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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Ausgangsfilter für einen gepulsten Stromrichter
mit wenigstens einer Filterdrossel und einem Filterkondensator,
wobei diese Filterelemente als Tiefpass verschaltet sind.
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Gepulste
Stromrichter, beispielsweise ein lastseitiger selbstgeführter Pulsstromrichter
eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, erzeugen an ihren Ausgängen eine
rechteckförmige
Spannung, die eine sinusförmige
Grundschwingung enthält.
Diese Umrichterausgangsspannung weist teilweise sehr hohe dU/dt-Werte
auf, die Verbindungskabel zwischen Umrichter-Ausgang und Elektromotor
und die Motorwicklung mit Spannungspitzen und kapazitiven Verschiebungsströmen, die
Zusatzverluste verursachen, belasten. Elektromotoren, deren Isolationssystem
nicht für
diese hohen dU/dt-Werte ausgelegt sind, werden dadurch unter Umständen zerstört.
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Am
Ausgang solcher Umrichter wird häufig ein
Ausgangsfilter, auch als Sinusfilter bezeichnet, angeschlossen.
Ein derartiges Ausgangsfilter ist in der 1 näher dargestellt.
Da der Umrichter 2 dreiphasig aufgebaut ist, weist das
Ausgangsfilter 4 für jede
Phase eine Filterdrossel 6 und einen Filterkondensator 8 auf.
Diese Filterelemente 6 und 8 sind zusammen mit
der Induktivität
der angeschlossenen Maschine als Tiefpass verschaltet. Elektrisch
parallel zu jedem Filterkondensator 8 kann ein Dämpfungswiderstand 10 geschaltet
sein. In der Ausführungsform des
Ausgangsfilters 4 nach 1 sind derartige Dämpfungswiderstände 10 dargestellt.
Mittels dieses Filters 4 sind die Eingangs-Anschlüsse eines
Elektromotors 12 mit den Ausgangs-Anschlüssen R,
S und T des Umrichters 2 verknüpft.
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Die
Dimensionierung eines solchen Ausgangsfilters 4 ist jedoch
sehr schwierig, da sich drehzahl- und lastabhängig die Pulsfrequenz des Umrichters 2 ändern kann,
insbesondere bei der Verwendung von optimierten Pulsmustern. Da
das Ausgangsfilter 4 nur für eine vorbestimmte untere
Grenzfrequenz fFG, beispielsweise fFG = 110 Hz gemäß 2, ausgelegt
werden kann, wird gleichzeitig die maximale Umrichter-Ausgangsfrequenz
fU eingeschränkt. Diese Einschränkung erfolgt
damit das Ausgangsfilter 4 nicht in Resonanzschwingungen
gerät.
Auftretende Resonanzschwingungen führen zu Überspannung und/oder Überstrom
und damit zur Abschaltung des Umrichters 2. Diese auftretenden Resonanzschwingungen
können
mittels Dämpfungswiderstände bedämpft werden,
wodurch der Wert der Verlustleistung des Ausgangsfilters 4 einen
unakzeptablen Wert erreicht. Somit erstreckt sich der Bereich für die Umrichter-Ausgangsfrequenz
fU gemäß dem Diagramm
der 2 theoretisch von 0 Hz bis 110 Hz. Dieser Bereich
ist in dem Diagramm gemäß 2 mit
einem Doppelpfeil G gekennzeichnet. Der Bereich für die Pulsfrequenz
ist in diesem Diagramm durch einen Doppelpfeil P kenntlich gemacht.
