CH663866A5

CH663866A5 - Selbstschwingender wechselrichter.

Info

Publication number: CH663866A5
Application number: CH3810/82A
Authority: CH
Inventors: Heinrich Dr Techn Dipl Pichler; Herman Dipl-Ing Dum
Original assignee: Zumtobel Ag
Priority date: 1981-06-24
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1988-01-15
Also published as: DE3222994C2; DE3222994A1; ATA280981A; AT374313B

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft einen selbstschwingenden Wechselrichter mit Rückkopplungstransformator zum Betrieb einer

Last mit einer periodischen Spannung aus einer Gleichstromquelle.

Wechselrichter in Halbbrückenschaltung werden hauptsächlich zur Versorgung von überwiegend induktiven oder ohm'schen Lasten mit induktivem Anteil eingesetzt; durch den induktiven Anteil der Lastcharakteristik nämlich wird der Umschaltvorgang der Stromkommutierung von einem Schalterelement der Halbbrücke zum jeweils anderen verlustarm gestaltet. Soll eine rein ohm'sche Last oder eine mit kapazitivem Anteil betrieben werden, so wird durch Einfügen einer Anpassungsschaltung zwischen dem Ausgang des Wechselrichters und der Last eine induktive Lastcharakteristik erreicht.

Soll die Ausgangsleistung eines derartigen Wechselrichters verändert werden, so gibt es im wesentlichen vier Möglichkeiten: Änderung der Versorgungsspannung, Änderung einer eventuell vorhandenen Anpassungsschaltung, Einführung eines lückenden Betriebes der Schalterelemente oder eine Änderung der Betriebsfrequenz.

Eine Änderung der Versorgungsspannung des Wechselrichters zum Zwecke der Leistungsregelung bedingt wegen des festen Zusammenhanges der Ausgangsspannung mit der Versorgungsspannung (die Ausgangsspannung ist i.a. ein Rechtecksignal, bzw. bei Vorhandensein bestimmter Entlastungsnetzwerke ein Rechtecksignal mit abgeschrägten Flanken, dessen Amplitude gleich der Versorgungsspannung ist) eine proportionale Änderung der Ausgangsspannung; sie ist jedoch mit grossem konstruktivem Aufwand verbunden, da i.a. dazu dem Wechselrichter ein weiterer Umformer eingangsseitig in Serie geschaltet werden muss, um die erforderliche Spannungstransformation zu ermöglichen. Dadurch wird der Haupt vorteil der selbstschwingenden Wechselrichterschaltung, seine einfache schaltungstechnische Realisierung, aufgehoben.

Die Änderung einer eventuell vorhandenen Anpassungsschaltung zur Veränderung der an die Last abzugebenden Leistung kommt einer Umkonstruktion des Wechselrichters gleich und braucht daher nicht weiter erläutert zu werden.

Die Veränderung der Wechselrichtercharakteristik durch lückenden Betrieb der beiden Schalterelemente wird üblicherweise in jedem Halbbrückenwechselrichter vorgesehen, da sonst die Möglichkeit besteht, dass die beiden Schalterelemente, deren Serienschaltung an der Versorgungsspannung liegt, gleichzeitig leitend werden und dadurch die Versorgungsspannung kurzschliessen: durch die dann fliessenden Querströme (Kurzschlussströme) werden die Schalterelemente in der Regel zerstört werden (die konstruktive Abhilfe besteht im Einfügen einer sogenannten Sättigungsdrossel in Serie zu den Schaltern, an der während eines kurzzeitig auftretenden Kurzschlusses die Versorgungsspannung abfallen kann, ohne dass es zur Ausbildung eines Querstromes kommt). Wegen des i.a. induktiven Charakters der Last bleibt die Brückenspannung trotz des lückenden Betriebes der Schalter rechteckförmig und die an die Last abgegebene Leistung wird nicht verändert; erst wenn die Tastlücken so weit vergrössert werden, dass der induktive Charakter der Last den Strom in den Tastlücken nicht weiter aufrecht zu halten vermag, wird die Ausgangsspannung von der Rechteckform abweichen, stromlose Pausen zwischen den einzelnen Schaltimpulsen werden auftreten und dadurch wird die an die Last abgegebene Leistung verringert. Derartige lange Tastlücken, die zur Leistungsstellung geeignet sind, können jedoch bei einem selbstschwingenden Wechselrichter kaum realisiert werden.

