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1 - 4 JL T fe Fortschritt-Berichte VDI Reihe 21 Elektrotechnik Dipl.-Ing. Bernd Köhler, Koblenz Nr. 256 Drehzahlvariable, getriebelose Wasserkraftanlage mit permanentmagneterregtem Synchrongenerator und Francisturbine

2 Inhalt 1 Einleitung Stand der Technik Neues Konzept - drehzahlvariabel und ohne Getriebe Realisierung in Hüfingen an der Breg 4 2 Turbine Aufbau und Wirkungsweise der Francisturbine Voraussetzungen und Hydromechanische Grundgleichungen Voraussetzungen Auf Bestpunkt bezogene Betriebsgrößen Spezifische Drehzahl Spezifische Geschwindigkeiten Energieerhaltungssatz, Drallerhaltungssatz, Eulersche Turbinenhauptgleichung Geschwindigkeitsdreiecke am Laufrad Verluste und Wirkungsgrad der Turbine Geschwindigkeitsdreiecke für verschiedene Betriebspunkte Betrieb im Bestpunkt Betrieb bei Teillast Betrieb bei Vollast Betrieb im gesamten Durchflußbereich q min bis q mla Auswirkungen des Austrittsdralls auf das Betriebsverhalten Auswirkung veränderter Umfangsgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeitsdreiecke Muscheldiagramm Abhängigkeit des Drehmoments von der Drehzahl Abhängigkeit des Turbinendurchflusses von der Drehzahl Regler für Betrieb mit wirkungsgradoptimaler Drehzahl Bisher angewandte Verfahren Realisiertes Suchverfahren Wartezeit nach Drehzahländerung Wartezeit nach Leitapparatverstellung Oberwasserstandsregler Regelungsstruktur der Gesamtanlage Betriebsergebnisse Tages- und Monatsverläufe, Vergleich der bezogenen Betriebspunkte bei drehzahlfestem und drehzahlveränderlichem Betrieb Wellenwirkungsgrad der Turbine Dauerlinien Turbinenleistung in Abhängigkeit vom Durchfluß Drehmoment in Abhängigkeit vom Durchfluß Arbeitsbereich der Turbine 44

3 VI Inhalt 3 Generator Hauptabmessungen Einfluß der Polpaarzahl auf die Ausnutzung der Maschine Magnetvolumen in Abhängigkeit von der Polpaarzahl Wicklungskupfer in Abhängigkeit von der Polpaarzahl Permanentmagneterregung versus elektrische Erregung (Kapitalrücklaufzeit) Permanentmagneterregung Elektrische Erregung Kostenvergleich Empirische Überprüfung der Kapitalrücklaufzeit Zeitverläufe der Spannungen und Ströme des Synchrongenerators Modellbildung der Synchronmaschine Voraussetzungen Die Synchronmaschine in polradorientierter Raumzeigerdarstellung Induktivitäten der Synchronmaschine Bezogene Größen der Synchronmaschine Wirkungsgrad der Generatoren Wirkungsgrad des permanenterregten Synchrongenerators Vergleich der Betriebsarten mit cos(p = -1 und i sd = Asynchrongenerator Wirkungsgrad des Asynchrongenerators 74 4 Frequenzumrichter Signalverarbeitung Spannungszwischenkreis Stromkompensierte Drossel im Zwischenkreis Aktiv symmetrierter Spannungszwischenkreis du / dt-begrenzung mit LCD-Filter Wirkungsweise Entwurf Verluste Messergebnisse Wirkungsgrad Umrichterwirkungsgrad Getriebewirkungsgrad Energetischer Wirkungsgrad des Stromrichters und des Getriebes 97 5 Polradorientierte Regelung der Synchronmaschine Stromregelkreis Entwurf der Stromreglerstruktur der Synchronmaschine Bestimmung der Reglerparameter des Stromreglers der Synchronmaschine Simulation und Messung der Sprungantwort des Stromreglers der Synchronmaschine Drehzahlregler der Synchronmaschine 107

4 Inhalt VII Simulation und Messung des Störverhaltens der Drehzahlregelung Dimensionierung des PT 2-Hochlaufgebers Betrieb ohne Rotorpositionslagegeber Netzeinspeisung Bekannte Regelverfahren Mathematische Beschreibung der Strecke Netzquellenspannungssystem mit Oberschwingungen Diskussion verschiedener Regelziele der Netzstromregelung Entwurf einer Reglerstruktur Lösungsansätze für einen Regler zur Einprägung eines reinen Grundschwingungsstroms Streckenmodell des LCL-Netzfilters Anwendung und Dimensionierung des PVI-Reglers für die Netzeinspeisung Bestimmung der maximalen P-Verstärkung des Netzstromreglers mit LCL-Filter als Strecke Abschätzung der Filterverluste und der Dämpfung Bestimmung der Zeitkonstante eines Pl-Netzstromreglers mit LCL-Filter als Strecke Bestimmung der Verstärkungsfaktoren der Verallgemeinerten Integratoren Anwendung der Ergebnisse für den Reglerentwurf Zwischenkreisspannungsregler Bemessung des LCL-Netzfilters Problematik einfacher LC-Filter am Netz Bemessung der Netzeinspeisedrossel Bestimmung der Filterresonanzfrequenz Bestimmung der Filterkapazität und der optimalen Netzdrosselaufteilung Meßergebnis und Harmonische Analyse des Netzstroms Energieertragsanalyse Energiefluß und Wirkungsgrade der konventionellen Anlage Energiefluß und Wirkungsgrad der direktgekuppelten, drehzahlvariablen Anlage Dauerlinie der Netzleistung Dauerlinie der mechanischen Leistung an der Turbinenwelle Energetische Wirkungsgrade Zusammenfassung Anhang Komplexer Raumzeiger für dreisträngige Systeme Vergleich der Pl-Reglerkoeffizienten in Summen- und Rationalform Daten der ausgeführten Anlage Abkürzungen und Formelzeichen Abkürzungen Variablendefinition 187

5 VIII Inhalt Formelzeichen Indizes Übertragungsfunktionen allg Verstärkungsfaktoren und Zeitkonstanten Indizes regelungstechnischer Größen Literaturverzeichnis 192

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