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Aus
der
EP 0 131 815 A1 ist
ein frequenzvariabler Wechselstrommaschinenantrieb, beispielsweise
für Zementrohrmühlen, Walzwerkantrieben, Kesselspeisepumpen
sowie zum Hochfahren von Kraftwerksgeneratoren, bekannt. Dabei wird
von einem Frequenzumrichter ein mehrphasiger Wechselstrom variabler
Frequenz erzeugt, der über
Wechselstromleitungen, in die je Wechselstromphasenleitung eine
Kommutierungsdrossel zur Begrenzung der zeitlichen Änderung
des Wechselstromes integriert sind, eine Wechselstrommaschine, insbesondere eine
Synchronmotor, speist. Da der Wirkungsgrad des Synchronmotors bei
Speisung mit sinusförmigen Wechselstrom
am günstigen
ist, der Frequenzumrichter jedoch rechteckförmigen, beispielsweise 6-pulsigen
Wechselstrom liefert, ist ein frequenzvariables Filter in Bypass-Schaltung
zum Synchronmotor vorgesehen. Dadurch wird der Wechselstrom in einem
vorgebbaren Frequenzbereich sinusförmig gemacht. Die Frequenz
des Wechselstromes wird mit einem Frequenzmesser gemessen und in
einem Frequenz-Grenzwertdetektor
auf eine Grenzwertüberschreitung überwacht.
In Abhängigkeit
von einer oder mehreren Grenzwertüberschreitungen kann das frequenzvariable
Filter mittels Schaltsignalen stufenweise auf unterschiedliche Frequenzen
abgestimmt werden, indem die Induktivität oder Kapazität vom Schwingkreis
stufenweise verändert
wird. Durch Zu- und Abschalten von Drosseln, Drosselabschnitten oder
Kapazitäten
lässt sich
der Frequenzbereich, für den
die harmonischen Oberschwingungen ausgefiltert werden, stufenweise
erweitern bzw. verschieben, in Abhängigkeit von der Frequenz des
Wechselrichters. Dadurch werden unerwünschte harmonische Oberschwingungen
in einem relativ großen
Frequenzbereich gedämpft.
Dadurch werden ebenfalls unerwünschte
Pendelmomente verringert, wodurch sich der Wirkungsgrad des Synchronmotors
erhöht.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Ausgangsfilter für einen
gepulsten Stromrichter derart weiterzubilden, dass die Resonanzfrequenz
kontinuierlich und dynamisch verändert
werden kann, ohne den Wert eines der für die Resonanzfrequenz bestimmenden
Filterelemente abzuändern.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass das Ausgangsfilter für
einen gepulsten Stromrichter mit einer Schaltungsanordnung zur Verringerung
der Wirksamkeit eines Filterelementes versehen ist, kann die Wirksamkeit
dieses Filterelementes im Ausgangsfilter kontinuierlich und dynamisch
verringert werden, wodurch die Resonanzfrequenz bei gleichzeitig
veränderlicher
Güte des
Schwingkreises ansteigt. Mit Anstieg der Resonanzfrequenz vergrößert sich
der Bereich der Stromrichter-Ausgangsfrequenz entsprechend.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
weist eine Stromrichterschaltung und ein Koppelelement auf. Die
Ausführungsform des
Koppelelementes hängt
davon ab, welches Filterelement des Ausgangsfilters in seiner Wirkung verändert werden
soll. Soll die Wirksamkeit des Filterkondensators des Ausgangsfilters
verändert
werden, so wird als Koppelelement ein Abstimmkondensator verwendet.
Soll dagegen die Wirksamkeit der Filterdrossel des Ausgangsfilters
verändert
werden, so wird als Koppelelement entweder ein Transformator oder
eine Drossel verwendet.
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Ist
das Ausgangsfilter dreiphasig aufgebaut, so kann pro Phase dieses
Ausgangsfilters eine Schaltungsanordnung oder eine Schaltungsanordnung
für das
gesamte Ausgangsfilter verwendet werden. Diese für das gesamte Ausgangsfilter
vorgesehene Schaltungsanordnung unterscheidet sich von der Schaltungsanordnung
pro Phase des Ausgangsfilters dadurch, dass anstelle von drei Einphasen-Stromrichterschaltungen
eine Drehstrom-Stromrichterschaltung
verwendet wird. Die Anzahl der Koppelelemente entspricht immer der
Anzahl der Phasen des Ausgangsfilters.
