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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung
symmetrischer und asymmetrischer Spannungen am Ausgang eines selbstgeführten Pulsstromrichters
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einem aus Induktivitäten und
Kapazitäten
bestehenden Tiefpass.
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Die
von einem Spannungszwischenkreis-Umrichter, auch als Frequenzumrichter
bezeichnet, verursachte "elektrische
Umweltverschmutzung" hängt direkt
mit seinem Funktionsprinzip zusammen. Umrichter mit fester Zwischenkreisspannung
schalten die Ausgänge
alternierend an die positive oder negative Schiene der Zwischenkreisspannung
und erzeugen auf diese Weise ein Drehstromsystem. Zunächst entsteht
eine Rechteckspannung, deren Mittelwert sich beeinflussen lässt, indem das
Puls-Pausen-Verhältnis
variiert wird. Wie bei jeder induktiven Last folgt der Strom im
Drehstrommotor nicht der schnellen rechteckigen Spannung. Er wird
sinusförmig
geglättet.
Nach diesem Prinzip der Pulsweitenmodulation (PWM) arbeiten nahezu
alle modernen Umrichter.
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Die
Thyristoren, GTO-Thyristoren, Transistoren, MOSFET oder IGBT im
Leistungsteil eines Umrichters, die diese Rechteckspannung erzeugen,
sind jedoch keine idealen Schalter. Bei jedem Übergang vom leitenden in den
nichtleitenden Zustand und umgekehrt entstehen Umschaltverluste.
Sie lassen sich nur minimieren, wenn der Schaltvorgang schnellstmöglich abläuft. Immer
schnellere Schaltvorgänge bringen
aber Nachteile mit sich, die sich mit geeigneten Mitteln bekämpfen lassen.
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Moderne
MOSFET oder IGBT brauchen für einen
Schaltvorgang lediglich 200ns bis 50ns. Bei einer üblichen
Zwischenkreisspannung von beispielsweise 500V ändert sich dabei die Spannung mit
einer Geschwindigkeit von 2500V/μs
bis 10kV/μs.
Werden diese Potentialsprünge
ungefiltert an die Ausgangsklemme gegeben, wirken sie sich direkt
auf die Motorzuleitung aus. Aufgrund von Leitungsinduktivitäten und
-kapazitäten
entstehen unberechenbare Schwingkreise, die von der rechteckförmigen Ausgangsspannung
eines solchen Frequenzumrichters immer wieder angestoßen werden
und sich unkontrolliert aufschaukeln können. Die unerwünschten
Folgen dieses Verhaltens können
beträchtliche
Ausmaße
annehmen:
Zum einen strahlt die Motorzuleitung elektromagnetische
Felder ab, die andere Elektronik erheblich stören können. Besonders kritisch ist
das natürlich, wenn
in der Nähe
signalführende
Leitungen verlegt sind. Wird für
die Motorzuleitung ein geschirmtes Kabel verwendet, lässt sich
zwar dieses Störproblem
in den Griff bekommen, doch handelt man sich auf diese Weise noch
weitere Kapazitäten
ein, was die Schwingkreise im Leitungsinneren nur unberechenbarer
macht.
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Die
zweite Auswirkung des Aufschaukelns der Spannung und der schnellen
Spannungsänderungsgeschwindigkeiten
sind Schäden
der Motorisolation. Die schwingkreisbedingten Spannungsspitzen und
insbesondere die hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten können auf
die Dauer gesehen den Isolierlack zerstören. Vor allem im Bereich der
Wickelköpfe
wo die verschiedenen Phasen unmittelbar übereinander liegen, sind diese
Gefahren besonders groß.
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Eine
dritte Auswirkung sind die hochfrequenten Stromanteile, die über die
Wicklungskapazität des
Motors zur Erde abschließen
können.
Zwar sind die Ströme
nur sehr klein, doch genügen
sie durchaus um beispielsweise kapazitive Füllstandsmesser zu stören.
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Um
den beschriebenen Effekten entgegenzuwirken sind im Handel Ausgangsfilter
erhältlich,
die einen Frequenzumrichter nachgeschaltet werden können.
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Diese
Filter sind als LC-Tiefpässe
konstruiert, die den niederfrequenten Anteil des PWM-Spektrums,
d.h. die eigentliche Ausgangsfrequenz von beispielsweise 0 bis 200Hz,
unbeeinflusst lassen. Die Schaltfrequenz und deren Oberwellen werden
jedoch abgeblockt. Der Spannungsverlauf am Ausgang des Tiefpasses
ist dann nicht mehr rechteckförmig,
sondern folgt nahezu ideal der Sinuskurve. Störabstrahlungen der Motorzuleitungen,
kapazitive Ableitströme
und Wicklungsschäden
sind dadurch wesentlich reduziert.
