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Die
vorliegende Erfindung betrifft Stromrichter, und insbesondere betrifft
die Erfindung Stromrichter zum Ausgeben von Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom,
der für
Drehstromgeräte,
wie etwa Motoren, genutzt werden kann.
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Eine
Vielzahl von Stromrichtern zum Bereitstellen einer Vielzahl von
Arten und Pegeln von Strom für
eine Vielzahl unterschiedlicher Zwecke steht auf dem Markt zur Verfügung. Eine
Anzahl dieser Stromrichter ist dazu ausgelegt, Dreiphasenwechselstrom
bzw. Drehstrom zur Nutzung durch Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschinen
und andere Geräte
auszugeben. Auf dem Gebiet von Elektromotoren und Motorantrieben
kann beispielsweise ein Wechselstrommotor mit einem Motorantrieb
verbunden sein, der einen Stromrichter enthält (und als solcher arbeitet)
und Drehstrom für den
Motor in gesteuerter Art und Weise bereitstellt. Durch Steuern der
Ströme
(und Spannungen), die einem gegebenen Motor zugeführt werden
(bzw. an diesen angelegt werden), ist der Motorantrieb ferner in
der Lage, die Motordrehzahl, das Drehmoment und andere Motorleistungseigenschaften
zu steuern.
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Eine
Art eines Stromrichters, der bei derartigen Motorantrieben zum Einsatz
kommt, ist der Spannungsquelleninverter (VSI = Voltage Source Inverter).
In 1 ist ein derartiger VSI-Stromrichter 2 gemäß dem Stand
der Technik schematisch gezeigt. Demnach kann ein eingespeister
oder eingegebener Drehstrom, der von einer Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstromquelle 4 empfangen
wird, bei der es sich um ein Elektrizi tätswerk oder eine Stromleitung oder
eine andere Quelle handeln kann, modellhaft (wie dargestellt) als
drei getrennte Spannungsquellen Va, Vb und Vc dargestellt werden.
Der Eingangsstrom wird durch den VSI-Stromrichter 2 in
einen Dreiphasenausgangswechselstrom umgesetzt, der für eine Last 6 geeignet
ist, im vorliegenden Beispiel für
einen Dreiphasenwechselstrommotor (beispielsweise einen Induktionsmotor
oder einen Synchronmotor), und er kann modellhaft dargestellt werden
als drei Widerstände 46,
die jeweils mit drei Induktoren in Reihe geschaltet sind, die drei
unterschiedliche Wicklungen des Motors darstellen.
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Der
VSI-Stromrichter 2 arbeitet zweistufig, in einer ersten
Stufe, bei der es sich um einen Gleichrichter 8 handelt,
der den eingegebenen Wechselstrom in Gleichstrom umsetzt, und einer
zweiten Stufe, bei der es sich um einen Inverter 10 handelt,
der Gleichstrom in Dreiphasenausgangswechselstrom gewünschter
Frequenz und Amplitude für
die Last 6 umsetzt. In der Ausführungsform von 1 ist
der Gleichrichter 8 ein Impulsbreiten modulierter (PWM-) Gleichrichter,
der erste, zweite und dritte Paare von bipolaren Transistoren mit
isoliertem Gate (IGBTs) 12, 14 und 16 nutzt.
Die IGBTs von jedem Paar 12, 14 und 16 sind
zwischen erste und zweite Knoten 18 und 20 in
Reihe geschaltet. Außerdem
sind die ersten und zweiten Kondensatoren 22 und 24 zwischen die
ersten und zweiten Knoten 18 und 20 in Reihe geschaltet.
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Erste,
zweite und dritte Knoten 26, 28 und 30 zwischen
den jeweiligen Paaren von IGBTs 12, 14 und 16 sind
mit ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüssen 27, 29 und 31 des
VSI-Stromrichters 2 mittels jeweiliger Eingangsfilterinduktoren 44 verbunden,
wobei die Eingangsanschlüsse
jeweils Strom von den jeweiligen Spannungsquellen empfangen. Was
den Inver ter 10 betrifft, handelt es sich bei ihm ebenfalls
um eine PWM-Vorrichtung, die erste, zweite und dritte Paare von
IGBTs 32, 34 und 36 nutzt. Wiederum sind
die IGBTs von jedem Paar 32, 34 und 36 gegenseitig
in Reihe zwischen die ersten und zweiten Knoten 18 und 20 sowie
parallel zu Kondensatoren 22, 24 der IGBT-Paare
des Gleichrichters 8 geschaltet. Erste, zweite und dritte
zusätzliche
Knoten 38, 40 und 42 sind ferner jeweils
zwischen den IGBTs von jedem Paar 32, 34 und 36 gebildet
und mit der Last 6 derart verbunden, dass erste, zweite
und dritte Ausgangsstromphasen (in 1 mit A,
B und C bezeichnet) für
die Last bereitgestellt werden.
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Jeder
der IGBTs von jedem der Paare 12, 14, 16, 32, 34 und 36 wird
durch einen Controller 33 (z. B. einen Mikroprozessor)
zum Ein- und Ausschalten zu geeigneten Zeitpunkten derart gesteuert,
dass im Wesentlichen Gleichstrom (beispielsweise eine Gleichstromquelle) über den
ersten und zweiten Knoten 18, 20 derart aufscheint,
dass der Gleichstrom seinerseits in den gewünschten Ausgangswechselstrom
umgesetzt wird, der als die Phasen A, B und C bereitgestellt wird.
Diskontinuitäten
und/oder auf Grund von Pulsieren der IGBTs induzierte Welligkeit werden
durch den Betrieb der Kondensatoren 22, 24 weitgehend
geglättet.
Obwohl der Gleichrichter 8 und der Inverter 10 IGBTs
verwendend dargestellt sind, können
in alternativen Ausführungsformen
der Gleichrichter und/oder Inverter andere Halbleiter basierte Festkörperschaltvorrichtungen
verwenden, wie etwa Silizium gesteuerte Gleichrichter (SCRs), Gate-Abschalt-Thyristoren
(GTOs), Gate-kommutierte Thyristoren (GCTs) oder andere Schaltvorrichtungen.
