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

Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten dreiphasengenerator und verfahren zum betrieb einer solchen schutzeinrichtung Download PDF

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Publication number
WO2013120212A1
WO2013120212A1 PCT/CH2012/000043 CH2012000043W WO2013120212A1 WO 2013120212 A1 WO2013120212 A1 WO 2013120212A1 CH 2012000043 W CH2012000043 W CH 2012000043W WO 2013120212 A1 WO2013120212 A1 WO 2013120212A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
protective device
rectifier
protection
operating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/CH2012/000043
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jörg-Andreas DITTRICH
Robert Hoffmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Woodward Switzerland GmbH
Original Assignee
Woodward IDS Switzerland AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Woodward IDS Switzerland AG filed Critical Woodward IDS Switzerland AG
Priority to PCT/CH2012/000043 priority Critical patent/WO2013120212A1/de
Publication of WO2013120212A1 publication Critical patent/WO2013120212A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/007—Control circuits for doubly fed generators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/06—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric generators; for synchronous capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/0241—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an overvoltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/024—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load
    • H02P29/027—Detecting a fault condition, e.g. short circuit, locked rotor, open circuit or loss of load the fault being an over-current

Definitions

  • the present invention falls within the field of protective devices for doubly-fed three-phase generators. It relates to such a protective device and a method for operating this protective device.
  • a stator winding-apart from starting, switching and protection devices- is connected directly to a feeding network and, in addition, at least one rotor winding is accessible from the outside.
  • double-fed asynchronous machines (DASM) or cascade machines may be mentioned here.
  • DASM double-fed asynchronous machines
  • Such systems are often used in renewable energy systems, such as wind and hydroelectric power plants.
  • the rotor winding is connected to the supply network via a frequency converter consisting of a machine-side converter, a DC link and a mains-side converter.
  • CONFIRMATION COPY In systems with direct grid coupling of the generator occurs in case of sudden change of the mains voltage to significant overcurrents in the stator winding and the rotor winding, which lead to the response of the network protection devices and exceed in a generator system, the permissible operating conditions for the machine-side inverter and also an unacceptably high voltage in the DC -Intermediate circle.
  • the current increases immediately after a voltage change are limited only by the voltage difference itself and stray inductances, which already after a few milliseconds current amplitudes are reached, which are far above the overcurrent limits of the machine-side inverter and the mains-side main switch.
  • US Pat. No. 7,485,980 B2 discloses how the problem that overvoltages originating from the power supply side and which are independent of the speed of rotation of the generator can be solved by a separate brake chopper is disclosed;
  • the brake chopper is fed on the rotor side via a rectifier unit and its DC circuit is electrically connected to the DC link of the frequency converter.
  • the brake chopper is connected directly to the DC link of the frequency converter.
  • the transients occurring in the event of sudden mains voltage changes or overvoltages should be minimized and it should be possible to continue the feed operation under defined conditions and preferably without interruption, regardless of the direction and the speed of a voltage change.
  • the inventive protection device should avoid large transient currents through the electronic switch of a frequency converter, and it should also be installable in existing systems, without having to make changes to existing system components.
  • the essence of the invention with regard to the protective device for a doubly-fed three-phase generator is the fact that the protective device in addition to a known rotor protection device -including a rotor-side rectifier- also has a network-side rectifier, which is connected on the one hand via a main switch to a power grid and on the other hand with the DC side of the rotor-side rectifier.
  • the additional, rectifier on the mains side makes it possible for the first time with
  • the inventive device energy or voltage surges from the power grid and / or the stator winding are derived from the mains side inverter and these energy surges or surges are reduced in the protection device. For example, high line-side inrush current peaks can be dissipated without overvoltages occurring in the DC link of the frequency inverter.
  • the rotor protection device comprises a brake chopper, overvoltage protection and furthermore a control unit for the brake chopper and the overvoltage protection.
  • This control unit is able to independently Energy zero. To dissipate surges from the power grid and / or the stator winding from the line-side inverter to reduce these energy surges or surges in the protective device.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a damped DC intermediate circuit is arranged between the network-side and the rotor-side rectifier, which comprises a DC link capacitor and a DC link attenuator, wherein the DC link attenuator is formed either as a resistor or as a coil
  • This damped DC link also dissipates energy and surges in the protective device.
  • a further embodiment of the invention is advantageously provided to connect the DC link via a DC link to the DC side of the rotor gate rectifier rectifier;
  • this DC link between the DC bus and the DC side of the rotor-side rectifier can be redirected and reduced in a simple manner energy or surges in the DC intermediate circuit of the frequency converter to this DC side of the rotor-side rectifier and reduced;
  • advantageous embodiments of this intermediate circuit connection drawn NEN for example, characterized in that in its two connection branches resistors are arranged, or a combination of resistors and diodes, or only in a branch, a resistor, a combination of a resistor and a diode, or a combination of a diode, an electronic switch and a choke, or a combination of a diode, an electronic switch, and a resistor.
  • An essential advantage of the protective device according to the invention is that the generator and the frequency converter are now protected against energy and voltage surges both on the rotor side and on the network side, wherein the protective device can be operated completely autonomously.
  • energy and voltage surges depending on their size, either the fault can be tolerated and the generator remains connected to the mains, or an error shutdown occurs to protect the costly generator and frequency converter against destruction.
  • the protective device suffers damage in the case of such a fault shutdown , a simple exchange is possible in comparison with the replacement of the generator and / or the frequency converter, wherein the replacement of the protective device is also much cheaper.
  • the protective device according to the present invention can also be retrofitted in existing systems, as new systems can be equipped with it.
  • Another advantage of the inventive protective device that frequency inverters do not need to be resized in existing installations because the protective device accommodates all optionally occurring transients and only this guard ⁇ made according to the conditions in the new as in is to dimension the plants.
  • the adaptation of the protective device essentially takes place via the dimensioning of the overvoltage protection, the brake Choppers, the damped DC link, the line-side and the rotor-side rectifier and also on the dimensioning of the DC link connection.
  • the essence of the invention with regard to the method for operating a protective device for a doubly-fed three-phase generator is the fact that the protective device ⁇ in addition to a known rotor protection device -including a rotor-side rectifier also has a network-side rectifier, on the one hand via a main switch with a power grid is connected and on the other hand with the DC side of the rotor-side rectifier, which derives over this network rectifier Ener ⁇ gie or surges from the power grid and / or the stator winding of the network ⁇ side inverter and degrades these energy or surges in the protection device become.
  • An advantageous embodiment of the method provides that the energy or surges in the protective device via a brake chopper and / or an overvoltage protection and / or a damped DC link between the network-side rectifier and the rotor-side rectifier are reduced. Furthermore, an advantage if possibly occurring energy or tension ⁇ voltage bumps in the DC link redirected and gradually degrades the operation of the protection device via a DC link connection from the DC bus to the DC side of the rotor-side rectifier are. In critical plant operating conditions, a low-resistance current path is provided by the ignition of an overvoltage protection between the network-side rectifier and the rotor-side rectifier, whereby the main switch is triggered in the sequence.
