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Die Erfindung betrifft einen Stromrichter und einen Stromrichterverbund mit Zwischenkreiskopplung.
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Wenn dezentral angeordnete Stromrichter über einen Zwischenkreisbus miteinander zwischenkreisgekoppelt werden, stellen jeweilige Zwischenkreiskondensatoren der Stromrichter zusammen mit der Verkabelung des Zwischenkreisbusses einen zumeist nur sehr schwach bedämpften LC-Schwingkreis dar, dessen Resonanzfrequenz in einem großen Bereich variieren kann.
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Aus Gerätesicht kann dabei herkömmlich nur sehr ungenügend auf die im Anwendungskontext tatsächlich auftretenden Resonanzen Einfluss genommen werden, weil Länge und Verlegungsart des Zwischenkreisbusses in der Regel hochgradig anwendungsspezifisch sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter und einen Stromrichterverbund zur Verfügung zu stellen, die auf einfache, kostengünstige und gewichtssparende Weise Oszillationen bedämpfen.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Stromrichter nach Anspruch 1 und einen Stromrichterverbund nach Anspruch 12.
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Der Stromrichter, beispielsweise in Form eines Wechselrichters oder eines (Frequenz-)Umrichters, weist herkömmlich einen Zwischenkreisanschluss mit einem ersten Zwischenkreisanschlusspol und einem zweiten Zwischenkreisanschlusspol auf, wobei der Zwischenkreisanschluss zur Herstellung einer Zwischenkreiskopplung mit Zwischenkreisanschlüssen weiterer Stromrichter elektrisch koppelbar ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Der Stromrichter weist weiter eine Wechselrichtereinheit mit einem ersten Wechselrichteranschlusspol und einem zweiten Wechselrichteranschlusspol auf. Die Wechselrichtereinheit ist herkömmlich dazu ausgebildet, aus der Zwischenkreisspannung ein oder mehrere hochfrequente Ansteuersignale, beispielsweise für einen Elektromotor, zu erzeugen. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
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Der Stromrichter weist weiter einen Transformator mit mindestens einer Arbeitswicklung und mindestens einer Kompensationsstromwicklung auf, wobei die Arbeitswicklung und die Kompensationsstromwicklung einen gemeinsamen magnetischen Kreis aufweisen können. Die Arbeitswicklung und die Kompensationsstromwicklung weisen ein geeignetes Wicklungsverhältnis auf, um den Kompensationsstrom geeignet zu skalieren. Die Arbeitswicklung ist zwischen einen der Zwischenkreisanschlusspole und einen der Wechselrichteranschlusspole derart eingeschleift, dass ein von der Wechselrichtereinheit aufgenommener bzw. abgegebener Strom über die Arbeitswicklung fließt. Die Arbeitswicklung kann beispielsweise zwischen denjenigen Zwischenkreisanschlusspol, an dem im Betrieb ein positives Zwischenkreispotential ansteht, und denjenigen Wechselrichteranschlusspol, der mit dem positiven Zwischenkreispotential zu beaufschlagen ist, eingeschleift sein. Alternativ kann die Arbeitswicklung beispielswiese zwischen denjenigen Zwischenkreisanschlusspol, an dem im Betrieb ein negatives Zwischenkreispotential ansteht, und denjenigen Wechselrichteranschlusspol, der mit dem negativen Zwischenkreispotential zu beaufschlagen ist, eingeschleift sein.
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Der Stromrichter weist weiter eine Kompensationsstromsteuereinrichtung auf. Die Kompensationsstromsteuereinrichtung weist eine Kompensationsstrombestimmungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, einen Kompensationsstromsollwert zu bestimmen bzw. zu ermitteln. Die Kompensationsstromsteuereinrichtung weist weiter eine mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Kompensationsstromerzeugungseinrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Kompensationsstromsollwert die Kompensationsstromwicklung mit einem Kompensationsstrom zu beaufschlagen, der beispielsweise dem Kompensationsstromsollwert genau entspricht.