In zumindest einigen Ausführungsformen
kann der Gleichrichter 8 in einfacher Weise Dioden nutzen.
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Da
in dem Gleichrichter 8 und/oder dem Inverter 10 Schaltvorrichtungen
zum Einsatz kommen, werden zeitlich variierende Gleichtaktspannungen erzeugt.
Die Gleichtaktspannungen scheinen in den Ausgangsphasen A, B und
C des VSI-Stromrichters 2 auf und damit in den Motorwicklungen
der Motorlast 6. Wenn ein Neutralleiter (in 1 als
Knoten g gezeigt), der mit der Eingangsstromquelle 4 verbunden ist,
geerdet bzw. auf Masse gelegt wird, scheint die Gleichtaktspannungen
zwischen den Motorwicklungen und Masse auf. Unter der Voraussetzung,
dass die Motorwicklungen der Motorlast 6 miteinander verbunden
sind, scheinen die Gleichtaktspannungen als Gesamtgleichtaktspannung
V0 am Knoten 0 auf, die als mit der tatsächlichen
Masse mittels einer Streukapazität
C0 verbunden angesehen werden kann. Während die
Gleichtaktspannungen mehrere Bestandteile mit unterschiedlichen
Frequenzen enthalten können,
liegt üblicherweise
die vorherrschende oder größte Komponente
einer Gleichtaktspannung mit dem dreifachen der Quellenfrequenz
vor. Für
eine typische Dreiphasenwechselstromquelle, die 60 Hz-Wechselstrom
bereitstellt, beträgt
die vorherrschende bzw. größte Komponente
der Gleichtaktspannungen, die durch den Stromrichter 2 erzeugt werden,
bei etwa 180 Hz.
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Abhängig von
einer Vielzahl von Faktoren, einschließlich der in Betracht zu ziehenden
Strompegel, der Umwelt- und anderer Betriebsbedingungen sowie der
Konstruktion der Motorlast 6 (oder einer anderen Last),
können
Gleichtaktspannungen unter bestimmten Umständen eine recht hohe Amplitude aufweisen,
und in jedem Fall können
sie Pegel potenziell erreichen, die über den Isolationsnennwert
bzw. die Isolationsnennwerte der Motorwicklungen hinausgehen (oder über andere
Lastnennwerte). Folglich kann das Betreiben der Motorlast 6 in
einer zu derartigen Gleichtaktspannungen resultierenden Weise das
Risiko in sich bergen, den Motor zu beschädigen oder die Lebensdauer zu
verkürzen.
Obwohl Motoren mit hohen Isolationsnennwerten derart konstruiert
sein können,
dass die Motoren durch derartige Gleichtaktspannungen nicht beeinträchtigt werden,
sind nicht sämtliche
Motoren derart konstruiert und eine Erhöhung der Isolationsnennwerte
eines Motors kann zu einer Kostensteigerung für einen Motor führen. Außerdem ist
es für
Motorenhersteller erwünscht,
Risiken nicht in Betracht ziehen zu müssen, die durch Gleichtaktspannungen
hervorgerufen sind, wenn sie ihre Motoren konstruieren.
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Unter
der Voraussetzung, dass es erwünscht ist, über Stromrichter
zu verfügen,
die keine Gleichtaktspannungen erzeugen, oder zumindest nur Gleichtaktspannungen,
die im Vergleich zu solchen signifikant reduziert sind, die durch
herkömmliche Stromrichter
erzeugt werden, ist eine Vielzahl modifizierter Stromrichterkonstruktionen
entwickelt oder getestet worden. Jede dieser modifizierten Stromrichterkonstruktionen
ist jedoch entweder nicht in der Lage, Gleichtaktspannungspegel
soweit zu reduzieren, dass zufrieden stellende Pegel auftreten,
oder sie bringen andere Nachteile mit sich. Beispielsweise versuchen
einige modifizierte Stromrichterkonstruktionen, den Pegel von Gleichtaktspannungen
zu reduzieren, die sie erzeugen, indem das Ein- und Ausschaltpulsieren
der IGBTs oder anderer Schaltvorrichtungen innerhalb der Stromrichter
kontrolliert bzw. gesteuert wird. Derartige modifizierte Stromrichter
sind jedoch komplizierter zu betreiben und zu steuern, und sie erzielen
ihre Ergebnisse auf Kosten der Stromrichter-Modulation-Indices und/oder von THDs
(= Total Harmonic Distortion Levels bzw. THP-Pegel) bezüglich Spannung
und Strom, und sie sind in jedem Fall nicht in der Lage, die Gleichtaktspannungen
zu beseitigen.
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Andere
modifizierte Stromrichterkonstruktionen versuchen, Gleichtaktspannungen
zu kompensieren und zu beseitigen, indem sie Gegen-Gleichtaktspannungen
unter Verwendung zusätzlicher Schalter
oder unter Verwendung von Isolationstransformatoren erzeugen. Die
Verwendung zusätzlicher Schalter
kann jedoch zu einer Erhöhung
der Komplexität
des Steuervorgangs der Stromrichter führen sowie zu einer Erhöhung der
Kosten für
die Stromrichter durch Erhöhen
der Anzahl der Schaltungsbestandteile. Wenn Transformatoren zum
Einsatz kommen, müssen
diese derart ausgelegt sein, dass sie Gleichtaktspannungen handhaben
können.
Der Einsatz derartiger Transformatoren führt außerdem zu einer Erhöhung der
Kosten für
die Stromrichter, und auf Grund der Größe der Transformatoren kann
die Sperrigkeit der Stromrichter erhöht sein.