  • An advantageous embodiment provides for the operation of a protective device according to the invention that it comprises a separate control unit, with this control unit, the protection device can be operated autonomously.
  • the control unit activates a brake chopper and / or overvoltage protection in the protective device in the event of overvoltage on the DC side of the rotor-side rectifier, or else triggers the main switch by means of the overvoltage protection.
  • the inventive protective device can also be operated with this control unit in conjunction with a CPU control unit of the frequency converter; then it is possible that in case of overcurrent in the stator winding and / or the rotor winding and / or overvoltage in the DC intermediate circuit of the brake chopper and / or the overvoltage protection are activated; Furthermore, with overcurrent in the stator winding and / or the rotor winding and / or overvoltage in the DC link with the overvoltage protection of the main switch can be triggered, with such a trigger can be done with advantage completely independent of the speed of the generator.
  • the method according to the invention is now able to keep all transient currents away from the line-side converter of the frequency converter.
  • the stator winding 4.1 Via a contactor 8 (optional) and a mains choke 9 (optional), the stator winding 4.1 is connected to a power converter 7.1 of a frequency converter 7, which comprises a machine-side converter 7.2 via a DC intermediate circuit 7.3.
  • This machine-side converter 7.2 is connected to the rotor winding 4.2 via a rotor choke 11 (optional) and slip ring contacts 4.3.
  • a CPU control unit 1 0 is connected to the network-side or the machine-side inverter 7.1, 7.2 and a pre-charge unit 6 for the DC link 7.3 is connected between selbigem and the power grid 1, said pre-charging unit 6 also on the CPU control unit 1 is controlled.
  • the rotor winding 4.2 is known to be connected to a rotor protection device 5.5, which is now part of the present protection device 5 according to the invention.
  • Typischerwei- se includes the rotor protection device 5.5 a rotor-side rectifier 5.5.3 (crow bar), a brake chopper (brake-chopper) 5.5.2 and a surge protector 5.5.1.
  • the protective device 5 according to the invention in addition to the rotor protection device 5.5, comprises a further, network-side rectifier 5.1 which is connected to the power supply 1 via the main switch 2 and to the DC side of the rotor-side rectifier 5.5.3.
  • the protective device 5 has a control unit 5.2, with which the rotor protection device 5.5 can be controlled.
  • the control unit 5.2 comprise two sub-control units, namely an overvoltage protection control 5.2.1 for the overvoltage protection 5.5.1 or a brake-chopper control 5.2.2 for the brake chopper 5.5.2.
  • the protective device 5 comprises a damped DC intermediate circuit 5.4 with a DC link capacitor 5.4.1 and a DC link attenuator 5.4.2.
  • Embodiments of this damped intermediate circuit 5.4 will be explained below with reference to Figures 4 to 1 0. If there is access to the DC intermediate circuit 7.3 of the frequency converter 7, this DC intermediate circuit 7.3 can be connected via a DC link 5.3 to the DC side of the network-side or rotor-side rectifier 5.1, 5.5.3. Exemplary embodiments of this will also be presented with reference to FIGS. 4 to 10. As can be seen in FIG.
  • mains-side energy surges can be redirected from the power grid 1 or the stator winding 4.1 to the protective device 5 and in the damped DC intermediate circuit 5.4 and / or in the overvoltage protection 5.5.1 and / or be degraded in the brake chopper 5.5.2, so that both the stator winding 4.1 itself, as well as the network-side inverter 7.2 are protectable.
  • the protective device 5 protects the rotor winding 4.2 and the machine-powered inverter 7.2.
  • the generator 4 remains on the power grid 1 and he can continue to feed directly into the power grid 1 after the failure.
  • the overvoltage protection 5.5.1 is activated and it becomes a low-impedance current path so that the main switch 2 is triggered and the entire generator system is disconnected from the power supply 1.
  • the protective device 5 is operated exclusively with its own control unit 5.2, completely autonomously-that is, independent of the CPU control 1 0- energy or voltage surges from the power grid 1 and / or the stator winding 4.1 are diverted into the protection device 5 and the brake chopper 5.5.2 and / or the overvoltage protection 5.5.1 and / or a damped DC link 5.4 are reduced, or the main switch 2 are triggered.
  • the DC intermediate circuit is accessible and thus the intermediate circuit connection 5.3 can be installed and, moreover, there is a connection between the CPU control unit 10 of the frequency converter 7 and the control unit 5.2 of the protective device 5, then overcurrents in the stator winding (FIG. 4.1) and / or the rotor winding (4.2) and / or overvoltages in the DC intermediate circuit (7.3) for activating the damped DC intermediate circuit 5.4 and / or the overvoltage protection 5.5.1 and / or the brake chopper 5.5.2 in the protection device 5 lead and there are dismantled or lead to the triggering of the main switch 2.
  • Fig. 2 shows the voltage curve at the line side inverter of a frequency converter; the individual voltage levels (UL) are explained below:
  • the main switch 2 is turned off.
  • the network-side and machine-side converter 7.1, 7.2 are switched off.
  • the brake chopper 5.5.2 is activated when activated by the CPU control unit 1 0, so that at the threshold UL2 an electronic switch of the brake chopper 5.5.2 turns on and at the threshold UL1 the electronic switch of the chopper 5.5.2 off.
  • the thresholds are 950V for the brake chopper 5.5.2 (turn on) and 850V for the brake chopper 5.5.2 (turn off).
  • a voltage measuring probe integrated in the brake chopper control 5.2.2 controls the brake chopper 5.5.2 within the hysteresis UL3-UL4 (for example, 1 200V brake chopper 5.5.2 on and 1 1 00V brake chopper off). It should be achieved that a non-dependent of the CPU control unit 1 0 protection function is realized.
  • the protective device 5 independently initiates the protection of the frequency converter at threshold UL4 with brake chopper 5.5.2 by activating brake chopper 5.5.2. What is new is that no control command via the CPU control unit 1 0 must be made and that also overvoltages from the power supply 2 are checked for exceeding the voltage in the DC link 7.3 out.
  • Both the DC-DC link 7.3 is operated outside the specification (overvoltage) as well as - if the electronic switches switch - the reverse voltage of the electronic switches or their Operating limits (SOA, RSOA, reverse bias Safe Operating Area) are exceeded if they are active.
  • SOA Operating limits
  • RSOA reverse bias Safe Operating Area
  • Fig. 3 shows the current waveforms of the currents in the network-side rectifier 5.1 to the power grid 1 and in the rotor-side rectifier 5.5.3: A - precharging the pre-charging unit 6 to about UL1.
