

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).Next the purely ohmic alternating load of the island network can also consumers with complex load resistances exist, z. As motors for driving pumps, burners, etc. (inductive) and / or Devices with switched-mode power supplies and compensated fluorescent lamps (Capacitive).

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

Figure 00100001
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.A capacitive load, for example, of only the phase L 1 with, for example, C = 15 μF acts as an additional compensation capacity of
Figure 00100001
for the entire system and thus increases all the strand voltages (most U L1 ). Ie. An external load capacitive load slightly increases the generator voltages. An inductive load of the stand-alone grid, on the other hand, works the other way around, thus reducing the generator voltages slightly.

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.In the solution according to the invention, reactive powers of up to approximately 600 VA r for inductive load or reactive powers of up to approximately 300 VA r for capacitive loads lead to voltage changes which lie within the tolerable range of ± 5%.

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%.The practically interesting case, however, is a load case mixed with substantial ohmic components. In such a case, the strand voltages between about 500 VA r inductive and 500 VA r capacitive component move with about 3.2 to 3.8 kW active component within tolerable limits of ± 5%.

Wenn ein Viertel der ohmschen Last, d. h. etwa 800 W einen induktiven Summenanteil von 500 VAr besitzt, so ergibt sich ein cosφ ≈ 0,85, wie er bei Motoren für Kühlschränke und Heizölbrennerantrieben vorkommt.If one quarter of the resistive load, ie about 800 W, has an inductive total component of 500 VA r , the result is a cosφ ≈ 0.85, as occurs in motors for refrigerators and heating oil burner drives.

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%.in the practical operation, eg. B. in a mini cogeneration plant is the drive speed does not remain constant with changing load. But even with a speed fluctuation of the engine of about ± 3% to ± 3.33% remain the voltages in the inventive Solution in the tolerable range of ± 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 μF 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.additionally to the described investigations was another asynchronous machine investigated with aluminum squirrel cage and P = 5.5 kW. For this machine was approximately the same for the generation of reactive power triple outer conductor capacitance, d. H. C = 47 μF required. Also in this case, the inventive leads Solution to that, too, by changing load of the isolated grid generated the individual phase voltages in a ± 5% wide tolerance field. This is according to the invention simple Controller-load distributor principle in addition as functional been confirmed.

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.For recommends an industrial use of the controller load distributor find a solution with as many modules as possible be executed digitally, by using a simple Microcontroller also parameter changes for different operations become particularly easy.

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.In the 8th an exemplary proposal for extensive digitization is shown. The block diagram structure drawn in more detail in the upper part must be constructed for each phase of the three-phase system, ie 3 times. The arrangement shown in the lower part, fed via any phase of the island grid, once generates a precisely adjustable DC voltage. After digitizing with ADC4 (ADC = Analog Digital Converter) it serves as a (variable) reference voltage for the three digital comparators. Furthermore, the voltage supply of the electronics is made from the lower part via a commercially available voltage regulator (eg 12 V and / or 5 V).

Die einzelnen Regler für L1, L2 und L3 besitzen zunächst am Eingang zur Speisung der Kleintransformatoren je eine Kapazität von C = 65 nF.The individual controllers for L 1 , L 2 and L 3 initially each have a capacity of C = 65 nF at the input for feeding the small transformers.

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.This ensures a phase shift of the current of about 82 °. The respective small transformer maps the actual amplitude values of the island grid in the low-voltage range, whereby only positive half-waves, which can be adjusted for calibration via the potentiometer P 1 , are further processed by the diode. Before digitization, the low-pass filter acts as an anti-aliasing filter to ensure that any high-frequency interference that exists does not distort the control signal. The ADCs 1 to 3 provide digital comparators that compare the actual amplitudes plotted in the low voltage range with the digitized reference voltage. The subsequent digital short-time integrator extends the results (numbers) provided by the comparator to just under one period of the off-grid frequency. With the DAC1 (up to DAC3) analog values are again generated which provide the switching gates on the full-wave principle for the zero-voltage switches via a subsequent amplifier with the current-limiting resistor R, see also 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.If 4 parallel ADCs are implemented, the cycle time T A can be in the range of 1 to 5 ms, if a multichannel multiplexed ADC is used, then T A must be significantly less than 1 ms, since otherwise the switching thresholds in the individual phases will be overly falsified , Optionally, after the analog-to-digital conversion, a decimation of the samples can be made, thereby computing time is saved and it is then T A * (clock for the DAC's) greater than T A.

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.Of the digital comparison (comparator) and the digital short-term integration is to realize by a software program on a microcontroller. Possible parameterizations can, for. B. over a Bluetooth radio connection or another known radio connection be made remotely controlled or changed. alternative the remote control can be done via a wire connection.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - F. Moeller/P.Vaske „Elektrische Maschinen und Umformer", BG Teubner Verlag, Stuttgart, 10. Auflage, 1966, Seiten 111 bis 124 [0007] - F. Moeller / P.Vaske "Electrical Machines and Converters", BG Teubner Verlag, Stuttgart, 10th edition, 1966, pages 111 to 124 [0007]

Claims (12)

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.Method for energizing an asynchronous machine for regenerative island operation in an island grid, wherein a necessary for the excitation reactive current generation with non-variable capacitors for maximum active power of the asynchronous machine is made and that in the island grid not removable power over a three-phase regulator load distributor according to the full-wave principle is conducted in an ohmic brake network, wherein the full-wave principle only current packets with an integer number used by periods in the braking network. 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.Method according to claim 1, characterized in that that in the brake network resulting heat for heating a Storage tank or boiler is used, in particular for hot water and / or for heating support. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by adapted parameterization of the controller or the controller board voltage fluctuations with changing Load in the isolated grid within a tolerance range of ± 5%. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Leistungsteil des Reglers oder der Reglerplatine eine Kaskadierung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the power section of the controller or the Regulator board a cascading is used. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parametrierung mittels einer Funk- oder Drahtverbindung ferngesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the parameterization by means of a radio or wire connection is remotely controlled. 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the built island grid in case of failure The public network is used to be a multi-phase Photovoltaic system with line-commutated inverters to control. 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.Device for carrying out a method according to one of claims 1 to 6, which is adapted is a necessary for the excitation reactive current generation with non-variable capacitors for maximum active power of the Asynchronous machine and not removable in the island grid Power via a three-phase regulator load distributor after to lead the full wave principle in an ohmic braking network, wherein in the full wave principle only current packages with an integer number of periods are used in the braking network. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsteil des Reglers oder der Reglerplatine für das Bremsnetz eine Kaskadierung von weiteren Nullspannungsschaltern aufweist.Device according to claim 7, characterized in that that the power section of the controller or the controller board for the brake network is a cascading of additional zero-voltage switches having. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerplatine vorwiegend mit analogen Elementen aufgebaut ist.Device according to one of claims 7 to 8, characterized in that the controller board mainly with constructed analog elements. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reglerplatine vorwiegend mit digitalen Elementen aufgebaut ist.Device according to one of claims 7 to 8, characterized in that the controller board mainly is constructed with digital elements. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung mittels einer Funk- oder Drahtverbindung fernsteuerbar ist.Device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the device by means of a Radio or wire connection can be controlled remotely. 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.Island network with device according to one of the claims 7 to 11, wherein the device is a three-phase photovoltaic system with mains-controlled inverters controls and leads, a true three-phase island grid with higher performance to realize.
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