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Die Erfindung betrifft einen Laststufenschalter mit Halbleiter-Schaltelementen. Im Besonderen besteht der Laststufenschalter aus mehreren Schaltmodulen und ist mit einer Regelwicklung verbunden.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Laststufenschalters.
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Aus der
DE 10 2011 012 080 A1 ist ein Stufenschalter zur Spannungsregelung mit Halbleiter-Schalteinheiten bekannt. Der Stufenschalter besitzt zwei parallele Lastzweige, wobei in beiden Lastzweigen Halbleiter-Schalteinheiten in Reihe geschaltet sind. Dabei liegen sich jeweils eine Halbleiter-Schalteinheit des ersten Lastzweiges und des zweiten Lastzweiges paarweise gegenüber. Jeweils abwechselnd zwischen diesen paarweisen Halbleiter-Schalteinheiten sind parallel zwischen die beiden Lastzweigen jeweils eine Teilwicklung und eine Brücke geschaltet. Die Teilwicklungen weisen unterschiedliche Windungszahlen auf. Die Halbleiter-Schalteinheiten können als Thyristor- oder IGBT-Paare ausgebildet sein. Durch geschicktes Verschalten der Halbleiter-Schalteinheiten können die Wicklungen zu- bzw. abgeschaltet werden. Dadurch lässt sich das Übersetzungsverhältnis vom Transformator anpassen und die sekundärseitige Spannung kann somit geregelt werden. Durch die Verwendung von IGBT’s ist es auch möglich mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation ein abwechselndes Zu- bzw. Abschalten einer Teilwicklung zu realisieren und dadurch eine feinstufige Spannungsregelung zu implementieren. Durch ständiges Ein- und Abschalten der Halbleiter-Schalteinheiten entstehen Schaltverluste, und die Halbleiter-Schalteinheiten heizen sich auf, was eine hohe Anforderung an die Kühlungsvorrichtung stellt.
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Aufgabe der Erfindung ist, einen Laststufenschalter zur Spannungsregelung mit Halbleiter-Schaltelementen bereitzustellen, der geringere Schaltverluste aufweist, eine kleinere Kühlungsvorrichtung benötigt und damit kostengünstig und sicher ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen erfindungsgemäßen Laststufenschalter zur Spannungsregelung nach Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen dabei vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Verfahren zum Betrieb eines Laststufenschalters mit Halbleiter-Schaltelementen bereitzustellen, bei dem geringere Schaltverluste entstehen, die Wärmeentwicklung reduziert und die Sicherheit erhöht werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren für den Betrieb eines Laststufenschalters zur Spannungsregelung nach Anspruch 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen dabei vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens.
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Die allgemeine erfinderische Idee besteht darin, zwei antiseriell geschaltete IGBT’s mit Inversdioden als Halbleiter-Schaltelemente zu nutzen und bei der Pulsweitenmodulation die Richtung des Stromes und Ausrichtung der Spannung an der Teilwicklung zu berücksichtigen, um dabei einen Teil eines Lastzweiges nicht zu schalten und somit Schaltverluste zu vermeiden.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Laststufenschalter zur Spannungsregelung Halbleiter-Schaltelemente auf und ist an einem Regeltransformator mit Regelwicklungen angeordnet. Dieser ist zwischen einem festen, ungeregelten Teil der Regelwicklung und einer Lastableitung angeordnet. Weiterhin weist der Laststufenschalter einen ersten Lastzweig und einen parallel dazu angeordneten zweiten Lastzweig auf, wobei zwischen den Lastzweigen eine Teilwicklung angeordnet ist. Der erste Lastzweig hat ein erstes Halbleiter-Schaltelement vor der Teilwicklung und ein zweites Halbleiter-Schaltelement nach der Teilwicklung. Der zweite Lastzweig weist ebenfalls ein erstes Halbleiter-Schaltelement vor der Teilwicklung und ein zweites Halbleiter-Schaltelement nach der Teilwicklung auf. Der Laststufenschalter umfasst mindestens ein Schaltmodul, welches den ersten Lastzweig und den zweiten Lastzweig umfasst.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht jedes Halbleiter-Schaltelement aus jeweils einem ersten IGBT und einem zweiten IGBT die zueinander antiseriell verschaltet sind. Die IGBTs sind jeweils mit einer Inversdiode derart versehen, dass eine Anode einer Inversdiode mit einem Emitter-Anschluss und eine Kathode der Inversdiode mit einem Kollektor-Anschluss des ersten IGBT und des zweiten IGBT verbunden sind. Die Halbleiter-Schaltelemente des ersten Lastzweigs und des zweiten Lastzweigs sind dabei wahlweise abschaltbar.