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Solche
Ausgangsfilter sind jedoch nur dann eine wirtschaftliche vertretbare
Schutzmaßnahme, wenn
die Frequenzumrichter mit einer relativ hohen Schaltfrequenz arbeiten.
Die für
die Filter erforderlichen Induktivitäten und Kapazitäten müssen umso größer sein,
je kleiner die Schaltfrequenz der Frequenzumrichter ist, und der
Filteraufbau wird umso komplizierter, je mehr die zu trennenden
Frequenzen beieinander liegen. Mit anderen Worten heißt das, bei
Frequenzumrichtern, die lediglich mit Schaltfrequenzen von beispielsweise
2 bis 4 kHz arbeiten, wären
die Filter zu groß und
zu teuer.
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Die
im Handel erhältlichen
Ausgangsfilter wirken nur auf die symmetrischen Spannungen, also auf
Spannungen zwischen den spannungsführenden Leitungen, und die
asymmetrischen Spannungen, also die Spannungen gegen Erdpotential,
werden praktisch nicht beeinflusst.
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In
der 1 ist eine bekannte
Schaltungsanordnung zur Reduzierung von symmetrischen Spannungen
Usy näher
dargestellt. Diese Schaltungsanordnung ist in der europäischen Patentschrift 0
682 401 näher
beschrieben. In dieser Schaltungsanordnung ist mit 2 ein
selbstgeführter
Pulsstromrichter, mit 4 ein Gleichspannungs-Zwischenkreis,
mit 6 Ausgangsklemmen des selbstgeführten Stromrichters 2,
mit 8 angeschlossene Drehfeldmaschinen und mit 10 ein
LC-Tiefpass bezeichnet. Der selbstgeführte Pulsstromrichter 2 und
der Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 sind
Elemente eines Spannungszwischenkreis- Umrichters 12. Gleichspannungsseitig
ist der selbstgeführte
Pulsstromrichter 2, der als abschaltbarer Leistungshalbleiterschalter
Insulated-Gate-Bipolare-Transistoren (IGBT) aufweist, jeweils mit
einem Plus- und Minusanschluss 14 und 16 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 elektrisch leitend
verbunden. Aus der am Zwischenkreiskondensator CZK anstehenden
Gleichspannung UZK generiert der selbstgeführte Pulsstromrichter 2 eine Rechteckspannung,
die an seinen Ausgangsklemmen 6 ansteht. Durch die Verwendung
von IGBTs als abschaltbare Leistungshalbleiterschalter, die sehr schnell
und mit sehr steilen Anstiegsflanken der Impulse arbeiten, werden
zwar die Verluste im Pulsstromrichter 2 möglichst
gering gehalten, so dass mit einem sehr hohen Wirkungsgrad gearbeitet
werden kann, es ergeben sich jedoch die eingangs genannten Probleme.
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Die
auf die Spannungen Usy zwischen den spannungsführenden
Leitern U, V und W zurückzuführenden
Probleme können
mit dem installierten Tiefpass 10 reduziert werden. Dieser
Tiefpass 10 besteht aus Induktivitäten L und Kapazitäten CSY. Diese Kapazitäten CSY sind
in dieser Darstellung in Stern geschaltet, können jedoch auch in Dreieck
geschaltet werden. Als Induktivitäten L in jeder Leitung U, V
und W zwischen Pulsstromrichter 2 und Drehfeldmaschinen 8 sind
jeweils eine lineare Längsdrossel
vorgesehen. Diese Induktivitäten
L und Kapazitäten
CSY des Tiefpasses 10 sind derart
dimensioniert, dass der niederfrequente Anteil des PWM-Spektrums
der an den Ausgangsklemmen 6 des Pulsstromrichters 2 anstehenden
Rechteckspannungen, d.h. die eigentliche Ausgangsfrequenz unbeeinflusst
bleibt. Die Schaltfrequenz und deren Oberschwingungen werden abgeblockt.
Wie bereits erwähnt,
wirkt dieser LC-Tiefpass 10 nur auf die symmetrischen Spannungen
Ufy zwischen den spannungsführenden
Leitungen U, V und W. Die asymmetrischen Spannungen Uus gegenüber dem
Erdpotential, die in dieser Entgegenhaltung auch als unsymmetrische
Spannungen bezeichnet werden, bleiben weitestgehend erhalten.
