Grundprinzipien regenerativer Antriebe – Teil 2

Anknüpfend an unseren vorherigen Artikel, der einen kurzen Überblick über den regenerativen Antriebsbetrieb gegeben hat, gehen wir hier auf einige Besonderheiten ein, die beim regenerativen Betrieb zu beachten sind.

Die Auswirkung auf das Stromnetz (Wechselstromnetz)

Vorschriften

Dies sind die Vorschriften, die von Energieversorgern auferlegt werden, um sicherzustellen, dass die eingebettete Erzeugung die Sicherheit oder Zuverlässigkeit der Stromversorgung nicht beeinträchtigt. Der Rest dieses Abschnitts behandelt die wichtigsten Themen, die durch Vorschriften geregelt werden. Wenn das Regenerierungssystem als bestimmungsgemäßer Generator verwendet werden soll, muss es den am Einsatzort geltenden Vorschriften entsprechen. Wenn nicht, sollten die behandelten Themen immer dann berücksichtigt werden, wenn der Nennstrom des Rückspeisesystems einen erheblichen Teil des Nennstroms des lokalen Stromnetzes ausmacht, um sicherzustellen, dass im Falle eines Fehlers oder einer Fehlfunktion keine Schäden an anderen angeschlossenen Geräten verursacht werden .

Kurzschlussstrom

Ein lokaler Generator trägt zum Strom bei einem elektrischen Fehler (Kurzschluss) bei und kann die Sicherheit oder die erforderliche Nennleistung von elektrischen Schaltanlagen beeinträchtigen. Bei jeder vorgeschlagenen Generatorinstallation muss der zusätzliche Fehlerstrom berechnet werden. Der Regen-Wechselrichter hat jedoch einen vernachlässigbaren Einfluss, da der elektronische Überstromschutz einen zu hohen Strom viel schneller unterbricht, als ein Leistungsschalter oder eine Sicherung eingreifen können. Der Spitzenkurzschlussstrom für die aktuelle Generation von CT-Wechselrichtern beträgt 260 % ​​des Nennstroms, und sobald der Wechselrichter auslöst, fällt der Strom in weniger als 4 ms auf Null ab (abhängig vom Wert der Wechselstromdrossel). Der Spitzenstrom für die Schutzbemessung wird über mindestens eine Halbwelle der Netzfrequenz aufgenommen. Diese Faktoren zusammen machen den Fehlerstrombeitrag vernachlässigbar.

Inselbetrieb

Wenn das Stromnetz von einer Anlage getrennt wird, in der ein Generator in Betrieb ist, besteht die Möglichkeit, dass eine Strominsel entsteht, bei der die lokale Erzeugung die lokalen Lasten unbeabsichtigt mit Strom versorgt. Dies ist nicht sehr wahrscheinlich, denn ohne einen speziell entwickelten Regler zur Regulierung der Frequenz gibt es nichts, um sicherzustellen, dass Angebot und Nachfrage ausgeglichen sind. Normalerweise verlässt die Frequenz schnell den Arbeitsbereich und das System schaltet ab. Außerdem gibt es keine Kontrolle der Spannung oder der Blindleistung. Wenn jedoch eine Insel auftritt, besteht ein Sicherheitsrisiko für die Arbeiter der Stromversorgung und die Gefahr einer Beschädigung lokaler Geräte auf der Insel, wenn die Spannung oder Frequenz ihren sicheren Bereich überschreitet.

Wenn ein Rückspeisesystem über eine Energiequelle (z. B. einen Motor, eine Batterie oder einen anderen Energiespeicher) verfügt, so dass ein Inselbetrieb möglich ist, sollte ein Schutz gegen das Auftreten einer schädlichen Insel bereitgestellt werden. Der Frequenzbereich des Rückspeiseantriebs sollte in den Parametereinstellungen auf einen sicheren Bereich beschränkt werden, und ein Überspannungsrelais sollte eingebaut werden, um den Wechselrichter abzuschalten, wenn die Spannung zu hoch wird.

Für absichtliche Generatoren gibt es Standards für den Inselschutz (manchmal als „Loss of Mains“-Schutz (LOM) bezeichnet). Einige davon erfordern, dass der Wechselrichter einen speziellen Algorithmus zur Erkennung des Inselzustands ausführt, der als Standardeinrichtung im verfügbar ist Unidrive M. Einige von ihnen erfordern ein unabhängiges zugelassenes Schutzrelais.