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Noch
weitere modifizierte Stromrichterkonstruktionen nutzen zusätzliche
passive L-C-Filter zur Unterdrückung
der Gleichtaktspannungen. Die Filter umfassen typischerweise sowohl
Induktoren zum Blockieren von Hochfrequenzgleichtaktspannungen wie
Kondensatoren zum Nebenschließen
der Hochfrequenzgleichtaktspannungen auf Masse. Herkömmlicherweise
sind Dreiphasenwechselstrom- bzw. Drehstrom-L-C-Filter zwischen
dem Inverter des Spannungsumsetzers und der Last angeordnet. Beispielsweise
werden drei unterschiedliche L-C-Filter als Teil (z. B. in Reihe
zu) der Ausgangsknoten 38, 40 und 42 zwischen
den IGBTs 32, 34 und 36 und der Last 6 implementiert,
wie in 1 gezeigt, in Zuordnung zu jeder der drei Phasen
A, B und C. Während die
Nutzung derartiger Filter erfolgreich zur Reduzierung der Pegel
von Gleichtaktspannungen beiträgt, erzielen
die Filter nicht notwendigerweise die erwünschten Reduktionen, insbesondere
insofern, als die Filter, die jeder der unterschiedlichen Phasen
A, B und C zugeordnet sind, nicht notwendigerweise kollektiv derart
zusammenwirken, dass Ungleich gewichte zwischen den Gleichtaktspannungen
mit den unterschiedlichen Phasen A, B und C berücksichtigt werden.
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Zumindest
aus diesen Gründen
besteht deshalb ein Bedarf an einem verbesserten Stromrichter, der
stärker
reduzierte Pegel an Gleichtaktspannungen erzeugt als herkömmliche
Stromrichter, oder der diese Spannungen vollständig unterdrückt. Ferner wäre es von
Vorteil, wenn ein verbesserter Stromrichter keine signifikante Anzahl
zusätzlich
kostenaufwendiger Bestandteile enthalten würde, die zu physikalisch großen oder
sperrigen Teilen führen,
und der Stromrichter keine noch komplizierte Steuertechniken erfordern
in Bezug auf das Steuern der Arbeitsweise seiner Schaltvorrichtungen
oder anderen Bestandteilen. In zumindest einigen Ausführungsformen
wäre es
von Vorteil, wenn der verbesserte Stromrichter als verbesserter
Treiber dienen könnte, der
dazu geeignet ist, verbesserten Drehstrom bzw. Dreiphasenwechselstrom
mit reduzierten Gleichtaktspannungspegeln (oder ohne Gleichtaktspannung) für Dreiphasenwechselstrommotoren
bzw. Drehstrommotoren und ähnliche
Maschinen bereitzustellen.
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Die
vorstehend genannten Ziele werden erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1
erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben erkannt, dass zumindest
einige Ausführungsformen
eines verbesserten Stromrichters zur Erzeugung reduzierter Gleichtaktspannungspegel
bereitgestellt werden können,
wenn innerhalb des Stromrichters sowohl induktive Bestandteile zum
Ausfiltern von Gleichtaktspannungen vorgesehen werden wie zusätzlich eine
unabhängige
Verknüpfung
zum Verbinden der Ausgangsphasen mit den drei Eingangsphasen, um
in effektiver Weise einen neutralen Lastpunkt mit einem neutralen
Massepunkt zu verbinden, der mit der Spannungsquelle einhergeht
bzw. mit dieser verbunden ist. In zumindest einigen der erfindungsgemäßen Ausführungsformen
handelt es sich bei den Stromrichtern um solche, die sowohl Gleichrichter
wie Inverter nutzen. Abhängig
von der Ausführungsform
können
ferner die induktiven Bestandteile auf der Außenseite des Inverters positioniert
werden, auf der Innenseite des Gleichrichters und/oder zwischen
Gleichrichter und Inverter. Ebenfalls abhängig von der Ausführungsform
kann die unabhängige
Verknüpfung
die Ausgangsphasen und Eingangsphasen enthalten und/oder koppeln
mit Hilfe von Kondensatoren und/oder Widerständen.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung in zumindest einigen Ausführungsformen
einen Dreiphasenstromrichter. Der Dreiphasenstromrichter umfasst
einen Gleichrichterabschnitt zum Empfangen erster, zweiter und dritter
Eingangswechselspannungen an ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüssen des
Gleichrichterabschnitts, und einen Inverterabschnitt mit zumindest
einem Eingangsknoten, der zumindest indirekt mit zumindest einem
Ausgangsknoten des Gleichrichterabschnitts verbunden ist, wobei
der Inverterabschnitt erste, zweite und dritte Wechselstromausgangsspannungen
an ersten, zweiten und dritten Ausgangsanschlüssen des Inverterabschnitts
erzeugt. Der Dreiphasenstromrichter umfasst außerdem zumindest eine zusätzliche
Verknüpfung
zum Verbinden der ersten, zweiten und dritten Ausgangsanschlüsse mit
den ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüssen, wobei ein auf Masse gelegter,
neutraler Punkt, der den ersten, zweiten und dritten Eingangswechselspannungen
zugeordnet ist, sich dadurch in Verbindung mit den ersten, zweiten
und dritten Ausgangsanschlüssen
befindet.
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In
zumindest einigen Ausführungsformen umfasst
die vorliegende Erfindung ferner einen Spannungsquelleninverter-(VSI)-Stromrichter. Der VSI-Stromrichter
umfasst erste Mittel zum Konvertieren erster, zweiter und dritter
Phasen des Eingangswechselstroms, der jeweils an den ersten, zweiten und
dritten Eingangsanschlüsse
empfangen wird, in Gleichstrom, und zweite Mittel zum Konvertieren bzw.
Umsetzen des Gleichstroms in erste, zweite und dritte Phasen eines
Ausgangswechselstroms, der jeweils an ersten, zweiten und dritten
Ausgangsanschlüssen
bereitgestellt ist. Der VSI-Stromrichter umfasst ferner dritte Mittel
zum Filtern von Gleichtaktenergie, die zumindest teilweise durch
zumindest eines der ersten und zweiten Mittel erzeugt wird, und
vierte Mittel zum Verknüpfen
der Wechselstromausgangsanschlüsse
mit den Wechselstromeingangsanschlüssen, wodurch ein auf Masse
liegender Neutralleiter, der den Wechselstromeingangsanschlüssen zugeordnet
ist, mit den Wechselstromausgangsanschlüssen in Verbindung gebracht
wird.