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In
der europäischen
Patentschrift 0 682 401 ist eine mögliche Variante angegeben,
die auch die asymmetrischen Spannungen Uus weitgehend
reduzieren soll. Diese Schaltungsvariante ist in der 2 näher dargestellt. Bei dieser
Variante sind an jeder Induktivität L zwei in Stern geschaltete
Kapazitäten Cus angeschlossen und die Sternpunkte sind
jeweils mit einem Plus- und Minusanschluss 14 und 16 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 des
Umrichters 12 verbunden. In diesen Rückführungen zum Zwischenkreiskondensator
CZK fließen die unsymmetrischen Ströme Ius. Damit die abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter
des selbstgeführten
Pulsstromrichters 2 nicht zusätzlich belastet werden, müssen diese unsymmetrischen
Ströme
Ius gering gehalten werden. Außerdem werden
relativ hohe Induktivitätswerte
benötigt,
die jedoch voluminös
und teuer sind. Durch den Einsatz großer Induktivitäten wird
ein relativ großer
Spannungsabfall hervorgerufen, der seinerseits die für die Drehfeldmaschinen 8 zur
Verfügung
stehende Spannung reduziert. Somit kann gemäß der europäischen Patentschrift 0 682
401 die praktische Realisierung an wirtschaftlichen und technischen Schwierigkeiten
scheitern.
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Der
Weg, der in dieser europäischen
Patentschrift 0 682 401 eingeschlagen wird, um symmetrische und
asymmetrische Spannungen Usy und Uus zu reduzieren, besteht in der Verwendung
von stromkompensierten Drosseln, die elektrisch in Reihe zu den
linearen Längsdrosseln
geschaltet werden. Stromkompensierte Drosseln sind so ausgebildet, dass
sich bei normalen Betriebsstrom die im Kern erzeugten magnetischen
Flüsse
aufheben und die Induktivität
praktisch wirkungslos sind. Fließen jedoch unsymmetrische Ströme gegenüber Erdpotential
ab oder an den Gleichspannungs-Zwischenkreis 4 zurück, so ist
die Summe der gesamten Ströme
ungleich Null und die magnetischen Flüsse heben sich nicht mehr auf.
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Um
neben einer symmetrischen Filterung auch eine asymmetrische Filterung
zu erreichen, müssen
in einer bestehende Schaltungsanordnung gemäß 1 asymmetrische Filterkomponen ten hinzugefügt werden,
wodurch sich ein merklicher Aufwand an Investition und Baugröße gegenüber einer rein
symmetrischen Filterung ergibt. Neben der stromkompensierten Drossel
wird ebenfalls noch ein Kondensator benötigt, der den Sternpunkt der
Kondensatoren CSY des Tiefpasses 10 mit
Erdpotential verbindet.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannte Schaltungsanordnung
zur Reduzierung symmetrischer Spannungen derart weiterzubilden,
dass ebenfalls asymmetrische Spannungen reduziert werden können, wobei
der Aufwand minimal ist.
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Diese
Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass ein Kapazitätsnetzwerk
derart vorgesehen ist, dass an jeder Induktivität des Tiefpasses zusätzlich zwei
in Stern geschaltete Kapazitäten
angeschlossen sind, deren Sternpunkte jeweils mit einem Anschluss
des Gleichspannungs-Zwischenkreises
des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden sind, weist dieser
Tiefpass eine zusätzliche
Eckfrequenz auf. Da bekannter Weise in Abhängigkeit der Induktivität und der
Kapazität
die Eckfrequenz eines Tiefpasses bestimmbar ist, und im erfindungsgemäßen Tiefpass
sich die Induktivität nicht ändert, bestimmt
sich die zweite Eckfrequenz nur durch die Wahl der Kapazitätswerte
des Kapazitätsnetzwerkes.
Da die Kapazitäten
des Kapazitätsnetzwerkes
elektrisch parallel zu den Kapazitäten des Tiefpasses geschaltet
sind, addieren sich die Kapazitätswerte,
so dass die zweite Eckfrequenz immer oberhalb der ersten Eckfrequenz
liegt. Somit wird mit minimalen Kosten eine bestehende Schaltungsanordnung
derart erweitert, dass neben symmetrischen Spannungen nun auch asymmetrische
Spannungen am Ausgang eines selbstgeführten Pulsstromrichters reduziert
werden können.
