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Selbstgetaktete Vollbrückenschaltung als Vierquadrantensteller für
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Elektromotore Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer
selbstgetakteten Vollbrückenschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei derartigen Vierquadrantenstellern wird durch Ansteuerung der entsprechenden
Schalter einmal die Stromrichtung durch die Motorinduktivitat und zweitens durch
eine Taktung dieser Schalter bei überschreiten einer oberen Sollwertgrenze bzw.
bei Unterschreiten einer unteren Sollwertgrenze ein Strommittelwert erzielt, der
weitgehend dem Sollwert entspricht. (Siehe Fachbuch "Leistungs-Elektronik" Band
1 von Robert Jötten Seite 236 bis 262.) As steuerbare Schalter werden Thyristoren
oder Transistoren am häufigsten verwendet, da mit diesen eine ausreichend hohe Taktfrequenz
von z.B. 1 kHz und mehr erzielt werden kann.
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Insbesondere bei Elektromotoren größerer Leistung entstehen jedoch
mit Ansteigen der Schalthäufigkeit Schwierigkeiten. So treten z.B. vor allem bei
einer Verwendung von Halbleitereinwegschaltern jeweils beim Ein- und/oder Ausschalten
Verlustleistungsspitzen auf, die Halbleiterschalter mit höherer Leistung oder eine
Parallelschaltung weiterer Halbleiterschalter erforderlich machen und zusätzliche
Maßnahmen zur Wärmeableitung bedingen.
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Um dies zu vermeiden ist es bekannt (z.B. DE-OS 26 50 673 und DE-OS
26 51 492), durch aufwendige zusätzliche Schaltungsanordnungen diese Verlustleistungsbeanspruchung
weitgehend zu vermeiden.
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Aufgabe der Erfindung ist es Nachteile, die durch große Schalthäufigkeit
entstehen, wie insbesondere die Schaltverluste ohne großen Aufwand zu verringern,
wobei die Vorteile eines selbstgetakteten Schaltreglers wie z.B. der hohe Wirkungsgrad
erhalten bleiben sollen.
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Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst
diese Aufgabe und bewirkt eine wesentliche Herabsetzung der Schalthäufigkeit una
verringert die Anzahl der zu taktenden Schalter. So können z.B. die Schaltverluste
mit wesentlich geringerem Aufwand - als dies bei Verwendung der bekannten Schaltungsanordnungen
zum Vermeiden hoher Schaltverluste erforderlich wird - auf etwa ein Drittel verringert
werden.
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Reicht diese Verringerung nicht aus, können zusätzlich die bekannten
Schaltungsanordnungen zur Vermeidung der hohen Verlustleistungsbeanspruchung verwendet
werden, wobei diese dann jedoch nur noch für die kleinere Anzahl der zu taktenden
Schalter erforderlich werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt Fig 1 das bekannte Prinzip-Schaltbild
einer Vollbrückenschaltung als Vierquadrantensteller, Fig 2 ein Diagramm mit Stromänderungen
bei der Selbsttaktung im motorischen Betriebs Fig 3 bei einer Taktung sich ergebende
Stromkreise bei motorischem Betrieb, Fig 4 bei einer Taktung sich ergebende Stromkreise
bei generatorischem Betrieb Fig 5 Strom- und Schaltkurven beim generatorischem Betrieb,
Fig 6 ein Prinzip-Schaltbild für die Steuerung und Fig 7 eine Drehstrombrückenschaltung.