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Gleichspannungsseitig
weist jede Stromrichterschaltung einen Pulswiderstand auf. Der Widerstandswert
dieses Pulswiderstandes wird mittels eines Taktverhältnisses
eingestellt. Dadurch kann der Wert dieses Pulswiderstandes zwischen
einem maximalen Wert, der gleich dem Wert des verwendeten Widerstandes
ist, und einem minimalen Wert beliebig eingestellt werden.
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Mit
dieser Schaltungsanordnung kann die Wirksamkeit eines Filterelementes
des Ausgangsfilters für
einen gepulsten Stromrichter mit der Erhöhung des Wertes des Pulswiderstandes
verringert werden, woraus sich eine steigende Resonanzfrequenz bei
veränderter
Güte des
Tiefpasses ergibt.
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Will
man die Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters für einen gepulsten Stromrichter
verringern, so muss die Wirksamkeit eines Filterelementes dieses
Ausgangsfilters vergrößert werden.
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Dies
wird damit erreicht, dass anstelle einer ungesteuerten Stromrichterbrücke mit
einem Pulswiderstand eine gesteuerte Stromrichterbrücke mit
einem Kondensator verwendet wird. Eine derartige Stromrichterschaltung
kann so gesteuert werden, dass diese einen induktiven oder kapazitiven
Strom liefert. Dadurch wird die wirksame Induktivität der Filterdrossel
des Ausgangsfilters erhöht
oder verringert, wodurch die Resonanzfrequenz sich verändert.
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Durch
die Verwendung der Schaltungsanordnung zur Reduzierung der Wirksamkeit
eines Filterelementes des Ausgangsfilters sind keine Maßnahmen
bezüglich
Synchronisierung oder Frequenzregelung erforderlich. Mittels des
gleichspannungsseitigen Pulswiderstandes dieser Schaltungsanordnung
wird der Strom, der an dem induktiven oder kapazitiven Filterelement
des Ausgangsfilters vorbeigeleitet wird, derart eingestellt, dass
die Resonanzfrequenz einen hinreichenden Abstand zur Grundfrequenz
einer an den Ausgängen
des gepulsten Stromrichters anstehenden Spannung aufweist.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Ausgangsfilters
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
ein Ausgangsfilter herkömmlicher
Bauart für
einen gepulsten Stromrichter,
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2 veranschaulicht
in einem Diagramm den Frequenzgang des herkömmlichen Filters nach 1,
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3 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines Ausgangsfilters nach der Erfindung, wobei die
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4 eine
Ausführungsform
eines Teils des erfindungsgemäßen Ausgangsfilters
nach 3 näher
darstellt, in der
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5 ist
eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Ausgangsfilters
veranschaulicht, wobei in der
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6 eine
Ausführungsform
des Ausgangsfilters nach 5 näher dargestellt ist, in der
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7 ist
in einem Diagramm der Verlauf des Frequenzgangs eines Ausgangsfilters
nach der Erfindung veranschaulicht, die
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8 bis 11 zeigen
jeweils weitere Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Ausgangsfilters
und die
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12 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines
Teils des erfindungsgemäßen Ausgangsfilters nach 11.
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In
der 3 ist eine erste Ausführungsform eines Ausgangsfilters 4 für einen
gepulsten Stromrichter nach der Erfindung veranschaulicht. Dieses Ausgangsfilter 4 unterscheidet
sich vom herkömmlichen
Ausgangsfilter 4 gemäß 1 dadurch,
dass eine Schaltungsanordnung 14 zur Verringerung der Wirksamkeit
eines Filterelementes 6 oder 8 des Ausgangsfilters 4 vorgesehen
ist. Diese Schaltungsanordnung 14 weist pro Phase des Ausgangsfilters 4 eine
Stromrichterschaltung 16 und ein Koppelelement auf. Da
bei dieser Ausführungsform
des Ausgangsfilters 4 die Wirksamkeit des Filterkondensators 8 verringert
werden soll, ist jeweils als Koppelelement ein Abstimmkondensator 18 vorgesehen.