  • the brake chopper 5.5.2 is started by the CPU control unit 1 0 of the frequency converter 7 and held the voltage across the rotor winding between UL1 and UL2, so that no more current can flow into the rotor winding 4.2.
  • the grid-side converter 7.1 sends the current into the grid fault in a current-controlled manner.
  • D - brake chopper 5.5.2 by CPU control unit 1 0 is turned on because of overcurrent in the stator or rotor winding 4. 1, 4.2.
  • the rotor-side current is brought to zero via the threshold UL1 -UL2 for the brake chopper 5.5.2.
  • the power grid 1 supplies an inrush current which charges the DC side of the grid-side rectifier 5.1 and also charges the DC link 7.3 of the frequency converter 7.
  • the control unit 5.2 especially the brake-chopper control 5.2.2, holds by means of a voltage measurement and the brake chopper 5.5.2 the DC link 7.3 in the range UL3 - UL4, without any control by the CPU control unit 1 0.
  • the voltage limiter implements this range.
  • the damped DC intermediate circuit 5.4 comprises either a DC link capacitor 5.4 in a series connection .1 and a coil as a Zwenkenkusdämpfungsglied 5.4.2 or a DC link capacitor 5.4.1 and a resistor as a DC link attenuator 5.4.2.
  • the DC link connection 5.3 may comprise diodes and resistors in both connection branches, see FIG. 4, or have a direct connection in the first connection branch and a diode and a resistor in the second connection branch, see FIG. 5; Furthermore, there is the possibility that no DC link 5.3 can be installed, see Fig. 6; Furthermore, it is conceivable that the intermediate circuit connection 5.3 has a resistance only in one connection branch, see FIG. 7 or in each of the two connection branches a resistance, see FIG. 8; Moreover, a direct connection in one connection branch is conceivable, while the other connection branch comprises an electronic switch with a downstream resistor or coil, see FIG. 9; Fig. 10 shows a direct connection of both connection branches.

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Description

Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator und Verfahren zum Betrieb einer solchen Schutzeinrichtung
Die vorliegende Erfindung fällt in das Gebiet der Schutzeinrichtungen für doppelt gespeis- te Dreiphasengeneratoren. Sie betrifft eine solche Schutzeinrichtung und ein Verfahren zum Betrieb dieser Schutzeinrichtung.
Bei bekannten Generatorsystemen mit direkt netzgekoppelten Dreiphasengeneratoren ist eine Statorwicklung -abgesehen von Anlauf-, Schalt- und Schutzeinrichtungen- direkt mit einem speisenden Netz verbunden und zudem wenigstens eine Rotorwicklung von aussen zugänglich. Beispielhaft seien hier doppelt gespeiste Asynchronmaschinen (DASM) oder Kaskadenmaschinen erwähnt. Derartige Anlagen werden häufig in regenerativen Energieanlagen, wie Wind- und Wasserkraftwerken, eingesetzt. Dabei ist die Rotorwicklung über einen Frequenzumrichter, bestehend aus maschinenseitigem Umrichter, einem DC-Zwischenkreis und einem netzseitigem Umrichter mit dem speisenden Netz verbunden.
Regenerative Energieanlagen werden zunehmend in Gegenden mit schwachen Netzen, also Netzen mit Anschlussleistungen unter 200 kVA eingesetzt. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Verfügbarkeit solcher Anlagen, d.h. Netzfehler wie Spannungseinbrüche bis auf etwa 0 % der Nennspannung bis mehrere 1 00 Millisekunden -ein- und mehrphasige Kurzschlüsse- müssen zumindest kurzzeitig toleriert und in einer Schutz¬ einrichtung, auch bekannt als "fault ride through" (FRT), beherrscht werden. Eine Fehler¬ abschaltung der Anlage im Verlauf eines solchen Fehlers ist nicht zulässig; im Gegenteil, es soll möglichst kontinuierlich Strom ins Netz gespeist werden.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Bei Anlagen mit direkter Netzkopplung des Generators kommt es bei plötzlicher Änderung der Netzspannung zu erheblichen Überströmen in der Statorwicklung und der Rotorwicklung, die zum Ansprechen der Netzschutzeinrichtungen führen und in einem Generatorsystem die zulässigen Betriebszustände für den maschinenseitigen Umrichter übersteigen und ausserdem eine unzulässig hohe Spannung im DC-Zwischenkreis zur Folge haben. Die Stromanstiege unmittelbar nach einer Spannungsänderung werden nur durch die Spannungsdifferenz selbst und Streuinduktivitäten begrenzt, wodurch bereits nach wenigen Millisekunden Stromamplituden erreicht werden, die weit über den Über- stromgrenzwerten des maschinenseitigen Umrichters und des netzseitigen Hauptschal- ters liegen. Da Generatoren der verwendeten Grössenordnung Hauptfeldzeitkonstanten im Sekundenbereich aufweisen, klingen die angeregten Ausgleichsvorgänge nur langsam ab. Um die Überströme und die zusätzlich in den DC-Zwischenkreis gespeiste Energie aufzunehmen, müsste der Frequenzumrichter auf ein Mehrfaches der Nennleistung überdimensioniert werden, was wirtschaftlich unvertretbar ist. Ausserdem kann der netz- seitige Hauptschalter die Anlage nicht mehr wirkungsvoll schützen, da er ebenfalls die auftretenden Überströme tolerieren müsste.
In der US 2005 01 1 6476 A1 ist eine Schutzeinrichtung beschrieben, bei der dem heute üblichen Überspannungsschutz in einem Frequenzumrichter ein Brems-Chopper parallel geschaltet ist. Ein Widerstand im Brems-Chopper übernimmt im Falle, dass es wegen Spannungseinbrüchen im Stromnetz zu transienten Überströmen in einer Rotorwicklung kommt den rotorseitigen Überstrom; dies ermöglicht eine kleinere Dimensionierung der elektronischen Schalter in einem maschinenseitigen Umrichter gegenüber herkömmlichen Anlagen. Ausserdem kommt der Vorteil zum Tragen, dass im Schadensfall nur die wesentlich kostengünstigere Schutzeinrichtung betroffen wäre. Als nachteilig kann hier angeführt werden, dass trotz der sich ergebenen Vorteile nicht alle fehlerhaften Betriebszustände durchgefahren werden können (FRT) oder die gesamte Anlage zur Notabschaltung gebracht wird. Es gibt Drehzahlbereiche eines Generators, bei denen man mit Überspannungsschutz den Hauptschalter nicht passiv durch Über- ström öffnen kann, weil die Drehzahl des Generatorrotors den dafür notwendigen Strom nicht zulässt. Auch können hier nur Überspannungen der Rotorwicklung sicher begrenzen, nicht aber vom Stromnetz herrührende Überspannungen.
