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Hintergrund der Erfindung
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1. Anwendungsgebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Stromrichter zum Antrieb eines
Induktionsmotors, speziell einen Stromrichter mit einer verbesserten Regelung
eines Induktionsmotors bei Ausfall und Wiederkehr der Stromversorgung.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Generell
hat in einem Motorantriebssystem, das durch einen Stromrichter geregelt
wird, der Motor eine Charakteristik einer rotierenden Belastung,
das heißt
das mechanische System des Motors speichert Trägheitsenergie. Die Trägheitsenergie
E, die das mechanische System hat, ist gemäß Gleichung 1 E = ½ I ω2(I), [1]wobei ω die Winkelgeschwindigkeit
eines rotierenden Körpers
und I das Trägheitsmoment
bedeuten.
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Der
Aufbau eines allgemeinen Stromrichtersystems zum Antrieb eines Induktionsmotors
wir nachfolgend anhand von 1 erklärt.
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Wie
in 1 gezeigt ist, enthält ein Induktionsmotorantrieb
mit einem üblichen
Stromrichter:
einen Stromrichter 10; einen Induktionsmotor
IM, drehzahlgeregelt durch die Energie, die er vom Stromrichter 10 erhält; und
eine Last 13, die mit dem Induktionsmotor IM verbunden
ist und die von dem Induktionsmotor IM angetrieben wird.
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Der
Stromrichter 10 wandelt eine Dreiphasen-Netzwechselspannung in eine dreiphasige Gleichspannung
durch Gleichrichtung und Glättung und
invertiert diese dreiphasige Gleichspannung in eine dreiphasige
Wechselspannung mit variabler Frequenz und variabler Spannung zur
Versorgung des Induktionsmotors IM.
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Damit
produziert der Induktionsmotor IM ein Drehmoment in einer Höhe entsprechend
Gleichung 2 und treibt die Last 13 mit dem erzeugten Drehmoment. Tm =
I dω/dt
+ Bω +
TL(Nm), [2]worin
I das Trägheitsmoment,
B einen Reibungskoeffizienten, ω die
Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Körpers und TL ein
Lastdrehmoment darstellen.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das den detaillierten Aufbau eines Stromrichters
nach dem Stand der Technik zeigt.
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Wie
in 2 gezeigt ist, enthält der Stromrichter nach dem
Stand der Technik:
einen Gleichrichterkreis 23 zum
Gleichrichten einer dreiphasigen Stromversorgung 21; einen
Glättungskreis 25 zum
Glätten
der Pulse der gleichgerichteten Gleichspannung, die von dem Gleichrichterkreis 23 kommen,
und zum Erzeugen eines Gleichstromes mit konstanter Amplitude; einen
Wechselrichter 11, mit dem die Gleichspannung beaufschlagt
wird, die vom Glättungskreis 25 kommt;
einen Spannungsdetektor 27 zum Messen der Zwischenkreis-Gleichspannung
am Glättungskreis 25;
und einen Frequenzgenerator 29. der ein Pulsspannungssignal
generiert, das eine Ausgangsfrequenz aufweist, die abhängig ist
von der gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung, und der das erzeugte
Pulsspannungssignal dieser Frequenz an den Wechselrichter 11 weitergibt.
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Hierbei
ist die Gleichspannung, die durch Gleichrichten und Glätten einer
dreiphasigen Wechselspannung in einem Gleichrichter- und Glättungskreis
erzeugt wird, eine Zwischenkreis-Gleichspannung.
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Der
Spannungsdetektor 27 misst eine Zwischenkreis-Gleichspannung am
Glättungskreis 25. Und,
der Spannungsdetektor 27 prüft, ob die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung eine
voreingestellte untere Grenzspannung ist. Dann informiert der Spannungsdetektor 27 den
Frequenzgenerator 29 über
das Prüfergebnis.
Hierbei wird die Höhe
der unteren Grenzspannung je nach der Eingangsspannung am Wechselrichter
eingestellt. Ist z. B. die Eingangsspannung am Wechselrichter 220
V, ist die untere Grenzspannung etwa 220 V, und ist die Eingangsspannung
am Wechselrichter 440 V, ist die untere Grenzspannung etwa 400 V.
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Ist
die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung nicht gleich einer unteren
Grenzspannung, gibt der Frequenzgenerator 29 ein Pulsspannungssignal
variabler Frequenz und variabler Spannung an den Wechselrichter 11 entsprechend
einer gewünschten
Geschwindigkeit des Motors IM.
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Gleichzeitig
wird der Wechselrichter 11 durch das Pulsspannungssignal
variabler Frequenz und variabler Spannung durch den Frequenzgenerator 29 geschaltet,
der somit die Gleichspannung des Glättungskreises 25 in
eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und an den Induktionsmotor
IM gibt.
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Andernfalls,
wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung gleich der unteren
Grenzspannung (das heißt
eine elektrostatische Spannung) ist, erzeugt der Frequenzgenerator 29 kein
Pulsspannungssignal variabler Frequenz und variabler Spannung mehr
für eine
gewünschte
Geschwindigkeit und so kann der Wechselrichter 11 keine
Antriebsenergie für
den Induktionsmotor IM liefern.