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Außerdem betrifft
die vorliegende Erfindung in zumindest einigen Ausführungsformen
ein Verfahren zum Reduzieren einer Gleichtaktspannung, die einem
VSI-Stromrichter zugeordnet ist. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen
mehrerer Gleichtaktfilterinduktoren als Teil des VSI-Stromrichters,
wobei die Filterinduktoren zumindest indirekt mit zumindest einem
Gleichrichterabschnitt und einem Inverterabschnitt des VSI-Stromrichters verbunden
sind. Das Verfahren umfasst ferner das Kommunizieren eines auf Masse
gelegten Neutralleiters von mehreren Eingangsanschlüssen des
VSI-Stromrichters mit mehreren Ausgangsanschlüsse des VSI-Stromrichters mit Hilfe
von zumindest einer zusätzlichen
Verknüpfung.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in
dieser zeigen:
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1 schematisch
einen beispielhaften VSI-Stromrichter gemäß dem Stand der Technik, der einen
Gleichrichter und einen Inverter aufweist, die zwischen einen Dreiphasenspannungsquelle
und eine Dreiphasenlast geschaltet sind,
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2 schematisch
einen verbesserten VSI-Stromrichter in Übereinstimmung mit zumindest einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, der zwischen eine Dreiphasenspannungsquelle
und eine Dreiphasenlast geschaltet ist,
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3 schematisch
einen weiteren verbesserten VSI-Stromrichter
in Übereinstimmung
mit zumindest einigen weiteren Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung, der zwischen eine Dreiphasenspannungsquelle und eine
Dreiphasenlast geschaltet ist, und
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4(a)–4(d) erste, zweite und dritte Kurvenverläufe unter
Darstellung einer beispielhaften zeitlichen Schwankung der Gleichtaktspannung,
einer beispielhaften Frequenzspektraleigenschaft der Gleichtaktspannung,
einer beispielhaften zeitlichen Schwankung der Ausgangsphase mit
der Massespannung, und einer beispielhaften zeitlichen Schwankung
des Ausgangsphasenstroms für
den VSI-Stromrichter gemäß dem Stand
der Technik von 1, und
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5(a)–5(d) erste, zweite und dritte Kurvenverläufe unter
Darstellung einer beispielhaften zeitlichen Schwankung der Gleichtaktspannung,
einer beispielhaften Frequenzspektraleigenschaft der Gleichtaktspannung,
einer beispielhaften zeitlichen Schwankung der Ausgangsphase mit
der Massespan nung, und einer beispielhaften zeitlichen Schwankung
des Ausgangsphasenstroms für
den beispielhaften verbesserten VSI-Stromrichter von 3.
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2 zeigt
schematisch eine erste beispielhafte Ausführungsform eines verbesserten
Stromrichters 52, der mit einer Dreiphasenwechselspannungsquelle 54 und
einer Dreiphasenlast 56 verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform
handelt es sich bei dem Stromrichter 52 um einen Spannungsquelleninverter
(VSI), der nachfolgend näher
erläutert
ist und eine erste Stufe umfasst, bei der es sich um einen Gleichrichter 58 handelt,
und eine zweite Stufe, bei der es sich um einen Inverter 60 handelt.
Die Dreiphasenwechselspannungsquelle 54 repräsentiert
eine Vielzahl von Wechselspannungsquellen zum Bereitstellen erster,
zweiter und dritter Phasen eines elektrischen Wechselstroms für den Stromwandler 52,
einschließlich
beispielsweise einer Stromleitung bzw. einem Elektrizitätswerk oder
anderer Spannungsquellen, und sie können modelliert als drei getrennte
Spannungsquellen Va, Vb und Vc dargestellt werden. In der gezeigten
Ausführungsform handelt
es sich bei der Last 56 um einen Dreiphasenwechselstrommotor
(beispielsweise einen Induktions- oder Synchronmotor), und er ist
modellhaft darstellbar als drei Widerstände 146, die jeweils
in Reihe zu drei Induktoren 148 geschaltet sind, die drei
unterschiedliche Motorwicklungen darstellen. Die Last 56 kann
jedoch auch repräsentativ
sein für
andere Dreiphasenwechselstromlasten, einschließlich beispielsweise von elektromechanischen
Maschinen.
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Wie
ferner in 2 gezeigt, umfasst der Gleichrichter 58 des
Stromrichters 52 erste, zweite und dritte Paare isolierter
bipolarer Gate-Transistoren (IGBTs) 62, 64 und 66.
Die IGBTs von jedem Paar 62, 64 und 66 sind
in Reihe miteinander zwischen erste und zweite Knoten 68 und 70 geschaltet.
Ferner sind erste und zweite Kondensatoren 72 und 74 in Reihe
zwischen die ersten und zweiten Knoten 68 und 70 geschaltet.
Die Kondensatoren 72, 74 dienen zum Beseitigen
bzw. Reduzieren von Welligkeit der Spannung, die durch den Gleichrichter 8 ausgegeben
wird.
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Erste,
zweite und dritte zusätzliche
Knoten 76, 78 und 80, die jeweils zwischen
den IGBTs der ersten, zweiten und dritten Paare 62, 64 und 66 zu liegen
kommen, sind ferner mit ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüssen 82, 84 und 86 des Gleichrichters 58 verbunden,
bei denen es sich außerdem
um Eingangsanschlüsse
für den
gesamten Strominverter 52 handelt. In der vorliegenden
Ausführungsform
sind die ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüsse 82, 84 und 86 jeweils
mit den ersten, zweiten und dritten zusätzlichen Knoten 76, 78 und 80 mittels
erster, zweiter und dritter Eingangsfilterinduktoren 110, 112 und 114 verbunden.