In der US 7,485,980 B2 wird offenbart, wie das Problem, dass auch von der Stromnetzseite herrührende Überspannungen auftreten können, die unabhängig von der Drehzahl des Generators sind, durch einen separaten Brems-Chopper gelöst werden kann; hierfür ist der Brems-Chopper rotorseitig über eine Gleichrichtereinheit gespeist und dessen Gleichstromkreis ist elektrisch mit dem DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters verbunden. Dieser Vorteil wird damit erkauft, dass nun im Falle eines Netzfehlers der gesamte Stromstoss direkt durch elektronischen Schalter des netzseitigen Umrichters fliessen muss, und diese elektronischen Schalter einer entsprechend grösseren Dimensionierung bedürfen als in herkömmlichen Anlagen.
In der WO201 0045964A1 ist der Brems-Chopper direkt am DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters angeschlossen. Für die elektronischen Schalter des netzseitigen und des maschinenseitigen Umrichters bedeutet dies, dass sowohl der transiente Strom aus der Rotorwicklung als auch der transiente Strom aus dem Stromnetz durch die elektronischen Schalter geleitet werden und bei Fehlern jeweils die betroffenen Frequenzumrichter geschädigt werden können.
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator bereitzustellen, die in der Lage ist, ein breites Spekt- rum an möglichen Fehlersituationen zu beherrschen, wie z.B. plötzlichen Netzspannungsänderungen bis auf 0 % der Nennspannung oder Überspannungen, wobei möglichst kontinuierlich mit nur unwesentlichen Unterbrechungen, Energie ins Stromnetz eingespeist werden soll, und wobei der Schutz des Generators und des zugehörigen Fre- quenzumrichters im Vordergrund steht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Schutzeinrichtung bereitzustellen.
Die bei plötzlichen Netzspannungsänderungen oder Überspannungen auftretenden Transienten sollen minimiert, und es soll ermöglicht werden, den Speisebetrieb unter definierten Bedingungen und möglichst ohne eine Unterbrechung fortzusetzen, unabhän- gig von der Richtung und der Geschwindigkeit einer Spannungsänderung. Ferner soll die erfindungsgemäss Schutzeinrichtung grosse transiente Ströme durch die elektronischen Schalter eines Frequenzumrichters vermeiden, wobei sie auch in bestehende Anlangen installierbar sein soll, und zwar ohne dass Änderungen an bestehenden Anlagenkomponenten vorgenommen werden müssen. Die der Erfindung für die Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 ; die diesen Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 9.
Der Kern der Erfindung hinsichtlich der Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator ist darin zu sehen, dass die Schutzeinrichtung neben einer bekannten Rotorschutzeinrichtung -umfassend einen rotorseitigen Gleichrichter- zudem einen netzseitigen Gleichrichter aufweist, der einerseits über einen Hauptschalter mit einem Stromnetz verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters. Der zusätzliche, netzseitige Gleichrichter ermöglicht es erstmalig, dass mit der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netzseitigen Umrichter abgeleitet werden und diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abgebaut werden. So können beispielsweise hohe, netzseitige Einschaltstromspitzen abgeleitet werden, ohne dass es zu Überspannungen im DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters kommt.
Mit Vorteil umfasst die Rotorschutzeinrichtung einen Brems-Chopper, einen Überspannungsschutz und femer eine Steuereinheit für den Brems-Chopper und den Überspannungsschutz. Diese Steuereinheit ist erfindungsgemäss in der Lage, selbständig Energiebzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netzseiti- gen Umrichter abzuleiten diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abzubauen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem netzseitigen und dem rotorseitigen Gleichrichter ein bedämpfter DC-Zwischenkreis angeordnet ist, der einen Zwischenkreiskondensator und ein Zwischenkreisdämpfungsglied um- fasst, wobei das Zwischenkreisdämpfungsglied entweder als ein Widerstand oder als eine Spule ausgebildet ist, wobei dieser bedämpfte DC-Zwischenkreis ebenfalls Energie- und Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung abbaut.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, den DC- Zwischenkreis über eine Zwischenkreisverbindung mit der Gleichspannungsseite des ro- torseitigen Gleichrichters zu verbinden; durch diese Zwischenkreisverbindung zwischen dem DC-Zwischenkreis und der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters können auf einfache Weise Energie- bzw. Spannungsstösse im DC-Zwischenkreis des Frequenzumrichters zu dieser Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters umgeleitet und abgebaut werden; vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Zwischenkreisverbindung zeich- nen sich beispielsweise dadurch aus, dass in ihren beiden Verbindungszweigen Widerstände angeordnet sind, oder eine Kombination aus Widerständen und Dioden, oder lediglich in einem Zweig ein Widerstand, eine Kombination aus einem Widerstand und einer Diode, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischen Schalter und einer Drossel, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischen Schalter und einem Widerstand.
Wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung ist, dass der Generator und der Frequenzumrichter neu sowohl auf der Rotorseite als auch auf der Netzseite vor Energie- und Spannungsstössen geschützt sind, wobei die Schutzeinrichtung vollkommen autonom betrieben werden kann. Bei Energie- und Spannungsstössen kann in Abhängigkeit ihrer Grösse entweder der Fehler toleriert werden und der Generator bleibt weiterhin am Netz, oder es erfolgt eine Fehlerabschaltung um den kostenintensiven Generator und Frequenzumrichter vor einer Zerstörung zu schützen. Sollte bei so einer Fehlerabschal¬ tung die Schutzeinrichtung Schaden erleiden, so ist ein einfacher Austausch im Vergleich zum Austausch des Generators und/oder des Frequenzumrichters möglich, wobei der Austausch der Schutzeinrichtung zudem wesentlich günstiger ist. Hervorzuheben ist ferner, dass die Schutzeinrichtung gemäss vorliegender Erfindung in bestehenden Anlagen ebenso nachrüstbar ist, wie Neuanlagen mit ihr ausgestattet werden können.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Schutzeinrichtung ist, dass Frequenzumrich- ter in bestehenden Anlagen nicht neu dimensioniert werden müssen, da die Schutzeinrichtung alle gegebenenfalls anfallenden transienten Vorgänge aufnimmt und lediglich diese Schutzeinrichtung entsprechend den Randbedingungen in neuen wie in bestehen¬ den Anlagen zu dimensionieren ist. Die Anpassung der Schutzeinrichtung erfolgt dabei im Wesentlichen über die Dimensionierung des Überspannungsschutzes, des Brems- Choppers, des bedämpften DC-Zwischenkreises, des netzseitigen und des rotorseitigen Gleichrichters und zudem über die Dimensionierung der Zwischenkreisverbindung.
Die der Erfindung für das Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator zugrunde liegende Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 0; die diesen Erfindungsgedanken weiterbildenden Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche 1 1 bis 1 9.