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Bei einer bekannten Schaltung nach Fig 1 liegt an einem Anschluß 1
der Betriebsspannungsquelle 2 jeweils ein Anschluß von zwei steuerbaren Schaltern
3 und 4, denen jeweils eine Freilaufdiode 5, 6 parallelgeschaltet ist. Der zweite
Anschluß der zwei steuerbaren Schalter liegt jeweils an einem Anschluß von zwei
weiteren steuerbaren Schaltern 7, 8, die mit ihrem anderen Anschluß am zweiten Anschluß
9 der Betriebsspannungsquelle liegen. Auch diesen Schaltern 7 und 8 sind Freilaufdioden
lo und 11 parallel geschaltet. An den Verbindungspunkten 12, 13 der Scnalter 3 und
7 sowie 4 und 8 ist eine Motorinduktivität 14 angeschlossen, in der bei laufendem
Elektromotor E eine Gegenspannung 15 entstent. Die einzelnen Schalter 3, 4, 7 und
8 mit den parallelgeschalteten Freilaufdioden 5, 6, lo und 11 bilden die vier Brückenzweige
einer Vollbrückenschaltung in deren Querzweig die Motorinduktivität 14 liegt.
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Wird diese Brückenschaltung in bekannter Weise als Gleichstromsteller
verwendet, können bei motorischem Betrieb im Rechtslauf (1. Quadrant) die Scnalter
3 und 8 bei Unterschreiten eines unteren Grenzwertes vom Sollwert eingeschaltet
und beim überschreiten eines oberen Grenzwertes vom Sollwert ausgeschaltet werden,
d.h. die beiden in den diagonalen Brückenzweigen liegenden Schalter 3 und 8 werden
gleichzeitig getastet.
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Hierbei fließt bei geschlossenen Schaltern 3 und 8 ein Strom aus der
Betriebsspannungsquelle über den Schalter 3'die Induktivität 14 und den Schalter
8, während bei geöffneten Schaltern ein Freilaufstrom in gleicher Richtung aus der
Induktivität 14 weiter,über die in den diagonalen Brückenzweigen liegenden Freilaufdioden
6 und loain die Betriebsspannungsquelle zurückfließt. Im motorischen Betrieb bei
Linkslauf tauschen die diagonalen Brückenzweige ihre Rolle, d.h. die Schalter 4
und 7 werden getaktet, während die Schalter 3 und 8 geöffnet bleiben.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird immer nur einer der Schalter
getaktet, während der andere im diagonal liegendem Brückenzweig geschlossen oder
geöffnet bleibt. Wird z.B. bei einem Rechtsanlauf der Schalter 3 getaktet, so bleibt
der Schalter 8 in diesem Quadrant ständig geschlossen.
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Die Taktung bewirkt, daß bei geschlossenem Schalter 3 der gleiche
Stromanstieg erfolgt, wie beim bekannten Verfahren'bei geöffnetem Schalter 3 jedochsfür
den Rückgang des Stromes auf den gleichen Wert, z.B. einem unteren Sollwertgrenzwert,
eine wesentlich größere Zeit benötigt wird, da hier der Freilaufstrom aus der Induktivität
über den geschlossenen Schalter 8 und die Diode lo fließen kann.
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Für die Dimensionierung und den Aufbau dieser Schaltungen sind die
Schaltverluste der steuerbaren Schalter 3, 4, 7 und 8 von wesentlicher Bedeutung,
wobei die Schaltverluste annähernd linear mit der Schalthäufigkeit steigen. Bedingt
durch die Selbsttaktung ist die Schalthäufigkeit von der Gegenspannung 15 (EMK)
demnach von der Drehzahl des Elektromotors abhängig.
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In Fig 2 zeigt die Kurve 17 den Strom durch die Motorinduktivität
14 während des Hochfahrens des Elektromotors wenn keine Taktung erfolgt.
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Bei einer Taktung im unteren Drehzahlbereich 18 mit kleiner Gegenspannung
15 in den Stromgrenzen 19 erfolgt beim bekannten Verfahren ein schneller Stromanstieg,
da nur eine kleine Gegenspannung 15 wirksam wird und ein etwa gleichschneller Stromabfall,
da auch dieser im wesentlichen nur durch die Betriebsspannung UB bestimmt wird.