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Nach einer weiteren Ausführungsform besteht der Laststufenschalter aus einem ersten Schaltmodul, einem zweiten Schaltmodul und einem dritten Schaltmodul. Dabei besitzen die Teilwicklungen eines jeden Schaltmoduls untereinander jeweils ein anderes Windungsverhältnis, beispielweise 9:3:1.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb des Laststufenschalters wird zunächst bestimmt, zwischen welchen Stellungen einer Teilwicklung eines Schaltmoduls gewechselt werden soll. Bei einer Absatzstellung werden Windungen der Teilwicklung von einer Regelwicklung subtrahiert, bei einer Zusatzstellung werden Windungen der Teilwicklung zu der Regelwicklung addiert und bei einer Nennstellung wird die Teilwicklung vollständig ausgelassen.
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Ein weiterer Schritt nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrifft die Festlegung einer aktiven und einer passiven Seite des Schaltmoduls. Auf der aktiven Seite des Schaltmoduls werden die Halbleiter-Schaltelemente betätigt, während auf der gegenüberliegenden Seite diese in einen festgelegten Schaltzustand versetzt werden.
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Nach Bestimmung der Richtung eines Stromes und der Ausrichtung einer Spannung an der Teilwicklung, werden die Schaltzustände der Halbleiter-Schaltelemente des Schaltmoduls festgelegt. Dabei sind die an den abwechselnd stromführenden Inversdioden der jeweiligen aktiven Seite angeschlossenen IGBT’s der ersten Halbleiter-Schaltelemente oder zweiten Halbleiter-Schaltelemente stets sperrend. Von den zwei abwechselnd stromführenden IGBT’s der aktiven Seite ist einer stets leitend und zwar derjenige IGBT, dessen Kollektor-Anschluss mit einem negativen Pol und Emitter-Anschluss mit einem positiven Pol der Teilwicklung verbunden ist. Von den zwei abwechselnd stromführenden IGBT’s der aktiven Seite wird einer getaktet und zwar derjenige, dessen Kollektor-Anschluss mit dem positiven Pol und der Emitter-Anschluss mit dem negativen Pol der Teilwicklung verbunden ist. An der passiven Seite ist ein Halbleiter-Schaltelement stets gesperrt und das andere Halbleiter-Schaltelement stets leitend.
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Bei Änderung der Richtung des Stromflusses und der Ausrichtung des positiven Pols und des negativen Pols an der Teilwicklung wird ermittelt, welche IGBT’s der Halbleiter-Schaltelemente auf der aktiven Seite getaktet oder leitend geschaltet, auf der passiven Seite leitend oder nicht leitend geschaltet werden und generell welche der Seiten aktiv oder passiv ist.
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der hier offenbarten Ausführungsform werden mit Bezug auf die folgende Beschreibung und die Zeichnungen besser verständlich, wobei gleiche Bezugszeichen durchweg gleiche Elemente bezeichnen. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Stufenschalters in Verbindung mit einem Transformator;
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2 eine schematische Darstellung des Stufenschalters mit Halbleiter-Schaltelementen;
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3 eine Darstellung des elektronischen Aufbaus der Halbleiter-Schaltelemente;
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4a–4d eine Darstellung der verschiedenen Schaltstellungen des Laststufenschalters;
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5 eine Darstellung der Halbleiter-Schaltelemente in einer Schaltstellung;
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6 eine weitere Darstellung einer Schaltstellung des Halbleiter-Schaltelements; und
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7 eine schematische Darstellung der Verschaltung von drei Schaltmodulen.
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Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Das dargestellte Ausführungsbeispiel stellt lediglich eine Möglichkeit dar, wie das erfindungsgemäße Schaltelement ausgestaltet sein kann.