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Ist
die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung eine untere Grenzspannung
(das heißt eine
elektrostatische Spannung), erzeugt der Induktionsmotor IM ein Drehmoment,
das sich nach der Drehmomentbilanzgleichung (Gleichung 2) rechnet, weil
der Induktionsmotor IM eine Trägheitsenergie aufweist
und nicht mit einer Antriebsenergie versorgt wird. Deshalb rotiert
der Induktionsmotor IM für
eine vorbestimmte Zeit, das heißt
eine Zeit, in der die gesamte Trägheitsenergie
durch Reibung verbraucht wird, und hält erst dann an, selbst wenn
er abgeschaltet wird.
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In
dem Fall, dass der Stromrichter normal arbeitet, sinkt inzwischen
nach und nach die Frequenz des ausgegebenen Pulsspannungssignals
des Frequenzgenerators 29 und die Geschwindigkeit des Induktionsmotors
IM wird deshalb „0".
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Im
Fall eines unerwarteten Spannungsausfalls jedoch gibt der Wechselrichter 11 keine
Antriebsenergie an den Induktionsmotor IM mehr und der Induktionsmotor
IM rotiert durch die Trägheitsenergie für eine bestimmte
Zeit und hält
dann an.
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Das
heißt,
wenn die Zwischenkreis-Gleichspannung durch einen Spannungsausfall
unter eine untere Spannungsgrenze sinkt, wird die Energie zum Wechselrichter
abgeschnitten und entsprechend die Antriebsenergie für den Induktionsmotor.
Die Zeit vom Wegbleiben der Ausgangsleistung (Antriebsenergie) des
Wechselrichters 11, nachdem die Zwischenkreis-Gleichspannung
unter die untere Grenzspannung gesunken ist, ist hierbei bestimmt
durch die Last und die Kapazität
des Kondensators des Glättungskreises 25.
Z. B. ist im Fall einer konstanten Drehmomentlast in Bezug auf die
Nennlast die Ausschaltzeit 16 ms und im Fall einer variablen Last
in Bezug auf die Nennlast 8 ms.
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Der
Stromrichter nach dem Stand der Technik hat keine Mittel, um einen
Spannungswert des Ausgangs-Pulsspannungssignals des Frequenzgenerators 29,
der zum Zeitpunkt des Fehlers zuletzt ausgegeben wurde, zu speichern.
Deshalb wird die Regelung des Wechselrichters zur Zeit der Spannungswiederkehr
nach einem zeitweiligen Spannungsausfall von etwa 8 Millisekunden
oder 16 Millisekunden durch einen Startregler gemäß einer
gewünschten
Frequenz neu gestartet, während
der der Induktionsmotor IM nicht sanft geregelt werden kann, weil
er wegen der Trägheitsenergie
mit einer höheren Drehzahl
dreht als vorbestimmt.
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Fernerhin
rotiert der Induktionsmotor in einem Induktionsmotorantrieb mit
einem Stromrichterregler nach dem Stand der Technik für eine bestimmte
Zeit sogar weiter, wenn der Ausgang des Wechselrichters durch einen
Spannungsausfall ausgeschaltet wird, was ein Problem für die Sicherheit
eines Anwenders darstellen kann, wenn der Anwender die Inbetriebnahme
des Antriebssystems nur im Zusammenhang mit dem Stromrichterbetrieb
erlaubt (d.h., ob der Stromrichter arbeitet oder nicht).
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Es
ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromrichter
zum Antrieb eines Induktionsmotors anzugeben, der sanft und sicher
den Induktionsmotor während
einer Spannungswiederkehr nach einem plötzlichen Spannungsausfall regeln kann,
wobei er die Kontinuität
der Regelung des Induktionsmotors garantiert, wenn ein plötzlicher
Spannungsausfall durch einen Fehler am Induktionsmotor-Antriebssystem passiert.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Stromrichter
zum Antrieb eines Induktionsmotors anzugeben, der die Trägheitsenergie des
Induktionsmotors in der Zeit eines Spannungsausfalls ausnutzt und
im Wechselrichter verbraucht und den Wechselrichter stoppen kann,
wenn der Induktionsmotor angehalten wird.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Stromrichter zum Antrieb eines Induktionsmotors, umfassend:
einen Gleichrichterkreis zum Gleichrichten einer Wechselspannung
eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes; einen Glättungskreis,
verbunden mit dem Gleichrichterkreis, zum Glätten und Bereitstellen der
Ausgangsspannung des Gleichrichterkreises; einen Controller zum
Messen einer Zwischenkreis-Gleichspannung des Glättungskreises, der einen Fehlermodus,
einen Normalmodus oder einen Spannungswiederkehrmodus anhand der
gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung
und der Zeit bestimmt, der den Normalmodus bestimmt, um ein Pulsspannungssignal
entsprechend einer gewünschten
Frequenz auszugeben, wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung
größer oder
gleich einer vorbestimmten Normal-Referenzspannung ist, um ein Pulsspannungssignal
auszugeben mit einer Spannung, die kleiner ist als die bei der gewünschten
Frequenz, durch eine berechnete Generator-Steuer-Vorspannung, wenn die
gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung kleiner oder gleich ist einer
vorbestimmten Elektrostatik-Referenzspannung, und um ein Pulsspannungssignal
entsprechend der Frequenz auszugeben, die zuletzt zu der Zeit des
Auftretens des Spannungsausfalls ausgegeben und gespeichert wurde,
wenn die gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung höher ist
als die vorbestimmte Elektrostatik-Referenzspannung und kleiner
oder gleich der Normal-Referenzspannung und der Spannungswiederkehrmodus vorliegt,
bei dem eine vorbestimmte Spannungswiederkehr-Zeit vergangen ist;
und einen Wechselrichter zum Antrieb des Induktionsmotors durch
Konvertieren der Gleichspannung des Glättungskreises in eine Wechselspannung
variabler Frequenz und variabler Spannung entsprechend dem vom Controller
ausgegebenen Pulsspannungssignal.