Vorsätzliche Insel, Backup-Generierung

Bitte beachten Sie, dass der Wechselrichter mit Rückspeisefunktion nicht als eigenständiger Generator verwendet werden kann, beispielsweise als Notstromversorgung bei Netzausfall. Es kann nur in Verbindung mit einer bestehenden Versorgung verwendet werden, auf die es sich selbst synchronisiert.

Durchfahrt

Vorgesehene Generatoren müssen möglicherweise während einer Störung des Stromnetzes weiter betrieben werden. Die häufigste Situation ist, wenn irgendwo im Stromnetz ein Fehler (Kurzschluss) auftritt, der zu einem plötzlichen Spannungseinbruch an den Generatorklemmen führt. Dies kann zwischen den drei Phasen ausgeglichen oder unausgeglichen sein. Während der Überbrückung ist es möglicherweise nicht möglich, die Nennleistung weiter zu erzeugen, wenn die Spannung zu niedrig ist, aber Blindstrom ist erforderlich, um die Spannung zu stützen und das Netz bei der Wiederherstellung der Kontrolle zu unterstützen, sobald der fehlerhafte Stromkreis durch automatische Schutzvorrichtungen getrennt wurde.

Ein einfaches AFE reagiert sehr empfindlich auf Spannungsstörungen, da sein Betrieb auf einem genauen Gleichgewicht zwischen der Wellenform der Netzspannung und der im Wechselrichter erzeugten beruht. Wenn es keine Überbrückungsfunktion hat, neigt es eher dazu, Fehlauslösungen zu verursachen als ein einfacher Gleichrichter. Der Unidrive M verfügt über eine wählbare Ridethrough-Fähigkeit, die wichtige nationale Standardanforderungen wie die BDEW-Richtlinien für an MS-Netze angeschlossene Generatoren erfüllt.

Es ist wichtig zu verstehen, dass der Regenerierungs-Wechselrichter im normalen regenerativen Betrieb seine Ausgangsleistung an das AC-Stromversorgungssystem anpasst, um die DC-Busspannung auf den gewünschten Wert zu regulieren. Bei einer Spannungsstörung kann er nicht mehr seine volle Nennleistung erbringen, sodass er eventuell die Gleichspannung nicht weiter regeln kann. Diese Rolle muss dann die Stromquelle übernehmen. Wenn dies nicht der Fall ist, kann es zu einer Überspannungsauslösung kommen, wenn die eingehende Leistung die ausgehende übersteigt. Alternativ kann ein Bremswiderstand angeschlossen werden, um überschüssige Leistung aufzunehmen.

Leistungs- und Frequenzregelung

Der Ausgleich von Angebot und Nachfrage im Wechselstromnetz wird durch die Regelung der Frequenz erreicht. Ein absichtlicher Generator kann erforderlich sein, um dabei zu helfen, indem er auf externe Leistungsbefehle reagiert, oder um eine Steuerfunktion der Leistung gegen die Frequenz zu implementieren. Dies kann als Anwendung im Antrieb programmiert werden.

Harmonische und Zwischenharmonische

Wie im ersten Regen-Blog besprochen, erzeugt der Regenerierungs-Wechselrichter vernachlässigbare Werte des wahren Oberwellenstroms, d. h. bei ganzzahligen Vielfachen der AC-Versorgungsfrequenz. Es interagiert mit vorhandenen Oberschwingungen in der Versorgung und erzeugt außerdem PWM-Modulationsprodukte. Diese liegen bei hohen Frequenzen, die viele Jahre lang als außerhalb des Bereichs von Oberschwingungen liegend angesehen wurden, die allgemein bei der 40. Ordnung enden. Neuere technische Standards und Instrumente haben jedoch damit begonnen, Oberschwingungen bis zur 100. Ordnung zu berücksichtigen.

Nehmen Sie zum Beispiel ein System, das mit einer Netznennfrequenz von 60 Hz und einer Schaltfrequenz von 3 kHz arbeitet. Die wichtigsten schaltbezogenen Frequenzen sind 2880 Hz und 3120 Hz. Dies sind das 48- und 52-fache der Netzfrequenz. Die beiden Frequenzen sind jedoch keine vergleichbaren Größen, oder mit anderen Worten, sie sind nicht phasenverriegelt. Wenn die Netzfrequenz 60,1 Hz wäre, wären die äquivalenten Produktfrequenzen 2879,8 Hz und 3120,2 Hz. Wenn ein Oberschwingungsanalysegerät in ein solches System eingebunden wird, zeigt es diese wahrscheinlich als die 48. und 52. Oberschwingung an, wenn es die Standardbandbreite von 5 Hz hat, oder es könnte eine Unfähigkeit anzeigen, die Daten zu synchronisieren.