Der Gleichrichter 58 dient dazu, die drei Phasen des Wechselstroms,
der an den ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüssen 82, 84 und 86 von
den jeweiligen Spannungsquellen Va, Vb und Vc empfangen wird, in
Gleichstrom mit einer Gleichspannung umzusetzen, die über den
Knoten 68, 70 ausgegeben wird. Der Gleichrichter 58 erzielt
die Wechselstrom/Gleichstromumsetzung mittels geeignetem Ein- und
Ausschalten (oder Ein- und Auspulsieren) der Paare von IGBTs 62, 64 und 66,
gesteuert durch einen Controller 50, bei dem es sich um
einen Mikroprozessor oder eine andere Steuervorrichtung (beispielsweise
eine programmierbare Logikvorrichtung) handeln kann.
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Bei
dem Inverter 60 handelt es sich ebenfalls um eine PWM-Vorrichtung unter
Verwendung erster, zweiter und dritter Paare von IGBTs 92, 94 und 96, wobei
die IGBTs von jedem Paar 92, 94 und 96 in Reihe
zueinander zwischen die ersten und zweiten Knoten 68 und 70 (parallel
zu den Kondensatoren 72, 74 und den IGBT-Paaren
des Gleichrichters 58) geschaltet sind. Der Schaltbetrieb
der Paare aus IGBTs 92, 94 und 96 wird
ebenfalls durch den Controller 50 gesteuert. Vierte, fünfte und
sechste zusätzliche
Knoten 98, 100 und 102, die jeweils zwischen
den IGBTs der ersten, zweiten und dritten Paare 92, 94 und 96 zu
liegen kommen, geben jeweils erste, zweite und dritte Ausgangswechselspannungen
(als A, B und C dargestellt) aus, die jeweils mit ersten, zweiten
und dritten Ausgangsanschlüssen 104, 106 und 108 verbunden
sind, bei denen es sich um Ausgangsanschlüsse des Stromrichters 52 handelt.
Mehr im Einzelnen sind die vierten, fünften und sechsten zusätzlichen
Knoten 98, 100 und 102 jeweils mit den
jeweiligen Ausgangsanschlüssen 104, 106 und 108 mittels jeweiliger
Paare von in Reihe geschalteten Induktoren verbunden, nämlich Induktoren 116 und 122,
Induktoren 118 und 124 und Induktoren 120 und 126. Bei
jedem der Induktoren 116, 118 und 120 handelt es
sich um einen Ausgangsfilterinduktor, während es sich bei jedem der
Induktoren 122, 124 und 126 um einen
Gleichtaktfilterinduktor handelt, der dazu dient, Gleichtaktspannung(en)
und/oder entgegengesetzte Gleichtaktströme auszufiltern. Wie gezeigt,
sind die drei Gleichtaktfilterinduktoren 122, 124 und 126 magnetisch
derart miteinander gekoppelt, dass sie gegenseitig induktiv sind.
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Die
ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüsse 82, 84 und 86 sind
außerdem
jeweils mit den ersten, zweiten und dritten Ausgangsanschlüssen 104, 106 und 108 mittels
einer zusätzlichen
Verknüpfung 128 verbunden.
Insbesondere sind die ersten, zweiten und dritten Eingangsanschlüsse 82, 84 und 86 jeweils
mit einem Widerstand 130 mittels erster, zweiter und dritter
Kondensatoren 132, 134 und 136 verbunden,
und der Widerstand 130 seinerseits ist mit jedem der ersten,
zweiten und dritten Ausgangsanschlüsse 104, 106 und 108 mittels
vierter, fünfter
und sechster Kondensatoren 138, 140 und 142 verbunden.
Die zusätzliche
Verknüpfung 128 stellt
einen Gleichtaktstromdurchlass bereit und der Widerstand 130 dient
als Dämpfungswiderstand. Durch
die zusätzliche
Verknüpfung 128,
die durch den Widerstand 130 und die Kondensatoren 132–142 gebildet
ist, ist eine Masse der Spannungsquelle 54, die mit g bezeichnet
ist, ausgehend von den Eingangsanschlüssen 82–86 bis
zu den Ausgangsanschlüssen 104–108 in
Verbindung gebracht. Infolge hiervon werden nicht nur die Gleichtaktspannungen
durch die Induktoren 122–126 ausgefiltert, sondern
die Masse wird mit der Last 56 auch derart in Verbindung
gebracht, dass ein Masseanschluss der Last, der mit o bezeichnet
ist, mit der tatsächlichen
Masse effektiv verbunden ist. Der Masseanschluss o besitzt damit
keine große
Nicht-Null-Spannung
bzw. Spannung ungleich Null, und die Spannung des Masseanschlusses
o oszilliert nicht in merklicher Weise um die tatsächliche
Masse g mittels einer beliebigen Streukapazität 144. Die durch den Betrieb
des Stromrichters 52 erzeugten Gleichtaktspannungen werden
hierdurch deutlich reduziert, wenn nicht gar beseitigt.
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Während 2 eine
Ausführungsform
des Stromrichters 52 zeigt, zielt die vorliegende Erfindung
auch darauf ab, andere Ausführungsformen von
Stromrichtern zu umfassen, insbesondere andere VSI-Stromrichter.
Beispielsweise in einer weiteren Ausführungsform können die
Gleichtaktfilterinduktoren 122, 124 und 126,
die in 2 gezeigt sind, nicht in den in 2 gezeigten
Positionen angeordnet sein, sondern stattdessen in Positionen zwischen den
Eingangsanschlüssen 82, 84 und 86 bzw.
den Induktoren 110, 112 und 114. In weiteren
Ausführungsformen
können
die Induktoren 116 und 122 als einziger Induktor
vereinigt bzw. gemeinsam vorliegen, ebenso wie die Induktoren 118 und 124 und
die Induktoren 122 und 126. In Ausführungsformen,
in denen die Induktoren 122, 124 und 126 zur
Gleichrichterseite des Stromrichters 52 verschoben worden sind,
kann der Induktor 122 mit dem Induktor 110 als einziger
bzw. gemeinsamer Induktor vereinigt sein, ebenso wie der Induktor 124 mit
dem Induktor 112 und der Induktor 126 mit dem
Induktor 114. Insofern, als die Paare von Induktoren 116 und 122, 118 und 124 und 120 und 126 in
Reihe geschaltet sind, können
ihre Relativpositionen der Induktoren von jedem Paar von Induktoren
umgedreht bzw. umgekehrt vorgesehen sein (dasselbe trifft im Übrigen zu,
wenn die Induktoren 122, 124 und 126 auf
der Gleichrichterseite des Stromrichters 52 positioniert
werden). Die speziellen Schaltvorrichtungen, die im Gleichrichter 58 und
im Inverter 60 zum Einsatz kommen, können auch ausgehend von den
gezeigten IGBTs abgewandelt sein.