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In 1 ist ein Laststufenschalter 1 zur Spannungsregelung in einem Regeltransformator 2 und einer Regelwicklung 3 abgebildet. Der Laststufenschalter 1 ist zwischen dem festen, ungeregelten Teil der Regelwicklung 3 und einer Lastableitung 4 angeordnet.
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Wie in 2 dargestellt, besteht der Laststufenschalter 1 aus mindestens einem Schaltmodul 5. Das Schaltmodul 5 weist einen ersten Lastzweig 6 und einen parallel dazu angeordneten zweiten Lastzweig 7 auf. Der erste und der zweite Lastzweig 6, 7 des Schaltmoduls 5 ist über eine Teilwicklung 8 leitend miteinander verbunden. Der erste Lastzweig 6 weist ein erstes Halbleiter-Schaltelement 61 zwischen der Regelwicklung 3 und der Teilwicklung 8 und ein zweites Halbleiter-Schaltelement 62 nach der Teilwicklung 8, also hin zur Ableitung 4, auf. Der zweite Lastzweig 7 weist ebenfalls ein erstes Halbleiter-Schaltelement 71 vor der Teilwicklung 8 und ein zweites Halbleiter-Schaltelemente 72 nach der Teilwicklung 8, auf.
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In 3 ist dargestellt, dass jedes der Halbleiter-Schaltelemente 61, 62, 71 und 72 aus einem ersten Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) 11 und einem zweiten IGBT 12 besteht, die antiseriell verschaltet sind. Der erste IGBT 11 und der zweite IGBT 12 ist jeweils mit einer Inversdiode 14 versehen. Jeder IGBT 11 und 12 besitzt einen Kollektor-Anschluss C, einen Emitter-Anschluss E und einen Gate-Anschluss G. Jede der Inversdioden 14 ist jeweils mit ihrer Anode an den Emitter-Anschluss E und mit der Kathode an den Kollektor-Anschluss C des jeweiligen IGBT 11 oder 12 angeschlossen.
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Zunächst wird, wie in den 4a–4d dargestellt, ermittelt, welche der Stellungen die Teilwicklung 8 annimmt. In einer Absatzstellung 20 (4a) werden die Windungen der Teilwicklung 8 von dem festen Teil der Regelwicklung 3 subtrahiert. Dabei fließt der Strom I richtungsunabhängig durch das erste Halbleiter-Schaltelement 61 im ersten Lastzweig 6, die Teilwicklung 8 und das zweite Halbleiter-Schaltelement 72 im zweiten Lastzweig 7.
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In einer Zusatzstellung 21 (4b) werden die Windungen der Teilwicklung 8 zum festen Teil der Regelwicklung 3 addiert. Dabei fließt der Strom I richtungsunabhängig durch das erste Halbleiter-Schaltelement 71 im zweiten Lastzweig 7, die Teilwicklung 8 und das zweite Halbleiter-Schaltelement 62 im ersten Lastzweig 6.
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In einer Nennstellung 22 (4c und 4d) wird der Strom I gezielt an der Teilwicklung 8 entweder über den ersten oder den zweiten Lastzweig 6, 7 vorbeigeführt. In dieser Stellung haben die Windungen der Teilwicklung 8 keinen Einfluss auf die Regelwicklung 3.
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Um eine feinstufige Regelung zu implementieren und eine Zwischenstufe erzeugen zu können, wird mit Pulsweitenmodulation zwischen zwei von den drei erläuterten Stellungen getaktet. Falls zwischen der Nennstellung 22 und der Absatzstellung 20 bzw. Zusatzstellung 21 geschaltet wird, muss eine passive und eine aktive Seite des Schaltmoduls 5 festgelegt werden; dies ist der Regelfall. Zu jeweils einer Seite gehören stets die Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71 bzw. 62 und 72, die auf derselben Seite also vor bzw. nach der Teilwicklung 8 liegen. Somit muss festgelegt werden, ob das erste Halbleiter-Schaltelement 61 des ersten Lastzweigs 6 und das erste Halbleiter-Schaltelement 71 des zweiten Lastzweigs 7 aktiv und das zweite Halbleiter-Schaltelement 62 des ersten Lastzweigs 6 und das zweite Halbleiter-Schaltelement 72 des zweiten Lastzweigs 7 passiv sind oder umgekehrt. Abhängig von dieser Festlegung müssen die IGBT’s 11 und 12 der Halbleiter-Schaltelemente 61, 62, 71 und 72 unterschiedlich geschaltet werden. Die Halbleiter-Schaltelemente auf der festgelegten, passiven Seite werden während des Verfahrens stets als leitend bzw. sperrend gehalten, wobei ein Halbleiter-Schaltelement leitend und das andere nicht leitend ist. Auf der aktiven Seite werden die Halbleiter-Schaltelemente auf Grund der durchgeführten Pulsweitenmodulation aktiv geschaltet, d. h. diese nehmen unterschiedliche Zustände an. Beim Schalten zwischen Absatzstellung 20 und Zusatzstellung 21 sind beide Seiten aktiv.