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Die
vorgenannten und weitere Erfindungsgegenstände, Merkmale, Aspekte und
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch deutlicher durch die
folgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung im
Zusammenhang mit den dazugehörigen
Zeichnungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
angefügten
Zeichnungen, die für
ein besseres Verständnis
der Erfindung beigefügt
wurden und die einen Teil der Beschreibung bilden, stellen Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung des Prinzips
der Erfindung.
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In den Zeichnungen
ist
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1 ein
Blockdiagramm, das den Systemaufbau eines Induktionsmotors, einer
Last und eines Stromrichters zeigt;
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2 ein
Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Stromrichters zum Antrieb
eines Induktionsmotors nach dem Stand der Technik zeigt;
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3 ein
Blockdiagramm, das einen Stromrichter zum Antrieb eines Induktionsmotors
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 ein
Diagramm, das den Spannungsverlauf einer Zwischenkreis-Gleichspannung
und ein Verfahren zum Bestimmen deren Zustandes nach der Ausführung gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 ein
Blockdiagramm, das den Aufbau einer Einheit zur Berechnung der Generatorspannung
nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 ein
Flussdiagramm, das ein Regelungsverfahren eines Stromrichters zum
Antrieb eines Induktionsmotors nach der Ausführung gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigt;
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7(A) ein erstes Diagramm, das das Ergebnis
eines Experiments zeigt, das mit dem Regelungsverfahren eines Induktionsmotors
nach der vorliegenden Erfindung vorgenommen wurde, und
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7(B) ein erstes Diagramm, das das Ergebnis
eines Experiments zeigt, das mit dem Regelungsverfahren eines Induktionsmotors
nach dem Stand der Technik vorgenommen wurde.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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3 ist
ein Blockdiagramm, das ein Ausführungsbeispiel
für einen
Stromrichter zum Antrieb eines Induktionsmotors in einer Ausführung nach
der vorliegenden Erfindung zeigt. Der Aufbau der vorliegenden Erfindung
wird nun anhand von 3 beschrieben.
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Der
Stromrichter zum Antrieb eines Induktionsmotors nach der vorliegenden
Erfindung umfasst:
einen Gleichrichterkreis 23 zum
Gleichrichten einer Wechselspannung eines dreiphasigen Wechselspannungsnetzes 21 und
dessen Ausgang; einen Glättungskreis 25,
der mit dem Gleichrichterkreis verbunden ist, zum Glätten und
Ausgeben der Ausgangsspannung des Gleichrichterkreises 23;
einen Controller 30 zum Messen einer Zwischenkreis-Gleichspannung
des Glättungskreises 25,
der einen Fehlermodus, einen Normalmodus oder einen Spannungswiederkehrmodus
anhand der gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung und Zeit bestimmt,
der den Normalmodus bestimmt, um ein Pulsspannungssignal entsprechend
einer gewünschten
Frequenz auszugeben, wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung
größer oder
gleich einer vorbestimmten Normal-Referenzspannung ist, um ein Pulsspannungssignal
auszugeben mit einer Spannung, die kleiner ist als die bei der gewünschten Frequenz,
durch eine berechnete Generator-Steuer-Vorspannung, wenn die gemessene
Zwischenkreis-Gleichspannung kleiner oder gleich ist einer vorbestimmten
Elektrostatik-Referenzspannung, und um ein Pulsspannungssignal entsprechend
der Frequenz auszugeben, die zuletzt zu der Zeit des Auftretens
des Spannungsausfalls ausgegeben und gespeichert wurde, wenn die
gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung höher ist als die vorbestimmte Elektrostatik-Referenzspannung
und kleiner oder gleich der Normal-Referenzspannung und der Spannungswiederkehrmodus
vorliegt, bei dem eine vorbestimmte Spannungswiederkehr-Zeit vergangen
ist; und einen Wechselrichter 11 zum Antrieb des Induktionsmotors
durch Konvertieren der Gleichspannung des Glättungskreises 25 in
eine Wechselspannung variabler Frequenz und variabler Spannung entsprechend
dem vom Controller 30 ausgegebenen Pulsspannungssignal.