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In 3 ist
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines verbesserten Stromrichters 152 als zwischen dieselbe
Dreiphasenspannungsquelle 56 und dieselbe Dreiphasenlast 56 geschaltet
gezeigt, wie in 2 dargestellt. Der Stromrichter 152 ist
im Großen
und Ganzen derselbe wie der Stromrichter 52 im Hinblick
auf seinen Controller 50, den Gleichrichter 58 und
den Inverter 60 (sowie die zugeordneten IGBTs). Außerdem besitzt
der Stromrichter 152 dieselbe zusätzliche Verknüpfung 128 mit
dem Widerstand 130 und den Kondensatoren 132–142, die
die Eingangsanschlüsse 82–86 des
Stromrichters mit den Ausgangsanschlüssen 104–108 des
Stromrichters verbinden bzw. verknüpfen. Der Stromrichter 152 besitzt
außerdem
dieselben Induktoren 110–114 und 116–120,
die zwischen die Eingangsanschlüsse 82–86 und
den Gleichrichter 58 geschaltet sind sowie zwischen den
Inverter 60 und die Ausgangsanschlüsse 104–108.
Im Gegensatz zu dem Stromrichter 52 nutzt der Stromrichter 152 jedoch
nicht die drei Gleichtaktfilterinduktoren 122–126 (entweder
zwischen dem Inverter 60 und den Ausgangsanschlüssen 104–108 oder
zwischen dem Gleichrichter 58 und den Eingangsanschlüssen 82–86),
sondern statt dessen eine modifizierte Konfiguration, demnach lediglich
erste und zweite Zwischeninduktoren 154 und 156 verwendet
werden.
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Anstatt
die Induktoren 122–126 in
Verbindung mit jeder der drei Phasen zu verwenden, die jeweils in
den Gleichrichter 58 eingegeben oder durch den Inverter 60 ausgegeben
werden, nutzt der Stromrichter 152 statt dessen, wie im
Einzelnen gezeigt, die beiden Zwischeninduktoren 154, 156 zwischen
dem Gleichrichter 58 und dem Inverter 60, derart,
dass die Induktoren einen Nebenschluss bilden, der den Gleichstrom
beeinflusst, der zwischen dem Gleichrichter und dem Konverter bzw.
Wandler kommuniziert wird. Der Inverter 60 ist, wie gezeigt,
nicht direkt mit dem Gleichrichter 58 oder mit seinen ersten und
zweiten Knoten 68 und 70 verbunden. Statt dessen
sind die Knoten des Inverters 60, zwischen welche die Paare
von IGBTs 92–96 geschaltet
sind, die als erste und zweite Knoten 168 und 170 bezeichnet sind,
um diese Knoten von den ersten und zweiten Knoten 68 und 70 des
Gleichrichters 58 zu unterscheiden (obwohl die Knoten des
Inverters 60 physikalisch dieselben sind wie die Knoten
des Inverters, die unter Bezug auf 2 erläutert sind),
typischerweise mit den ersten und zweiten Induktoren 154 und 156 verbunden,
die ihrerseits mit den ersten und zweiten Knoten 68 und 70 des
Gleichrichters 58 verbunden sind. Während erste und zweite Kondensatoren 172 und 174 (die
dazu dienen, Welligkeit zu empfangen bzw. zu glätten) zwischen die ersten und zweiten
Knoten 68 und 70 des Gleichrichters 58 geschaltet
sind, sind dritte und vierte Kondensatoren 176 und 178 (die
ebenfalls dazu dienen, Wellig keit zu empfangen) zusätzlich zwischen
die Knoten 168 und 170 des Inverters 60 geschaltet.
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Die
ersten und zweiten Induktoren 154 und 156 sind,
wie ferner gezeigt, magnetisch gekoppelt, um eine gegenseitige bzw.
gemeinsame Induktanz zwischen diesen Nebenschlüssen bereit zu stellen, und
sie dienen zum Ausfiltern von Gleichtaktspannungen. Unter Verwendung
von zwei Induktoren 154, 156 anstelle der drei
Induktoren 122, 124 und 126, die in 2 gezeigt
sind, besitzt der Stromrichter 152 von 3 bestimmte
Vorteile gegenüber
dem Stromrichter 52 von 2. Da Induktoren
relativ große Wicklungsstrukturen
erfordern, kann die Ausführungsform
von 3, demnach lediglich zwei Induktoren verwendet
werden, physikalisch bzw. körperlich kleiner
sein im Vergleich zu der Ausführungsform
von 2 unter Verwendung von drei Induktoren. Die negativen
Auswirkungen des reaktiven Stroms auf Grund der Last 56,
einschließlich
erhöhter
Nennwerte und Wicklungsverluste, werden reduziert durch Versetzen
der Nebenschlüsse
in die Gleichstromstufe des Stromrichters, wie in 3 gezeigt.