Der Kern der Erfindung hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb einer Schutzeinrichtung für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator ist darin zu sehen, dass die Schutzein¬ richtung neben einer bekannten Rotorschutzeinrichtung -umfassend einen rotorseitigen Gleichrichter- zudem einen netzseitigen Gleichrichter aufweist, der einerseits über einen Hauptschalter mit einem Stromnetz verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters, wobei über diesen netzseitigen Gleichrichter Ener¬ gie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz und/oder der Statorwicklung vom netz¬ seitigen Umrichter ableitet und diese Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzein- richtung abgebaut werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, dass die Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung über einen Brems-Chopper und/oder einem Überspannungsschutz und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis zwischen dem netzseitigen Gleichrichter und dem rotorseitigen Gleichrichter abgebaut werden. Des Weiteren ist von Vorteil, wenn gegebenenfalls auftretende Energie- bzw. Span¬ nungsstösse im DC-Zwischenkreis beim Betrieb der Schutzeinrichtung über eine Zwischenkreisverbindung vom DC-Zwischenkreis zur Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters umgeleitet und dort abgebaut werden. Bei anlagenkritischen Betriebsbedingungen wird durch das Zünden eines Überspannungsschutzes zwischen dem netzseitigen Gleichrichter und dem rotorseitigen Gleichrichter ein niederohmiger Strompfad bereitgestellt, wodurch in der Folge der Hauptschalter ausgelöst wird. Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht für den Betrieb einer erfindungsgemässen Schutzeinrichtung vor, dass diese eine eigene Steuereinheit umfasst, wobei mit dieser Steuereinheit die Schutzeinrichtung autonom betrieben werden kann. Das bedeutet beispielsweise, dass die Steuereinheit bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters einen Brems-Chopper und/oder einen Überspannungsschutz in der Schutzeinrichtung aktiviert, oder aber mittels des Überspannungsschutzes den Hauptschalter auslöst.
Ferner kann die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung auch mit dieser Steuereinheit in Verbindung mit einer CPU-Steuereinheit des Frequenzumrichters betrieben werden; dann ist es möglich, dass bei Überstrom in der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis der Brems-Chopper und/oder der Überspannungsschutz aktiviert werden; des Weiteren kann bei Überstrom in der Statorwicklung und/oder der Rotorwicklung und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis mit dem Überspannungsschutz der Hauptschalter ausgelöst werden, wobei ein solches Auslösen mit Vorteil völlig unabhängig von der Drehzahl des Generators erfolgen kann. Das erfindungsgemässe Verfahren ist neu in der Lage, alle transienten Ströme vom netzseitigen Umrichter des Frequenzumrichters fern zu halten.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die erfindungsgemässe Schutzeinrichtung in einem Generatorsystem;
Fig. 2 den Spannungsverlauf am netzseitigen Umrichter eines Frequenzumrichters;
Fig. 3 den Stromverlauf am rotorseitigen Gleichrichter der Schutzeinrichtung, und die
Fig. 4 bis 1 0 Ausführungsformen eines bedämpften DC-Zwischenkreises der Schutzein- richtung und Ausführungsformen einer Zwischenkreisverbindung zwischen einem DC- Zwischenkreis des Frequenzumrichters und einer Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters der Schutzeinrichtung.
Fig. 1 zeigt ein Generatorsystem, welches im vorliegenden Beispiel die folgenden Elemente umfasst: Ein doppelt gespeister Dreiphasengenerator 4 mit einer Rotorwicklung 4.2 und einer Statorwicklung 4.1 , die über einen Statortrenner 3 und einen Hauptschalter 2 mit einem Stromnetz 1 verbunden ist. Über ein Schütz 8 (optional) und eine Netzdrossel 9 (optional) ist die Statorwicklung 4.1 mit einem netzseitigen Umrichter 7.1 eines Frequenzumrichters 7 verbunden, der über einen DC-Zwischenkreis 7.3 einen maschinen- seitigen Umrichter 7.2 umfasst. Dieser maschinenseitige Umrichter 7.2 ist über eine Ro- tordrossel 1 1 (optional) und Schleifringkontakte 4.3 mit der Rotorwicklung 4.2 verbunden. Für die Steuerung des Frequenzumrichters 7 ist eine CPU Steuereinheit 1 0 mit dem netzseitigen bzw. dem maschinenseitigen Umrichter 7.1 , 7.2 verbunden und eine Vorladeeinheit 6 für den DC-Zwischenkreis 7.3 ist zwischen selbigem und dem Stromnetz 1 verbunden, wobei diese Vorladeeinheit 6 auch über die CPU Steuereinheit 1 0angesteuert wird.
Zum Schutz der Rotorwicklung 4.2 und des maschinenseitigen Umrichters 7.2 ist be- kanntermassen die Rotorwicklung 4.2 mit einer Rotorschutzeinrichtung 5.5 verbunden, die neu Teil der vorliegenden, erfindungsgemässen Schutzeinrichtung 5 ist. Typischerwei- se umfasst die Rotorschutzeinrichtung 5.5 einen rotorseitigen Gleichrichter 5.5.3 (crow bar), einen Brems-Chopper (brake-chopper) 5.5.2 und einen Überspannungsschutz 5.5.1 . Ferner umfasst die Schutzeinrichtung 5 gemäss der Erfindung hinzukommend zu der Rotorschutzeinrichtung 5.5 einen weiteren, netzseitigen Gleichrichter 5.1 , der einer- seits über den Hauptschalter 2 mit dem Stromnetz 1 verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters 5.5.3. Des Weiteren weist die Schutzeinrichtung 5 eine Steuereinheit 5.2 auf, mit welcher die Rotorschutzeinrichtung 5.5 ansteuerbar ist. Dabei kann die Steuereinheit 5.2 zwei Teilsteuereinheiten umfassen, namentlich eine Überspannungsschutzsteuerung 5.2.1 für den Überspannungsschutz 5.5.1 bzw. eine Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 für die Brems-Chopper 5.5.2.
Ferner umfasst die Schutzeinrichtung 5 einen bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 mit einem Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und einem Zwischenkreisdämpfungsglied 5.4.2. Ausführungsbeispiele zu diesem bedämpften Zwischenkreis 5.4 werden unten stehend anhand der Figuren 4 bis 1 0 erläutert. Sofern eine Zugangsmöglichkeit zum DC-Zwischenkreis 7.3 des Frequenzumformers 7 gegeben ist, kann dieser DC-Zwischenkreis 7.3 über eine Zwischenkreisverbindung 5.3 mit der Gleichstromseite des netzseitigen bzw. rotorseitigen Gleichrichters 5.1 , 5.5.3 verbunden sein. Ausführungsbeispiele hierzu werden ebenfalls anhand der Figuren 4 bis 1 0 vorgestellt. Wie die Fig. 1 erhellt, können mit der Schutzeinrichtung 5 gemäss vorliegender Erfindung netzseitige Energie- bzw. Spannungsstösse vom Stromnetz 1 oder der Statorwicklung 4.1 zur Schutzeinrichtung 5 umgeleitet und im bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 und/oder im Überspannungsschutz 5.5.1 und/oder im Brems-Chopper 5.5.2 abgebaut werden, womit sowohl die Statorwicklung 4.1 selbst, als auch der netzseitige Umrichter 7.2 schützbar sind. Auf der Antriebsseite schützt die Schutzeinrichtung 5 die Rotorwicklung 4.2 und den maschinensettigen Umrichter 7.2.