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Das
Dreiphasen-Wechselspannungsnetz 21 ist ein öffentliches
Wechselspannungsnetz und stellt eine Spannung von z.B. 220 Volt
oder 440 Volt Wechselspannung zur Verfügung.
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Der
Gleichrichterkreis 23 ist ein üblicher Gleichrichter auf Diodenbasis.
Der Gleichrichterkreis kann einen Kondensator zum Glätten einer
Pulsgleichspannung enthalten, die dem Gleichrichterkreis 23 entnommen
wird und die in eine glatte Gleichspannung konvertiert wird.
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Der
Wechselrichter 11 kann aufgebaut sein wie ein üblicher
Wechselrichterkreis, ausgerüstet
mit einem Paar gategesteuerter Schalter in jeder Phase und schaltgeregelt
durch das Pulsspannungssignal vom Controller 30.
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Hierbei
enthält
der Controller 30:
einen Spannungsdetektor 31 zum
Messen der Zwischenkreis-Gleichspannung
des Glättungskreises 25 und
Ausgeben der gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung; eine Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung der Zwischenkreis-Gleichspannung des Spannungsdetektors 31,
die mit dem Spannungsdetektor 31 verbunden ist, zur Bestimmung
eines Fehlermodus, eines Normalmodus oder eines Spannungswiederkehrmodus
und der beanspruchten Zeit; einen Timer 34 für die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung; einen Frequenzgenerator 39 zum Generieren eines
Pulsspannungssignals entsprechend der benötigten Frequenz auf der Basis
einer voreingestellten
Ausgangsfrequenz, Beschleunigungszeit
und Verzögerungszeit;
eine Einheit 33 zur Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung, um eine
Generator-Steuer-Vorspannung zu berechnen und auszugeben, wenn die
Einheit 32 zur Zustandsbestimmung einen Fehlermodus feststellt;
einen Trägheitswertmelder 37 zum
Speichern von Daten des letzten Pulsspannungssignals des Frequenzgenerators 39, wenn
die Einheit zur Zustandsbestimmung den Fehlermodus feststellt und
zur Versorgung des Frequenzgenerators 39 mit Daten eines
gespeicherten letzten Pulsspannungssignals sowie einem Trägheitswert
zur Zeit der Spannungswiederkehr, wenn die Einheit zur Zustandbestimmung
den Spannungswiederkehrmodus feststellt; und einen Subtrahierer zum
Subtrahieren des Wertes der Generator-Steuer-Vorspannung, die von der Einheit 33 zur
Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung ausgegeben wird, von
dem Spannungswert des Pulsspannungssignals, das von dem Frequenzgenerator 39 ausgegeben
wurde.
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Der
Spannungsdetektor 31 kann aufgebaut sein wie ein üblicher
Spannungswandler zum Messen und Ausgeben der Spannung des Kondensators des
Glättungskreises 25.
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Wenn
die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung größer oder gleich ist wie die
voreingestellte und gespeicherte Normal-Referenzspannung, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung den Normalmodus fest und wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung gleich
oder kleiner als die voreingestellte und gespeicherte Elektrostatik-Referenzspannung
ist, stellt sie einen Fehlerzustand fest. Und, wenn die gemessene
Zwischenkreis-Gleichspannung größer ist
als die voreingestellte Elektrostatik-Referenzspannung und kleiner
oder gleich der Normal-Referenzspannung und die voreingestellte
Zeit für
die Spannungswiederkehr ist vorbei, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung den Spannungswiederkehrmodus fest. Die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung
kann einen Mikroprozessor enthalten, einschließlich eines ROM (read only
memory), der ein Programm speichert im wesentlichen zum Vergleich
der Referenzspannungswerte und/oder der Zeit für die Spannungswiederkehr und einen
Befehl zur Zustandsfeststellung gemäß dem Vergleichsergebnis, und
eine zentrale Recheneinheit, die diesen Programmablauf steuert.
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Der
Timer 34 kann verschiedene Mittel enthalten, so eine Systemuhr,
einen Pulsgenerator und Pulszähler,
welche durch die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung angetrieben
werden, um die abgelaufenen Zeit festzustellen und im Mikroprozessor zu
speichern.
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Die
Einheit 33 zur Berechnung der Steuer-Vorspannung wird weiter
unten zu 5 detaillierter beschrieben.