Im mittleren Drehzahlbereich 20 ist der Stromanstieg etwas flacher, da hier der
wirksam werdende Differenzwert UB-Uls kleiner geworden ist, dagegen erfolgt die
Stromabnahme wesentlich rascher, da nun UB+U15 wirkt. Im oberen Drehzahlbereich
21 erfolgt aus den gleichen Gründen nur noch ein langsamer Stromanstieg jedoch ein
sehr schneller Stromabfall. Während die Schalthäufigkeit in den unteren Drehzahlbereichen
verhältnismäßig groß ist, verringert sie sich etwas in den oberen Drehzahlbereichen.
Dies geht aus den gedehnt dargestellten getakteten Stromkurven 22, 23 und 24 hervor.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist der Stromanstieg in der Eintaktphase
weitgehend gleich,in der Austaktphase fließt der Strom jedoch nicht in die Betriebsspannungsquelle
2 zurück, sondern es wird ein Stromkreis über den geschlossenen Schalter 8 und die
Freilaufdiode lo geschlossen. Hierdurch ergeben sich im unteren Drehzahlbereich
Taktbereiche mit langsam abfallenden Stromwerten gemäß der Kurve 25.
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Im mittleren Drehzahlbereich in dem die Gegenspannung 15 etwa halb
so groß ist wie die Betriebsspannung UB, werden die Stromanstiegs- und Stromabfaliszeiten
gemäß der Kurve 26 etwa gleich groß. Bei der Stromkurve 27 für die oberen Drehzahlbereichesind
die Stromabfallzeiten kürzer, da hier die Gegenspannung 15 groß ist. Die kürzeste
Taktzeit ergibt sich in den mittleren Drehzahlbereichen und ist dort etwa um 50
» länger als die kürzeste Taktzeit beim bekannten Verfahren. Da weiterhin bei der
Taktung am ständig geschlossenem Schalter 8 keine Schaltverluste auftreten, verringern
sich die Gesamtschaltverluste etwa auf ein Drittel.
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Beim motorischen Betrieb im Linkslauf ergeben sich die gleichen Bedingungen
z.B. durch die Tastung des Schalters 4 bei geschlossenen Schalter 7. Der Stromkreis
für die Eintaktzeit ist in Fig. 3a und für die Austaktzeit in Fig 3b dargestellt.
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Um bei generatorischem Betrieb die gleiche Wirkungsweise erzielen
zu können, muß der dem getakteten Schalter im diagonal gegenüberliegendem Brückenzweig
liegende Schalter geöffnet bleiben. Die hierbei wirkenden Stromkreise und Stromänderungen
sind in Fig 4 und 5 dargestellt. Im generatorischen Betrieb soll mit einem Stromsollwert
30 die kinetische Energie des Elektromotors verbraucht werden. Hierzu erhält die
Steuerung der Brücke wie später noch erläutert, eine diesem Stromwert entsprechende
Sollwertspannung, die in der Polung einer Sollwertspannung für die entgegengesetzte
Drehrichtung entspricht und hierdurch wie für diese Drehrichtung vorgesehen, den
Schalter 3 taktet und den Schalter 8 schließt (Fig 4a). In diesem Zeitbereich a
wird sehr rasch der obere Stromgrenzwert 31 erreicht ohne daß hierbei eine Taktung
erfolgt. Wie beim motorischen Betrieb wird nun bei Erreichen des oberen Grenzwertes
31 der Schalter 3 geöffnet. Der hierbei entstehende Stromkreis gemäß Fig 4b über
die Freilaufdiode lo bedingt nun jedoch keine Stromverringerung mehr, sondern einen
weiteren Stromanstieg 32. Bei entsprechendem Schaltungsaufbau der Steuerung kann
diese Stromüberhöhung bei Oberschreiten eines weiteren Grenzwertes 33 dazu benutzt
werden, den Schalter 8 zu öffnen (Fig 4c). Während des hierauf folgenden Zeitbereiches
c fließt ein Strom entgegengesetzt in die Betriebsspannungsquelle über die Freilaufdioden
6 und lo zurück. Da die Betriebsspannung größer ist als die Gegenspannung 15
sinkt
der Strom nun ab. Ist der Strom bis zum unteren Stromgrenzwert 34 abgeklungen, schließt
wie beim motorischen Betrieb der Schalter 3 wieder, und es ergibt sich ein Stromkreis
gemäß Fig 4 d. Während des folgenden Zeitbereiches d erhöht sich der Strom wieder
wie beim Zeitbereich b, wobei jetzt jedoch ein Stromkreis in der Brücke über den
Schalter 3 und die Freilaufdiode 6 gebildet wird, bis wieder der obere Stromgrenzwert
erreicht wird. Ist die kinetische Energie des Motors aufgebraucht, steigt der Strom
in Schalters'ellung Fig 3 d nicht mehr an, sondern fällt unter den unteren Stromgrenzwert
ab, wobei - in gleicher Weise wie bei Oberschreiten des oberen Grenzwertes 33 am
Ende des Zeitbereiches b - bei Unterschreiten eines weiteren unteren Grenzwertes
35 der Schalter 8 wieder gescnicssen und der motorische Betrieb eingeleitet wird.