Jeder Abstimmkondensator 18 ist jeweils elektrisch in Reihe
zu einem Filterkondensator 8 des Ausgangsfilters 4 geschaltet.
Elektrisch parallel zu jedem Abstimmkondensator 18 ist
eine Stromrichterschaltung 16 geschaltet.
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Eine
Ausführungsform
dieser Stromrichterschaltung 16 ist in der 4 näher dargestellt.
Diese Stromrichterschaltung 16 weist vier Dioden D1, D2, D3
und D4 und einen Pulswiderstand 20 auf. Jeweils ein Verbindungspunkt
zweier Dioden D1, D2 und D3, D4 bilden einen wechselspannungsseitigen
Anschluss der Stromrichterschaltung 16. Elektrisch parallel
zu den beiden gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieser Stromrichterschaltung 16 ist
der Pulswiderstand 20 geschaltet, der aus einer Reihenschaltung
eines Widerstandes 22 und eines abschaltbaren Halbleiterschalters 24,
beispielsweise ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor, besteht. In Abhängigkeit
eines Tastverhältnisses
des abschaltbaren Halbleiterschalters 24 wird der an den
wechselspannungsseitigen Anschlüssen
der Stromrichterschaltung 16 wirksame Wert des Widerstandes 22 festgelegt.
Da das Tastverhältnis
beliebig gewählt werden
kann, kann dieser Widerstandswert beliebig eingestellt werden. Mittels
der in der ungesteuerten Zweipuls-Brückenschaltung angeordneten
vier Dioden D1 bis D4 ist dieser Widerstand zum Abstimmkondensator 18 elektrisch
parallel geschaltet. Durch kontinuierliches Erhöhen des zum Abstimmkondensator 18 parallel
geschalteten Widerstandes wird die wirksame Kapazität des Ausgangsfilters
verringert und gleichzeitig die Dämpfung verändert. Daraus ergibt sich eine
steigende Resonanzfrequenz bei veränderter Güte des Schwingkreises. D.h.,
mit Ansteigen des Widerstandswertes nimmt die Wirksamkeit des kapazitiven
Filterelementes 8 des Ausgangsfilters 4 kontinuierlich
ab. Mit der Schaltungsanordnung 14 zur Verringerung der
Wirksamkeit eines Filterelementes 8 des Ausgangsfilters 4 wird
die wirksame Kapazität
des kapazitiven Filterelementes 8 verringert.
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In
der 5 ist eine weitere Ausführungsform des Ausgangsfilters
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach 3 dadurch, dass anstelle von drei Einphasen-Stromrichterschaltungen 16 eine
Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 verwendet wird. Jeweils
ein wechselspannungsseitiger Anschluss dieser Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 ist
mit einem Anschluss eines Abstimmkondensators 18 verknüpft. Die
weiteren Anschlüsse
dieser Abstimmkondensatoren sind miteinander verknüpft, wodurch
diese Abstimmkondensatoren in Stern geschaltet sind. Eine Ausführungsform
dieser Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 ist in der 6 näher dargestellt.
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Gemäß dieser 6 weist
diese Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 sechs Dioden D1
bis D6, die als Sechspuls-Brückenschaltung
verschaltet sind, und einen Pulswiderstand 20 auf. Jeweils
ein Verbindungspunkt zweier Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 bzw. D5, D6
bilden einen wechselspannungsseitigen Anschluss dieser Drehstrom-Stromrichterschaltung 26.
Der Pulswiderstand 20 weist ebenfalls einen Widerstand 22 und
einen abschaltbaren Halbleiterschalter 24, beispielsweise
ein Insulated-Gate-Bipolar-Transistor,
auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Gegenüber der
Ausführungsform
nach 4 hat sich der Bauteileaufwand erhöht, nicht
jedoch die Wirkungsweise dieser Drehstrom-Stromrichterschaltung 26.
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Der
Frequenzgang eines Ausgangsfilters 4 gemäß der Erfindung
ist in einem Diagramm gemäß 7 veranschaulicht.