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Der
Trägheitswertmelder 37 speichert
die Daten des Pulsspannungssignals des Frequenzgenerators 39,
und wenn die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung den Spannungswiederkehrmodus
feststellt, liefert er Daten, die zuletzt gespeichert wurden wie
die Daten zum Pulsspannungssignal des Frequenzgenerators 39 sowie
den Trägheitswert
zur Zeit der Spannungswiederkehr, an den Frequenzgenerator 39 gemäß dem Befehl
der Einheit 32 zur Zustandsbestimmung, wenn ein Fehler
auftritt. Ein derartiger Aufbau des Trägheitswertmelder 37 kann
z. B. dargestellt werden durch ein RAM (random access memory) und
zwar in solcher Weise, dass er Daten liefert wie das Pulsspannungssignal
des Frequenzgenerators 39 gemäß dem Befehl der zentralen
Recheneinheit mit Hilfe des Programms, wenn ein Spannungsausfall
auftritt.
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Der
Frequenzgenerator 39 kann hauptsächlich durch einen Mikroprozessor
realisiert werden und durch einen Pulsgenerator zum Generieren von Pulsen,
dessen Frequenz durch den Mikroprozessor so geregelt wird, dass
er ein Pulsspannungssignal ausgibt gemäß einer voreingestellten und
gespeicherten Frequenz, Beschleunigungszeit und Verzögerungszeit
entsprechend der gewünschten
Drehzahl des Induktionsmotors IM.
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Der
Subtrahierer 35 ist ein Mittel der Endstufe des Controllers 30,
der hauptsächlich
durch einen Mikroprozessor realisiert werden kann, und der den Wert
der Generator-Steuer-Vorspannung
(bei Spannungswiederkehr), der in der Einheit 33 zur Berechnung
der Generator-Steuer-Vorspannung ausgegeben wird, von dem Wert des
Pulsspannungssignals abzieht, das vom Frequenzgenerator 39 ausgegeben wird,
und das Resultat an den Wechselrichter 11 gibt.
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Nachfolgend
wird die Funktion des Stromrichters zum Antrieb eines Induktionsmotors
nach der vorliegenden Erfindung im Detail anhand der 4 und 5 beschrieben.
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Die
Elektrostatik-Referenzspannung und die Normal-Referenzspannung, wie sie zu 3 erklärt wurden,
sind in 4 als „B" und „D" gekennzeichnet. Eine Spannung, die
größer ist
als die Elektrostatik-Referenzspannung und kleiner oder gleich der normalen
Referenzspannung, ist definitionsgemäß eine Spannungswiederkehr-Referenzspannung
und mit dem Bezugszeichen C bezeichnet.
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In 4 bedeutet
das Bezugszeichen T eine verstrichene Zeit, während der die Zwischenkreis-Gleichspannung,
die durch den Spannungsdetektor 31 gemessen wird, der Spannungswiederkehr-Referenzspannung
C entspricht.
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In 4 ist
das Bezugszeichen E eine Spannung, die kleiner ist als die Elektrostatik-Referenzspannung
B. Diese Spannung ist eine untere Schaltspannungsgrenze, das heißt eine
Referenzspannung, bei der ein Schalter (nicht gezeigt) umschaltet auf
Messen einer geringen Spannung, um die Zuführung von dem dreiphasigen
Wechselspannungsnetz zu unterbrechen.
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Bezugszeichen
A ist eine virtuelle Zwischenkreis-Gleichspannung, um aufzuzeigen, dass
eine Zwischenkreis-Gleichspannung,
gemessen durch den Spannungsdetektor 31, letztlich auf
Null sinkt, wenn der Spannungsausfall bestehen bleibt.
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Wie
in 4 gezeigt wird, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung den Normalmodus fest, wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung
größer oder
gleich der voreingestellten und gespeicherten Referenzspannung D
ist; und wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung kleiner oder
gleich der voreingestellten und gespeicherten Elektrostatik-Referenzspannung
B ist, stellt sie einen Fehlermodus fest. Und, wie in 4 gezeigt
wird, wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung der wiederkehrenden
Spannung C entspricht, die größer ist
als die voreingestellte Elektrostatik-Referenzspannung B und kleiner
oder gleich der Normal-Referenzspannung D, und eine voreingestellte Zeit
für die
Spannungswiederkehr ist abgelaufen, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung den Spannungswiederkehrmodus fest. Jetzt im Normalmodus,
arbeitet der Stromrichter nach der Erfindung normal. Im Fehlerzustand
subtrahiert der Controller 30 einen berechneten Generator-Steuer-Vorspannungswert
von einem Spannungswert, der einer Ausgangsfrequenz des Wechselrichters 11 entspricht, das
heißt
von einem Pulsspannungssignal, so dass die Generatorspannung (Generatorenergie)
des Induktionsmotors IM, der für
eine bestimmte Zeit infolge Trägheit
auch bei einem Spannungsausfall rotiert, durch den Wechselrichter 11 verbraucht
werden kann. Wenn nämlich
die Spannung des Wechselrichters 11 kleiner wird als die
Generatorspannung des Induktionsmotors IM, geht die Generatorenergie
des Induktionsmotors IM zum Wechselrichter 11 und wird in
Elektroenergie umgesetzt und verbraucht. Im Spannungswiederkehrmodus
startet der Controller 30 des Stromrichters nach der vorliegenden
Erfindung wieder die Regelung des Induktionsmotors IM mit einer
Ausgangsfrequenz durch Bereitstellen eines Spannungswertes, der
der letzten Ausgangsfrequenz entspricht, die zum Zeitpunkt des Fehlerauftretens
im Trägheitswertmelder 37 gespeichert
wurde und sichert somit die Kontinuität der Regelung.
