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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Filter für eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom, ein Verfahren zum Filtern einer Dreiphasenwechselspannung und eines Dreiphasenwechselstroms, sowie auf ein Verdichtersystem gemäß den unabhängigen Ansprüchen.
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Die
DE 19928481 B4 beschreibt ein Verfahren zur vereinfachten feldorientierten Regelung von Synchronmaschinen.
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Eine Dreiphasenwechselspannung und ein Dreiphasenwechselstrom zur Ansteuerung einer Drehfeldmaschine können mittels einer Filteranordnung gefiltert werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund wird mit der vorliegenden Erfindung ein Filter für eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom, weiterhin ein Verdichtersystem, dass diesen Filter verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Verfahren zum Filtern einer Dreiphasenwechselspannung und eines Dreiphasenwechselstroms gemäß den unabhängigen Patentansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass durch die taktende Arbeitsweise eines Pulswechselrichters (PWR) Stator- und Rotorzusatzverluste in einer Drehfeldmaschine auftreten, zu deren Vermeidung zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind. Eine Maßnahme stellt der Einsatz eines passiven LC-Filters zwischen dem Pulswechselrichter und der Drehfeldmaschine dar. Dabei kann die Drehfeldmaschine sowohl als Synchron-, oder Asynchronmaschine, oder als geschaltete Reluktanzmaschine, oder als Homopolarmaschine ausgeführt sein. Insbesondere kann es sich bei der Drehfeldmaschine um einen Elektromotor eines elektrischen Turboverdichters (ETC) handeln. Erfindungsgemäß wird das LC-Filter mit Kondensatoren in einer Dreieckschaltung ausgeführt.
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Vorteilhafterweise reduziert sich durch die Dreieckschaltung der Wert der Filterkapazität pro Filterkondensator bei selber Filterwirkung auf ein Drittel des jeweiligen Werts in einer alternativen Sternschaltung. Der Strom in einem Filterkondensator ist im Vergleich zu einer Sternschaltung um den Faktor √3 kleiner. Die Strombelastung bestimmt im Wesentlichen die Erwärmung und somit die Lebensdauer der Kondensatoren. Bei selber Baugröße des Kondensators kann somit eine höhere Filterwirkung erzielt werden. Hierbei ist es vorteilhaft zu beachten, dass die Spannungsbelastung der Kondensatoren um den Faktor √3 zunimmt. Diese Erhöhung der Spannungsbelastung führt aber nicht dazu, dass es notwendig ist, die Baugröße der Kondensatoren so weit zu erhöhen, dass dieselbe Baugröße erforderlich ist, wie bei dem dreifachen Wert der Filterkapazität. Somit ergibt sich durch die Dreieckschaltung ein erheblicher Baugrößenvorteil, wodurch möglichst wenig Bauvolumen für das Filter benötigt wird. Durch eine Anwendung der Dreieckschaltung in einem LC-Filter zur Speisung eines Turboverdichters können zudem Verzerrungsströme vermieden werden.
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Im Gegensatz zu einer Sternschaltung ist es bei der Dreieckschaltung nicht notwendig, dass die Kapazität der Kondensatoren immer den für das Filter berechneten Nennwert aufweist. Auch werden die Kondensatoren nicht mit einem vergleichsweise hohen Strom und somit auch nicht mit einem hohen Ripplestrom beaufschlagt. Da der Sternpunkt entfällt, existiert kein floatend ausgeführter Sternpunkt, der sich im Potential erheblich vom Sternpunkt der Maschine unterscheiden kann. Dadurch werden Verzerrungsströme vermieden.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein Filter für eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom, mit folgenden Merkmalen:
einer Leiteranordnung aus drei elektrischen Leitern für die Dreiphasenwechselspannung und den Dreiphasenwechselstrom;
drei Induktivitäten, wobei je eine der Induktivitäten mit je einem der Leiter in Reihe geschaltet ist; und
einer Kondensatoranordnung aus drei Kondensatoren, wobei je einer der Kondensatoren zwischen je zwei der Leiter geschaltet ist.