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Das
exakte Ausmaß,
auf das die Gleichtaktspannungen auf Grund des Betriebs der Gleichtaktfilterinduktoren 122–126 und
der zusätzlichen
Verknüpfung 128 des
Stromrichters 52 reduziert werden, sowie auf Grund des
Betriebs der Gleichtaktfilterinduktoren 154 und 156 und
der zusätzlichen
Verknüpfung 128 des
Stromrichters 152, kann abhängig von der Ausführungsform
variieren. Die Reduktion der Gleichtaktspannungen kann jedoch erheblich
sein. Wie in 4 und 5 gezeigt,
können
beispielsweise die Gleichtaktspannungen, die am Ausgang eines herkömmlichen
Stromrichters erzeugt werden (beispielsweise des Stromrichters 2 von 1),
ziemlich groß sein,
wie in 4(a) gezeigt. Im Vergleich
erzeugt der Stromrichter 152 von 3 im Wesentlichen
keine Gleichtaktspannungen, wie in 5(a) gezeigt.
(Es wird bemerkt, dass die speziellen, in 4(a) und 5(a) gezeigten zeitlich variablen Gleichtaktspannungen
lediglich beispielhaft angeführt
sind.)
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Während in 4(a) und 5(a) beispielhafte zeitliche
Schwankungen von Gleichtaktspannungen für die Stromrichter 2 und 152 gezeigt
sind, zeigen die 4(b) und 5(b) jeweils beispielhafte Frequenzspektren
der Gleichtaktspannungen, die durch die jeweiligen Stromrichter 2 und 152 erzeugt
werden, und die 4(c) und 5(c) zeigen jeweils beispielhafte zeitliche
Schwankungen der Ausgangsphase gegenüber Massespannungen der jeweiligen
Stromrichter 2 und 152 (beispielsweise die Spannungen
zwischen den Knoten, die in 1 und 3 mit
A bezeichnet sind, und Masse), und 4(d) und 5(d) zeigen jeweils beispielhafte zeitliche
Schwankungen von Ausgangsphasenströmen der jeweiligen Stromrichter 2 und 152.
Demnach sind das Ausmaß der
Gleichtaktspannungsspektren, die durch den Stromrichter 152 von 3 erzeugt
werden, wie in 5(b) gezeigt, viel
kleiner als das Ausmaß der
Gleichtaktspannungsspektren, die durch den Stromrichter 2 von 1 erzeugt
werden, wie in 4(b) gezeigt. Die Welligkeit
in jeder Ausgangsphase in Bezug auf die Massespannung und des Ausgangsphasenstroms, der
durch den Stromrichter 152 erzeugt wird, wie in 5(c) und 5(d) gezeigt,
ist viel kleiner als die Welligkeit in jeder Ausgangsphase in Bezug
auf die Massespannung und den Ausgangsphasenstrom, der durch den
Stromrichter 2 erzeugt wird, wie in 4(c) und 4(d) gezeigt. Ferner wird bemerkt, dass die
in 5(a)–5(d) gezeigten
Ergebnisse, obwohl sie speziell zu dem in 3 gezeigten
Stromrichter 152 gehören,
ebenfalls im Wesentlichen repräsentativ
für die
entsprechenden Signale sind, die durch den Stromrichter 52 von 2 erzeugt
werden.
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Zusätzlich zu
den vorstehend erläuterten Ausführungsformen
kommen noch weitere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung in Betracht. Während beispielsweise die zusätzlichen
Verknüpfungen 128,
die vorstehend erläutert
sind, zwei Sätze aus
drei Kondensatoren umfassen, die mit einem einzigen Widerstand verbunden
sind, können
in anderen Ausführungsformen
die zusätzlichen
Verknüpfungen
andere Formen annehmen. Beispielsweise kann einer der Sätze aus
drei Kondensatoren (sowohl solche, die mit den Eingangsanschlüssen verbunden sind,
wie solche, die mit den Ausgangsanschlüssen verbunden sind) durch
einen Satz aus drei Widerständen
ersetzt sein. Wie in den in 2 und 3 gezeigten
Beispielen bleibt der Widerstand 130 bzw. 230 weiterhin
als Zwischenvorrichtung erhalten, mit der sämtliche der drei Kondensatoren
und sämtliche der
drei Widerstände
verbunden sind. In jeder der in 2 und 3 gezeigten
Ausführungsformen
sind weiterhin beispielsweise Paare von zwei Kondensatoren (z. B.
die Kondensatoren 72 und 74, die Kondensatoren 172 und 174 und
die Kondensatoren 176 und 178) in Reihe zwischen
die Knoten 68 und 70 bzw. 168 und 170 geschaltet.
In anderen Ausführungsformen
können
jedoch die Kondensatoren von jedem Paar in einen einzigen Kondensator
kombiniert sein.
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In
Ausführungsformen,
die Paare von Kondensatoren nutzen, wie in 2 und 3 gezeigt, ist
es ferner möglich,
die Stromrichter dahingehend zu modifizieren, dass sie zusätzliche
Schaltstrukturen enthalten, die zwischen die Ausgangsanschlüsse 104–108 und
einen oder mehreren Zwischenknoten geschaltet sind, die zwischen
den Kondensatoren von jedem Paar vorliegen. Unter Bezug auf den
in 2 gezeigten Stromrichter kann der Stromrichter beispielsweise
dahingehend modifiziert sein, dass er zusätzliche Schaltbestandteile
enthält, die
jeweils die jeweiligen ersten, zweiten und dritten Ausgangsanschlüsse 104–108 mit
einem Zwischenknoten verbinden, der mit z bezeichnet ist, zwischen
den Kondensatoren 72 und 74. Durch Rekonfigurieren
des Stromrichters 52 in dieser Weise kann eine modifizierte
Version des Stromrichters mit einer Dreiniveautopologie (oder einer "Neutralpunktklemmbrücken"-Topologie) erzielt werden. Ähnliche
Modifikationen können
an dem Stromrichter 152 von 3 vorgenommen
werden, demnach die Ausgangsanschlüsse 104–108 mit
einem Zwischenknoten zwischen den Kondensatoren 176 und 178 verbunden sind,
der mit z2 bezeichnet ist (oder sogar zwischen diese Ausgangsanschlüsse und
den Zwischenknoten, der mit z1 bezeichnet ist, zwischen den Kondensatoren 172 und 174).