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Detaillierter
Aufbau und Operation der Einheit 33 zur Berechnung der
Steuer-Vorspannung wird mit Bezug auf 5 beschrieben.
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Wie
in 5 gezeigt ist, enthält die Einheit 33 zur
Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung einen Subtrahierer 51 und
einen Proportional-Integral (im folgenden PI)-Regler 53.
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Der
Subtrahierer 51 gibt eine Differenzspannung, die gebildet
wird durch Subtrahieren einer Zwischenkreis-Gleichspannung, die
vom Spannungsdetektor 31 gemessen wird, von einer voreingestellten Elektrostatik-Referenzspannung
B, nur dann aus, wenn ein Signal der Einheit 32 zur Zustandsbestimmung
vorliegt, das einen Fehlerzustand feststellt. Die Ausgabe der Differenzspannung
durch den Subtrahierer 51 erfolgt hierbei nur, wenn es
ein Signal gemäß einem
Fehlermodus durch die Einheit zur Zustandsbestimmung 32 gibt,
was durch einen Schalter (nicht gezeigt) zwischen der Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung und dem Subtrahierer 51 und Schließen des
Schalters in Abhängigkeit
von einem Signal zur Feststellung des Fehlermodus durch die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung realisiert werden kann. Ferner ist die Implementierung
einer Software möglich,
durch welche ein ebensolcher Aufbau und Operation des Schalters
durch eine zentrale Recheneinheit (nicht gezeigt), die ein Programm
benutzt, realisiert wird.
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Der
PI-Regler 53 erhält
als Input eine Differenzspannung, die vom Subtrahierer 51 ausgegeben wird,
und erzeugt durch proportionale Integration des Differenzspannungs-Inputs
eine Generator-Steuer-Vorspannung und gibt diese Generator-Steuer-Vorspannung aus.
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Wenn
ein Zustand der Energiezufuhr zum Induktionsmotorantrieb der Fehlermodus
ist, der durch den Spannungsdetektor 31 festgestellt wird,
wird die Trägheitsenergie
(siehe Gleichung 1) des Induktionsmotors, der nicht augenblicklich
anhält,
durch den Wechselrichter 11 verbraucht. Das heißt, wenn
der Modus des Induktionsmotors der Fehlermodus ist, gibt die Einheit 33 zur
Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung eine Generator-Steuer-Vorspannung
aus, das heißt
eine Vorspannung größer als
0, so dass die Trägheitsenergie
in elektrische Energie umgewandelt werden kann, erregt und erzeugt durch
den Wechselrichter 11, weil die Spannung des Wechselrichter 11 kleiner
ist als die Spannung des Induktionsmotors IM. Die Generator-Steuer-Vorspannung,
die von der Einheit 33 zur Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung
ausgegeben wird, geht an den Subtrahierer 35 und der Subtrahierer 35 subtrahiert
die Generator-Steuer-Vorspannung von dem Spannungswert des Pulsspannungssignals,
das einer Ausgangsfrequenz entspricht, die vom Frequenzgenerator 39 ausgegeben
wird, und gibt das Ergebnis an den Wechselrichter 11. Somit
ist die Spannung des Wechselrichters 11 kleiner als die
Spannung des Induktionsmotors IM. Deshalb wird die Trägheitsenergie
des Induktionsmotors in elektrische Energie umgewandelt und durch
den Wechselrichter 11 verbraucht, wenn der Induktionsmotor
sich im Fehlermodus befindet.
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Eine
Steuerung eines solcherart aufgebauten Stromrichtersystems zum Antrieb
eines Induktionsmotors nach der vorliegenden Erfindung wird detailliert
in Bezug auf 6 beschrieben.
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6 ist
ein Flussdiagramm, das die Steuerung eines Stromrichtersystems zum
Antrieb eines Induktionsmotors nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Wenn
die Steuerung gestartet wird, stellt der Spannungsdetektor 31 zunächst im
Schritt 611 eine Zwischenkreis-Gleichspannung am Glättungskreis 25 fest.
Danach geht die Routine zum Schritt 613 und die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung vergleicht die gemessene Zwischenkreis- Gleichspannung mit einer
vorbestimmten Elektrostatik-Referenzspannung
B.
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Im
Schritt 615, wenn die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung im
Ergebnis des Vergleichs kleiner oder gleich der voreingestellten
Elektrostatik-Referenzspannung B ist, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung den Fehlermodus fest.