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Das Filter eignet sich zur oberschwingungsarmen Speisung einer Drehfeldmaschine. Beispielsweise kann das Filter als Ausgangsfilter für einen Pulswechselrichter zur verlustarmen Speisung eines elektrischen Turboverdichters eingesetzt werden. Die Dreiphasenwechselspannung oder Dreiphasenwechselspannungen können einen Phasenversatz von 120° aufweisen und drei Wechselspannungen gleicher Frequenz umfassen. Der Dreiphasenwechselstrom oder die Dreiphasenwechselströme können einen Phasenversatz von 120° aufweisen und drei Wechselströme gleicher Frequenz umfassen. Ein Dreiphasenwechselstrom kann als Drehstrom bezeichnet werden und eine Dreiphasenwechselspannung kann als Drehspannung bezeichnet werden. Die elektrischen Leiter sind so dimensioniert, dass sie die Drehspannungen und Drehströme übertragen können. Die Induktivitäten und die Kondensatoren können als diskrete Bauteile realisiert sein. Die Induktivitäten können als Drosseln oder Spulen ausgeführt sein und an geeigneten Stellen in die Leiter eingefügt sein. Auch können die Induktivitäten durch die Leiter selbst gebildet werden, so dass die Leiter die Induktivitäten aufweisen. Die Kondensatoren und die Induktivitäten können jeweils eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung bewirken. Über geeignete Werte für die Induktivitäten und die Kapazität der Kondensatoren kann eine Filtercharakteristik des Filters eingestellt werden. Das Filter kann so ausgelegt sein, dass es einen oder mehrere Nutzanteile der Dreiphasenwechselspannung und der Dreiphasenwechselströme unverändert durchlässt und einen oder mehrere Störanteile der Dreiphasenwechselspannung und der Dreiphasenwechselströme herausfiltert.
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Die drei Kondensatoren können in einer Dreieckschaltung verschaltet sein. Die Dreieckschaltung ermöglicht eine Reduzierung der Strombelastung und damit eine Erhöhung der Lebensdauer der im Dreieck verbauten Bauteile. Bei der Dreieckschaltung der Kondensatoren eventuell auftretende Kreisströme zwischen den Kondensatoren können durch einen möglichst symmetrischen Aufbau der Dreieckschaltung vermieden werden.
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Das Filter kann ein Tiefpass sein. Dadurch kann die Dreiphasenwechselspannung in Frequenzen unterhalb einer Grenzfrequenz des Tiefpass nahezu ungehindert passieren, wohingegen Frequenzen oberhalb der Grenzfrequenz von dem Tiefpass bedampft werden, so dass die hohen Frequenzen, die der Dreiphasenwechselspannung überlagert sind, entfernt werden können.
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Die Leiteranordnung kann erste Anschlüsse zum Aufnehmen der Dreiphasenwechselspannung und des Dreiphasenwechselstroms von einem Pulswechselrichter und zweite Anschlüsse zum Abgeben einer gefilterten Dreiphasenwechselspannung und von eines gefilterten Dreiphasenwechselstroms an eine Drehfeldmaschine aufweisen, wobei die Kondensatoranordnung mit den zweiten Anschlüssen der Leiteranordnung verbunden ist. Die gefilterte Dreiphasenwechselspannung und der gefilterte Dreiphasenwechselstrom können durch Filtern der Dreiphasenwechselspannung und des Dreiphasenwechselstroms mittels des Filters erzeugt werden. Somit können die von dem Pulswechselrichter hervorgerufenen Signalstörungen in der Dreiphasenwechselspannung und im Dreiphasenwechselstrom entfernt werden, wodurch Stator- und Rotorzusatzverluste in der Drehfeldmaschine reduziert werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein erster Anschluss einer ersten der Induktivitäten mit einem ersten Anschluss eines ersten der Leiter und ein zweiter Anschluss der ersten Induktivität mit einem zweiten Anschluss des ersten Leiters, ein erster Anschluss einer zweiten der Induktivitäten mit einem ersten Anschluss eines zweiten der Leiter und ein zweiter Anschluss der zweiten Induktivität mit einem zweiten Anschluss des zweiten Leiters, und ein erster Anschluss einer dritten der Induktivitäten mit einem ersten Anschluss eines dritten der Leiter und ein zweiter Anschluss der dritten Induktivität mit einem zweiten Anschluss des dritten Leiters verbunden sein, und ein erster Anschluss eines ersten der Kondensatoren mit dem zweiten Anschluss des ersten Leiters und ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators mit dem zweiten Anschluss des zweiten Leiters, ein erster Anschluss eines zweiten der Kondensatoren mit dem zweiten Anschluss des zweiten Leiters und ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators mit dem zweiten Anschluss des dritten Leiters, und ein erster Anschluss eines dritten der Kondensatoren mit dem zweiten Anschluss des dritten Leiters und ein zweiter Anschluss des dritten Kondensators mit dem zweiten Anschluss des ersten Leiters verbunden sein. Durch die Anordnung der Induktivitäten vor den Kondensatoren kann ein besseres Einschwingverhalten des Filters gewährleistet werden.