Die Änderung der an die Last abgegebenen Leistung durch Variation der Frequenz lässt sich insbesondere durchführen, wenn die Last induktiven, oder ohm'schen Charakter mit induktivem Anteil zeigt, oder wenn diese Charakteristik durch einen Ankoppelkreis erreicht wird; dann ist der von der Last aufgenommene Strom bei konstanter Ausgangsspannung des Wandlers abhängig von der Frequenz.

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Die Schwingfrequenz des selbstschwingenden Wechselrichters wird wesentlich durch den Rückkoppelkreis bestimmt und die Veränderung der Frequenz wird durch Veränderung der Bauteilwerte des Rückkoppelkreises erreicht. Daraus ergibt sich unmittelbar eine weitere Problematik des selbstschwingenden Wechselrichters: Toleranzen der im Rückkopplungskreis verwendeten Bauteile beeinflussen die Schwingfrequenz und damit die vom Wechselrichter an die Last abgegebene Leistung. Dies ist besonders störend bei der Serienfertigung einer derartigen Schaltung, wo man aufgrund dieser Abhängigkeit ohne Abgleich von Bauelementen im Rückkoppelkreis bzw. in den Ansteuerkreisen der beiden Schalterelemente nicht auskommen kann. Dies steht im krassen Gegensatz zur konstruktiven Einfachheit des selbstschwingenden Wechselrichters.

Aufgabe der Erfindung ist es, vorstehende Probleme der Leistungsregelung bei selbstschwingenden Wechselrichtern der eingangs genannten Art zu lösen. Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass für die Steuerung der Regelung der in der Last umgesetzten Leistung oder für die Abschaltung des Wechselrichters der Rückkopplungstransformator eine zusätzliche Steuerwicklung aufweist, an die eine Stell- oder Regelschaltung für die Veränderung des Magnetflusses im Rückkopplungstransformator angeschlossen ist.

Hierdurch lässt sich insbesondere der Vorteil erreichen, dass durch geeignete Beeinflussung des in der potentialfreien Wicklung fliessenden Stromes die Ansteuersignale für die beiden Schalterelemente gemeinsam beeinflusst werden und damit die Schwingfrequenz gesteuert werden kann.

Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschaltbild eines bekannten Wechselrichters von dem die Erfindung ausgeht,

Fig. 2 das Detailschaltbild des Wechselrichters gemäss Fig.

1,

Fig. 3a bis 3h Strom- und Spannungsverläufe an Punkten der Schaltung gemäss Fig. 2,

Fig. 4 den in erfindungsgemässer Weise weitergebildeten Wechselrichter der Fig. 1 bzw. 2,

Fig. 5a bis 5c mögliche Ausführungsformen der Stell- bzw. Regelschaltung gemäss Fig. 4,

Fig. 6 den in erfindungsgemässer Weise ausgestalteten Wechselrichter gemäss Fig. 1 bzw. Fig. 2 mit einer weiteren Ausführungsform der Stell- bzw. Regelschaltung und

Fig. 7 wieder eine andere Ausführungsform der Stell- bzw. Regelschaltung.