Wenn die Schaltfrequenz 4 kHz gewesen wäre, wären die vorhandenen Hauptfrequenzen 3880 Hz und 4120 Hz, die keine harmonischen Frequenzen sind. Sie würden von einem Analysator mit Zwischenharmonischen als „Zwischenharmonische“ angezeigt, oder sie könnten von einem einfachen Harmonischen-Analysator mit einer normalen Bandbreite von 5 Hz ignoriert werden.

Die oben diskutierten Harmonischen und Zwischenharmonischen sind alle 3-Phasen-Sätze mit entweder positiver oder negativer Phasenfolge. Dies bedeutet, dass sie im Gegensatz zu den hochfrequenten Gleichtakt-„Rausch“-Spannungen durch Transformatoren geleitet werden und über einen Versorgungstransformator hinaus Interferenzen verursachen können. Der Schaltfrequenzfilter ist notwendig, um ihre Größe auf akzeptable Werte zu reduzieren.

Interaktion mit der Gleichstromquelle/-senke – Steuerung der Spannung

Wenn ein Bremssystem an eine DC-Quelle oder -Last angeschlossen wird, muss an die Steuerung der DC-Spannung gedacht werden. In einem regenerierenden Antriebssystem wird der Maschinenantrieb effektiv zu einer Konstantleistungsquelle, und der regenerierende Wechselrichter passt seine Leistungsabgabe an, um die eingehende Leistung auf die gewünschte Gleichspannung auszugleichen. Andere Systeme können ganz andere Eigenschaften haben. Beispielsweise werden in einem PV-Wechselrichter die DC-Spannung und der DC-Strom durch die Spannungs-/Stromkurve des PV-Arrays für die gegebene Sonneneinstrahlung und Temperatur gesteuert. Der Wechselrichter „weiß“ natürlich nicht, welche Spannung er wählen soll, daher muss die DC-Spannungsreferenz des Regenerierungs-Wechselrichters vom MPPT-Algorithmus angepasst werden, um den optimalen Leistungspunkt zu finden.

Gleichtaktspannung der DC-Versorgung

Die DC-Versorgung in einem Bremssystem hat eine ungewöhnliche Gleichtaktspannung, d. h. die durchschnittliche Spannung zwischen ihren Polen und Masse. Eine vollständige Spannungswellenformanalyse ist recht komplex, aber anhand des vereinfachten Schemas in Abbildung 1 des ersten Blogs können Sie ableiten, dass, wenn eines der Eingangsinverter-Transistorpaare seinen Zustand ändert, die Tendenz zur Spannung des DC-Buskreises geht um einen Schritt gleich V_DC in Bezug auf Masse zu ändern. Tatsächlich wird der Schritt durch die Spannungsteilung um die Eingangsdrossel herum auf 1/3 V_DC begrenzt. Dieser Schritt findet immer dann statt, wenn eine Phase umschaltet, also sechsmal in jedem PWM-Schaltzyklus.

Dies bedeutet, dass, wenn die AC-Versorgung eine herkömmliche Netz-LV-Versorgung mit geerdetem Neutralleiter ist, der DC-Bus eine hohe Gleichtaktspannung führt, die ein komplexes PWM-Muster mit schnell ansteigenden Flanken ist, das ein breites Frequenzspektrum enthält. Einige der Auswirkungen davon sind in der folgenden Liste aufgeführt:

1. Keiner der an den DC-Bus angeschlossenen Antriebe oder der Regenerierungswechselrichter selbst dürfen die internen EMV-Filterkondensatoren an Ort und Stelle haben, da diese Kondensatoren durch die Gleichtaktspannung überlastet werden könnten und hohe Erdkreisströme verursachen würden bei Fehlfunktion des Wechselrichters.
2. Aus demselben Grund wie in 1. darf kein RFI-Filter an den DC-Bus angeschlossen werden.
3. Der DC-Bus ist „rauschend“, wenn er also über nicht abgeschirmte Leiter verteilt wird, kann er Störungen in nahe gelegenen Signalkreisen verursachen. Wenn der Gleichstrom über große Entfernungen verteilt werden soll, muss er in abgeschirmten Kabeln verlegt werden. Wenn die Kabel jedoch lang sind, führt der hochfrequente Erdstrom in ihrer Streukapazität zu einem zusätzlichen Leistungsverlust in den Bremsdrosseln.
4. Es dürfen keine anderen Geräte an den DC-Bus angeschlossen werden, es sei denn, es wurde bestätigt, dass es die Gleichtaktspannung tolerieren kann. (Zum Beispiel haben Geräte, die für den Betrieb mit einer Gleichstromversorgung ausgelegt sind, wahrscheinlich einen eigenen RFI-Filter, der die Gleichtaktspannung nicht tolerieren könnte. Die meisten Strom- und Spannungswandler sind jedoch so ausgelegt, dass sie Gleichtaktspannungen tolerieren.)