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In Fig 6 ist ein Schaltungsaufbau zur Steuerung einer Vollbrücke 40
dargestellt, wobei wie üblich, an Stelle der Strom-Soll und -Istwerte entsprechend
Soll- und Ist-Spannungen zur Steuerung verwendet werden. Die Sollwertspannung liegt
an je einem Eingang eines Komparators 41 mit kleiner Hysterese und eines Komparators
42 mit etwas größerer Hysterese.
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An aen zweiten Eingängen und an einem Fensterdiskriminator 43 liegt
die ;swertspannung. Oberschreitet die Istwertspannung gegenüber der Sollwertspannung
einen oberen Grenzwert 31, geht der Ausgang des Komparators 41 auf High, steigt
der Istwert weiter, folgt bei einem zweiten Grenzwert 33 auch der Komparator 42.
Sinkt die Istwertspannung gegenüber der Sollwertspannung unter einen unteren ersten
Grenzwert 34, sc geht der Komparator 41 auf Low und nach Unterschreiten eines zweiten
Grenzwertes 35 gent auch der Komparator 42 auf Low. Der Fensterdiskriminator 43
liegt mit seinem zweiten Eingang am Null potential und gibt nur dann ein High-Signal
am Q-Ausgang an zwei UND-Gatter 44 und 45 ab, wenn der Ist-Wert in einen Nullbereich
kommt. Die zweiten Eingänge dieser UND-Gatter liegen am Ausgang des Komparators
41 wobei das UND-Gatter 44 direkt und das UND-Gatter 45 über einen Negator 46 angesteuert
wird.
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Die Ausgänge der UND-Gatter 44 und 45 liegen jeweils am R- oder S-Eingang
eines Flipp-Flopp 47 und setzen dieses, wenn die Istwerspannung durch den Nuilbereich
geht um.
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Der Q-Ausgang des Flipp-Flopp 47 liegt jeweils an einem Eingang von
zwei NOR-Gattern 48 und 49 sowie von zwei zwei UND-Gattern 50 und 51.
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Am zweiten Eingang des NOR-Gatters 48 und des UND-Gatters So liegt
der Ausgang des Komparators 41.
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Bei positiven Soll- und Ist-Werten wird - bei gesperrtem Flipp-Flopp
47 mit Q-Augang Low - der über den Ausgang des NOR-Gatters 48 gesteuerte Schalter
3 bei Erreichen des oberen Grenzwertes (31) ausund bei Erreichen des unteren Grenzwertes
(34) eingeschaltet.