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Die drei Induktivitäten können jeweils einen gleich großen Induktivitätswert aufweisen. Entsprechend dazu können die drei Kondensatoren jeweils einen gleich großen Kapazitätswert aufweisen. Dadurch wird ein symmetrischer Aufbau ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verdichtersystem mit folgenden Merkmalen:
einem Turboverdichter zum Komprimieren eines Gases, wobei der Turboverdichter als Antrieb eine Drehfeldmaschine aufweist;
einem Pulswechselrichter zum Bereitstellen einer Dreiphasenwechselspannung und eines Dreiphasenwechselstroms für die Drehfeldmaschine; und
einem erfindungsgemäßen Filter für die Dreiphasenwechselspannung und den Dreiphasenwechselstrom.
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Unter einem Turboverdichter kann eine Strömungsmaschine verstanden werden, die durch ein rotierendes Bauteil, einen Läufer, ein kompressibles Gas auf ein höheres Druckniveau als ein Umgebungsdruckniveau bringen kann, wenn mechanische Energie in Form von Rotation zugeführt wird. Weiter kann unter einem Turboverdichter eine thermische Turbomaschine und insbesondere ein Turboverdichter verstanden werden. Die Turbomaschine kann demnach einen Verdichter und/oder eine Turbine aufweisen. Im Verdichter kann die Turbomaschine ein Gas komprimieren. Die zur Komprimierung erforderliche mechanische Energie kann von der Drehfeldmaschine bereitgestellt werden. In der Turbine kann die Turbomaschine ein Gas entspannen. Dabei kann Energie in Form von mechanischer Energie bereitgestellt werden, die auf den Verdichter übertragen oder von der Drehfeldmaschine in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
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Eine Drehfeldmaschine kann ein Elektromotor mit drei Induktivitäten sein, die in einem Winkel von 120° angeordnet sein können. Die Drehfeldmaschine kann elektrische Energie in mechanische Energie umwandeln, und umgekehrt. Ein Pulswechselrichter kann ein elektrisches Gerät sein, das eine Eingangsspannung in eine Wechselspannung vorgegebener Frequenz und Amplitude umwandeln kann. Die Wechselspannung kann eine Dreiphasenwechselspannung sein. Die Drehfeldmaschine kann mit der Dreiphasenwechselspannung betrieben werden. Das Verdichtersystem kann im Zusammenhang mit einer Brennstoffzelle eingesetzt werden. Dabei kann das von dem Turboverdichter verdichtete Gas der Brennstoffzelle zugeführt werden.
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Weiterhin schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Filtern einer Dreiphasenwechselspannung, mit folgendem Schritt:
Anlegen der Dreiphasenwechselspannung und des Dreiphasenwechselstroms an eine Leiteranordnung aus drei elektrischen Leitern, wobei je eine Induktivität mit je einem der Leiter in Reihe geschaltet ist und je ein Kondensator zwischen je zwei der Leiter geschaltet ist.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Filteranordnung für einen Dreiphasenmotor;
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2 eine Schaftbild eines Ausführungsbeispiels einer Filteranordnung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Filteranordnung. Ein Filter 100 ist in einer dreiphasigen Leitung zwischen einem Pulswechselrichter 110 und einem Drehstrommotor 120 angeordnet. Der Pulswechselrichter 110 gibt eine Dreiphasenwechselspannung und einen Dreiphasenwechselstrom aus, welche durch die Filteranordnung 100 gefiltert werden, und den Drehstrommotor 120 antreiben. Die Filteranordnung 100 weist drei Induktivitäten LF sowie drei Kondensatoren CF auf. Die Kondensatoren CF sind in einer Sternschaltung angeordnet. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird das LC-Filter 100 zwischen dem Pulswechselrichter 110 und dem Motor 120 so ausgeführt, dass die Induktivitäten LF in jeder Phase in Reihe zum Pulswechselrichter 110 und die Kondensatoren CF danach in Sternschaltung vor die Maschine 120 geschaltet werden.