Dabei hat sich das Bauvolumen der Schaltungsanordnung nur unwesentlich vergrößert.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
liegt die erste Eckfrequenz des Tiefpasses unterhalb und seine zweite
Eckfrequenz um ein vielfaches oberhalb der Pulsfrequenz des selbstgeführten Pulsstromrichters.
Damit können
bereits EMV-Normen im Frequenzbereich ab 150kHz berücksichtigt
werden.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist eine Begrenzungsschaltung
vorgesehen, deren Eingänge
jeweils mittels einer Reihenschaltung eines Begrenzungs-Widerstandes
und eines Kondensators mit einem Anschluss des Kapazitätsnetzwerkes
des Tiefpasses verbunden sind. Dadurch wird das Filter mit großer Längsinduktivität und kleiner
Querkapazität
begrenzt, so dass auftretende Überspannungen
auf den Motorzuleitungen gegenüber
der Zwischenkreis-Spannung limitiert werden. Durch die Verwendung
des Kondensators in Reihe zum Widerstand kann der erwünschte kurzzeitige Begrenzungsstrom über die
Begrenzungsschaltung fließen,
zwingt aber den Freilaufstrom einer Last, über die Freilaufdiode des selbstgeführten Pulsstromrichters
zu fließen.
Ein weiterer Vorteil dieser Begrenzungsschaltung ist, dass bei jedem
Schaltvorgang eines positiven abschaltbaren Leistungshalbleiterschalters
des selbstgeführten
Pulsstromrichters einer Stromrichterphase der Kondensator durch
den vorangegangenen Schaltvorgang eines negativen abschaltbaren
Leistungshalbleiterschalters des Pulsstromrichters vorgeladen ist
und dadurch die Begrenzung frühzeitiger
einsetzen kann. Dadurch wird eine entstehende Überspannung an den Motorklemmen weiter
reduziert.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jeweils zum
Kondensator der Begrenzungsschaltung ein Entlade-Widerstand geschaltet. Mittels
dieses Entlade-Widerstands wird die Aufladung jedes Kondensators
dieser Begrenzerschaltung begrenzt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind den Unteransprüchen
5 bis 7 zu entnehmen. Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird
auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele
einer Schaltungsanordnung zur Reduzierung symmetrischer und asymmetrischer
Spannungen am Ausgang eines selbstgeführten Pulsstromrichters schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt
eine bekannte Schaltungsanordnung zur Reduzierung symmetrischer
Spannungen, in der
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2 ist
eine theoretisch mögliche
Variante einer Schaltungsanordnung zur Reduzierung symmetrischer
und asymmetrischer Spannungen dargestellt, die
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
zur Reduzierung symmetrischer und asymmetrischer Spannungen, und
in der
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4 ist
eine vorteilhafte Ausführungsform der
Schaltungsanordnung nach 3 dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
nach 3 unterscheidet sich von der bekannten Schaltungsanordnung
gemäß 1 dadurch, dass
der Tiefpass 10 ein Kapazitätsnetzwerk 18 aufweist.
Dieses Kapazitätsnetzwerk 18 weist
mehrere Kapazitäten
Cus auf, die in einer Brückenschaltung angeordnet sind.
Diese Brückenschaltung
weist drei Brückenzweige
auf, da der Tiefpass 10 dreiphasig ausgeführt ist.
In jedem Brückenzweig
sind zwei Kapazitäten
Cus elektrisch in Reihe geschalten. Der
Verbindungspunkt dieser beiden Kapazitäten Cus eines jeden
Brückenzweiges
ist mit einem Anschluss einer korrespondierenden Induktivität L des
Tiefpasses 10 verbunden. Die freien Anschlüsse der
beiden Kapazitäten
Cus eines jeden Brückenzweiges ist mit einem Plus-
bzw. Minusanschluss 14 bzw. 16 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 4 des
Umrichters 12 elektrisch leitend verbunden. Durch die Zuschaltung dieses
Kapazitätsnetzwerkes 18 weist
der Tiefpass 10 eine zweite Eckfrequenz auf. Da der Kapazitätswert für die Bestimmung
der zweiten Eckfrequenz gegenüber
dem Kapazitätswert
für die
Bestimmung der ersten Eckfrequenz wesentlich größer ist, obwohl die Werte der
einzelnen Kapazitäten
des Kapazitätsnetzwerkes 18 klein
sind, liegt die zweite Eckfrequenz bei höheren Fre quenzen als die erste
Eckfrequenz. D.h., die erste Eckfrequenz ist derart vorbestimmt,
dass eine Pulsfrequenz des selbstgeführten Pulsstromrichters 2 und
deren Oberwellen abgeblockt werden. Die zweite Eckfrequenz liegt
bei wesentlich höheren Frequenzen,
vorzugsweise bei einem Vielfachen der Pulsfrequenz, beispielsweise
das fünf-
bis sechsfache. Dadurch erhält
man eine ausreichend gute Filterung asymmetrischer Spannungen in
einem Frequenzbereich ab 150kHz. Ab dieser Frequenz beginnt der
vierte Frequenzbereich des Spektrums von Störaussendungen. Für diesen
vierten Frequenzbereich gibt es verbindliche Grenzwerte für die elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV), die eingehalten werden müssen.