Der in Fig.l gezeigte Wechselrichter 1 nach dem Stand der Technik wird an den Klemmen AB mit Gleichspannung versorgt und liefert an seinen Ausgangsklemmen CD eine Wechselspannung für die an diese Klemmen CD angeschlossene Last 2. Bevorzugt handelt es sich bei dieser Last 2 um eine ohmisch-induktive Last. Der Wechselrichter 1 besteht aus zwei Schalterstufen 3 und 4, welche über jeweils einen Ansteuerkreis 5 bzw. 6 mit den Sekundärwicklungen W2 eines Rückkopplungstransformators 7 verbunden sind. Die Primärwicklung wi des Rückkopplungstransformators wird vom Laststrom II durchflössen. Ein «Lastkreis» 8 stellt den für das verlustarme Schalten vorteilhaften induktiven Charakter der Last sicher bzw. formt als Tiefpassfilter die von den Schalterstufen 3 und 4 erzeugte Rechteckspannung in eine annähernd sinusförmige Spannung um und gestattet weiters die Anpassung der Last 2 an die Versorgungsspannung des Wandlers, und zwar ist je nach Bemessung des Lastkreises 8 eine Spannungserhöhung oder Spannungsverminderung (Impedanztransformation) möglich. Ein Startkreis 9 erzeugt die für das Anschwingen der Schaltung notwendigen Signale.

Fig. 2 zeigt eine hinsichtlich der Schalterstufen und der Ansteuerkreise detaillierte Schaltung. Jede Schalterstufe ist im wesentlichen durch einen Bipolartransistor 10 bzw. 11 realisiert.

Die Basis-Emitterstrecke jeweils eines Transistors ist über einen als Ansteuerkreis dienenden Widerstand 12, 13 einer Sekundärwicklung W2 des Rückkopplungstransformators 7 parallel geschaltet. Jede Emitter-Kollektorstrecke der Transistoren 10, 11 5 ist mit einer jeweils im selben Sinn gepolten Diode 14, 15 überbrückt.

Nachstehend ist die Funktionsweise der Schaltung gemäss Fig. 2 anhand der Strom- und Spannungsverläufe gemäss Fig. 3 näher erläutert, wobei Fig. 3a die Kollektorspannung Ucio des io Transistors 10, Fig. 3b den Kollektorstrom Icio des Transistors 10, Fig. 3c den Kollektorstrom Icn des Transistors 11, Fig. 3d den durch die Last 2 fliessenden Laststrom II, Fig. 3e den durch die Diode 14 fliessenden Diodenstrom Idm, Fig. 3g die Spannung Ustw2 an der dem Transistor 10 zugeordneten Sekun-15 därwicklung des Rückkopplungstransformators 7 und Fig. 3h den Basisstrom Ibio des Transistors 10 zeigt.

Zunächst sei angenommen, dass der Transistor 10 zum Zeitpunkt Ti leitend sei, sein Kollektorstrom Icio wird entsprechend dem annähernd sinusförmigen Laststrom II ansteigen. Der 20 Laststrom II fliesst durch die Primärwicklung wi des Rückkopplungstransformators 7 und ruft dort eine Änderung des magnetischen Flusses hervor. Dadurch wird in der Primärwicklung wi eine Spannung induziert (proportional zu Ustw2), welche transformiert mit dem Übersetzungsverhältnis des Rückkopp-25 lungstransformators auch an der Sekundärwicklung W2 des Rückkopplungstransformators auftritt (Ustw2); der dadurch fliessende Basisstrom (Ibio) hät den Transistor 10 weiter durchgesteuert (positiver Anteil von Ibio). Sobald der Kollektorstrom Icio seinen Maximalwert überschritten hat, fällt die in der Se-3o kundärwicklung W2 induzierte Spannung auf Null und kehrt schliesslich ihr Vorzeichen um, es fliesst daher im Basiskreis ein negativer Basistrom und der Transistor 10 wird ausgeschaltet (negativer Anteil von Ibio). Daraufhin wird der Transistor 11 durch die in der ihm zugeordneten Wicklung mit umgekehrter 35 Polarität induzierten Spannung durchgeschaltet, sein Kollektorstrom Lu steigt und zwar so lange, bis er durch die Wirkung der anderen Sekundärwicklung W2 in gleicher Weise wie der Transistor 10 abgeschaltet wird.