Wenn ein Energie- bzw. Spannungsstoss schnell genug in der Schutzeinrichtung 5 abgebaut werden kann, bleibt der Generator 4 am Stromnetz 1 und er kann unmittelbar nach Abklingen des Fehlers weiter ins Stromnetz 1 einspeisen. Für den Fall, dass ein Energiebzw. Spannungsstoss nicht schnell genug in der Schutzeinrichtung 5 abgebaut werden kann, wird der Überspannungsschutz 5.5.1 aktiviert und er wird zu einem niederohmi- gen Strompfad, sodass der Hauptschalter 2 ausgelöst wird und das gesamte Generatorsystem vom Stromnetz 1 getrennt wird. Sofern die Schutzeinrichtung 5 ausschliesslich mit ihrer eigenen Steuereinheit 5.2 betrieben wird, können vollständig autonom -dass heisst unabhängig von der CPU Steuerung 1 0- Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz 1 und/oder der Statorwicklung 4.1 in die Schutzeinrichtung 5 umgeleitet werden und über den Brems-Chopper 5.5.2 und/oder den Überspannungsschutz 5.5.1 und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 abgebaut werden, bzw. der Haupt- Schalter 2 ausgelöst werden.
Ist -wie oben bereits angedeutet- der DC-Zwischenkreis zugänglich und somit die Zwi- schenkreisverbindung 5.3 installierbar und besteht zudem eine Verbindung zwischen der CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 und der Steuereinheit 5.2 der Schutzeinrichtung 5, dann können auch Überströme in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2) und/oder Überspannungen im DC-Zwischenkreis (7.3) zur Aktivierung des bedämpften DC-Zwischenkreises 5.4 und/oder des Überspannungsschutzes 5.5.1 und/oder des Brems-Chopper 5.5.2 in der Schutzeinrichtung 5 führen und dort abgebaut werden bzw. führen zur Auslösung des Hauptschalters 2. Fig. 2 zeigt den Spannungsverlauf am netzseitigen Umrichter eines Frequenzumrichters; die einzelnen Spannungslevels (UL) werden im Folgenden erläutert:
UL0-UL1 - Vorladebereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. Dieser Bereich kann nur während Vorladung oder Entladung durchfahren werden. Der Hauptschalter 2 ist abgeschaltet. Der netzseitige und maschinenseitige Umrichter 7.1 , 7.2 sind abgeschaltet.
UL1 -UL2 - Betriebsbereich des Brems-Choppers 5.5.2 und Sicherheitsbereich, um beim Betrieb des Brems-Choppers 5.5.2 (die Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 der Schutzeinrichtung 5 ist via der CPU Steuereinheit 1 0 aktiv geschaltet) um die Einhaltung der Bedin- gungen lUu = 0 und lUv = 0 und lUw = 0 zu garantieren. Der Brems-Chopper 5.5.2 wird bei Aktivierung durch die CPU Steuereinheit 1 0 aktiviert, so dass bei der Schwelle UL2 ein elektronischer Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 einschaltet und bei der Schwelle UL1 der elektronische Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 ausschaltet. In vorliegender Ausführungsform liegen die Schwellen bei 950V für den Brems-Chopper 5.5.2 (Einschalten) und 850V für den Brems-Chopper 5.5.2 (Ausschalten).
UL2-UL3 - Normaler Betriebsbereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. Innerhalb dieses Bereichs werden keinerlei Aktionen durch die Steuereinheit 5.2 der Schutzeinrichtung 5 von Überspannungsschutz 5.5.1 und dem Brems-Chopper 5.5.2 eingeleitet, falls kein Steuerbefehl der CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 eine der Funktionen ansteuert.
UL3-UL4 - Automatischer Betriebsbereich für den Brems-Chopper 5.5.2. Eine in der Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2 integrierte Spannungsmessonde steuert den Brems- Chopper 5.5.2 innerhalb der Hysterese UL3-UL4 (beispielsweise 1 200V Brems-Chopper 5.5.2 ein und 1 1 00V Brems-Chopper aus). Es soll erreicht werden, dass eine nicht von der CPU Steuereinheit 1 0 abhängige Schutzfunktion realisiert wird.
UL2-UL4 - Erweiterter sicherer Betriebsbereich des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5, in dem sowohl der netzseitige Umrichter 7.1 als auch der maschi- nenseitige Umrichter 7.2 Schaltvorgänge vornehmen können, ohne Schäden zu verursachen. Die Schutzeinrichtung 5 leitet eigenständig mit dem Brems-Chopper 5.5.2 den Schutz des Frequenzumrichters an der Schwelle UL4 ein durch Aktivierung des Brems- Choppers 5.5.2. Neu ist, dass dazu kein Steuerbefehl via die CPU Steuereinheit 1 0 erfolgen muss und dass ebenfalls Überspannungen aus dem Stromnetz 2 auf Überschreitung der Spannung im DC-Zwischenkreis 7.3 hin überprüft werden.
UL5 - Sicherheitsschwelle des Frequenzumrichters 7 und der Schutzeinrichtung 5. An dieser Schwelle kommen bei weiteren Schaltvorgängen der elektronischen Schalter des Brems-Choppers 5.5.2 oder der elektronischen Schalter im netzseitigen bzw. maschinen- seitigen Umrichter 7.1 , 7.2 zu dicht an ihre Betriebsgrenzen (SOA, Safe Operating Area; RSOA, Revers Bias Safe Operating Area). Zum Schutz des Frequenzumrichters 7 wird dann Überspannungsschutz 5.5.1 gestartet mit dem Ziel, den Frequenzumrichters 7 per Abschaltung des Hauptschalters 2 zu trennen.
UL5 - UL6 - Nicht erlaubter Sicherheitsbereich für den DC-Zwischenkreis 7.3 und d elektronischen Schalter. Erfolgt ein Schaltvorgang in diesem Bereich, oder liegt der D( Zwischenkreis 7.3 innerhalb dieser Spannung, sind noch keine Schäden zu erwarten.
UL6 - UL7 - Zerstörungsbereich des Frequenzumrichters 7. Sowohl der DC-Zwischenkreis 7.3 wird ausserhalb der Spezifikation betrieben (Überspannung) als auch -falls die elektronischen Schalter schalten- die Sperrspannung der elektronischen Schalter bzw. deren Betriebsgrenzen (SOA, Safe Operating Area; RSOA, Revers Bias Safe Operating Area) werden überschritten, falls diese aktiv schalten.