Für spezielle Anwendungen, bei denen diese Effekte nicht akzeptabel sind, besteht eine Lösung darin, einen Trenntransformator am Eingang zu verwenden, damit die AC-Versorgung von Masse isoliert ist. Es ist dann möglich, mit einem direkt geerdeten Pol des DC-Busses zu arbeiten, sodass keine Gleichtaktspannung anliegt. Oder es kann je nach Bedarf über Kondensatoren mit Masse oder einem RFI-Filter verbunden werden, um das hochfrequente Gleichtaktrauschen zu reduzieren, das am wahrscheinlichsten Störungen verursacht. Dies wird zum Beispiel in Photovoltaik-Wechselrichtern und in Systemen verwendet, in denen der Gleichstrom auf mehrere Lasten verteilt werden muss.

Filter, Versorgungsimpedanz, Stromregelung

Der Schaltfrequenzfilter wurde oben im Zusammenhang mit der Vermeidung von Interferenzen mit anderen Geräten besprochen, die an denselben Versorgungskreis angeschlossen sind. Der Filter muss auch hinsichtlich seiner Wirkung auf die Umrichtersteuerung betrachtet werden.

In einem 3-kHz-Wechselrichter beträgt die Filterwechselfrequenz etwa 800 Hz, so dass sie eine nützliche Dämpfung bei 2900 Hz ergibt. Der Umsatz wird etwas durch die Versorgungsimpedanz beeinflusst, die für diese ungewöhnlichen Frequenzen eine Unbekannte ist. Das bedeutet, dass die Stromschleifenverstärkung im Wechselrichter nicht zu hoch eingestellt werden darf, da sonst die Stabilität um 800 Hz grenzwertig wird und das System störempfindlich und störanfällig wird. Für die meisten konventionellen Antriebsanwendungen, d. h. wenn das Rückspeisesystem eine von vielen Lasten in einem industriellen NS-Verteilungsnetz ist, ist eine ausreichende natürliche Dämpfung vorhanden, sodass keine besonderen Anforderungen entstehen. Die Standardwerte sind normalerweise wirksam.

Wenn ein oder mehrere Regenerierungssysteme von einer dedizierten Versorgung gespeist werden, ohne dass sonst etwas angeschlossen ist, ist es möglich, dass die Stromschleifen zu wenig gedämpft werden. Dies kann leicht mit einem Oszilloskop identifiziert werden, um die Wellenformen des Netzstroms anzuzeigen, da Schwingungsausbrüche („Klingeln“) mit einer Periode von etwa 800 Hz auftreten, oft an 6 Punkten in jeder Netzperiode. In dieser Situation kann die Stabilität wiederhergestellt werden, indem der P-Anteil in den Stromregelschleifen reduziert wird. Es kann auch erforderlich sein, die Verstärkungen der Spannungsschleife zu reduzieren, um eine unterdämpfte Spannungssteuerung zu vermeiden, die durch die langsamere Stromschleife verursacht wird. Wenn die Anwendung hochdynamisch ist und diese geringeren Verstärkungen nicht akzeptabel sind, ist ein alternatives Verfahren zur Verbesserung der Dämpfung erforderlich. Es gibt zwei Möglichkeiten:

1. Fügen Sie weitere Filterkondensatoren hinzu. Dadurch wird die Filterwechselfrequenz auf einen Wert gesenkt, bei dem die Stromregelkreise eine geringere Phasenverzögerung aufweisen und zur aktiven Dämpfung beitragen können.
2. Verwenden Sie einen gedämpften Filter. Dies verwendet einige zusätzliche Kondensatoren und kleine Widerstände, um für Dämpfung zu sorgen. Weitere Informationen erhalten Sie vom technischen Support von CT.

Beide Optionen wurden erfolgreich genutzt. Der Nachteil von Option 1. besteht darin, dass möglicherweise mehrere Kondensatoren erforderlich sind, die Platz beanspruchen und auch einen hohen Dauerblindstrom verursachen, der dann möglicherweise durch die Blindstromregelungsfunktion des Wechselrichters ausgeglichen werden muss. Der Nachteil von Option 2. besteht darin, dass die Widerstände einen gewissen Dauerleistungsverlust verursachen und außerdem vor Überlastung im Falle abnormaler Oberschwingungen in der Versorgung geschützt werden müssen, was die Option ziemlich komplex macht.