Unter der Voraussetzung, dass der Rückkopplungstransfor-40 mator 7 im linearen Betrieb arbeitet, wird die Schaltung annähernd auf der Grundfrequenz des Ausgangskreises schwingen. Um Querströme durch die beiden Brückentransistoren 10, 11 zu vermeiden, wird eine «lückende» Ansteuerspannung benötigt, d.h., dass während einer bestimmten Zeitdauer keiner der bei-45 den Schalttransistoren 10, 11 durchgesteuert wird. Dies wird gemäss dem Stand der Technik erreicht, indem der Rückkopplungstransformator so dimensioniert wird, dass der Magnetkern nur während eines kleinen Zeitraumes während der Schaltungsperiode nicht gesättigt ist. Dies führt zu Steuerspannungsfor-50 men, wie sie in Fig. 3g gezeigt sind. Hiedurch ist die Schwingfrequenz des Wandlers nicht mehr ausschliesslich durch den Ausgangskreis bestimmt, sondern auch von den Sättigungseigenschaften des Rückkopplungstransformators. Wenn dieser Rückkopplungstransformator schon relativ früh im Verlauf der 55 Schaltperiode gesättigt ist, wird der jeweils durchgeschaltete Transistor schon früh gesperrt und damit die Schwingfrequenz des Wechselrichters erhöht. Die Frequenz des Ausgangsstromes liegt daher über der Resonanzfrequenz des Ausgangskreises. Der Ausgangskreis zeigt daher induktives Verhalten, sein 60 Scheinwiderstand wird mit steigender Frequenz grösser und der Ausgangsstrom sinkt mit steigender Frequenz bei sonst gleichbleibenden Verhältnissen. Diese Abhängigkeit des Ausgangsstromes und damit der Ausgangsleistung des Wechselrichters wird in erfindungsgemässer Weise dazu genützt, die an einen 65 Wechselstromverbraucher abzugebende Leistung zu beeinflussen. Hiezu wird gemäss Fig. 4 bei einer Schaltung gemäss Fig. 1 bzw. Fig. 2 der Rückkopplungstransformator 7 mit einer zusätzlichen Steuerwicklung W3 ausgebildet, an die eine Stell- bzw.

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Regelschaltung 16 für die Veränderung des Magnetflusses im Rückkopplungstransformator 7 angeschlossen ist. Durch den zusätzlich über diese Steuerwicklung entnommenen Strom Ir wird der gesamte Magnetfluss im Kern des Rückkopplungstransformators beeinflusst und damit festgelegt, bei welcher Grösse des Ausgangsstromes II der Kern magnetisch gesättigt wird; hiedurch ist auch der Umschaltzeitpunkt der Brückenspannung (cio) festgelegt.

Sobald die Induktion im Kern in die Nähe der Sättigungsinduktion kommt, wird durch die rasch geringer werdende Neigung der Magnetisierungslinie B (H) des Kernmaterials auch die induzierte Spannung rasch geringer werden. Damit fällt die Steuerspannung für den jeweils leitenden Transistor auf Null und der Transistor wird gesperrt.

Fig. 5 zeigt mögliche Ausführungsformen der an die zusätzliche Steuerwicklung W3 des Rückkopplungstransformators 7 angeschlossenen Schaltung, nämlich verschiedene Stellschaltungen. Im einfachsten Fall besteht gemäss Fig. 5a die Stellschaltung aus einem linearen oder nicht linearen Widerstand mit ohm'schem bzw. überwiegend ohm'schem Charakter, z.B. aus einem NTC-Widerstand. Durch die Verwendung eines solchen Widerstandes wird eine kontinuierliche Bedämpfung des Magnetkreises in Abhängigkeit von der in der zusätzlichen Steuerwicklung W3 des Rückkopplungstransformators induzierten Spannung erreicht.

Alternativ kann zur Erzielung einer Schwellwertcharakteristik ein Netzwerk bestehend gemäss Fig. 5b aus einem Widerstand 20 der obigen Art und einer Spannungsquelle 21 oder ein Netzwerk gleichfalls aus einem solchen Widerstand 20 und einem Schwellwertschaltelement, z.B. in Form zweier antiparallel geschalteter Dioden 22, 23 vorgesehen werden, wie dies Fig. 5c zeigt.

