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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abbremsen eines über einen
Stromrichter gespeisten elektrischen Motors, bei welchem die Ströme in dem
Motor gemessen werden, und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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Ein
solcher elektrischer Motor kann beispielsweise ein Synchronmotor
sein, der als Antriebsmotor in einem Schienenfahrzeug eingesetzt ist.
Der Stromrichter erzeugt aus einer netzgespeisten Gleichstromquelle,
beispielsweise dem Zwischenkreis eines Traktionsantriebes, Wechselspannung
unterschiedlicher Spannung und Frequenz, wobei die Drehzahl des
Synchronmotors durch die Frequenz der Wechselspannung vorgegeben
ist. Der Stromrichter verfügt
zur Anpassung der Drehzahl des Motors über eine Regelung/Steuerung.
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Es
sind Regelungen/Steuerungen bekannt, die mit oder ohne Polradgeber
arbeiten. Wird der elektrische Motor als Motorbremse eingesetzt,
ist ein sicheres und gegebenenfalls auch schnelles Abbremsen nötig. Hierzu
bedarf es höchstmöglicher Ausfallsicherheit
der zum Abbremsen verwendeten Bauelemente sowie einer möglichst
hohen Kontrolle des Abbremsverhaltens.
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In
der
DE 103 00 953
B4 ist ein Verfahren zum Bremsen eines mittels Stromrichter
gespeisten Drehstrom-Motors offenbart. Das Verfahren regelt den
Stromrichter zum Abbremsen polradgeberlos, so dass beim Ausfall
des Polradgebers ein sicheres Abbremsen des Motors ermöglicht wird.
Hierzu werden die Ströme
der Maschine gemessen und auf Basis dieser Messung ein Steuersatz
für den
Stromrichter errechnet. In die Berechnung fließt ein von einer Impedanzsteuerung
vorgegebener Impedanzwert mit ein, durch dessen Wahl sich die Motorströme in Betrag
und Phase einstellen lassen und sich das Abbremsverhal ten kontrollieren
lässt.
Die Steuerung kann beispielsweise mittels Mikroprozessorsystem realisiert
werden. Aufgrund der komplizierten Berechnung des Steuersatzes für den Stromrichter
ist eine komplexe technische Umsetzung notwendig, die eine Vielzahl
an Fehlerquellen bergen kann.
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Die
EP 0 742 637 A1 offenbart
ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum sicheren Abbremsen eines über einen
Stromrichter gespeisten Drehstrom-Motors. Hierzu wird der Motor
in einem ersten Schritt durch Sperren eines Teiles der elektrischen Ventile
des Stromrichters von der Energiezufuhr abgeschnitten. In einem
zweiten Schritt wird die obere oder die untere Wechselrichter-Brücke des
Stromrichters mittels einer Taktfrequenz angesteuert und in dieser
Taktfrequenz ein Ankerkurzschluss herbeigeführt. Die Variation der Taktfrequenz
erfolgt entsprechend einer bei der Projektierung ermittelten Kennlinie.
Eine Kontrolle des realen Bremsmomentes während des Abbremsvorganges
ist hiermit nicht möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abbremsen
eines über
einen Stromrichter gespeisten elektrischen Motors anzugeben, welches
einfach und sicher ist und durch welches das Bremsmoment während des
Abbremsvorganges regelbar/steuerbar ist.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens anzugeben.
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Die
Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, wird erfindungsgemäß bei einem
Verfahren der eingangs genannten Art, bei welchem die Ströme in dem
Motor gemessen werden, dadurch gelöst, dass ein auf dieser Messung
basierender Gleichrichtwert mit mindestens einem Sollwert verglichen
wird und bei Unterschreiten eines ersten Sollwertes der elektrische Motor
gezielt kurzgeschlossen wird und bei Überschreiten eines zweiten,
nicht tiefer liegenden Sollwertes der generierte Strom über eine
Energieaufnahme-Einrichtung geschaltet wird.
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Die
beiden Sollwerte können
beispielsweise gleich sein.