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Im
Schritt 617 berechnet und generiert die Einheit 33 zur
Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung auf der Basis einer
Differenz zwischen der Elektrostatik-Referenzspannung B und der gemessenen
Zwischenkreis-Gleichspannung eine Generator-Steuer-Vorspannung,
so dass die Trägheitsenergie
des Induktionsmotors IM des Induktionsmotorantriebs durch den Wechselrichter 11 bereitgestellt
werden kann. Der Subtrahierer 35 subtrahiert die ausgegebene
Generator-Steuer-Vorspannung von einem Spannungswert des Ausgangs-Pulsspannungssignals
des Frequenzgenerators 39 und gibt das Ergebnis an den
Wechselrichter 11. Hierbei wird die Generator-Steuer-Vorspannung durch
proportionale Integration der Differenzspannung zwischen der voreingestellten
Elektrostatik-Referenzspannung
und der gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung
bereitgestellt. Durch Ausgabe dieser Spannung an den Wechselrichter 11 zur
Einstellung einer Spannung, die kleiner ist als die Spannung des
Induktionsmotors IM, kann der Induktionsmotor IM nach einem Spannungsausfall
Trägheitsenergie
in elektrische Energie umsetzen, die im Wechselrichter 11 verbraucht
wird, und die Operation des Wechselrichters 11 stoppt erst,
nachdem der Induktionsmotor IM anhält.
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Wenn
im Schritt 613 die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung
im Ergebnis des Vergleichs größer ist
als die Elektrostatik-Referenzspannung,
geht die Routine zur Stufe 619 und die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung vergleicht die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung
mit der Normal-Referenzspannung D.
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Wenn
die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung im Ergebnis des Vergleichs
größer oder gleich
der Normal-Referenzspannung D ist, stellt die Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung in Stufe 621 den Normalmodus fest. An
diesem Punkt wird der Induktionsmotor IM normal angetrieben durch
den Wechselrichter 11 nur durch die Ausgangsspannung des Frequenzgenerators 39 mit
einer Ausgangsfrequenz in einem Zustand, in dem keine Generator-Steuer-Vorspannung
anliegt.
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Wenn
die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung im Ergebnis des Vergleichs
in Stufe 619 größer ist
als die Elektrostatik-Referenzspannung
B und kleiner als die Normal-Referenzspannung, springt
die Routine zur Stufe 623 und der Timer 34 zählt eine
Zeit (nachfolgend „Zeit
zur Spannungswiederkehr"),
während
der die gemessene Zwischenkreis-Gleichspannung größer als
die Elektrostatik-Referenzspannung
ist.
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In
Stufe 625 vergleicht die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung,
ob die gezählte
Zeit zur Spannungswiederkehr größer oder
gleich ist einer voreingestellten Zeit zur Spannungswiederkehr (siehe
Bezugszeichen T in 4).
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Wenn
die gezählte
Zeit zur Spannungswiederkehr in Stufe 624 größer ist
als die voreingestellte Zeit zur Spannungswiederkehr, berechnet
die Einheit 33 zur Berechnung der Generator-Steuer-Vorspannung
eine Generator-Steuer-Vorspannung
auf der Basis eines Differenzwertes zwischen der gemessenen Zwischenkreis-Gleichspannung
und der Elektrostatik-Referenzspannung.
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In
Stufe 629 prüft
die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung, ob die berechnete
Generator-Steuer-Vorspannung der Einheit 33 zur Berechnung
der Generator-Steuer-Vorspannung größer als 0 ist (positive Zahl).
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Ist
die in Stufe 629 erzeugte Generator-Steuer-Vorspannung
größer als
0, stellt die Einheit 32 zur Zustandsbestimmung in Stufe 631 den
Fehlermodus fest. Die Generator-Steuer-Vorspannung gemäß der Feststellung der Einheit 32 zur
Zustandsbestimmung wird an den Subtrahierer 35 gegeben
und der Subtrahierer 35 subtrahiert die Generator-Steuer-Vorspannung
von der Spannung mit der Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators 39,
um sie an den Wechselrichter 11 zu geben. Resultierend
wird die Spannung des Induktionsmotors IM größer als die Spannung des Wechselrichters 11 und
die Trägheitsenergie
des Induktionsmotors IM wird in elektrische Energie umgewandelt,
durch den Wechselrichter 11 bereitgestellt und im Wechselrichter 11 verbraucht.
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Wenn
die erzeugte Generator-Steuer-Vorspannung nicht größer als
0 ist (d. h., die Generator-Steuer-Vorspannung ist 0), stellt die
Einheit 32 zur Zustandsbestimmung den Spannungswiederkehrmodus
fest und gibt einen Befehl für
einen End-Spannungswert des Frequenzgenerators 39 im Normalmodus rechtzeitig
vor einem Spannungsausfall, das heißt einen Spannungswert gemäß einem
Endspannungs-Pulssignal, das im Trägheitswertmelder 37 im Schritt 635 gespeichert
ist. Entsprechend erzeugt im Schritt 637 der Frequenzgenerator 39 einen
Endwert-Spannungsbefehl im Normalmodus rechtzeitig vor einem Spannungsausfall,
das heißt
einen Spannungswert gemäß einem
Endspannungs-Pulssignal sowie durch den Subtrahierer 35 eine
wiederkehrende Spannung, die an den Wechselrichter 11 geht.