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Im Beispiel der 5 besteht die aktive Seite des dargestellten Schaltmoduls 5 aus dem ersten Halbleiter-Schaltelement 61 des ersten Lastzweigs 6 und dem ersten Halbleiter-Schaltelement 71 des zweiten Lastzweigs 7. Folglich besteht die passive Seite in 5 aus dem zweiten Halbleiter-Schaltelement 62 des ersten Lastzweigs 6 und dem zweiten Halbleiter-Schaltelement 72 des zweiten Lastzweigs 7.
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Auf der passiven Seite ist das zweite Halbleiter-Schaltelement 72 des zweiten Lastzweigs 7 stets leitend. Das zweite Halbleiter-Schaltelement 62 des ersten Lastzweigs 6 ist dagegen stets nicht leitend. Der Strom I fließt somit entweder durch den ersten IGBT 11 und die Inversdiode 14, welche mit dem zweiten IGBT 12 verbunden ist über in umgekehrter Richtung durch den zweiten IGBT 12 und die Inversdiode 14, die mit dem ersten IGBT 11 verbunden ist. Die ersten und zweiten IGBT’s 11 und 12 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 62 im ersten Lastzweig 6 hingegen sind stets sperrend, so dass hier kein Strom I fließt.
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Auf der aktiven Seite werden die ersten oder die zweiten IGBTs 11 oder 12 der ersten Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71, deren Durchlassrichtung nicht der Stromflussrichtung entspricht, gesperrt. Der Strom I fließt dabei über die zu ihnen parallel angeschlossenen Inversdioden 14. Von den übrigen beiden IGBTs 11 oder 12 der ersten Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71 wird einer stets leitend, und zwar derjenige, dessen Kollektor-Anschluss C mit einem negativen Pol „–” und der Emitter-Anschluss E mit einem positiven Pol „+” der Teilwicklung 8 verbunden ist, evtl. über andere IGBT’s bzw. Inversdioden. Letztlich wird der vierte IGBT der aktiven Seite mit einem Tastverhältnis entsprechend der zu erzielenden Zwischenstufe getaktet. Der Kollektor-Anschluss C dieses IGBT liegt also am positiven Pol „+” und am Emitter-Anschluss E am negativen Pol „–” an.
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Kurz vor dem Stromnulldurchgang wird der gegenüber dem getakteten IGBT antiserielle IGBT des jeweiligen Halbleiter-Schaltelements eingeschaltet, um einen sicheren Strompfad beim Stromrichtungswechsel zu gewährleisten.
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Im Beispiel in 5 ist die Ausrichtung der Spannung U derart, dass an der oberen Seite der Teilwicklung 8 der positive Pol „+” und an der unteren Seite der negative Pol „–” anliegen. Da der Strom I von links nach rechts fließt, werden hierfür die ersten IGBT’s 11 der ersten Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71 und die Inversdioden 14, die dem zweiten IGBT 12 der ersten Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71 parallel geschaltet sind, genutzt. Betrachtet man die ersten IGBT’s 11 der ersten Halbleiter-Schaltelemente 61 und 71, so liegt am Kollektor-Anschluss C des ersten IGBT 11 des ersten Halbleiter-Schaltelements 71 im zweiten Lastzweig 7 der positive Pol „+” der Teilwicklung 8 und am Emitter-Anschluss E der negative Pol „–” der Teilwicklung 8 an. Dieser wird also getaktet, während der erste IGBT 11 des ersten Halbleiter-Schaltelements 61 im ersten Lastzweig 6 dauerleitend ist. Der zweite IGBT 12 des ersten Halbleiter-Schaltelements 71 im zweiten Lastzweig 7 wird kurz vor dem Stromnulldurchgang, also vor dem Richtungswechsel des Stromes I leitend geschaltet.