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Die
Messung der Ströme
ist so auszuführen, dass
auf Grundlage dieser Messung eine ausreichende Information über das
Bremsmoment des Motors vorliegt. Bei einer mit Drehstrom betriebenen Synchronmaschine
wäre es
beispielsweise ausreichend, die Ströme in zwei der drei Leitungen
zu messen, da sich der dritte Strom aus den beiden gemessenen ergibt
und somit genügend
Information über das
Bremsmoment des Motors vorliegt. Es kann aber auch in allen drei
Leitungen der mit Drehstrom betriebenen Synchronmaschine gemessen
werden. Ein auf dieser Messung basierender Gleichrichtwert kann
das Ausgangssignal eines Gleichrichters sein, an welchem die beispielsweise über Stromwandler gemessenen
Strommesswerte anliegen. Gleichrichtwert ist insofern nicht als
ein einzelner Wert zu verstehen, sondern kann auch ein gleichgerichtetes,
ungeglättetes
Signal sein.
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Der
Gleichrichtwert wird mit mindestens einem Sollwert verglichen und
bei Unterschreiten eines ersten Sollwertes wird der Motor kurzgeschlossen. Der
erste Sollwert korrespondiert mit einem Minimum der Ströme in der
Maschine, da durch das Kurzschließen des Motors die Ströme in der
Maschine ansteigen und somit das Bremsmoment wieder erhöht wird.
Der erste Sollwert legt somit ein minimales Bremsmoment während des
Abbremsvorgangs fest. Der zweite, nicht tiefer liegende Sollwert
korrespondiert mit einem Maximum der Ströme in der Maschine, da durch
das Schalten des Stromes über
die Energieaufnahme-Einrichtung die Ströme in der Maschine und damit
das Bremsmoment sinken. Im Allgemeinen sind die beiden Sollwerte
nahezu identisch um ein Abbremsen mit einem nahezu konstanten Bremsmoment
zu ermöglichen,
beispielsweise wenn mit einem maximal verträglichen Bremsmoment möglichst
schnell abgebremst werden soll. Die Energieaufnahme-Einrichtung
kann aus einem oder mehreren Bremswiderständen bestehen. Falls es die
Sicherheitsforderungen zulassen, kann es auch möglich sein, die Energie nicht
in einem Bremswiderstand umzusetzen, sondern ins Versorgungsnetz
zurückzuspeisen
oder in einem an deren Energiespeicher aufzunehmen. Dies sind ebenfalls
Ausführungsbeispiele der
Energieaufnahme-Einrichtung. Derartige Energierückgewinnungs-Methoden sind
dem Fachmann bekannt und können
auch parallel zu dem mindestens einen Bremswiderstand zum Einsatz
kommen. Die Dimensionierung der Energieaufnahme-Einrichtung muss ausreichend groß sein,
um ein sicheres Absenken der Ströme
im Motor zu gewährleisten.
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Es
kann beispielsweise als vorteilhaft angesehen werden, dass nur ein
Sollwert verwendet wird.
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Der
Gleichrichtwert wird dann nur mit einem Sollwert verglichen. Dies
kann die Anzahl der erforderlichen Bauteile zur Durchführung des
Verfahrens verringern. Der Abbremsvorgang wird mit einem im Wesentlichen
konstanten Bremsmoment durchgeführt
und ist gleichförmig.
Dies verhindert starke Kräfteschwankungen.
Das Verfahren wird dadurch besonders einfach und sicher.
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Es
kann beispielsweise auch als vorteilhaft angesehen werden, dass
beim Unterschreiten des ersten Sollwertes der elektrische Motor über wechselnde,
aber gleiche Baugruppen kurzgeschlossen wird.
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Durch
das abwechselnde Nutzen der Baugruppen wird ein Kühlen der
Baugruppen erleichtert, die sich durch die Kurzschluss-Ströme aufheizen können.
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Eine
weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise
vorsehen, dass der mindestens eine Sollwert entsprechend einem gewünschten
Bremsmoment eingestellt wird.
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Der
Sollwert ist also während
des Abbremsvorganges gemäß einem
aktuell gewünschten Bremsverhalten
flexibel einstellbar.
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Der
Sollwert kann als ein konstanter Wert oder als ein sich im Verlauf
des Abbremsvorganges verändernder
Wert eingestellt werden. Beispielsweise kann der Sollwert in Abhängigkeit
der Betätigungsstrecke
eines Bremshebels eingestellt werden. Er kann auch in Abhängigkeit
der Auslöseeinheit
des Abbremsvorganges eingestellt werden. Beispielsweise kann er
beim Ziehen einer Notbremse automatisch auf einen maximalen Wert
eingestellt werden. Es kann vorgesehen sein, den Sollwert sowohl
manuell als auch automatisch mittels einer Steuereinheit einzustellen.