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Mittels des Transformators bzw. dessen wirksamer Induktivität im Strompfad zwischen Wechselrichteranschlusspol und zugehörigem Zwischenkreisanschlusspol wird zunächst die Resonanzfrequenz in einen tieferen Frequenzbereich verschoben, der nur noch unwesentlich von der anwendungsspezifischen Verkabelung des Zwischenkreisbusses beeinflusst ist. Die Resonanzfrequenz liegt somit außerhalb der systembedingten Anregung durch die Wechselrichtereinheit, womit die zirkulierende Energie und damit die erzeugten Ströme in der Zwischenkreisverkabelung deutlich reduziert werden.
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Aufgrund der Kompensationsstromwicklung kann eine Sättigung der resultierenden Drossel im Strompfad zwischen Zwischenkreisanschlusspol und zugehörigem Wechselrichteranschlusspol auch bei großer DC-Strombelastung vermieden werden, so dass die resultierende Drossel selbst bei einer bezogen auf die DC-Strombelastung Unterdimensionierung ohne thermische Überlastung die zur Bedämpfung notwendige Induktivität beibehalten kann.
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Im Übrigen ist keine vollständige Stromkompensation notwendig, da kurzzeitig auftretende Oszillationen nicht unmittelbar zu einer Schädigung der Drossel bzw. des Transformators oder der Verkabelung führen. Vielmehr gilt es, längere Zeit anstehende Schwingungen zu vermeiden, welche länger als die thermischen Zeitkonstanten der zu schützenden Komponenten dauern.
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Der Stromrichter kann mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Mittel zur Bestimmung bzw. Schätzung einer durch die Wechselrichtereinheit abgegebenen (mittleren) elektrischen Leistung und mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Mittel zur Bestimmung einer an den Zwischenkreisanschlusspolen anstehenden (mittleren) Zwischenkreisspannung aufweisen, wobei die Kompensationsstrombestimmungseinrichtung für diesen Fall dazu ausgebildet sein kann, den Kompensationsstromsollwert in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen Leistung und in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung zu bestimmen. Die Mittel zur Bestimmung bzw. Schätzung einer durch die Wechselrichtereinheit abgegebenen (mittleren) elektrischen Leistung können beispielsweise Spannungs- und/oder Stromsensoren am Wechselrichterausgang aufweisen, wobei die elektrische Leistung in Abhängigkeit von dem gemessenen Strom und der gemessenen Spannung berechnet wird. Es versteht sich, dass alternative/weitere Sensoren vorhanden sein können bzw. die elektrische Leistung mittelbar anhand anderer Größen berechnet/geschätzt werden kann. Die Mittel zur Bestimmung einer an den Zwischenkreisanschlusspolen anstehenden (mittleren) Zwischenkreisspannung können beispielsweise einen herkömmlichen Spannungssensor umfassen, mittels dem die Zwischenkreisspannung bzw. ein zeitlicher Mittelwert der Zwischenkreisspannung gemessen wird.
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Der Stromrichter kann zusätzlich oder alternativ mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung in Wirkverbindung stehende Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung fließenden Gleichstroms, d.h. eines Gleichstromanteils des durch die Arbeitswicklung fließenden Stroms, aufweisen, wobei die Kompensationsstrombestimmungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Kompensationsstromsollwert in Abhängigkeit von dem durch die Arbeitswicklung fließenden Gleichstrom zu bestimmen. Die Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung fließenden Gleichstroms können einen Stromsensor aufweisen, der einen (Gleich-)Strom durch die Arbeitswicklung oder an anderer Stelle im Strompfad der Arbeitswicklung misst.
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Auf die oben genannte Weise kann der Kompensationsstromsollwert derart ermittelt, gemessen bzw. geschätzt werden, dass im Idealfall im zeitlichen Mittel kein resultierender magnetischer Fluss im magnetischen Kreis des Transformators vorhanden ist und lediglich höherfrequente bzw. kurzzeitige Stromänderungen im Strompfad zu entsprechenden Flussänderungen führen.
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Der Stromrichter kann weiter Mittel zur, insbesondere passiven, Bedämpfung eines durch die Arbeitswicklung fließenden Wechselstroms aufweisen.