Eine weitere mögliche Ausführungsform einer Stellstufe zeigt Fig. 5d, gemäss welcher ein Feldeffekttransistor 24 Verwendung findet, der mit seinen Drain- und Sourceanschlüssen an die zusätzliche Steuerwicklung W3 angeschlossen ist. Der Feldeffekttransistor kann entweder als blosser Dämpfungswiderstand im Sinne der Fig. 5a arbeiten, indem an seine Gateelektrode eine feste Vorspannung gelegt ist, oder als Stellschaltung mit Schwellwertcharakteristik arbeiten, indem an seine Gateelektrode z.B. eine Zenerdiodenschaltung angeschlossen ist. Die Beschaltung der Gateelektrode des Feldeffekttransistors 24 ist in Fig. 5d schematisch durch den Block 25 angedeutet. Als besondere Form der Beschaltung der Gateelektrode des FET ist ein Impulsbreitenmodulator anzusehen, der durch sein Tastverhältnis verschiedene wirksame Kanalwiderstände realisiert bzw. bei dauerndem Durchschalten auch die Abschaltung bewirkt.

Gemäss Fig. 6 ist die an die zusätzliche Steuerwicklung W3 des Rückkopplungstransformators angeschlossene Schaltung als Regelschaltung ausgebildet. Diese Ausführungsform wird bevorzugt dann angewendet werden, wenn die Konstanthaltung der Ausgangsspannung unabhängig von Schwankungen der

Versorgungsspannung bzw. Änderungen der Lastcharakteristik erfolgen soll.

In Übereinstimmung mit Fig. 5d sind an die zusätzliche Steuerwicklung die Drain- und Sourceelektroden eines Feldeffekttransistors 24 angeschlossen. An die Gateelektrode des Feldeffekttransistors 24 ist ein Regelverstärker 26 angeschlossen, welcher die Differenz aus der an seinem einen Eingang anliegenden von einem Sollwertgeber 27 erzeugten Spannung, die dem Sollwert der Lastspannung proportional ist, und einer von einem Mittelwertbildner 28 erzeugten Spannung, die dem Istwert der Lastspannung proportional ist, bildet. Der Eingang des Mittelwertbildners 28 ist direkt an die Last 2 angeschlossen. Mit einer ähnlichen Schaltungsanordnung kann auch die Konstanthaltung einer anderen Lastgrösse, wie z.B. des Laststromes oder der an die Last abgegebenen Leistung, erreicht werden. Die vorstehend beschriebene Schaltungsanordnung ist in der Fig. 6 mit 30 bezeichnet. Im übrigen entspricht die Schaltung gemäss Fig. 6 jener der Fig. 4.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen der Stell- bzw. Regelschaltung mit Schwellwertcharakteristik kann die Charakteristik der Stell- bzw. Regelschaltung so gewählt werden, dass der Wechselrichter weiter arbeitet, jedoch mit herabgesetzter Leistung, oder dass der Wechselrichter überhaupt abschaltet, z.B. dann, wenn entnommene Leistung bzw. Strom einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Stell- bzw. Regel-Schaltung für den letzteren Betriebsfall zeigt Fig. 7.

An die Klemme EF der zusätzlichen Steuerwicklung W3 ist ein steuerbarer Schalter 31 und an dessen Steuereingang ein Komparator 32 angeschlossen. An einem Eingang des Kompa-rators 32 hegt eine Sollspannungsquelle 33, am anderen Eingang des Komparators 32 der Ausgang eines Abtasthaltekreises, welcher die Funktion eines Spitzenwertdetektors mit Haltecharakteristik hat, dessen Eingang an die Klemme E geführt ist. Im einfachsten Fall kann der Abtasthaltekreis z.B. aus einer Diode mit einem grossen Speicherkondensator bestehen.

Da die Amplitude der in der zusätzlichen Steuerwicklung induzierten Spannung dem Laststrom proportional ist, trifft dies auch für die am Ausgang des Abtasthaltekreises 34 auftretende Spannung zu. Durch Wahl der Spannung der Sollspannungsquelle 33 kann somit jener maximale Laststrom voreingestellt werden, bei welchem der Wechselrichter abgeschaltet wird. Bei gleich grossen Komparatoreingangsspannungen schliesst das dann am Komparatorausgang auftretende Signal den steuerbaren Schalter, wodurch der Magnetkreis des Rückkopplungstransformators sehr stark bedämpft und hiedurch abgeschaltet wird.