Hierdurch kann auf sich rasch verändernde Situationen schnell
reagiert werden und das Abbremsverhalten des Motors angepasst werden.
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Es
kann auch beispielsweise als vorteilhaft angesehen werden, dass
am Ende des Abbremsvorganges eine mechanische Bremse zugeschaltet wird.
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Dadurch
kann das Abbremsen bis zum Stillstand beschleunigt werden. Die mechanische
Bremse muss nur noch wenig kinetische Energie abbauen, so dass sie
entsprechend klein dimensioniert sein kann. Es kann sich beispielsweise
um eine vorhandene Haltebremse handeln.
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Die
Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer
Schaltvorrichtung und einer Einrichtung, welche die Ströme des elektrischen
Motors misst und ein Steuersignal an die Schaltvorrichtung ausgibt,
anzugeben, wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Energieaufnahme-Einrichtung und einen Komparator in der Einrichtung,
welche die Ströme
des elektrischen Motors misst, wobei an dem Komparator ein Gleichrichtwert der
Strommessung und mindestens ein Sollwert anliegt und der Komparator
einen Ausgangswert liefert, der ein Steuersignal bedingt, das bei
Unterschreiten eines ersten Sollwertes die Schaltvorrichtung in
einen den Motor kurzschließenden
Zustand versetzt und bei Überschreiten
eines zweiten, nicht kleineren Sollwertes den generierten Strom über die
Energieaufnahme-Einrichtung schaltet.
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Bei
der Schaltvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Widerstandsanordnung
handeln, welche bei der Einleitung des Abbremsvorganges mittels
Schalter die elektrische Maschine vom Stromrichter trennt und den
generierten Strom der Maschine über
mindestens einen Bremswiderstand leitet.
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Beispielsweise
kann für
eine mit Drehstrom betriebene Synchronmaschine jede der drei Leitungen
der Synchronmaschine mittels eines Kipp-Schalters vom versorgenden
Stromrichter getrennt werden und über je einen Bremswiderstand
mit den anderen Leitungen verbunden werden, wobei zum Kurzschließen der
Synchronmaschine die Bremswiderstände der Schaltvorrichtung jeweils
parallel von einem ansteuerbaren elektrischen Ventil überbrückt werden. Die
elektrischen Ventile sind der während
des Abbremsvorganges von der Einrichtung angesteuerte Teil der Schaltvorrichtung.
Das Umschalten vom Normalbetrieb des über den Stromrichter gespeisten elektrischen
Motors auf das erfindungsgemäße Verfahren
zum Abbremsen erfolgt in dem angegebenen Ausführungsbeispiel durch das Umlegen
der Kipp-Schalter und das Einschalten der Einrichtung. Die Umschaltung
der Steuerung vom Normalbetrieb auf die erfindungsgemäße, besonders
sichere Steuerung zum Abbremsen ist hier nicht näher dargestellt, da sie für den Fachmann
einfach zu realisieren ist und nicht als Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten
soll.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel kann
die Schaltvorrichtung einen elektronischen Wechselrichter aufweisen,
dem auf der Gleichspannungsseite mindestens ein Bremswiderstand
parallel geschaltet ist. Mittels Kipp-Schalter kann der elektrische
Motor zum Abbremsen vom versorgenden Stromrichter getrennt werden
und die Leitungen können
mit dem Wechselrichter verbunden werden. Der Wechselrichter kann
beispielsweise dreiphasig sein mit zwei Wechselrichterbrücken, über welche
der vom Motor generierte Strom gleichgerichtet über den mindestens einen Bremswiderstand
schaltbar ist. Hierzu sind die elektrischen Ventile der Wechselrichterbrücken gesperrt.