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Der Stromrichter kann weiter Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung und/oder die Kompensationsstromwicklung fließenden Wechselstroms, d.h. eines Wechselstromanteils des durch die Arbeitswicklung bzw. Kompensationsstromwicklung fließenden Stroms, aufweisen. Für diesen Fall kann der Stromrichter eine mit den Mitteln zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung und/oder die Kompensationsstromwicklung fließenden Wechselstroms in Wirkverbindung stehende Steuereinrichtung, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors, aufweisen, die dazu ausgebildet ist, den Betrieb des Stromrichters in Abhängigkeit von dem gemessenen Wechselstrom zu steuern bzw. zu regeln. In diesem Zusammenhang kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, den Betrieb des Stromrichters bzw. der Wechselrichtereinheit in Abhängigkeit von dem gemessenen Wechselstrom derart durchzuführen, dass der gemessenen Wechselstrom in seiner Amplitude bedämpft oder kompensiert wird und/oder in seiner Frequenz verändert, insbesondere reduziert, wird. Die Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung und/oder die Kompensationsstromwicklung fließenden Wechselstroms können einen oder mehrere Stromsensoren aufweisen, der/die einen (Wechsel-)Strom durch die Arbeitswicklung oder an anderer Stelle im Strompfad der Arbeitswicklung bzw. die Kompensationsstromwicklung misst/messen.
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Die zulässige Ungenauigkeit in der Größe und der Dynamik des Kompensationsstroms erlaubt es, Dämpfungsmaßnahmen auch durch die Steuereinheit durchzuführen. Durch Resonanzen hervorgerufene Schwingungen lassen sich zusätzlich zu einer passiven Bedämpfung durch ein zyklisches Verändern von Anregungsfrequenzen wirksam bedämpfen. Hierzu kann die Steuereinheit beispielsweise eine PWM-Frequenz der Wechselrichtereinheit zyklisch verändern, was auch als Wobbeln bezeichnet wird. Die PWM-Frequenz kann beispielsweise um ca. 1..5 % verändert werden.
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Der Zwischenkreisanschluss kann Bestandteil eines Steckverbinders sein, mittels dem der Stromrichter mit einem Zwischenkreisbus elektrisch verbindbar ist. Der Zwischenkreisanschluss kann beispielsweise eine zweipolige Zwischenkreisanschlussbuchse oder einen zweipoligen Zwischenkreisanschlussstecker bilden.
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Die Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung bzw. die Kompensationsstromwicklung fließenden Wechselstroms können weiter dazu ausgebildet sein, eine Frequenz bzw. Frequenzen und eine Amplitude bzw. Amplituden bzw. Amplitudenmaxima des Wechselstroms zu ermitteln, wobei die Steuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine thermische Belastung des Steckverbinders und/oder der Zwischenkreisbusses in Abhängigkeit von der Frequenz bzw. den Frequenzen und der Amplitude bzw. den Amplituden des Wechselstroms und von dem durch die Arbeitswicklung fließenden Gleichstrom zu ermitteln.
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Die Steuereinrichtung ist für diesen Fall dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines ersten Grenzwertes der derart ermittelten thermischen Belastung den Betrieb des Stromrichters derart zu verändern, beispielsweise eine Leistungsabgabe zu reduzieren und/oder eine Schaltfrequenz zu verändern, dass sich die thermische Belastung reduziert. Bei einem Überschreiten eines zweiten Grenzwertes der thermischen Belastung kann die Steuereinrichtung die Wechselrichtereinheit vollständig deaktivieren, um die Strombelastung zu minimieren.
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Der Transformator kann in den Steckverbinder integriert sein.
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Der Stromrichterverbund bzw. ein Systemverbund weist mehrere Stromrichter und einen Zwischenkreisbus mit zugehöriger Verkabelung auf, mittels dem die jeweiligen Zwischenkreisanschlüsse der Stromrichter elektrisch miteinander verbunden sind. Der Stromrichterverbund bzw. Systemverbund kann weitere Geräte, beispielsweise (Energie-)Speicher etc., aufweisen, die mit dem Zwischenkreisbus elektrisch gekoppelt sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigt schematisch:
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1 ein Schaltbild eines Stromrichters gemäß einer ersten Ausführungsform und
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2 ein Schaltbild eines Stromrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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1 zeigt ein Schaltbild eines Stromrichters 1 gemäß einer ersten Ausführungsform.