Der Frequenzgang FD entspricht dem Verlauf
der 2 und somit eines herkömmlichen Ausgangsfilters 4.
Mit dem Doppelpfeil G wird wiederum der Bereich der Grundfrequenz
bezeichnet, der sich von 0 Hz bis 100 Hz erstreckt. Der Bereich
für die
Pulsfrequenz des gepulsten Stromrichters 2 ist wie in dem
Diagramm nach 2 ebenfalls mit dem Doppelpfeil
P bezeichnet. Gegenüber dem
Verlauf des Frequenzgangs FD gemäß 2 weist
das Diagramm gemäß 7 einen
zweiten Verlauf des Frequenzgangs FDa auf.
Diesen Verlauf erhält
man, wenn wie Resonanzfrequenz (Grenzfrequenz) des Ausgangsfilters 4 von
110 Hz auf 210 Hz erhöht
wird. Durch diese Erhöhung
der Resonanzfrequenz steigt ebenfalls die maximale Umrichter-Ausgangsfrequenz
fU von 100 Hz auf 200 Hz. Diese Erhöhung der
Resonanzfrequenz wird mit der Schaltungsanordnung 14 zur
Verringerung der Wirksamkeit eines Filterelementes 6 oder 8 des
Ausgangsfilters 4 erreicht, ohne dass ein Filterelement 6 oder 8 verändert werden
muss. Somit stimmt das erfindungsgemäße Filter 4 bezüglich der
die Resonanzfrequenz bestimmenden Filterelemente 6 und 8 mit dem
herkömmlichen
Filter 4 gemäß 1 überein. D.h.,
ist das Tastverhältnis
für den
abschaltbaren Halbleiterschalter 24 des Pulwiderstandes 20 annähernd Eins,
so wird die Wirksamkeit eines Filterelementes 8 des Ausgangsfilters 4 kaum verringert,
so dass das erfindungsgemäße Filter 4 funktionell
dem herkömmlichen
Filter 4 gemäß 1 entspricht. Durch
die Ankopplung der Schaltungsanordnung 14 zur Verringerung
der Wirksamkeit eines Filterelementes 8 wird die wirksame
Kapazität
verringert, ohne dass am kapazitiven oder induktiven Filterelement 8 oder 6 etwas
geändert
werden muss. D.h., der Wert dieser Filterelemente 6 oder 8 ist
immer noch unverändert.
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In
der 8 ist eine weitere Ausführungsform eines Ausgangsfilters 4 nach
der Erfindung veranschaulicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich
von der Ausführungsform
gemäß 3 dadurch,
dass als Koppelelement ein Transformator 28 vorgesehen
ist, der primärseitig
elektrisch in Reihe zum Filterkondensator 8 geschaltet
ist. Sekundärseitig
ist dieser Transformator 28 elektrisch parallel zu den
wechselspannungsseitigen Anschlüssen
einer jeden Stromrichterschaltung 16 geschaltet. Als Stromrichterschaltung 16 bei
dieser Ausführungsform
wird die Ausführungsform
gemäß 4 verwendet.
Durch kontinuierliches Erhöhen
des auf der Sekundärseite
des Transformators 28 angelegten Widerstandes wird die
wirksame Induktivität
verringert und die Dämpfung
erhöht.
Daraus ergibt sich eine steigende Resonanzfrequenz bei sinkender Güte des Schwingkreises.
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Die 9 zeigt
eine weitere Ausführungsform
des Ausgangsfilters 4 nach der Erfindung, die gegenüber der
Ausführungsform
des Ausgangsfilters 4 gemäß 8 dadurch
unterscheidet, dass anstelle von drei Einphasen-Stromrichterschaltungen 16 nur eine
Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 verwendet wird, deren
Ausführungsform
in der 6 näher
dargestellt ist. Ansonsten gibt es zur Ausführungsform gemäß 8 keine
Unterschiede baulicher oder funktioneller Art.