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Somit
erreicht man mit nur geringen Aufwand eine asymmetrische Filterung
mit hoher Eckfrequenz. Dieser geringe Aufwand verursacht auch nur minimale
Kosten und verändert
das Bauvolumen der Schaltungsanordnung nur unwesentlich.
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Durch
Filtereckfrequenzen in dem Frequenzbereich der Pulsfrequenz und
ihren Oberschwingungen kann die Resonanzfrequenz angeregt werden. Dies
kann dadurch verhindert werden, dass die Resonanzfrequenz in einen
Bereich minimaler Anregung gelegt wird. Eine zweite Möglichkeit
besteht darin, durch eine geeignete Widerstandsbedämpfung dafür zu sorgen,
dass es nur zu geringen Überspannungen
durch Anregung der Resonanzfrequenz im asymmetrischen System kommt.
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In
der 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
gemäß 3 näher dargestellt.
Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 3 dadurch,
dass eine Begrenzungsschaltung 20 vorgesehen ist, deren
Eingänge jeweils
mittels einer Reihenschaltung eines Begrenzungs-Widerstandes 22 und
eines Kondensators 24 mit einem Eingang des Kapazitätsnetzwerkes 18 des Tiefpasses 10 verbunden
sind. Als Begrenzungsschaltung 20 ist eine mehrpulsige
Diodenbrücke
vorgesehen. Diese Diodenbrücke 20 weist
wie das Kapazitätsnetzwerk 18 drei
Brücken zweige
auf, die jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden aufweisen.
Jeder Verbindungspunkt zweier Dioden eines Brückenzweiges der Diodenbrücke bildet
einen Eingang der Begrenzungsschaltung 20. Der Kondensator 24 jeder
Reihenschaltung ist so bemessen, dass er den erwünschten kurzzeitigen Begrenzungsstrom
fließen
lässt,
jedoch den Freilaufstrom einer Last zwingt, über die Freilaufdioden der
abschaltbaren Leistungshalbleiterschalter des Pulsstromrichters 2 zu
fließen.
Dadurch werden die Dioden der Begrenzungsschaltung 20 nicht
zusätzlich
mit den Freilaufströmen
belastet, wodurch in den Begrenzungs-Widerständen 22 eine wesentlich
geringere Verlustleistung anfällt.
Außerdem
sorgen die Kondensatoren 24 der Reihenschaltungen dafür, dass
der Begrenzungsvorgang früher
einsetzt und die Spannung an den Motorklemmen der Drehfeldmaschinen 8 weiter reduziert
wird. Diese Wirkungsweise und eine weitere Modifikation der Begrenzungsschaltung 20 ist
dem deutschen Gebrauchsmuster 93 07 806 zu entnehmen.
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Durch
die Zuschaltung dieser Begrenzungsschaltung 20 wird das
Filter mit großer
Längsinduktivität L und
kleiner Querkapazität
Cus gedämpft,
so dass entstehende Überspannungen
auf den Zuleitungen U, V und W auf einer am Zwischenkreis-Kondensator
CZK anstehende Zwischenkreisspannung UZK geklemmt werden.
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Eine
derartige erfindungsgemäß ausgebildete
Schaltungsanordnung zur Reduzierung symmetrischer und asymmetrischer
Spannungen am Ausgang eines selbstgeführten Pulsstromrichters 2 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 12 kann
wegen seiner geringen Baugröße im Spannungszwischenkreis-Umrichter 12 integriert
werden. Außerdem
kann diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
ebenfalls als Netzfilter dem Spannungszwischenkreis-Umrichter 12 vorgeschaltet
bzw. in diesem integriert werden. Somit erhält man einen Frequenz-Umrichter 12,
der netz- und lastseitig verbindliche Grenzwerte für die elektromagnetische
Verträglichkeit
(EMV) einhalten kann.