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Bei negativen Soll- und Ist-Werten wird über den Komparator 41 und
das gesperrte Flipp-Flopp 47 mit Q-Ausgang High, der Schalter 4 über das UND-Gztter(umgekehrt)
bei Erreichen eines gegenüber dem Sollwert nicht ausreichend negativem unteren Grenzwert
eingeschaltet und einem zu negativem Grenzwert ausgeschaltet. An den zweiten Eingängen
des NOR-Gatters 49 und des UND-Gatters 51 liegt der Ausgang des Komparators 42,
der solange der Ist-Wert in den Bereichen des Komparators 41 liegt, bei pcsitivem
Sollwert -Low und bei negativem Sollwert High aufweist. Hierdurch wird der über
den Ausgang des NOR-Gatters 49 gesteuerte Schalter 8 bei positivem Sollwert geschlossen
gehalten, während der über den Ausgang des UND-Gliedes gesteuerte Schalter 7 geöffnet
bleibt. Bei negativem Sollwert wird der Schalter 8 über das NOR-Gatter 49 geöffnet
gehalten, während der über das UND-Gatter 51 gesteuerte Schalter 7, bei gesperrtem
Flipp-Flopp 47 mit Q-Ausgang High, geschlossen bleibt.
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Wechselt der Sollwert seine Polarität z.B. vom Negativen ins Positive
und wird der Q-Ausgang des Flipp-Flopps auf Low gesetzt und der Strom steigt in
positiver Richtung an, bis er die Hysterese des Komparators 41 überscnreitet (Fig
5, Zeitbereich a). Dies Ausgangsspannung U41 (Fig 5) des Komparators 41 geht hierbei
auf High und öffnet den Schalter 3. Der Strom steigt im Freilauf weiter an (Zeitbereich
b) und übersteigt die Hysterese des Komparators 42, dessen Ausgangsspannung U42
dann gleichfalls auf High springt, wodurch der Schalter 8 geöffnet wird. Hierdurch
sinkt der Strom ab (Zeitbereich c) bis er die untere Grenze der Hysterese des Komperators
41 erreicht und dessen Ausgangsspannung U41 Low wird, wodurch der Schalter 3 wieder
geschlossen wird. Da die Hysteresegrenze des Komparators 42 hiernach nicht mehr
überschritten wird, liefert dieser ständig ein High-Signal und hält den Schalter
8 über das NOR-Gatter 49 geöffnet.
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Ist die kinetische Energie des Elektromotors verbraucht, sinkt der
Strom trotz geschlossenem Schalter 3 bis zur Untergrenze der Hysterese des Komparators
42 ab, wobei dessen Ausgang dann auf High geht, den Schalter 8 gleichfalls schließt
und hiermit den motorischen Betrieb einleitet.
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Ist der Sollwert gleich Null, ist auch die Ausgangsspannung des Komparators
41 und 42 auf Low. Bei einem Istwert gleich Null geht die Ausgangsspannung des Fensterdiskriminators
auf High und über den Komparator 41 die Ausgangsspannung des Negators 46 gleichfalls
auf High. Hierdurch wird über das UND-Gatter 45 das Flipp-Flopp 47 zurückgesetzt.
Um einen gesicherten Anfangszustand zu erzielen, liegt der Ausgang des UND-Gatters
45 über einem RC-Glied an einem R-Eingang des Komparators 42, der diesen erforderlichenfalls
zurücksetzt (Ausgangsspannung Low). Hierbei sind Ausgangsspannungen der NOR-Gatter
48 und 49 auf High und die Ausgangsspannungen der UND-Gatter 50 und 51 auf Low.
Dies bewirkt eine Einschaltung der Schalter 3 und 8 und ein Strom durch die Motorinduktivität
14 bis die Obergrenze der Hysterese des Komparators 41 erreicht wird und dessen
Ausgangsspannung High über das NOR-Gatter 48 den Schalter 3 öffnet. Hierdurch klingt
der Strom wieder ab, bis die Ausgangsspannung des Fensterdiskriminators 48 auf High
geht. Da die Ausgangsspannung des Komparators noch auf High bleibt, wird das Flipp-Flopp
47 gesetzt, wobei die Q-Ausgangsspannung auf High springt.