Somit wird der Induktionsmotor IM rechtzeitig vor dem Spannungsausfall
durch die Endspannung im Normalmodus erneut gestartet, wobei er
schnell eine Endgeschwindigkeit ohne Absinken des Drehmoments erreicht
und die Kontinuität
einer glatten Regelung gewährleistet
ist.
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7(A) und 7(B) sind
Diagramme, die jeweils das Ergebnis eines Experiments der Verbindung
eines Stromrichters mit einem Induktionsmotor nach der vorliegenden
Erfindung und nach dem Stand der Technik zeigen.
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Hierbei
ist 7(A) ein Diagramm, das die Veränderung
der Drehzahl des Induktionsmotors IM und der Zwischenkreis-Gleichspannung zeigt,
wenn ein Spannungsausfall das Induktionsmotor-Regelungssystem mit
einem Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung trifft. 7(B) ist ein Diagramm, das die Veränderung
der Drehzahl des Induktionsmotors IM und der Zwischenkreis-Gleichspannung zeigt,
wenn ein Spannungsausfall das Induktionsmotor-Regelungssystem mit
einem Stromrichter nach dem Stand der Technik trifft.
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Wie
in 7(A) gezeigt ist, kann man erkennen,
dass bei dem Induktionsmotor-Regelungssystem nach der vorliegenden
Erfindung die Drehzahl a des Induktionsmotors IM nach und nach linear
abfällt und
die Zwischenkreis-Gleichspannung b durch die Generator-Steuer-Vorspannung
am Induktionsmotor IM auf einem konstanten Niveau bleibt. Natürlich wird der
Kondensator im Glättungskreis 25 nach
einem Systemstopp entladen, bei dem auch der Induktionsmotor IM
anhält,
wodurch die Zwischenkreis-Gleichspannung
0 wird. Andererseits kann man bei dem Induktionsmotor-Regelungssystem
nach dem Stand der Technik, wie in 7(B) gezeigt
ist, erkennen, dass die Drehzahl c des Induktionsmotors IM und die Zwischenkreis-Gleichspannung
d nicht linear abfallen, sondern unregelmäßig. Wie in dem Diagramm gezeigt
wird, kann die Haltesteuerung des Motors in dem Induktionsmotor-Regelungssystem
mit einem Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung sanft verlaufen
und die Zwischenkreis-Gleichspannung kann für eine vorbestimmte Zeit aufrechterhalten werden.
Folglich kann die Versorgungsspannung des Wechselrichters im Fall
eines plötzlichen
Spannungsausfalls, bei dem die Spannung plötzlich wegbleibt und dann wiederkehrt,
schnell gesichert werden und die Regelung des Motors kann linear
und kontinuierlich sanft erfolgen. Im anderen Fall ist es bei dem
Induktionsmotor-Regelungssystem
mit einem Stromrichter nach dem Stand der Technik offensichtlich,
dass der Motor unregelmäßig anhält und so ein
nachteiliger Effekt an der Last entsteht, die durch den Motor angetrieben
wird. Darüber
hinaus dauert es dadurch, dass die Zwischenkreis-Gleichspannung ebenso
plötzlich
sinkt, für
den Stromrichter nach dem Stand der Technik länger, die Stromversorgung zum Zeitpunkt
der Spannungswiederkehr nach dem plötzlichen Spannungsausfall wieder
herzustellen als bei dem Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung, für den es
auch möglich
ist, den Motor linear und kontinuierlich zu regeln.
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Wie
oben im Detail beschrieben wurde, wird die Funktion des Wechselrichters
bei dem Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung gestoppt, wenn der
Motor durch die Regelung der Trägheitsenergie des
Induktionsmotors, die durch den Wechselrichter bereitgestellt und
verbraucht wird, wenn ein Spannungsausfall auftritt, anhält, womit
die Sicherheit des Anwenders gewährleistet
wird.
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Fernerhin
kann bei dem Stromrichter nach der vorliegenden Erfindung der Induktionsmotor
im Fall der Spannungswiederkehr nach einem zeitweiligen plötzlichen
Spannungsausfall kontinuierlich geregelt werden.
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Die
vorliegende Erfindung kann in verschiedener Weise realisiert werde,
ohne dass vom Geist oder von wesentlichen Merkmalen abgewichen wird. Außerdem sollte
sie so verstanden werden, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele
nicht durch irgendeine der Einzelheiten der voranstehenden Beschreibung
beschränkt
werden, sofern sie anderweitig ausgeführt sind, sondern dagegen weit auszulegen
sind im Geist und Umfang, wie er durch die anliegenden Ansprüche definiert
wird, und deshalb gelten alle Änderungen
und Modifikationen, die unter den Umfang und die Begrenzung der
Ansprüche
oder deren Äquivalente
fallen, als von den anliegenden Ansprüchen umfasst.