Die elektrischen Ventile können beispielsweise
Insulated Gate Bipolar-Transistoren sein. Zum Kurzschließen der
drei Leitungen des Motors sind die Transistoren der einen Wechselrichterbrücke geöffnet, während die
Transistoren der anderen Wechsel richterbrücke gesperrt bleiben. Das Öffnen und
Sperren der Transistoren erfolgt durch das Steuersignal der Einrichtung,
beispielsweise indem das Ausgangssignal des Komparators über Treiberschaltungen
die schaltbaren Halbleiter öffnet
oder schließt.
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Der
Komparator kann beispielsweise ein beschalteter Operationsverstärker sein.
Die Beschaltung kann der eines Schmitt-Triggers entsprechen. Bei diesem Ausführungsbeispiel
des Komparators wird der Gleichrichtwert nur mit einem einzigen
Sollwert verglichen.
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Beispielsweise
kann als vorteilhaft angesehen werden, dass die Energieaufnahme-Einrichtung ein
Bremswiderstand ist.
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Die
Realisierung der Energieaufnahme-Einrichtung als Bremswiderstand
wandelt die abzuführende
elektrische Energie aus dem Motor in Wärme um. Diese Methode ist besonders
sicher.
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Es
kann beispielsweise als vorteilhaft angesehen werden, dass die Schaltvorrichtung
der Pulswechselrichter des elektrischen Motors ist und der Bremswiderstand
parallel zum Pulswechselrichter im Gleichspannungs-Zwischenkreis
angeordnet ist.
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Der
Pulswechselrichter kann ein Teil eines Traktionsumrichters sein.
Der Traktionsumrichter wandelt die Netzspannung in Gleichspannung
um, die dann am Kondensator des Gleichspannungs-Zwischenkreises
anliegt. Die dort anliegende Gleichspannung wird dann mit dem Pulswechselrichter
in Wechselspannung mit gewünschter
Frequenz umgewandelt.
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Der
Pulswechselrichter wird zur Versorgung des elektrischen Motors im
Normalbetrieb von einer Steuereinheit gesteuert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ersetzt diese Steuereinheit durch die einfache und sichere Einrichtung.
Der ohnehin vorhandene Pulswechselrichter kann als Teil der Vorrichtung
genutzt werden. Dies spart Kosten und Platz.
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Es
kann beispielsweise vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Einrichtung
für jede
der drei Leitungen eines mit Drehstrom betriebenen Motors einen
Stromwandler aufweist und die Stromwandler an einem B6-Diodengleichrichter
anliegen.
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Über die
Stromwandler sind die starken Ströme des Motors in geringe Ströme transformierbar. Diese
können
einfacher gehandhabt werden und erzeugen aufgrund ihrer Phasenlage
am Ausgang des B6-Diodengleichrichters ein im Wesentlichen geglättetes Gleichrichtsignal.
Dieses ist beispielsweise über
einen Bürdenwiderstand
RB direkt dem Komparator zuführbar.
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Weiter
kann beispielsweise vorteilhaft vorgesehen sein, dass zum Kurzschließen des
elektrischen Motors das Steuersignal über ein flankengetriggertes
D-Flip-Flop mit nachgeschalteten UND-Gattern wechselweise unterschiedliche
elektrische Ventile öffnet.
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Die
elektrischen Ventile können
beispielsweise abschaltbare Tyristoren oder Leistungs-Transistoren
sein. Diese werden aufgrund der Kurzschluss-Ströme erhitzt und können durch
das abwechselnde Schalten von unterschiedlichen Ventilen verbessert
abkühlen.
Dies erhöht
die Ausfallsicherheit. Die Wechselschaltung mittels flankengetriggertem
D-Flip-Flop mit nachgeschaltetem UND-Gatter benötigt keine externe Steuerung.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels schematisch
in einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend beschrieben. Dabei zeigt
die
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1 einen
Schaltplan einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens in Verbindung mit einem mit Drehstrom gespeisten Motor,
und die
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2 den
Schaltplan der 1, welcher so erweitert ist,
dass der Motor über
wechselnde Baugruppen kurzschließbar ist.
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Die 1 zeigt
einen Schaltplan eines Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens. Die drei Motorleitungen A, B, C des Motors 7 sind über Stromwandler
AM1, AM2, AM3 mit einer Schaltvorrichtung (Wechselrichter) 8 verbunden.