Fig. 3 zeigt die Stromverläufe der Ströme in den netzseitigen Gleichrichter 5.1 zum Stromnetz 1 und in den rotorseitigen Gleichrichter 5.5.3: A - Vorladung der Vorladeeinheit 6 bis ca. UL1 .
B - Überstrom in der Rotorwicklung 4.2 wegen Spannungseinbruch im Stromnetz 1 (Rotorüberstrom). Der Brems-Chopper 5.5.2 wird durch die CPU Steuereinheit 1 0 des Frequenzumrichters 7 gestartet und die Spannung an der Rotorwicklung zwischen UL1 und UL2 gehalten, damit kein Strom mehr in die Rotorwicklung 4.2 fliessen kann. C - Anregungszeitpunkt des Blindstromes durch den netzseitigen Umrichter 7.1 zur Netzunterstützung während eines Einbruchs der Netzspannung. Der netzseitigen Umrichter 7.1 sendet den Strom in den Netzfehler stromgesteuert hinein.
D - Brems-Chopper 5.5.2 durch wird CPU Steuereinheit 1 0 wegen Überstrom in der Stator- bzw. Rotorwicklung 4. 1 , 4.2 eingeschaltet. Der rotorseitige Strom wird via die Schwelle UL1 -UL2 für den Brems-Chopper 5.5.2 auf Null gebracht. Am Stromknoten ist folgendes zu erreichen: IGu = IRu wobei lUu = 0 wird, IGv = IRv wobei lUv = 0 wird und IGw - IRw wobei lUw = 0 wird.
E - Wiederkehr des Stromnetzes 1 nach einem Spannungseinbruch und Durchfahren des Fehlers (fault ride through, FRT)). Das Stromnetz 1 liefert einen Einschaltstrom, der die Gleichstromseite des netzseitigen Gleichrichters 5.1 lädt und den DC-Zwischenkreis 7.3 des Frequenzumrichters 7 ebenfalls auflädt. F - Überspannung am DC-Zwischenkreis 7.3 und gleichstromseitig des netzseitigen Gleichrichters 5.1 -verursacht z.B. durch einen Einschaltstrom des Stromnetzes 1 . Die Steuereinheit 5.2, speziell die Brems-Chopper-Steuerung 5.2.2, hält mittels einer Spannungsmessung und dem Brems-Chopper 5.5.2 den DC-Zwischenkreis 7.3 im Bereich UL3 - UL4, ohne jegliche Ansteuerung durch die CPU Steuereinheit 1 0.
G - Ende des Einschaltstroms. Im Bereich E-G wird durch den netzseitigen Umrichter 7.1 DC-Zwischenkreis 7.3 geladen. Ebenfalls im Bereich E-G wird über netzseitigen Gleichrichter 5.1 Gleichstromseite der Schutzeinrichtung 5, bzw. des Brems-Choppers 5.5.2 geladen. H - Netzstörung, die sowohl auf der Netzseite als auch auf der Rotorseite eine Über¬ spannung erzeugt. DC-Zwischenkreis 7.3 wird geladen. Ebenfalls wird über netzseitigen Gleichrichter 5.1 Gleichstromseite der Schutzeinrichtung 5, bzw. des Brems-Choppers 5.5.2 geladen.
I - Automatischer Brems-Chopper Einschaltpunkt der Schutzeinrichtung 5.5.2. Der Strom durch den Brems-Chopper stoppt den Spannungsanstieg nicht. Das hat zur Folge, dass die Einschaltschwelle des Überspannungsschutzes 5.5. 1 im Punkt J erreicht wird.
J - Schaltschwelle des Überspannungsschutzes 5.5. 1 . Da die beiden Gleichstromzweige im Frequenzumrichter 7 und der Schutzeinrichtung 5 eine Spannung grösser UL5 er¬ reichen wird mittels der Überspannungsschutzsteuerung 5.2.1 der Überspannungs- schütz 5.5.1 gezündet. Das erzeugt netzseitigen Gleichrichter 5.1 sehr hohe Ströme ICu; ICv; ICw. Diese grossen Überströme lösen via lu; Iv und Iw eine Überstromabschaltung im Hauptschalter 2.
IL0-IL1 - Erlaubter Strom durch den Frequenzumrichter 7. IL1 -IL2 - Nicht erlaubter Bereich für den Frequenzumrichter 7. Der Spannungsbegrenzer realisiert diesen Bereich.
In den Fig. 4 - 1 0 sind möglich Ausführungsformen für die Zwischenkreisverbindung 5.3 und den gedämpften DC-Zwischenkreis 5.4 nicht abschliessend zusammengestellt: Wie alle Fig. 4- 1 0 erhellen, umfasst der gedämpfte DC-Zwischenkreis 5.4 in einer Reihenschaltung entweder einen Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und eine Spule als Zwi- schenkreisdämpfungsglied 5.4.2 oder einen Zwischenkreiskondensator 5.4.1 und einen Widerstand als Zwischenkreisdämpfungsglied 5.4.2.
Die Zwischenkreisverbindung 5.3 kann in beiden Verbindungszweigen Dioden und Wi- derstände umfassen, siehe Fig. 4, oder eine direkte Verbindung im ersten Verbindungszweig und eine Diode und eine Widerstand im zweiten Verbindungszweig aufweisen, siehe Fig. 5; des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass keine Zwischenkreisverbindung 5.3 installierbar ist, siehe Fig. 6; ferner ist denkbar, dass die Zwischenkreisverbindung 5.3 lediglich in einem Verbindungszweig einen Widerstand aufweist, siehe Fig. 7 oder in bei- den Verbindungszweigen jeweils einen Widerstand, siehe Fig. 8; zudem ist eine direkte Verbindung in einem Verbindungszweig denkbar, während der andere Verbindungszweig einen elektronischen Schalter mit nachgeschaltetem Widerstand oder Spule umfasst, siehe Fig. 9; Fig. 1 0 zeigt eine direkte Verbindung beider Verbindungszweige.