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Der Stromrichter 1 weist herkömmlich einen Zwischenkreisanschluss mit einem ersten Zwischenkreisanschlusspol 2 und einem zweiten Zwischenkreisanschlusspol 3 auf. Der Zwischenkreisanschluss ist zur Zwischenkreiskopplung mit weiteren, nicht dargestellten Stromrichtern zur Bildung eines Stromrichterverbunds elektrisch koppelbar.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine herkömmliche Wechselrichtereinheit 4 mit einem ersten Wechselrichteranschlusspol 5 und einem zweiten Wechselrichteranschlusspol 6 auf Die Wechselrichtereinheit 4 ist herkömmlich dazu ausgebildet, aus einer mittels eines Zwischenkreiskondensators 16 gepufferten Zwischenkreisspannung UDC ein oder mehrere hochfrequente Ansteuersignale für einen Elektromotor 13 zu erzeugen. Vorliegend ist aus Gründen der einfacheren Darstellung lediglich eine einzelne Halbbrücke der Wechselrichtereinheit 4 dargestellt, wobei die Halbbrücke herkömmlich zwei Schaltmittel aufweist. Es versteht sich, dass die Wechselrichtereinheit 4 mehrere, insbesondere genau drei, derartige Halbbrücken zur geeigneten Ansteuerung eines Drehstrommotors aufweisen kann, wobei die Halbbrücken jeweils entsprechend der dargestellten aufgebaut sind.
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Der Stromrichter 1 weist weiter einen Transformator 7 mit einer Arbeitswicklung 7a und einer Kompensationsstromwicklung 7b auf.
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Der Zwischenkreisanschluss ist Bestandteil eines Steckverbinders, mittels dem der Stromrichter 1 mit einem Zwischenkreisbus 15 elektrisch verbindbar ist. Der Transformator 7 ist in eine nicht näher dargestellte Buchse des Steckverbinders integriert.
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Die Arbeitswicklung 7a ist zwischen den Zwischenkreisanschlusspol 2, an dem ein negatives Zwischenkreispotential ansteht, und den unteren Wechselrichteranschlusspol 6 ohne Zwischenschaltung weiterer Bauelemente eingeschleift.
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Der Stromrichter 1 weist weiter eine Kompensationsstromsteuereinrichtung 8 auf. Die Kompensationsstromsteuereinrichtung 8 weist eine Kompensationsstrombestimmungseinrichtung 9 auf, die dazu ausgebildet ist, einen Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL zu bestimmen bzw. zu ermitteln, und eine Kompensationsstromerzeugungseinrichtung 11 auf, die dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von dem Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL die Kompensationsstromwicklung 7b mit einem Kompensationsstrom zu beaufschlagen, der dem Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL entspricht.
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Mittels des Transformators 7 bzw. dessen wirksamer Induktivität im Strompfad zwischen dem Wechselrichteranschlusspol 3 und dem zugehörigen Zwischenkreisanschlusspol 6 wird eine resultierende Resonanzfrequenz des Systems aus dem Zwischenkreisbus 15 und dem bzw. den angeschlossenen Stromrichtern 4 in einen tieferen Frequenzbereich verschoben. Aufgrund der Kompensationsstromwicklung 7b kann eine Sättigung der resultierenden Drossel im Strompfad zwischen dem Zwischenkreisanschlusspol 3 und dem zugehörigen Wechselrichteranschlusspol 6 auch bei großer DC-Strombelastung vermieden werden, so dass die resultierende Drossel selbst bei einer bezogen auf die DC-Strombelastung vorliegenden Unterdimensionierung ohne thermische Überlastung die zur Bedämpfung notwendige Induktivität zur Verfügung stellen kann.
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Der Stromrichter 1 weist nicht näher dargestellte, herkömmliche Mittel zur Bestimmung bzw. Schätzung einer durch die Wechselrichtereinheit 4 abgegebenen elektrischen Leistung PAC und nicht näher dargestellte, herkömmliche Mittel zur Bestimmung der Zwischenkreisspannung UDC auf, die jeweils mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung 9 im Datenaustausch stehen. Die Kompensationsstrombestimmungseinrichtung 9 ist dazu ausgebildet, den Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL in Abhängigkeit von der abgegebenen elektrischen Leistung PAC und in Abhängigkeit von der Zwischenkreisspannung UDC zu bestimmen.