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Die
vorliegende Erfindung ist auf eine große Vielfalt von Stromrichtern
anwendbar und diesbezüglich
nicht auf die vorstehend erläuterten
Stromrichter beschränkt.
Abhängig
von der Ausführungsform
können
die Stromrichter in Verbindung mit einer niedrigen Spannung bzw.
einem geringen Strom genutzt werden (beispielsweise Spannungen bis
hin zu 1100 Volt Wechselspannung), in Verbindung mit einer mittleren
Spannung bzw. einem mittleren Strom (beispielsweise zwischen 2300
und 7200 Volt Wechselspannung), und sogar mit Systemen einer noch
höheren
Spannung bzw. eines noch höheren
Stroms. Während
die Stromrichter 52 und 152 spezielle Konstruktionen
eines Gleichrichters und eines Inverters nutzen, die spezielle Brückenkonstruktionen
besitzen (beispielsweise Konfigurationen von Schalt- und/oder Gleichrichtungsvorrichtungen),
soll die vorliegende Erfindung zusätzlich auf weitere Ausführungsformen
von Stromrichtern anwendbar sein, die andere Gleichrichter- und
Inverterkonfigurationen verwenden, einschließlich andere Gleichrichter-
und Inverterkonfigurationen mit unterschiedlichen Brückenanordnungen.
Wie vorstehend angesprochen, müssen
die speziellen, in den Invertern zum Einsatz kommenden Schaltvorrichtungen
nicht notwendigerweise IGBTs sein; vielmehr können sie auch in Gestalt von
SCRs, GTOs, GCTs und anderen Schaltvorrichtungen vorliegen. In ähnlicher
Weise muss es sich bei den in den Gleichrichtern verwendeten Schaltvorrichtungen
nicht notwendigerweise um IGBTs handeln; vielmehr können statt
dessen auch SCRs, GTOs, GCTs oder andere Schaltvorrichtungen oder
sogar schaltfreie Vorrichtungen, wie etwa Dioden, verwendet werden.
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Während die
vorstehend erläuterten
Ausführungsformen
Spannungsquelleninverter-(VSI)-Stromrichter betreffen, soll die
vorliegende Erfindung auch Stromquelleninverter-(CSI)-Stromrichter
umfassen bzw. betreffen. In VSI-Stromrichtern, wie etwa den vorstehend
diskutierten, umfasst der Gleichstromverknüpfungsabschnitt des Stromrichters
(d. h., diejenigen Bestandteile des Stromrichters, die zwischen
den Gleichrichter und den Inverter geschalter sind, wie etwa die
Kondensatoren 72, 74, 172, 174, 176, 178 und
die Induktoren 154, 156, die vorstehend erläutert sind) üblicherweise
einen oder mehrere Kondensatoren, die zwischen jedes Paar von Ausgangsanschlüssen des
Gleichrichters oder jedes Paar von Eingangsanschlüssen des
Inverters oder beide geschaltet sind (beispielsweise die Kondensatoren 72, 74, 172, 174, 176 und 178).
Dessen ungeachtet soll die vorliegende Erfindung auch solche Ausführungsformen
umfassen, bei denen es sich um CSI-Stromrichter handelt, so dass
der Gleichstromverknüpfungsabschnitt
des Stromrichters zwei oder mehr Induktoren umfasst, die die jeweiligen Ausgangsanschlüsse des
Gleichrichters mit den jeweiligen Eingangsanschlüssen des Inverters verbinden
(z. B. mit einem der Induktorverknüpfungsanschlüsse 68 und 168 von 3 und
mit einem weiteren der Induktorverknüpfungsanschlüsse 70 und 170).
In diesen Ausführungsformen
kommen die Gleich taktnebenschlüsse
entsprechend den Gleichtaktfilterinduktoren 154, 156 weiterhin
zum Einsatz, wie beispielsweise in 2 gezeigt,
und zwar in unmittelbarer Nähe
der Ausgangsanschlüsse
der Stromrichter oder in Reihe geschaltet zu den Induktoren des
Gleichstromverknüpfungsabschnitts
zwischen den Ausgangsanschlüssen
des Gleichrichters und den Eingangsanschlüssen des Inverters.
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Die
vorliegende Erfindung soll insbesondere nicht beschränkt sein
auf die vorliegend erläuterten Ausführungsformen
und Illustrationen; vielmehr soll die Erfindung auch modifizierte
Ausgestaltungen dieser Ausführungsformen
umfassen, einschließlich
Teile der Ausführungsformen
in Kombination von Elementen unterschiedlicher Ausführungsformen
miteinander, die sämtliche
unter den Schutzumfang der Erfindung fallen, die durch die nachfolgenden
Ansprüche
festgelegt ist.
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Zusammenfassend
betrifft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Stromrichter,
der reduzierte Pegel an Gleichtaktspannungen erzeugt oder diese
Spannungen sogar vollständig
unterdrückt,
sowie ein Verfahren zum Reduzieren von Gleichtaktspannungen. In
zumindest einigen Ausführungsformen
ist der verbesserte Stromrichter mit Gleichtaktspannungs-Filterinduktoren
und einer Verknüpfung versehen,
die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des
Stromrichters mit einander verbindet, um einen Massepunkt, wenn
er den Eingangsanschlüssen
des Stromrichters (und der Quelle) zugeordnet ist, mit der Last
zu verbinden. In zumindest einigen Ausführungsformen umfasst das Verfahren
das Bereitstellen von Gleichtaktspannungs-Filterinduktoren als Teil des
Stromrichters, wobei die Induktoren zumindest indirekt mit zumindest
entweder einem Gleichrichter oder einem Inverter des Stromrichters
verbunden sind und einen auf Masse gelegten neutralen Leiter bzw.
Punkt von Eingangsanschlüssen
des Konverters bzw. Stromrichters mit Ausgangsanschlüssen des
Konverters bzw. Stromrichters mit zumindest einer zusätzlichen
Verknüpfung
verbinden.