Die vorangegangenen Erläuterungen beziehen sich grösstenteils auf bestimmte Ausfüh- rungsformen der Erfindung, was keine Einschränkung im Sinne des Inhalts der Erfindung darstellt. Es wird für eine entsprechend befähigte Person nachvollziehbar sein, dass die vorgeschlagenen Lösungen auf weitere gerätetechnische Anordnungen übertragbar sind. Speziell ist die Anwendung nicht auf doppelt gespeiste Asynchronmaschinen oder Schleifringläufermaschinen beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle mehrphasigen Maschinen, die mit einer Wicklung direkt ans Netz gekoppelt sind und wenigstens eine weitere nach aussen zugängliche Wicklung aufweisen, wie z. B. Kaskadenmaschinen, bürstenlose doppelt gespeiste Maschinen oder doppelt gespeiste Reluktanzmaschinen. Bezugszeichenliste
1 Stromnetz
2 Hauptschalter
3 Statortrenner
4 Generator
4.1 Statorwicklung
4.2 Rotorwicklung
4.3 Schleifringkontakte
5 Schutzeinrichtung
5.1 netzseitiger Gleichrichter
5.2 Steuereinheit
5.2.1 Überspannungsschutzsteuerung
5.2.2 Brems-Chopper-Steuerung
5.3 Zwischenkreisverbindung
5.4 bedampfter DC-Zwischenkreis
5.4.1 Zwischenkreiskondensator
5.4.2 Zwischenkreisdämpfungsglied
5.5 Rotorschutzeinrichtung
5.5.1 Überspannungsschutz
5.5.2 Brems-Chopper
5.5.3 rotorseitiger Gleichrichter
6 Vorladeeinheit
7 Frequenzumrichter
7.1 netzseitiger Umrichter
7.2 maschinenseitiger Umrichter
7.3 DC-Zwischenkreis
8 Schütz
9 Netzdrossel
1 0 CPU Steuereinheit
1 1 Rotordrossel

Claims

Patentansprüche
1. Schutzeinrichtung (5) für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit einer Statorwicklung (4.1 ) und einer Rotorwicklung (4.2), welche Rotorwicklung (4.2) mit einem Frequenzumrichter (7) verbunden ist, umfassend einen maschi- nenseitigen Umrichter (7.2) und einen netzseitigen Umrichter (7. 1 ) mit einem zwischengeschaltetem DC-Zwischenkreis (7.3 ), wobei der netzseitige Umrichter (7.1 ) über einen Hauptschalter (2) mit einem Stromnetz ( 1 ) und mit der Statorwicklung (4.1 ) verbunden ist und wobei die Rotorwicklung (4.2) mit einer Rotorschutzeinrichtung (5.5) der Schutzeinrichtung ( 5) verbunden ist und diese Rotorschutzeinrichtung ( 5.5 ) einen rotorseitigen Gleichrichter ( 5.5.3 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5) zudem einen netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) aufweist, der einerseits über den Hauptschalter (2) mit dem Stromnetz ( 1 ) verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ).
2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen Brems-Chopper (5.5.2) umfasst.
3. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen Überspannungsschutz ( 5.5. 1 ) umfasst.
4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung ( 5) femer eine Steuereinheit ( 5.2) für den Überspannungsschutz (5.5.1 ) und den Brems-Chopper (5.5.2) umfasst.
5. Schutzeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (5.2) eine Überspannungsschutzsteuerung ( 5.2.1 ) und eine Brems-Chopper- Steuerung (5.2.2) umfasst.
6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem netzseitigen und dem rotorseitigen Gleichrichter ( 5.1 , 5.5.3) ein bedampfter DC-Zwischenkreis ( 5.4) angeordnet ist, der einen Zwi- schenkreiskondensator (5.4. 1 ) und ein Zwischenkreisdämpfungsglied ( 5.4.2) umfasst.
7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der bedämpfte Zwischenkreis ( 5.4) einen Widerstand und einen Kondensator umfasst, oder eine Spule und einen Kondensator.
8. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der DC-Zwischenkreis (7.3 ) über eine Zwischenkreisverbindung (5.3) mit der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ) verbunden ist.
9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisverbindung (5.3 ) in ihren beiden Verbindungszweigen Widerstände aufweist, oder eine Kombination aus Widerständen und Dioden, oder lediglich in einem Zweig einen Widerstand, eine Kombination aus einem Widerstand und einer Diode, oder eine Kombination aus einer Diode, einem elektronischem Schalter und einer Drossel, oder eine Kombination aus einer Diode, einem IGBT und einem Widerstand umfasst. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung (5 ) für einen doppelt gespeisten Dreiphasengenerator (4) mit einer Statorwicklung (4.1 ) und einer Rotorwicklung (4.2), welche Rotorwicklung (4.2) mit einem Frequenzumrichter (7) verbunden ist, umfassend einen maschinenseitigen Umrichter (7.2) und einen netzseitigen Umrichter (7.1 ) mit einem zwischengeschaltetem DC-Zwischenkreis (7.3), wobei der netzseitige Umrichter (7. 1 ) über einen Hauptschalter (2) mit einem Stromnetz ( 1 ) und mit der Statorwicklung (4.1 ) verbunden ist und wobei die Rotorwicklung (4.2) mit einer Rotorschutzeinrichtung (5.5 ) der Schutzeinrichtung ( 5) verbunden ist und diese Rotorschutzeinrichtung (5.5) einen rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3 ) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung ( 5 ) zudem über einen netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) verfügt, der einerseits über den Hauptschalter (2) mit dem Stromnetz ( 1 ) verbunden ist und andererseits mit der Gleichstromseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3 ) und mit diesem netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) Energie- bzw. Spannungsstösse aus dem Stromnetz ( 1 ) und/oder der Statorwicklung (4.1 ) vom netzseitigen Umrichter (7. 1 ) ableitet und diese Energiebzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung (5) abgebaut werden.
Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie- bzw. Spannungsstösse in der Schutzeinrichtung (5 ) über einen Brems-Chopper (5.5.2) und/oder einem Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) und/oder einem bedämpften DC-Zwischenkreis ( 5.4) zwischen dem netzseitigen Gleichrichter (5.1 ) und dem rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3) abgebaut werden.
Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Zwischenkreisverbindung (5.3 ) zwischen dem DC- Zwischenkreis (7.3 ) und der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3 ) Energie- bzw. Spannungsstösse im DC-Zwischenkreis (7.3) zu dieser Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters ( 5.5.3) umgeleitet und abgebaut werden.
Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 oder 1 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch Zünden eines Überspannungsschutzes (5.5. 1 ) zwischen dem netzseitigen Gleichrichter (5. 1 ) und dem rotorseitigen Gleichrichter (5.5.3) ein niederohmiger Strompfad entsteht, der den Hauptschalter (2) auslöst.
14. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5) mittels einer Steuereinheit (5.2) betrieben wird.
15. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3 ) der Brems-Chopper ( 5.5.2) und/oder der Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) aktiviert werden. 16. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überspannung an der Gleichspannungsseite des rotorseitigen Gleichrichters (5.5.3) der Überspannungsschutz ( 5.5.1 ) den Hauptschalter (2) auslöst.
17. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 1 bis 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzeinrichtung (5 ) durch eine Steuereinheit (5.2) in
Verbindung mit einer CPU Steuereinheit ( 1 0) des Frequenzumrichters (7) betrieben wird.
18. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überstrom in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2) und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis (7.3) der Brems- Chopper (5.5.2) und/oder der Überspannungsschutz (5.5.1 ) aktiviert werden. 19. Verfahren zum Betrieb einer Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überstrom in der Statorwicklung (4.1 ) und/oder der Rotorwicklung (4.2 ) und/oder Überspannung im DC-Zwischenkreis (7.3) der Überspannungsschutz (5.5.1 ) den Hauptschalter (2) auslöst.
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