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Die 10 und 11 zeigen
jeweils eine weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Filters 4,
wobei die 10 eine einphasige und die 11 eine
dreiphasige Ausführung
der Schal tungsanordnung 14 zur Verringerung der Wirksamkeit
eines Filterelementes 6 des Ausgangsfilters 4 zeigt. Die
einphasige Ausführung
der Schaltungsanordnung 14 weist für jede Phase des Ausgangsfilters eine
Stromrichterschaltung 16 auf. Somit weist die dreiphasige
Ausführung
für alle
drei Phasen des Ausgangsfilters gemeinsam eine Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 auf.
Bei diesen beiden Ausführungsformen
sind als Koppelelemente Drosseln 30 vorgesehen, die in
der Ausführungsform
gemäß 10 jeweils
elektrisch parallel zu den wechselspannungsseitigen Anschlüssen einer
Einphasen-Stromrichterschaltung 16 geschaltet sind. Räumlich ist
jede Drossel 30 derart zu einer Filterdrossel 6 angeordnet, dass
diese mit diesem magnetisch gut gekoppelt ist. Somit bildet jeweils
eine Filterdrossel 6 und eine Drossel 30 funktionell
einen Transformator. Deshalb können
die Filterdrossel 6 und eine korrespondierende Drossel 30 durch
einen Transformator ersetzt werden. Bei der Ausführungsform gemäß 11 sind die
drei Drosseln 30 jeweils mit einem Anschluss mit einem
wechselspannungsseitigen Anschluss der Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 und
jeweils mit einem anderen Anschluss untereinander elektrisch leitend
verbunden. D.h., diese drei Drosseln 30 bilden eine Sternschaltung.
Auch bei dieser Ausführungsform
bilden jeweils eine Filterdrossel 6 und eine Drossel 30 funktionell
einen Transformator. Gegenüber
den Ausführungsformen
gemäß 8 und 9 weisen
die Ausführungsformen
gemäß 10 und 11 den
Vorteil auf, dass die Verschaltung des Ausgangsfilters 4 nicht
aufgebrochen werden muss, damit ein neues Bauelement (Transformator 28)
in die Schaltung des Ausgangsfilters 4 elektrisch integriert
werden kann.
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Wird
in der Ausführungsform
gemäß 11 anstelle
der Drehstrom-Stromrichterschaltung 26 eine Stromrichterschaltung 32 gemäß 12 verwendet,
so kann man die Resonanzfrequenz des Ausgangsfilters 4 nicht
nur kontinuierlich und dynamisch erhöhen, sondern auch erniedrigen.
Die Stromrichterschaltung 32 nach 12 weist
gegenüber
der Stromrichterschaltung 26 gemäß 6 sechs
abschaltbare Halbleiterschalter T1 bis T6 auf, die in einer sechspulsigen-Brückenschaltung
angeordnet sind. Jeweils ein Verbindungspunkt zweier abschaltbarer
Halbleiterschalter T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 bildet einen wechselspannungsseitigen Anschluss
dieser sogenannten B6-Schaltung. Gleichspannungsseitig
weist diese Drehstrom-Stromrichterschaltung 32 einen Kondensator 34,
beispielsweise einen Elektrolyt-Kondensator, auf. Durch steuern
dieser abschaltbaren Halbleiterschalter T1 bis T6 kann diese Stromrichterschaltung 32 in Verbindung
mit den Drosseln 30 als Koppelelement das Ausgangsfilters 4 mit
Blindstrom versorgen. Dadurch wird die wirksame Induktivität erhöht, so dass sich
die Resonanzfrequenz erniedrigt. Dadurch wird der abfallende Ast
des Frequenzgangs FDa nach 7 soweit
nach links in dem Diagramm verschoben werden, dass kein Teil dieses
abfallenden Astes des Frequenzgangs FDa mehr
im Bereich der Pulsfrequenz ragt. D.h., der Amplitudengang wird
bei Pulsfrequenz stärker
abgeschwächt.
Dadurch verursachen die Pulsfrequenzen im Ausgangsfilter 4 kaum noch
Verluste.