Gleichermassen liegt im Rahmen vorliegender Erfindung eine Ausführungsform einer Stell- bzw. Regelschaltung, bei welcher zwei Schwellwerte einstellbar sind, nämlich ein unterer Schwellwert, ab welchem die abgegebene Leistung des Sollwertreglers herabgesetzt wird und ein zweiter Schwellwert, bei welchem der Sollwertregler überhaupt abgeschaltet wird.

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7 Blätter Zeichnungen

Claims

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1. Selbstschwingender Wechselrichter mit Rückkopplungstransformator zum Betrieb einer Last mit einer periodischen Spannung aus einer Gleichstromquelle, dadurch gekennzeichnet, dass für die Steuerung oder Regelung der in der Last (2) umgesetzten Leistung oder für die Abschaltung des Wechselrichters der Rückkopplungstransformator (7) eine zusätzliche Steuerwicklung (w3) aufweist, an die eine Stell- oder Regelschaltung (16) für die Veränderung des Magnetflusses im Rückkopplungstransformator (7) angeschlossen ist.

2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellschaltung wenigstens einen linearen oder nicht linearen Widerstand (20) mit ohm'schem oder überwiegend ohm'schem Charakter aufweist (Fig. 5a).

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PATENTANSPRÜCHE

3. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand durch einen NTC-Widerstand gebildet ist.

4. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand durch einen VDR-Widerstand gebildet ist.

5. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellschaltung einen linearen oder nicht linearen Widerstand (20) mit ohm'schem bzw. überwiegend ohm'schem Charakter und eine Spannungsquelle (21) aufweist (Fig. 5b).

6. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellschaltung einen linearen oder nicht linearen Widerstand (20) mit ohm'schem bzw. überwiegend ohm'schem Charakter und ein Schwellwertschaltelement (22, 23 aufweist (Fig. 5c).

7. Wechselrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwellwertschaltelement aus zwei antiparallel geschalteten Dioden (22, 23) gebildet ist (Fig. 5c).

8. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellschaltung durch den Kanalwiderstand eines Feldeffekttransistors (24) gebildet ist, welcher mit seinen Drain-und Sourceanschlüssen an die zusätzliche Steuerwicklung (w3) des Rückkopplungstransformators (7) angeschlossen (E, F) ist und an dessen Gateelektrode eine Steuerstufe (25) anliegt, zufolge welcher der Feldeffekttransistor entweder als Widerstand und/oder als Schwellwertschaltelement arbeitet (Fig. 5d).

9. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Konstanthaltung einer Lastgrösse, wie Laststrom, Lastspannung oder umgesetzte Leistung, der zusätzlichen Steuerwicklung (w3) des Rückkopplungstransformators (7) eine Regelstrecke z.B. Source-Drainstrecke eines Feldeffekttransistors (24), parallel geschaltet ist, an deren Regeleingang ein Regelverstärker (26) angeschlossen ist, an dessen einem Eingang ein Sollwertgeber (27) und an dessen anderem Eingang ein Istwertgeber (28) anliegt (Fig. 6).

10. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzlichen Steuerwicklung (w3) des Rückkopplungstransformators (7) ein steuerbarer Schalter (31) parallel geschaltet (E, F) ist, dessen Steuereingang mit dem Ausgang eines Komparators (32) verbunden ist, an dessen einem Eingang ein Bezugsgrössengeber (33) und an dessen anderem Eingang ein Istwertgeber (34) anliegt, die so ein teilweises oder vollständiges Abschalten des Wechselrichters bei Vorliegen bestimmter Behälterverhältnisse bewirken (Fig. 7).

11. Wechselrichter nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Leistungsregelung, -Stellung oder Abschaltung ein Halbleiterschalter, angesteuert von einem Pulsbreitenmodulator, eingesetzt ist.