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Die abgegebene elektrischen Leistung PAC und die Zwischenkreisspannung UDC ändern sich bezogen auf den zu bedämpfenden, durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Wechselstrom langsam, so dass auch der Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL bezogen auf den zu bedämpfenden Wechselstrom im Wesentlichen als zeitlich konstant angesehen werden kann. In diesem Zusammenhang handelt es sich folglich bei der abgegebenen elektrischen Leistung PAC, der Zwischenkreisspannung UDC und dem Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL vereinfacht um DC-Größen, wohingegen der zu bedämpfende Wechselstrom als AC-Größe anzusehen ist.
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Der Stromrichter 1 weist elektrische Mittel mit zwei Einheiten 14a und 14b zur passiven, d.h. nicht aktiv angesteuerten, nicht aktiv gesteuerten und/oder nicht aktiv geregelten, Bedämpfung des durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Wechselstroms auf. Die Einheit 14a ist der Kompensationsstromwicklung 7b parallel geschaltet und in Reihe mit einem Shunt-Widerstand 18 zwischen einen Pol der Kompensationsstromwicklung 7b und ein Bezugspotential eingeschleift, wobei der Shunt-Widerstand 18 von dem durch die Kompensationsstromwicklung 7b fließenden Strom durchflossen ist. Die Einheit 14b ist dem Zwischenkreiskondensator 16 parallel geschaltet. Die Einheiten 14a und 14b sind derart ausgestaltet, dass sie den durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Wechselstrom bedämpfen, d.h. Stromänderungen durch die Arbeitswicklung 7a entgegenwirken.
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Der Stromrichter 1 weist weiter Mittel 17 zur Bestimmung eines durch die Kompensationsstromwicklung 7b fließenden Wechselstroms auf. Die Mittel werten eine am Shunt-Widerstand 18 anstehende Spannung zur Bestimmung des durch die Kompensationsstromwicklung 7b fließenden Wechselstroms aus, wodurch aufgrund der transformatorischen Kopplung in Kenntnis des Windungszahlverhältnisses auch der Wechselstrom durch die Arbeitswicklung 7a bestimmbar ist. Eine Steuereinrichtung 12 des Stromrichters 1 steht mit diesen Mitteln in Signalverbindung und ist dazu ausgebildet, den Betrieb des Stromrichters 1 in Abhängigkeit von dem gemessenen Wechselstrom derart (aktiv) zu steuern bzw. zu regeln, dass zusätzlich zur passiven Bedämpfung auch eine aktive Bedämpfung des Wechselstroms erfolgt. Dies erfolgt insbesondere durch geeignetes Ansteuern bzw. Takten der Wechselrichtereinheit 4.
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2 zeigt ein Schaltbild eines Stromrichters 1‘ gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Der Stromrichter 1 weist weiter nicht näher dargestellte Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Gleichstroms auf, die mit der Kompensationsstrombestimmungseinrichtung 10 in Signalverbindung stehen, wobei die Kompensationsstrombestimmungseinrichtung 10 dazu ausgebildet ist, den Kompensationsstromsollwert IDC_SOLL in Abhängigkeit von dem gemessenen, durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Gleichstrom zu bestimmen.
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Die vorliegend nicht dargestellten Mittel zur Bestimmung eines durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Wechselstroms sind weiter dazu ausgebildet, eine Frequenz bzw. Frequenzen und eine Amplitude bzw. Amplituden bzw. Amplitudenmaxima des gemessenen Wechselstroms zu ermitteln, wobei die Steuereinrichtung 12 dazu ausgebildet ist, eine thermische Belastung des Steckverbinders und/oder der Zwischenkreisbusses 15 in Abhängigkeit von der Frequenz und der Amplitude des Wechselstroms und von dem durch die Arbeitswicklung 7a fließenden Gleichstrom zu ermitteln.
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Die Steuereinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, bei einem Überschreiten eines ersten Grenzwertes der derart ermittelten thermischen Belastung den Betrieb des Stromrichters 1‘ derart zu verändern, beispielsweise eine Leistungsabgabe zu reduzieren und/oder eine Schaltfrequenz zu verändern, dass sich die thermische Belastung reduziert. Bei einem Überschreiten eines zweiten Grenzwertes der thermischen Belastung deaktiviert die Steuereinrichtung 12 die Wechselrichtereinheit 4 vollständig, um die Strombelastung zu minimieren.