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Der Pulswechselrichter 110 ist ausgebildet, um eine Eingangsspannung UDC und einen Eingangsstrom IDC, die als Gleichspannung und Gleichstrom vorliegen und über einen Kondensator CDC geglättet werden, in drei Wechselspannungen up1, up2, up3, sowie drei Wechselströme ip1, ip2, ip3 umzuwandeln. Die Wechselströme ip1, ip2, ip3 fließen durch die Induktivitäten LF und werden anschließend in Stromanteile ic_stem1, ic_stem2, ic_stem3, die durch die Kondensatoren CF fließen, sowie in Stromanteile im1, im2, im3, die dem Drehstrommotor 120 zugeführt werden, aufgeteilt. Die Wechselspannungen up1, up2 und up3 liegen zwischen Ausgangskontakten des Pulswechselrichters 110 und einem Sternpunkt der in Sternschaltung verschalteten Kondensatoren CF an. Resultierende Spannungen um1, um2, um3 liegen zwischen Eingangsklemmen 1, 2, 3 des Drehstrommotors 120 und dem Sternpunkt an und bewirken im Drehstrommotor 120 ein Drehmoment M und eine Drehzahl n. Zwischen den Eingangsklemmen 1, 2, 3 liegen die Spannungen um12, um23, um31 an.
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2 zeigt einen Ausgangsfilter für einen Pulswechselrichter zur verlustarmen Speisung eines elektrischen Turboverdichters, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Filter 200 ist in einer dreiphasigen Leitung zwischen einem Pulswechselrichter 110 und einer Drehfeldmaschine oder E-Maschine 120 angeordnet. Der Pulswechselrichter 110 ist ausgebildet, um eine Eingangsgleichspannung UDC und einen Eingangsgleichstrom IDC, der über einen Eingangskondensator CDC geglättet wird, umzuwandeln und an drei Ausgängen Wechselspannung up1, up2, up3 und Wechselströme ip1, ip2, ip3 auszugeben.
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Das Filter 200 ist in einer aus drei Leitern bestehenden Leiteranordnung angeordnet, die die Ausgänge des Pulswechselrichters 110 mit Eingängen 1, 2, 3 der Drehfeldmaschine 120 verbindet. Das Filter 200 ist als LC-Ausgangsfilter ausgeführt und weist drei Induktivitäten LF und drei Kapazitäten CF auf. Die Induktivitäten LF sind zwischen entsprechenden Ausgängen des Pulswechselrichters 110 und der Drehfeldmaschine 120 geschaltet und werden von den Strömen ip1, ip2, ip3 durchflossen. Nach den Induktivitäten LF werden Ströme ip1, ip2, ip3 in Stromanteile ic_dreieck1, ic_dreieck2, ic_dreieck3, die den Kondensator CF zugeführt werden, sowie in Stromanteile im1, im2, im3, die dem Drehstrommotor 120 zugeführt werden, aufgeteilt. Die Kondensatoren CF sind in einer Dreiecksschaltung angeordnet, so dass ein erster der Kondensatoren CF zwischen einem ersten Eingang 1 und einem zweiten Eingang 2 der Drehfeldmaschine 120, ein zweiter der Kondensatoren CF zwischen dem zweiten Eingang 2 und einem dritten Eingang 3 der Drehfeldmaschine 120 und ein dritter der Kondensatoren CF zwischen dem ersten Eingang 1 und dem dritten Eingang 3 der Drehfeldmaschine 120 geschaltet ist. Beispielhaft ist für den ersten Kondensator CF ein durch den ersten Kondensator CF fließender Strom ic_str und eine an dem ersten Kondensator CF abfallende Spannung um12 gezeigt. An jedem der Kondensatoren liegt die Spannung um12, um23, um31 zwischen den jeweiligen zwei Phasen an, die er verbindet. So liegt an dem ersten Eingang 1 der Drehfeldmaschine die Spannung um1, an dem zweiten Eingang 2 die Spannung um2 und an dem dritten Eingang 3 die Spannung um3. Zwischen dem ersten Eingang 1 und dem zweiten Eingang 2 fällt die Spannung um12, zwischen dem zweiten Eingang 2 und dem dritten Eingang 3 die Spannung um23 und zwischen dem dritten Eingang 1 und dem ersten Eingang 1 die Spannung um31 ab. Die an den Eingängen 1, 2, 3 der Drehfeldmaschine anliegenden Spannungen um1, um2, um3 und Ströme im1, im2, im3 durchfließen im Betrieb der Drehfeldmaschine 120 drei Induktivitäten in der Drehfeldmaschine 120 und bewirken ein rotierendes elektrisches Feld, das einen Rotor der Drehfeldmaschine 120 in Bewegung versetzt und ein Drehmoment M und eine Drehzahl n am Rotor bewirkt.