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Nach jedem Spannungs- bzw. Stromrichtungswechsel wird immer neu definiert, welche IGBT’s leitend, welche sperrend und welche getaktet werden. Dabei kann ein Wechsel der aktiven und passiven Seite der gleichmäßigen Verteilung der Verluste dienen und somit zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Bauelemente führen.
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Bei rein ohmschen Belastungen des Laststufenschalters 1 ändern sich die Richtung des Stromes I und die Ausrichtung der Spannung U an der Teilwicklung 8 zur gleichen Zeit. Bei induktiven und kapazitiven Lasten ändert sich die Ausrichtung der Spannung U versetzt zur Richtungsänderung des Stromes I.
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In 6 ist das Schaltmodul 5 aus 5 abgebildet. Die linke Seite des Schaltmoduls 5 mit den Halbleiter-Schaltelementen 61 und 71 ist wie vorher bestimmt immer noch aktiv und die rechte Seite des Schaltmoduls 5 mit den Halbleiter-Schaltelementen 62 und 72 ist passiv. Hier hat sich die Richtung des Stromes I verändert, so dass dieser von der rechten Seite zur linken Seite des Schaltmoduls 5 fließt. Ausgehend von einer ohmschen Belastung, hat sich auch die Ausrichtung der Spannung U an der Teilwicklung 8 ebenfalls umgekehrt. Am oberen Ende der Teilwicklung 8 liegen nun der negative Pol „–” und am unteren Ende der Teilwicklung 8 der positive Pol „+” an.
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Auf der passiven Seite wird der Strom I über das zweite Halbleiter-Schaltelement 72 im zweiten Lastzweig 7, insbesondere den zweiten IGBT 12 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 72 und die Inversdiode 14, die dem ersten IGBT 11 des zweiten Halbleiter-Schaltelements 72 parallel geschaltet ist, geführt. Das zweite Halbleiter-Schaltelement 62 im ersten Lastzweig ist hierbei stets nicht leitend. Auf der aktiven Seite des Schaltmoduls 5 kann der Strom I nur über die Inversdioden 14, die parallel zum ersten IGBTs 11 des ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelements 61 und 71 geschaltet sind, sowie die zweiten IGBTs 12 des ersten und zweiten Halbleiter-Schaltelements 61 und 71 fließen. Dabei liegt am Kollektor-Anschluss C des zweiten IGBT 12 des ersten Halbleiter-Schaltelements 71 im zweiten Lastzweig 7 der positive Pol „+” an; somit wird dieser getaktet. Da der zweite IGBT 12 des ersten Halbleiter-Schaltelements 71 im zweiten Lastzweig 7 getaktet wird, ist der zweite IGBT 12 des ersten Halbleiter-Schaltelements 61 im ersten Lastzweig 6 folglich dauerleitend geschaltet.
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Auf Grund der Tatsache, dass während des Verfahrens ein Halbleiter-Schaltelement 61, 62, 71, oder 72 auf der aktiven Seite stets dauerleitend ist, d. h. niederohmig, werden Schaltverluste, die im Stand der Technik beim Übergang vom hochohmigen Zustand zum niederohmigen Zustand entstehen, deutlich reduziert. Dadurch sinkt die Wärmeentwicklung am Schaltmodul 5, so dass weniger Wärmeenergie durch die Kühlung abgeführt werden muss. Generell kann bei Verwendung dieses Verfahrens eine räumlich kleinere und somit kostengünstigere Kühlanlage verwendet werden.
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In 7 ist ein Laststufenschalter 1 abgebildet, bei dem ein erstes Schaltmodul 51, ein zweites Schaltmodul 52 und ein drittes Schaltmodul 53 in Reihe geschaltet sind. Die Teilwicklungen 8 dieser Schaltmodule 51, 52 und 53 haben unterschiedliche Windungsverhältnisse. Besonders vorteilhaft ist die Verteilung der Windungsverhältnisse 9:3:1. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem dieser Schaltmodule 51, 52 oder 53 ist es möglich, die hier erzeugten feineren Zwischenstufen mit den Stufen der anderen Schaltmodule 51, 52 und 53 zu kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011012080 A1 [0003]