Die Schaltvorrichtung 8 besteht aus zwei Wechselrichterbrücken, von
denen die eine die ersten Dioden D1, D3 und D5 aufweist, welche
durch die ersten Ventile (IGB-Transistoren) T1, T3 und T5 überbrückbar sind,
und die andere die zweiten Dioden D2, D4 und D6 mit den zweiten
Ventilen (Transistoren) T2, T4 und T6 aufweist. Zur Steuerung der
Ventile T1 bis T6 sind Leistungen 1 bis 6 mit
den Ventilen T1 bis T6 verbunden. Die ersten Ventile der einen Wechselrichterbrücke T1,
T3, T5 sind immer gesperrt. Sind die zweiten Ventile der anderen
Wechselrichterbrücke
T2, T4, T6 ebenfalls gesperrt, wird der vom Motor 7 generierte
Strom durch die Dioden D1, D2, D3, D4, D5, D6 gleichgerichtet und
lädt einen
Kondensator C1 auf, welcher durch einen Bremswiderstand R1 entladen
wird. Durch das Umwandeln der elektrischen Energie in Wärme in dem
ausreichend dimensionierten Bremswiderstand R1 sinken die Ströme in den
Motorleitungen A, B, C des Motors 7. Dies führt zu einem
Absinken seines Bremsmoments.
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Eine
Einrichtung aus den Stromwandlern AM1, AM2, AM3, einem Gleichrichter 9 und
einem Komparator 10 misst die Ströme in den Motorleitungen A,
B, C. Die von den Stromwandlern AM1, AM2, AM3 transformierten Ströme werden
dem Gleichrichter 9 zugeführt. Der Gleichrichter 9 ist
ein B6-Diodengleichrichter. Der von dem Motor 7 erzeugte
Drehstrom wird aufgrund seiner unterschiedlichen Phasen in den Motorleitungen
A, B, C durch den Gleichrichter 9 in ein geglättetes Gleichrichtsignal
umgewandelt. Die an einem Widerstand RB abgegriffene
Spannung entspricht diesem Gleichrichtsignal. Der Komparator 10 besteht
aus einem Operationsverstärker 11 mit
einer Mitkopplung über
einen Widerstand R3. Durch die Beschaltung mit Widerständen R2,
R4 und R3 liegt am Ausgang des Komparators 10 die Versorgungsspannung
des Operationsverstärkers 11 an, deren
Vorzeichen sich beim Über-
oder Unterschreiten des Sollwertes, der am Komparator 10 in
der Form einer Spannung Uisoll anliegt, ändert. Durch
diesen Vorzeichenwechsel werden die zweiten Ventile (Transistoren)
T2, T4, T6 zwischen einem gesperrten und einem geöffneten
Zustand hin- und hergeschaltet. Sie stehen dazu über die Leitungen 2, 4 und 6 mit dem
Ausgang des Komparators 10 in Verbindung, während die
Leitungen 1, 3 und 5 geerdet sind. Im geöffneten
Zustand schließen
die Ventile die Motorleitungen A, B, C kurz.
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Die 2 zeigt
den Schaltplan der 1 mit einer Erweiterung, so
dass der Motor 7 über
wechselnde Baugruppen kurzschließbar ist. Sofern in den Figuren
Bauteile dargestellt sind, die gleichartig sind oder gleich wirken,
sind diese Vorrichtungen mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die
in 2 dargestellte erweiterte Schaltung weist zusätzlich ein
flankengetriggertes D-Flip-Flop 12 und nachgeschaltete UND-Gatter 13 auf.
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Die
Erweiterung sorgt dafür,
dass bei einem Überschreiten
des Sollwertes durch den Gleichrichtwert das am Ausgang des Komparators 10 vorliegende
Sperr-Signal (positive Versorgungsspannung des Operationsverstärkers) an
beiden Ausgängen
der UND-Gatter 13 vorliegt und über die Treiberschaltungen
der Ventile diese sperrt. Bei einem Unterschreiten des Sollwertes
durch den Gleichrichtwert sorgen das D-Flip-Flop 12 und
die UND-Gatter 13 dafür, dass
das am Ausgang des Komparators 10 vorliegende Steuersignal
abwechselnd an den Ausgängen der
UND-Gatter 13 anliegt und somit der Motor 7 abwechselnd über die
beiden Wechselrichterbrücken kurzgeschlossen
wird.