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Der vorgestellte Ansatz beruht auf den folgenden Berechnungsgrundlagen. Dabei wird ein Filter in Sternschaltung zugrunde gelegt, welches eine Filterkapazität CF, einen Strom ic_stern in den Filterkondensator, sowie eine Spannung um1 am Filterkondensator aufweist. Daraus kann die folgende Berechnung der erforderlichen Kapazität hergeleitet werden.
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Strom in der Dreieckschaltung:
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Differentialgleichung des Kondensators in Dreieckschaltung:
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Differentialgleichung des Kondensators in Sternschaltung:
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Vergleich der Kapazität in Stern- und Dreieckschaltung:
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Daraus geht hervor, dass bei identischer Frequenz am Kondensator in einer Dreieckschaltung nur ein Drittel der Kapazität als Filterkondensatoren benötigt wird, die in einer Sternschaltung gleicher Wirkung verbaut ist. Daraus geht ein Baugrößenvorteil bei einem elektrischen Turbolader (TCE) an einer Brennstoffzelle bei Anwendung im Automobilbereich hervor. Zusätzlich kann bei gleicher Baugröße des Filterkondensators in Dreieckschaltung eine höhere Filterwirkung erzielt werden und somit resultierende Verluste in der E-Maschine des Turboverdichters verringern.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Filtern einer Dreiphasen Wechselspannung, gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 310 werden eine Dreiphasenwechselspannung und ein Dreiphasenwechselstrom bereitgestellt. Die Dreiphasenwechselspannung und der Dreiphasenwechselstrom werden in einem Schritt 310 an ein Filter für die Dreiphasenwechselspannung und den Dreiphasenwechselstrom angelegt, das eine Leiteranordnung aus drei elektrischen Leitern umfasst, wobei je eine Induktivität mit je einem der Leiter in Reihe geschaltet ist und je ein Kondensator zwischen je zwei der Leiter geschaltet ist. Anschließend kann die gefilterte Dreiphasenwechselspannung und der gefilterte Dreiphasenwechselstrom beispielsweise an eine Drehfeldmaschine ausgegeben werden.
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Durch die Anordnung von je einem Kondensator zwischen zwei der Phasen werden eine hohe Symmetrie der Schaltung und eine definierte Spannung an jedem der Kondensatoren erreicht. Durch die höhere resultierende Spannung reduziert sich bei gleicher Last der fließende Strom, was eine Verringerung einer thermischen Belastung der Kondensatoren bedeutet. Da der Stromfluss die entscheidende Größe für die Haltbarkeit von Elektronikbauteilen ist, ergibt sich durch die sinkende Stromstärke eine steigende Lebensdauer. Zusätzlich ergibt sich durch die größere Spannung und den geringeren Kondensatorstrom im Vergleich zur Sternschaltung eine höhere Wirksamkeit der Kondensatoren, wodurch Kondensatoren mit einer geringeren Kapazität verbaut werden können, um die gleiche Filterleistung zu erreichen, wie bei einer Sternschaltung. Kondensatoren geringerer Kapazität erfordern einen geringeren Bauraum, was eine verbesserte Möglichkeit zur Platzierung der Kondensatoren bei beengten Platzverhältnissen ergibt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines werteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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