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über ein weiteres RC-Glied 53 mit einem Kondensator zwischen dem Ausgang
des UND-Gatters 44 und einem S-Eingang des Komparators 42 wird auch dessen Ausgangsspannung
auf High gesetzt. Hierdurch werden nun über die UND-Gatter 50 und 51 die Schalter
7 und 4 geschlossen und über die NOR-Gatter 48 und 49 die Schalter 3 und 8 geöffnet
werden bzw. bleiben. Nun steigt ein Strom in entgegengesetzter Richtung an, bis
der untere Grenzwert der Hysterese des Komparators erreicht wird und dessen Ausgangsspannung
auf Low zurückfällt und über das UND-Gatter 50 der Schalter 4 öffnet. Hierdurch
klingt der Strom wieder ab bis der Fensterdiskriminator erneut anspricht.
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Die Brückenschaltung oder die Ansteuerung kann anders angeordnet oder
aufgebaut werden. So können die Schalter 3 und 7 getaktet und die Schalter 4 und
8 umgeschaltet bzw. die Schalter 7 und 8 getaktet und 3 und 7 umgeschaltet werden
und der Aufbau der Steuerung hängt sehr wesentlich vom Anwendungsfall ab.
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Die Anwendung ist nicht auf Gleichstrommotore beschränkt, sondern
kann in entsprechend abgeänderter Weise zur Steuerung von Wechsel- oder Drehstrommotoren
Verwendung finden. So z.B. können über drei getrennte Brückenschaltungen drei Motorinduktivitäten
einer Drehstrommaschine gesteuert werden, oder diese sind wie in Fig 7 dargestellt,
in einem Sternpunkt 57 zusammengefaßt, der auch am Nullpunkt einer Betriebsspannungsquelle
liegen kann. Bei einer derartigen Drehstrombrücke sind dreimal je zwei steuerbare
Schalter 58, 59 und 60, 61 sowie 62, 63 in Reihe zwischen die Anschlüssen 64, 65
der Betriebsspannungsquelle geschaltet. An den Verbindungspunkten, der in Reihe
liegenden Schalter, liegen dann die drei Motorinduktivitäten 66, 67 und 68. Allen
steuerbaren Schaltern 58 bis 63 ist jeweils eine Freilaufdiode 69 bis 74 parallel
geschaltet.
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Ertolgt die Ansteuerung über drei jeweils um 120 Grad in der Phase
verschobene Sollwertwechselspannung, können jeweils die oberen Schalter 58, 60,
62 getaktet und die unteren Schalter 59, 61 und 63 umgeschaltet werden oder umgekehrt.
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An den Verbindungspunkten der in Reihe liegenden Schalter können anstelle
der getrennten Anschlüsse der Induktivitäten 66, 67 und 68 auch die entsprechend
in Dreieckschaltung miteinander verbundenen Anschlüsse dieser Induktivitäten liegen.
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Mit etwas mehr Schaltungsaufwand lassen sich die Schaltverluste weiter
verringern, wenn immer nur der Schalter getaktet wird, der als einziger stromführend
eine der Induktivitäten 66, 67 oder 68 mit einem der Anschlüsse 64, 65 der Betriebsspannungsquelle
zu verbinden hat, während zwei andere der steuerbaren Schalter die anderen Induktivitäten
an den anderen Anschluß der Betriebsspannungsquelle liegen. Hierbei wird dann abwechselnd
immer einer der oberen nach Nulldurchgang eines der Sollwertwechselspannungen ein
unterer Schalter und so fort getaktet, wobei nach Ablauf einer vollen Wechselspannungsperiode
alle Schalter einmal getaktet werden.
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Bei sehr großen Leistungen und/oder einer getrennten Wärmeableitung
für die einzelnen Schalter kann es auch sinnvoll sein, die Wahl welcher der Schalter.getaktet
werden soll, z.B. von einer Wärmemessung am einzelnen Schalter abhängig zu machen.
Als Schalter eignen sich einzelne oder parallelgeschaltete Leistungstransistoren,
sowie Thyristoren wie z.B.
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GTO-Thyristoren (Gate-Turn-Off-Thyristoren) besonders gut.
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